【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 封裝及表面貼附等。 （ 4）單片機(jī)的功耗。例如，如果信號(hào)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(gè)時(shí)候選用 STC 的 單片機(jī)是最合適的。 所以，根據(jù)上述要求，綜合考慮，單片機(jī) STC12C5A60S2 可以作為系統(tǒng)的控制器進(jìn)行使用。 超聲波傳感器選擇 超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)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(chǎng)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(cè)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(cè)距離越短，分辨力也變高。本 設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)的顯示界面，它通過接收控制器發(fā)出的指令顯示相應(yīng)的內(nèi)容，簡(jiǎn)潔明了地體現(xiàn)出整個(gè)設(shè)計(jì)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 液晶顯示屏是帶有字庫(kù)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?xí)r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(jiǎn)單，使用壽命較長(zhǎng)，但是顯示的個(gè)數(shù)和字型有限，顯示效果過于單一。 為使所測(cè)溫度與距離可以同時(shí)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(cè)量傳感器選擇 溫度模塊主要用于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償功能，根據(jù)所采集的溫度 數(shù)據(jù)來修正 測(cè)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(jìn)行簡(jiǎn)單比較。 （ 1）熱敏電阻 熱敏電阻可以將環(huán)境的溫度變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，通過 AD 轉(zhuǎn)換將信號(hào)傳輸給單 片機(jī)，測(cè)出當(dāng)前環(huán)境溫度，但阻值與溫度的關(guān)系非線性化嚴(yán)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(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊，同時(shí)顯示更加精確。 經(jīng)比較，單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，多點(diǎn)測(cè)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 經(jīng)過多方案的比較與選擇決定，該設(shè)計(jì)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(cè)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(jìn)行溫度補(bǔ)償。電路設(shè)計(jì)采用模塊化，以便于調(diào)試與檢修。本章節(jié)將詳細(xì)介紹各模塊的電路結(jié)構(gòu)與功能。 單片機(jī)控制模塊 STC12C5A60S2 單片機(jī) STC12C5A60S2 單片機(jī) 是 高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路， 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 STC12C5A60S2如圖 31 所示。 圖 31 STC12C5A60S2 引腳功能圖 STC12C5A60S2 單片機(jī)引腳功能 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)鐘電路的引腳 XTAL1（ 19） 和 XTAL2（ 18） 為了產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，在單片機(jī)的芯片內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置了一個(gè)反相放大器，其中XTAL1 端口就是片內(nèi)反相放大器的輸入端， XTAL2 端則是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端 。單片機(jī)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(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進(jìn)行振蕩，從而就可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。 （ 3） 復(fù)位引腳 RST（ 9） 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，只要有有兩個(gè)機(jī)器周期即 24 個(gè)振蕩周期以上的高電平在這個(gè)引腳出現(xiàn)時(shí)，那么就將會(huì)使單片機(jī)復(fù)位，如果將這個(gè)引腳保持高電平，那么51單片機(jī)芯片就會(huì)循環(huán)不斷地進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位后的 P0口至 P3口均置于高電平，這時(shí)程序計(jì)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(gè)三態(tài)的雙向口，既可以作為數(shù)據(jù)和地址的分時(shí)復(fù)用口，又可以作為通用輸入輸出口 。 P0 口在有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)將會(huì)被作為地址 /數(shù)據(jù)總線口，此時(shí) P0口就是一個(gè)真正的雙向口；而在沒有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也可以作為通用的 I/O 接口使用，但此時(shí)只是一個(gè)準(zhǔn)雙向口；另外， P0口的輸出級(jí)具有驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LSTTL 負(fù)載的能力即輸出電流不小于 800μ A。 P1 口 （ 1～ 8） 是一個(gè)帶內(nèi)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(qū)動(dòng) 4個(gè) LSTTL 負(fù)載；在使用時(shí)通常不需要外接上拉電阻就能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管；在端口置 1時(shí)，其內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入端口用。對(duì) 于輸出功能，在單片機(jī)工作的時(shí)候，可以通過用程序指令控制單片機(jī)引腳輸出高電平或低電平。 P2 口 （ 21～ 28） 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，而且 P2口具有驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載的能力。 P2 端口置 1 時(shí)，內(nèi)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(duì)內(nèi)部的 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)， 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(chǔ)器時(shí)， 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(chǔ)器時(shí)， P2 引腳上的內(nèi)容在此期間 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 不會(huì)改變。 P3 口 （ 10～ 17） 也是一個(gè)帶內(nèi) 部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口能驅(qū)動(dòng)4個(gè) LSTTL 負(fù)載，這 8個(gè)引腳還用于專門的第二功能。 P3 口作為通用 I/O口接口時(shí)，第二功能輸出線為高電平。 P3口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口電位拉到高電平，作輸入口使用；在對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，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(shí) /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入 ) T1(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 的外部輸入 ) WR（ 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ） RD（ 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ） （ 5） 其它控制或復(fù)用引腳 ○ 1 ALE（ 30）： 地址鎖存有效信號(hào)輸出端。在 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）以每機(jī)器周期兩次進(jìn)行信號(hào)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(chǔ)器的時(shí)候， ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(hào) (此頻率是振蕩器頻率的 1/6),而在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 脈沖會(huì)跳空一個(gè) ,此時(shí)是不可以做為時(shí)鐘輸出。 ○ 2 PSEN___________（ 29）： 片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平時(shí)有效。 當(dāng)單片機(jī)從外部程序存儲(chǔ)器取指令或常數(shù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出 2 個(gè)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(chǔ)器時(shí)， PSEN___________ 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 將不會(huì)有脈沖輸出。 ○ 3 EA_____/Vpp（ 31）： EA_____為 片外程序存儲(chǔ)器訪選用端。當(dāng)該引腳訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)該輸入的是低電平，要使單片機(jī)只訪問片外程序存儲(chǔ)器 ,這時(shí)該引腳必須保持低電平；而在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，用于施加 Vpp 編程電壓。 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC12C5A60S2 主要由復(fù)位電路和時(shí)鐘電路兩部分組成。為確保單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠地工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路可分為上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，本設(shè)計(jì)為考慮周全，采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)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(gè)端口跨接晶體（或陶瓷）振蕩器和兩個(gè)電容就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩電路。一般外接晶體時(shí)，電容選為 30pF 左右。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖 32 所示。圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 超聲 波測(cè)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(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)? 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 所需頻率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)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(jī)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(dòng)型等；機(jī)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(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它 就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 33超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 34超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)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(dòng)板 )接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)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(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子 有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波 。接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)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(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。超聲波傳感器實(shí)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(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn) 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的 40kHz 的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路，本設(shè)計(jì)選用 74LS04 芯片進(jìn)行信號(hào)放大 。 工作時(shí)，由單片機(jī) 產(chǎn)生 40kHz 的脈沖向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號(hào)，再經(jīng) 74LS04 放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)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(gòu)成的， CX20216A 芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)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(huì)輸出一個(gè)低