【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及超聲波發(fā)射 與接收 電路 、單片機(jī)控制與處理 電路以及 輸出與 顯示電路三部分構(gòu)成。 圖 12 為硬件結(jié)構(gòu)框圖。 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁共 39 頁 圖 12 硬件結(jié)構(gòu)圖 論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 僅通過以上介紹可能不能詳細(xì)的闡述 本設(shè)計(jì)的功能和設(shè)計(jì)思想，下面將從超聲波測(cè)距儀的發(fā)射與接收、信號(hào)的控制和 處理 、信 號(hào)的輸出與顯示以及 程序等幾個(gè)部分詳細(xì)講解。其中將附帶系統(tǒng)框圖或程序框圖，從功能到結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹。 本章小結(jié) 本章概要介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟硬件的基本結(jié)構(gòu) ，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的 前景和功用，對(duì)采用的方案進(jìn)行了論證 。通過介紹知道 以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到工業(yè)要求。 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁共 39 頁 2 超聲波測(cè)距儀 的 發(fā)射 與 接收 系統(tǒng) 單片機(jī) 給 超聲波發(fā)射 系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，發(fā)射系統(tǒng) 產(chǎn)生 38KHZ 的超聲波，此時(shí)單片機(jī)處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)返回，超聲波接收 器 接收到回波，同時(shí)接收 系統(tǒng) 將給單片 機(jī)一個(gè)低電平信號(hào)中斷計(jì)數(shù)。從而計(jì)算出超聲波傳輸?shù)臅r(shí)間，通過單片機(jī)的處理計(jì)算出障礙物的距離并反饋給顯示電路顯示。 如圖21 所示 。 圖 21 發(fā)射與接收結(jié)構(gòu)框圖 發(fā)射 系統(tǒng) 發(fā)射 電路 主要由 超聲波 發(fā)射 器 、 74LS04 反向放大 器和一些必要 的 電路構(gòu)成，單片機(jī)產(chǎn)生的 脈沖信號(hào)通過 74LS04 反向放大 驅(qū)動(dòng) 超聲波 發(fā)射器 發(fā)射 38KHZ 的超聲波 。 如圖 22 所示 。 圖 22 發(fā)射 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁共 39 頁 超聲波發(fā)射器 圖 23 發(fā)射器實(shí)物 發(fā)射器的作用是形成與被檢測(cè)對(duì)象相作用的超聲波束，它的特性包括共振頻率、方向性 、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，超聲波束可以是強(qiáng)方向性的、扇狀的、無方向的形狀，還有些發(fā)射器附帶有調(diào)整層，以便發(fā)射器與媒質(zhì)的音內(nèi)阻抗相匹配。超聲波發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括，反壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)、電磁效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)等，它恰好是上述超聲波接 收 的相反作用，所以從結(jié)構(gòu)上看，發(fā)射與接 收 呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 六位反向放大器 74LS04 74LS04 內(nèi)部集成了六個(gè)反向器，同時(shí)具有放大的功能。 74LS04 的管腳如圖24 所示。 圖 24 HD74LS04 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波發(fā)射電路 設(shè)計(jì) 如圖 25 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射器 T 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 38kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波 發(fā)射 器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波 發(fā)射 器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波 發(fā)射 器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁共 39 頁 端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R R5 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波 發(fā)射 器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 圖 25 超聲波發(fā)射電 路原理圖 壓電式超聲波 發(fā)射 器是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波 發(fā)射 器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。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)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，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。超聲波發(fā)射器與接收器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 接收 系統(tǒng) 超聲波接收電路由超聲波接 器 、 CX20216A 紅外線遙控接收前置放大 電路 和一些必要的電路構(gòu)成，反射回來的回波由超聲波接收器 捕捉，然后通過CX20216A 的放大反饋給單片機(jī)終止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁共 39 頁 圖 26 接收部分結(jié)構(gòu)框圖 接收前置放大電路 CX20216 CX20216A 紅外線遙控接收前置放大電路，多適用于電視機(jī)。內(nèi)部電路由前置放大器，自動(dòng)偏置電平控制電路（ ABLC）、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成。 CX20216A 是 CX20216 的改進(jìn)型，二者之間的主要差別在于電參數(shù)略有不同。 CX20216A 也同樣適用于超聲波測(cè)試，主要頻率在 38KHZ~41KHZ，在超聲波應(yīng)用中通常選取 38KHZ。 CX20216A 的引腳注釋 l腳 :超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ 。 2腳 :該腳與 GND之間連接 RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R或減小C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但 C 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R= ， C= 。 3 腳 :該腳與 GND 之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若 容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 。 4腳 :接地端。 5 腳 :該腳與電源端 VCC 接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 0f ，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200kΩ 時(shí)， nf ≈42kHz ，若取 R=220k 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁共 39 頁 Ω，則中心頻率 0f ≈38 kHz。 6腳 :該腳與 GND 之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 7 腳 :遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ，沒有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。 8腳 :電源正極， ～ 5V。 超聲波 接收 電路 設(shè)計(jì) T40K 發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，返回的部分有超聲波接收器接收。超聲波接收部分是為了將反射波 (回波 )順利接收到，超聲波接收換能器 R40K 將接收到的反射波 轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后得到一個(gè) 低電平 送給單片機(jī)的 (INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。 在這里我采用的是集成電路 CX20216A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz與測(cè)距超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。超聲波接收電路如下所示： 圖 27 超聲波接收電路 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁共 39 頁 發(fā)射與接收系 統(tǒng) 產(chǎn)品 裝配 綜上所述，制作 PCB 板 ， 裝配實(shí)物，實(shí)物圖如圖 28. 圖 28 發(fā)射與接收系 統(tǒng) 實(shí)物 圖 本章小結(jié) 本章 先系統(tǒng)介紹發(fā)射系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)功能入手并簡(jiǎn)要介紹了發(fā)射器和 74LS04反向放大器；根據(jù)原理圖 詳細(xì)介紹發(fā)射系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，信號(hào)的具體走向。 介紹完發(fā)射系統(tǒng)用相同的方式介紹了接收系統(tǒng)，因?yàn)榻邮掌骱桶l(fā)射器結(jié)構(gòu)完全相同也就沒在介紹，其中重要元器件為 CX20216A 紅外線遙控接收前置放大電路 ，接收的信號(hào)因?yàn)橛幸欢ǖ膿p失，所以將接收到的信號(hào)放大再送入單片機(jī)。 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁共 39 頁 3 信號(hào) 的 處理 、控制 與輸出顯示 信號(hào)的處理 與控制 本設(shè)計(jì)采用 12MHZ 晶振，通過振蕩電路驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作，單片機(jī)將 12MHZ的頻率分頻為超聲波 發(fā)射 器能夠使用的 頻率為 38KHZ的脈沖信號(hào)通過 腳發(fā)射出去，且單片機(jī) 計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)， 接收系統(tǒng)的接收到回波信號(hào)后，輸出 單片機(jī) 腳 ，單片機(jī) 通過 讀取 腳 信號(hào)并停止計(jì)數(shù)。單片機(jī)通過計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)先計(jì)算出超聲波傳送的時(shí)間，再通過聲速計(jì)算出接收器與障礙物的距離。 如果 接收電路在定時(shí)器沒有記完的時(shí)候 要 加上沒有計(jì)完的部分。 電源電路向單片機(jī)提供工作電壓，當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)復(fù)位電路可以讓程序回到第一條程序進(jìn)行 執(zhí)行，當(dāng)我們按下開關(guān)按鈕的時(shí)候產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，開 關(guān)彈起結(jié)束發(fā)射信號(hào)。 圖 31 信號(hào)的處理與控制結(jié)構(gòu)框圖 微處理器 的介紹 對(duì)于信號(hào)的處理將使用一塊 AT89S52 單片機(jī) ， 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器 (Microcontroller)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非常活躍且頗具生命力的機(jī)種。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器 )、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。因此，單 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁共 39 頁 片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 微處理器 AT89S52 AT89S52 簡(jiǎn)介： 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。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?？臻e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。 圖 32 AT89S52 引腳分布圖 揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁共 39 頁 AT89S52 芯片共 40 引腳 : 1~8 腳 : 通用 I/O 接口 ~ 9 腳 : RST 復(fù)位鍵 10 ~11 腳 :RXD 串口輸入 TXD 串口輸出 12~19:I/O p3 接口 (12,13 腳 INT0 中斷 0 INT1 中斷 1 14~15 : 計(jì)數(shù)脈沖 T0 T1 16,17: WR 寫控制 RD 讀控制輸出端 ) 18~19: 晶振諧振器 20 地線 21~28 p2 接口 高 8 位地址總線 29: psen 片外 rom選通端 單片機(jī)對(duì)片外 rom操作時(shí) 29 腳 (psen)輸出低電平 30:ALE/PROG 地址鎖存器 31:EA/ROM 取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取 32~39:~ 40:電源 +5V 最小系統(tǒng)和復(fù)位電路 單片機(jī)正常工作時(shí)， 需要一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路來構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘信號(hào)，其有兩種時(shí)鐘方式：外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘。外部始終是使用外部振蕩脈沖信號(hào)，常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作，以便于同步。 本設(shè)計(jì)使用 12MHZ 晶振，采用 外部時(shí)鐘 方式， AT89S52 內(nèi)部有一個(gè)可控制的負(fù)反饋反向大器 ，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和