【文章內(nèi)容簡介】 聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路設(shè)計超聲波接收包括接收探頭，信號放大器等部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)射探頭型號相同，否則可能導(dǎo)致接收效果不理想，甚至不能接收回波信號。由于超聲波接收探頭接收的回波信號非常弱，所以必須用放大器進(jìn)行放大，本設(shè)計所用的放大器型號為TL074C，4運(yùn)算放大器。沒有接收到回波信號時，超聲波接收電路的輸出端為低電平，當(dāng)接收到回波信號后，輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?，且高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。具體電路如圖33所示。圖33 超聲波接收電路 HCSR04超聲波測距模塊HCSR04超聲波測距模塊是將超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭、MAX23TL074C及STC11等器件與超聲波收發(fā)電路集成到的一起的一個超聲波測距模塊。可提供2cm400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。HCSR04超聲波測距模塊的電氣參數(shù)如表31所示。HCSR04基本工作原理：(1)采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給最少10μs的高電平信號(2)模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波，自動檢測是否有信號返回(3)有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。表31 HCSR04超聲波測距模塊的電氣參數(shù)電氣參數(shù)HCSR04超聲波測距模塊工作電壓DC 5 V工作電流15mA工作頻率40kHz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10μs的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL 電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸452015mm模塊的接線方式如圖34所示，VCC供5V電源,GND為地線，TRIG為觸發(fā)控制信號輸入，ECHO為回響信號輸出口端。圖34 HCSR04接線圖一個控制口發(fā)出一個10μs以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時器計時，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值，此時間就為此次測距的時間，通過運(yùn)算即可得出距離。這樣不斷的循環(huán)周期測量，就可以在不停地移動的過程中測量距離值了[2]。但是，為防止發(fā)射信號對回收信號的影響，HCSR04超聲波測距模塊的測量周期最好定在60ms以上，所以本設(shè)計將測量周期定在80ms。HCSR04超聲波測距模塊的時序圖如圖35所示。 10μs的TTL 觸發(fā)信號 循環(huán)發(fā)出8個40KHz的脈沖 模塊內(nèi)部發(fā)出信號 輸出回響信號回響電平輸出與檢測距離成正比圖35 HCSR04超聲波測距模塊的時序圖圖35表明只需要提供一個10μs以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40KHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。 顯示模塊設(shè)計在單片機(jī)系統(tǒng)中，最常用的顯示器有：發(fā)光二極管，簡稱LED(Light Emitting Diode)；液晶顯示器，簡稱LCD；熒光管顯示器，簡稱VFD(Vacuum Fluorscents Display)。其中LED是一種極低功耗顯示器，廣泛應(yīng)用于測量產(chǎn)品中。由于本課題不需要復(fù)雜的顯示信息，所以選擇的是LED顯示模塊，可以節(jié)約硬件資源，降低成本。LED數(shù)碼管里面有8只發(fā)光二極管，分別記作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp為小數(shù)點(diǎn)，每一只發(fā)光二極管都有一根電極引到外部引腳上，而另外一只引腳就連接在一起同樣也引到外部引腳上，記作公共端（COM），如圖36所示，而圖37為實(shí)物圖，其中引腳的排列因不同的廠商而有所不同。 圖36 LED數(shù)碼管引腳圖 圖37 LED數(shù)碼管實(shí)物圖市面上常用的LED數(shù)碼管有兩種即共陽極數(shù)碼管與共陰極數(shù)碼管。共陽極是數(shù)碼管里面的發(fā)光二極的陽極接在一起作為公共引腳即公共陽極，在使用時此公共引腳接到電源正極。相反，共陰極就是數(shù)碼管里面的發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共引腳即公共陰極，在使用時此引腳接到電源負(fù)極。單片機(jī)對數(shù)碼管的顯示可以分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示能夠穩(wěn)定地顯示數(shù)值，但是搭建電路時比較煩索。而動態(tài)顯示是數(shù)碼管輪流顯示，只要輪流顯示的速度足夠快，每秒約50次以上，由于人眼的“視覺暫留”特性，看起來就像是連續(xù)顯示[14]。這種顯示方式在數(shù)碼管應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用的最為廣泛，這也是本次設(shè)計中所應(yīng)用的顯示方法。顯示電路如下圖38所示。圖38 LED數(shù)碼管顯示電路 報警電路設(shè)計本設(shè)計采用峰鳴音報警電路。峰鳴音報警接口電路的設(shè)計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過單片機(jī)的1根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動，也可以用一個晶體三極管驅(qū)動。本設(shè)計中，P37輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而發(fā)出蜂鳴；當(dāng)P37輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲[10]。報警電路如圖39所示。圖39 報警電路 單片機(jī)控制電路設(shè)計 主控芯片STC12C56STC12C56是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(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。4路PWM，8路高速10位A/D 轉(zhuǎn)換，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。主要功能特性：(1) 指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051； (2) 片上集成768字節(jié)RAM； (3) 23個雙向I/O口；(4) 復(fù)位后為： 準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強(qiáng)上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個芯片最大不得超過55mA；(5) 采用 ISP（在系統(tǒng)可編程）/ IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；(6) 具有看門狗電路，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶振20M以下時，可省外部復(fù)位電路）；(7) 共6個16位定時器/計數(shù)器，兩個專用16位定時器T0和T1，PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)4個16位定時器；(8) 2個時鐘輸出口，；(9) 通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12 系列是高速的8051，也可再用定時器軟件實(shí)現(xiàn)多串口；(10) 外部中斷9路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，PCA模式可分別或同時支持上升沿中斷/下降沿中斷，Power Down模式可由外部中斷喚醒；(11) A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路；(12) 工作溫度范圍：40~+85℃；本次使用的是STC12C5608AD單片機(jī)，具體引腳圖如圖310。圖310 STC12C5608AD單片機(jī)引腳圖，回波信號傳送給外中斷0 ()，~。 時鐘電路單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘設(shè)計有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種方式為外部時鐘方式[11]。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2[15]。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖311是內(nèi)部時鐘方式的振蕩器電路。電路中的電容典型值通常選擇為30pF左右，電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性[12]。～12MHz之間選擇。圖311 時鐘電路 復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需給復(fù)位引腳RST加上大于2個機(jī)器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就可以使單片機(jī)復(fù)位。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需要按復(fù)位鍵使RST引腳為高電平使單片機(jī)重新啟動[13]。單片機(jī)的復(fù)位功能是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式，此設(shè)計中采用按鍵復(fù)位方式，復(fù)位電路如圖312所示。圖312 復(fù)位電路 本章小結(jié) 本章進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計，詳細(xì)的描述了各模塊電路的組成，其中包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LED數(shù)碼管顯示電路、蜂鳴器報警電路、單片機(jī)控制電路等。著重分析了電路中所用芯片的主要功能及各部分電路的工作原理。系統(tǒng)整體硬件設(shè)計圖詳見附錄附錄2。第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計本設(shè)計采用的是模塊化的思路來進(jìn)行設(shè)計和編寫程序，程序主要由系統(tǒng)主程序和中斷程序構(gòu)成。主程序完成單片機(jī)的初始化，超聲波的發(fā)射和接收、計算超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離、數(shù)碼管顯示和蜂鳴器報警等。系統(tǒng)程序設(shè)計的主要的功能是發(fā)射超聲波、接受超聲波、計算測量距離、數(shù)據(jù)計算、蜂鳴器報警和數(shù)碼管顯示。 系統(tǒng)的主程序設(shè)計整個系統(tǒng)的設(shè)計的關(guān)鍵是對距離進(jìn)行測量的，然后通過單片機(jī)來處理測量數(shù)據(jù)是比較容易實(shí)現(xiàn)的，能精確的實(shí)現(xiàn)測距。在測距中，各種信號對聲速的影響都將干擾到測距的準(zhǔn)確性，其中超聲波的余波信號對整個設(shè)計中測距的精確度的干擾的影響比較大。超聲波接收回路中的超聲波信號一共有兩種波信號：第一種波信號為余波信號就是當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射出信號之后，超聲波接收探頭馬上就接收到的超聲波信號，實(shí)際就是超聲波的發(fā)射信號；另一種波信號就是有效信號，即經(jīng)過障礙物表面反射回來的超聲波回波信號，也是所需要測量的距離數(shù)值。 在進(jìn)行超聲波測距時，實(shí)際上測距就是記錄從超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號開始到接收到信號的聲波的往返時間差，然后通過數(shù)據(jù)計算出距離，對于回波信號需要進(jìn)行檢測的有效信號是反射物體反射的回波信號，所以要盡量避免在檢測時候檢測到余波信號[4]。余波就是在發(fā)射超聲波時超聲波信號直接到達(dá)接受探頭的波信號，同時余波信號也是