【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 100dB 以上 帶寬 6kHz以上 (－ 80dB) 7kHz以上 (90dB) 電容 1600pF 1600pF 絕緣電阻 100MΩ以上 溫度特性 － 20~+60℃ 范圍內(nèi)靈敏度變化在 10dB 以內(nèi) 超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧 振頻率偏移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。 MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)稱頻率。 圖 表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度，因此，適用于物體檢測(cè)與防犯報(bào)警裝置等。 另外，對(duì)于這種傳感器，一般來說溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 傳感器的方向性 超聲波測(cè) 距的原理與系統(tǒng)論述 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波， 從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t，然后求出距離 2ctS? () 式 ()中的 c 為超聲波在空氣中傳播的速度。 限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器 對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離 。 為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍，減少測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射 /接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速 c與溫度有關(guān)，表 。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 表 聲速與溫度的關(guān)系 溫度 (℃ ) － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間 t，即可求得距離 S。 單片機(jī) AT89S52 發(fā)出短暫的 40kHz 信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，檢波電路對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 υ 在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測(cè)物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關(guān)，但在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。系統(tǒng)硬件框圖如圖 ： 圖 系統(tǒng)硬件框圖 單片機(jī)芯片介紹 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 放大電路 檢波電路 單片機(jī)控制 顯示電路 定時(shí)器 放大電路 超聲波發(fā)射器 超聲波接收器 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開 路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地 址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口 ： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) /INT0(外部中斷 0) 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 /INT1(外部中斷 1) T0(記時(shí)器 0外部輸入 ) T1(記時(shí)器 1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 ) P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器 (0000HFFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源 (VPP)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 整個(gè) PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89S52 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 S52 的引腳圖如圖 所示： 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 52 芯片引腳圖 CX20216A的芯片介紹 集成芯片 CX20216 在接收部分電路中起了很大的作用。 CX20216 是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率 40 kHz比較接近，而且CX20216 內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率 f0 可由其 5 腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為 30~60 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來做接收電路。 CX20216 內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下 ： 接收的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端 7腳。當(dāng)接收到與 CX20216濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端 7 腳就輸出低電平，而輸出端 7 腳直接接北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 到 AT89S52 的 INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片 引腳 5的外接電阻 R20，將濾波器的中心頻率設(shè)置在 40 kHz，就可達(dá)到理想的效果。芯片的引腳圖如圖 所示： 圖 CX20216A 芯片引腳圖 74LS245芯片介紹 74LS245 是我們常用的芯片，用來驅(qū)動(dòng) LED 或者其他的設(shè)備，它是 8 路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。 74LS245 還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。當(dāng) 8051 單片機(jī)的 P0 口總線負(fù)載達(dá)到或超過 P0 最大負(fù)載能力時(shí)，必須接入 74LS245 等總線驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)片選端 /CE 低電平有效時(shí)， DIR=“0”，信號(hào)由 B 向 A 傳輸；（接收） DIR=“ 1” ，信號(hào)由 A 向 B 傳輸；（發(fā)送）當(dāng) /CE 為高電平時(shí)， A、 B 均為高阻態(tài)。由于 P2口始終輸出地址的高 8位，接口時(shí) 74LS245的三態(tài)控制端 1G和 2G接地，P2 口與驅(qū)動(dòng)器輸入線對(duì)應(yīng)相連。 P0 口與 74LS245 輸入端相連， E 端接地，保證數(shù)據(jù)現(xiàn)暢通。 8051 的 RD 和 PSEN 相與后接 DIR，使得 RD 或 PSEN 有效時(shí)， 74LS245 輸入（ ←Di ），其它時(shí)間處于輸出（ →Di ）。 其中 74LS245d的真值表如表 ，其中具體引腳圖如圖 ： 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 表 真值表 Enable 非 G Direction Cortrol DIR Operation L L B toA L H A to B H X isolatin 圖 引腳圖 本章小結(jié) 本章我們?cè)敿?xì)介紹了超聲波傳感器的原理及其特性以及所采用的硬件芯片的具體情況和參數(shù)，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理產(chǎn)生超聲波的。超聲波傳感器有四種檢測(cè)方式，分別為穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式、限定距離式超聲波傳感器的檢測(cè)北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 方式、限定范圍式超聲波傳感器的檢測(cè)方式和回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式。超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成。 著重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的一些基本知識(shí)，如單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單片機(jī)的工作原理等，只有詳細(xì)了