【文章內(nèi)容簡介】 將式 ( 2) 代入式 ( 1) 得 : H =L cos[arctan(M/H ) ] (3) 在整個傳播過程中 ， 超聲波所走過的距離為 : 2L = vt (4) 上 式中 : v 為超聲波的傳播速度 ； t為傳播時間 ， 即為超聲波從發(fā)射到 接收的時間。將式 (4) 代入式 (3) 可得 : H = cos [arctan(M/H )] (5) 當(dāng)被測距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 M 時 , 于是式 ( 5) 變?yōu)?: H = （ 6） 這就是所謂的時間差測距法。 首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 9 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，兩者相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一個具有完整功能的系統(tǒng)。對一個系統(tǒng)來說，硬件電路是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)平臺。硬件電路的設(shè)計限定了系統(tǒng)主體的功能與性能，同時，硬件電路的選擇和連接也為軟件程序的編寫提供了依據(jù)。 系統(tǒng)硬件電路部分由 AT89C51 單片機最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、語音報警模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊組成。 AT89C51 為系統(tǒng)主控芯片， 用超聲波傳感器作為測量器件，用單片機中程序進行處理，最后通過 LED 數(shù)碼管顯示出測量的距離值（總體電路圖見附錄一）。若此距離小于一定的數(shù)值（此次 設(shè)計是四米），則進行報警。 單片機的選擇 在系統(tǒng)的設(shè)計中，選擇合適的系統(tǒng)核心器件就成為能否成功完成設(shè)計任務(wù)的關(guān)鍵，而作為控制系統(tǒng)核心的單片機的選擇更是重中之重。目前各半導(dǎo)體公司、電氣商都向市場上推出了形形色色的單片機，并提供了良好的開發(fā)環(huán)境。一般來說，選擇單片機需要考慮以下幾個方面： 單片機的基本性能參數(shù)。例如指令執(zhí)行速度 、 程序存儲器容量 、 I/O 引腳數(shù)量等。 單片機的存儲介質(zhì)。對于程序存儲器來說， Flash 存儲器和 OTP（一次性可編程）存儲器相比較，最好是 Flash 存儲器。 芯片的封裝形式。如 DIP（雙列直插）封裝， PLCC（ PLCC 有對應(yīng)插座）封裝及表面貼附等。 芯片的功耗。比如設(shè)計并口加密狗時，信號線取電只能提供幾 mA 的電流，選用 AT 單片機就是因為它能滿足低功耗的要求。 供貨渠道是否暢通、價格是否低廉。 芯片保密性能好、單片機的抗干擾性能好。 AT89C51在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn) 8051單片機完全兼容，第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 10 DIP40 封裝系列與 8051 為 PintoPin 兼容。 AT89系列單片機高速 (最高時鐘頻率 90MHz)，低功耗，不占用戶資源。 根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，選擇 AT89C51 單片機。 與其 他的單片機相比， AT89C51 有其獨特的特點。首先 AT89C51 是一個低功耗高性能單片機， 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口。其次 內(nèi)含 2 個外中斷口， 2 個 16位可編程定時計數(shù)器 ， 2 個全雙工串行通信口。同時 AT89C51 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 I/O 端口的編程實際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對 I/O 寄存器進行編程。具體步驟如下： (1) 根據(jù)實際電路的要求，選 擇要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 偽指令定義其相應(yīng)的寄存器； (2) 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作； (3) 根據(jù)外圍電路功能，確定 I/O 端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因為 I/O 的復(fù)位缺省值為輸入； (4) 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻； (5) 最后對 I/O 端口進行輸出 (寫數(shù)據(jù)輸出寄存器 )和輸入 (讀端口 )編程，完成對外圍電 路的相應(yīng)功能。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 11 圖 31 AT89C51 的引腳圖 圖 32 AT89C51 單片機芯片外觀圖 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，各接口功能如下： : 產(chǎn)生輸出一個 40KHZ 的脈沖信號。 : 產(chǎn)生輸出一個 40KHZ 的脈沖信號。 : 產(chǎn)生輸出一個 40KHZ 的脈沖信號。 INT0: 產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。 INT1: 產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 12 : 接 ICA3 輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。 : 接 ICA3 輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 接報警電路 。 : 接報警電路 。 : 接報警電路 。 XTAL1：接外部晶 振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一反相 放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時， 引腳應(yīng)接地。 XTAL2：接外部晶振的一個引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。 RST： AT89C51 的復(fù)位信號輸入 引腳，高電位工作，當(dāng)要對芯片要復(fù)位 時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間， AT89C51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài) 。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 13 超聲波測距發(fā)射電路 方案選擇與設(shè)計 方案一：利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生 40kHz 的超聲波信號，并直接驅(qū)動 發(fā)生器 產(chǎn)生超聲波。這種方法的特 點是 無需驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。 方案二：利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特 點是 充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流為 100mA 以上的驅(qū)動電路。 綜合上述情況，本次設(shè)計采用方案一。 發(fā)射電路主要由反向器 74ls04 和超聲波發(fā)生器 T構(gòu)成，單片機 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波發(fā)生器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器送到超聲波的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波發(fā)生器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。 電路設(shè)計如圖 33所示。 1A11Y22A32Y43A53Y6GND74Y84A95Y105A116Y126A13V C C14U 4B74 L S 041KR21KR1T1V C CI N T D12R E S E T9P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167I N T O13T014T115E A V P P31X119X218WR16RD17P 0732P 0633P 0534P 0435P 0336P 0237P 0138P 178P 0039P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E P30R X D10T X D11U5A T 89 C 51V C CV C C 圖 33 超聲波發(fā)射器的設(shè)計 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 14 74LS04簡介 反向器 74LS04 是 6 非門，其工作電壓為 5V，他的內(nèi)部含有 6 個 CMOS 反相器， 74LS04 的作用就是反相把 1 變成 0。 下 表 31 是 其工作 范圍 的分布 情況，圖 34 為 引腳圖介紹。 表 31 執(zhí)行工作的極限值 符號 參量 最小值 最大 值 單位 VCC 電源電壓 V TA 工作溫度范圍 0 75 176。C IOH 最大輸出電流 8 mA IOL 最小輸出電流 mA 圖 34 74LS04 引腳圖 超聲波測距接收電路方案的選擇與設(shè)計 超聲波測距系統(tǒng)接收電路 包括超聲波接收探頭 ,信號放大電路及波形變換電路三部分 。超聲波接受探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號 (主 要是 頻率要求一致，否則會因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收 )。由于經(jīng)接收探頭變換后的正弦波電信 號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦信號不能直接被處理器接收，因此最后必須進行波形變換。常用的波形變換的方法有三種 ： 方案一：采用集成鎖相環(huán) NE567 對放大后的信號進行頻率監(jiān)視和控制。 探第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 15 頭接到回波， 如果 接收到的信號頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由ＲＣ值決定），則其輸出引腳的電平將從 “1” 變?yōu)?“0” （此時鎖相環(huán)已進入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機對接收探頭的接收情況進行實時監(jiān)控。這種方法的特 點是 電路簡單，但鎖相環(huán)接收的頻帶較窄，不易鎖相。 方案二：采用紅外線檢波接收的專用集成芯片 CX20216A，它常用于電視機紅外遙控接收器，由于紅外遙控常用的 38kHz 載波與測距用的 40kHz 超聲波接近，當(dāng)它沒有接收到信號時輸出為高電平，當(dāng)它接收相近頻率的信號時輸出為低電平。因此它可以用來作為超聲波檢測接收電路。這種方法的特 點是 不僅靈敏度很高，抗干擾能力很強，而且還不需要放大電路，可使系統(tǒng)電路更為簡潔。 方案三：采用集成運放芯片（ LM324）作為比較器對放大后的信號進行波形變換。當(dāng)輸入信號的電壓大于基準(zhǔn)電壓時，輸出為 “1” ；當(dāng)輸入信號的電壓小于基準(zhǔn)電壓時，輸出為 “0” ；這樣就起到對輸入信號進行變 換的目 的 。這種方法的特 點是 電路簡單，但選擇比較電壓非常關(guān)鍵。 綜合考慮各種方案的特點 ， 所以用 方案二 。 超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致 ，本設(shè)計采用 TCT40－ 16T/R，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收，必須進行波形變換。按照 上面所討論的，單片機需要的只是第一個回波的時刻。 接收電路的設(shè)計采用 CX20216A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片?？紤]到紅外遙 控常用的載波頻率 38KHz 與測距超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以利用它作為超聲波 發(fā)射 電路。 下面對紅外遙控接收器集成電路 CX20216A 做一個簡要的介紹。 CX20216A 是日本索尼公司生產(chǎn)的彩電專用紅外遙控接收器，采用單列 8腳直插式，超小型封裝。 CX20216A 的基本性能如下： (1） 電源電壓典型值 5V，最大 17V。 (2）電源電流 ～ (典型值為 )。 (3）輸出低電平 。(4）電壓增益 77～ 79dB。 (5）輸入 阻抗為 27kΩ。 (6）濾波器中心頻率 f0 為第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 16 30～ 60kHz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 35所示， 各引腳功能如下表 32 所示。 圖 35 CX20216A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 表 32 CX20216A 引腳功能 引腳 名稱 功能 1 IN 信號輸入端 2 C1 RC 網(wǎng)絡(luò)連接端，該端與地串接一 RC 網(wǎng)絡(luò)，以確定前置放大器的頻率特性與增益。 R 阻值大， C 容量小，增益低；反之則高但 C 不宜過大，否則瞬態(tài)響應(yīng)速度會降低。 3 C2 檢波電容連接端，該端與地接檢波電容，電容量大 ，則為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容值小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動大。 檢波器 及 前置放大 限幅放大 寬頻帶濾波器 比較器 整形 滯后比較器 + —— IN C1 C2 GND fo C3 OUT Vcc 1 8 3 7 4 6 5 2 ABLG 紅外信號輸入 端 增益 調(diào)節(jié)端 檢測端 地 帶通濾波器調(diào)整端 積分端 信號 輸出端