【文章內容簡介】 封裝及表面貼附等。 （ 4）單片機的功耗。例如，如果信號線取電只能提供幾 毫安 的電流，所以為了能滿足低功耗的要求這個時候選用 STC 的 單片機是最合適的。 所以，根據(jù)上述要求，綜合考慮，單片機 STC12C5A60S2 可以作為系統(tǒng)的控制器進行使用。 超聲波傳感器選擇 超聲波傳感器有多種結構形式，可分成直探頭 (接收縱波 )、斜探頭 (接收橫波 )、表面波探頭 (接收表面波 )、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波 。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。 在超聲波測量 系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。本 設計 中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā) 一 體式超聲傳感器 。 顯示模塊 論證 顯示模塊是該設計的顯示界面，它通過接收控制器發(fā)出的指令顯示相應的內容，簡潔明了地體現(xiàn)出整個設計的功能。顯示模塊可采用的方案有數(shù)碼管顯示和液晶顯示屏顯示兩種。 （ 1）液晶顯示屏顯示 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 液晶顯示屏是帶有字庫的高性能顯示器件，它可以顯示數(shù)字、字母、漢字和圖片等，但是液晶顯示屏屬于反光式的，在外界光線過亮時容易看不清。 （ 2） 數(shù)碼管顯 示 使用數(shù)碼管的話，硬件接線雖然比較簡單，使用壽命較長，但是顯示的個數(shù)和字型有限，顯示效果過于單一。 為使所測溫度與距離可以同時顯示，經(jīng)過比較，使用液晶顯示屏顯示可以有更好的顯示效果，所以選擇使用液晶顯示屏顯示。 溫度 測量傳感器選擇 溫度模塊主要用于該系統(tǒng)設計的溫度補償功能，根據(jù)所采集的溫度 數(shù)據(jù)來修正 測距系統(tǒng) 中 的聲速 。 常用的溫度采集元器件為熱敏電阻和 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。下面兩種方案進行簡單比較。 （ 1）熱敏電阻 熱敏電阻可以將環(huán)境的溫度變化轉化成電壓的變化，通過 AD 轉換將信號傳輸給單 片機，測出當前環(huán)境溫度，但阻值與溫度的關系非線性化嚴重，且不易互換。 （ 2） DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20—— 數(shù)字溫度傳感器，單總線的接口方式與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊，同時顯示更加精確。 經(jīng)比較，單總線具有經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，使用方便，多點測溫，供電方式靈活，宜采用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 經(jīng)過多方案的比較與選擇決定，該設計系統(tǒng)硬件采用 STC12C5A60S2 作為控制器，超聲波模塊 HCSR04 作為系統(tǒng) 的測距模塊，液晶顯示屏 1602 作為系統(tǒng)的顯示模塊，溫度傳感器進行溫度補償。電路設計采用模塊化，以便于調試與檢修。本章節(jié)將詳細介紹各模塊的電路結構與功能。 單片機控制模塊 STC12C5A60S2 單片機 STC12C5A60S2 單片機 是 高速、低功耗、超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍。內部集成 MAX810 專用復位電路， 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉換，針對電機控制，強干擾場合。 STC12C5A60S2如圖 31 所示。 圖 31 STC12C5A60S2 引腳功能圖 STC12C5A60S2 單片機引腳功能 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 （ 1）電源引腳 Vcc（ 40）：正電源的引腳，工作電壓是 5 V。 GND（ 20）：接地端。 （ 2）時鐘電路的引腳 XTAL1（ 19） 和 XTAL2（ 18） 為了產(chǎn)生時鐘信號，在單片機的芯片內部已經(jīng)設置了一個反相放大器，其中XTAL1 端口就是片內反相放大器的輸入端， XTAL2 端則是片內振蕩器反相放大器的輸出端 。單片機使用的工作方式是自激振蕩的方式， XTAL1 和 XTAL2 外接的是12 MHz 的石英晶振，使內部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進行振蕩，從而就可以產(chǎn)生時鐘信號。 （ 3） 復位引腳 RST（ 9） 當振蕩器運行時，只要有有兩個機器周期即 24 個振蕩周期以上的高電平在這個引腳出現(xiàn)時，那么就將會使單片機復位，如果將這個引腳保持高電平，那么51單片機芯片就會循環(huán)不斷地進行復位。復位后的 P0口至 P3口均置于高電平，這時程序計數(shù)器和特殊功能寄存器將全部清零。 （ 4） 輸入輸出口（ I/O 口）引腳 P0 口 （ 39～ 32） 是一個三態(tài)的雙向口，既可以作為數(shù)據(jù)和地址的分時復用口，又可以作為通用輸入輸出口 。 P0 口在有外部擴展存儲器時將會被作為地址 /數(shù)據(jù)總線口，此時 P0口就是一個真正的雙向口；而在沒有外部擴展存儲器時，P0口也可以作為通用的 I/O 接口使用，但此時只是一個準雙向口；另外， P0口的輸出級具有驅動 8個 LSTTL 負載的能力即輸出電流不小于 800μ A。 P1 口 （ 1～ 8） 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，而 P1口只有通用I/O 接口一種功能，而且 P1 口能驅動 4個 LSTTL 負載；在使用時通常不需要外接上拉電阻就能夠直接驅動發(fā)光二極管；在端口置 1時，其內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入端口用。對 于輸出功能，在單片機工作的時候，可以通過用程序指令控制單片機引腳輸出高電平或低電平。 P2 口 （ 21～ 28） 是一個帶內部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，而且 P2口具有驅動 4 個 LSTTL 負載的能力。 P2 端口置 1 時，內部上拉電阻將端口的電位拉到高電平，作為輸入口使用；在對內部的 Flash 程序存儲器編程時， P2口接收高 8位地址和控制信息，而在訪問外部程序和 16位外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口就送出高 8 位地址。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 引腳上的內容在此期間 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 不會改變。 P3 口 （ 10～ 17） 也是一個帶內 部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口能驅動4個 LSTTL 負載，這 8個引腳還用于專門的第二功能。 P3 口作為通用 I/O口接口時，第二功能輸出線為高電平。 P3口置 1 時，內部上拉電阻將端口電位拉到高電平，作輸入口使用；在對內部 Flash 程序存儲器編程時，此端接控制信息。 P3口的第二功能，如表 所示。 表 31 P3各口線與專用功能表 I/O 功能 第二功能 RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INT0(外部中斷 0) INT1(外部中斷 1) T0(定時 /計數(shù)器 0 的外部輸入 ) T1(定時 /計數(shù)器 1 的外部輸入 ) WR（ 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ） RD（ 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ） （ 5） 其它控制或復用引腳 ○ 1 ALE（ 30）： 地址鎖存有效信號輸出端。在 訪問片外存儲器時， ALE（地址鎖存允許）以每機器周期兩次進行信號輸出，其下降沿用于控制鎖存 P0 口 輸出的低 8 位地址；在不訪問片外存儲器的時候， ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號 (此頻率是振蕩器頻率的 1/6),而在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 脈沖會跳空一個 ,此時是不可以做為時鐘輸出。 ○ 2 PSEN___________（ 29）： 片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平時有效。 當單片機從外部程序存儲器取指令或常數(shù)時，每個機器周期內輸出 2 個脈沖即兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線 P0 口讀回指令或常數(shù)。但在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN___________ 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 將不會有脈沖輸出。 ○ 3 EA_____/Vpp（ 31）： EA_____為 片外程序存儲器訪選用端。當該引腳訪問片外程序存儲器時，應該輸入的是低電平，要使單片機只訪問片外程序存儲器 ,這時該引腳必須保持低電平；而在對 Flash 存儲器編程時，用于施加 Vpp 編程電壓。 單片機最小系統(tǒng) STC12C5A60S2 主要由復位電路和時鐘電路兩部分組成。為確保單片機系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠地工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路可分為上電復位和手動復位，本設計為考慮周全，采用上電復位和手動復位兩種方式。由于單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳為 XTAL1 和 XTAL2 分別是反相放大器的輸入端和輸出端，在這兩個端口跨接晶體（或陶瓷）振蕩器和兩個電容就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩電路。一般外接晶體時，電容選為 30pF 左右。 單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖 32 所示。圖 32 單片機最小系統(tǒng)電路圖 超聲 波測距模塊 超聲波傳感器介紹 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此，利用超聲波的這種性質就可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉變?yōu)? 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 所需頻率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感器的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械 方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。他們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它 就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結構如下： 圖 33超聲波傳感器外部結構 圖 34超聲波傳感器內部結構 超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動板 )接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子 有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波 。接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。 超聲波發(fā)射端是將電能或機械能轉換成聲能，接收端則反之。超聲波傳感器實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn) 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成 為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號轉換為機械波發(fā)射出去，而單片機所產(chǎn)生的 40kHz 的方波脈沖需要進行放大才能將超聲波探頭驅動將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅動實際上就是一個信號的放大電路，本設計選用 74LS04 芯片進行信號放大 。 工作時，由單片機 產(chǎn)生 40kHz 的脈沖向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號，再經(jīng) 74LS04 放大電路放大后，驅動超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。超聲波發(fā)射電路如圖 35所示。 圖 35 超聲波發(fā)射電路電路圖 超聲波接收電路 由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的信號進行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路 CX20216A 芯片電路構成的， CX20216A 芯片電路可以對超聲波信號進行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢 波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會輸出一個低