【正文】 很微弱，所以信號還要經過放大電路進行放大（采用專用集成檢波接收電路則不需要放大電路），最后再通過波形變換電路將信號轉換成單片機能接收的信號。單片機接收信號后關閉計時器、禁止555 工作、處理有關信息，最后通過顯示電路顯示測量到的距離。顯示一段時間后將進入下一次的測量。在整個測量過程中由于電源電路提供能量才使得各模塊電路在單片機的控制下成功有序地完成一次距離測量?？梢婋娫措娐芬彩窃撓到y(tǒng)不可缺少的一部分。 主控制電路主控制器主要由單片機AT89C5振蕩器和復位電路三部分組成。設計原理圖如31所示，由于它是單片機工作的必要組成部分，所以又稱為單片機最小系統(tǒng)。它是測距儀的控制中樞，也是整個系統(tǒng)的核心部分。它之所以這樣重要是因為它在測距儀中發(fā)揮了四個作用：控制超聲波的發(fā)射；負責處理接收電路發(fā)出的信號； 時間轉化成距離的數(shù)據(jù)處理；協(xié)調端口實現(xiàn)動態(tài)顯示。由上可知，它的正常工作是保證測距儀成功測距的先決條件，單片機最小系統(tǒng)西南科技大學本科生畢業(yè)論文18的設計雖簡單但很關鍵。下面就其作一些簡單的介紹。圖31 單片機最小系統(tǒng)原理圖 AT89C51 單片機單片機，又稱微處理器，是許多自動控制系統(tǒng)中的核心部件?？紤]到顯示電路需要占用比較多的 I/O 口和需要處理較復雜的數(shù)學計算對單片機的運行速度的有較高的要求，本系統(tǒng)選用了 AT89C51 單片機作為主控器件 [8]。AT89C51 是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 時鐘振蕩器單片機外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 CC2 接在放大器（AT89C51中有一個用于構成內部振蕩器的高增益的反相放大器）的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。西南科技大學本科生畢業(yè)論文19為便于 CPU 處理數(shù)據(jù)，讓計時器每計一次數(shù)就是 1us，振蕩器采用了 12MHz的石英晶體。對外接電容 CC2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，這里電容使用 30pF177。10pF。本系統(tǒng)選用外部晶體作為時鐘頻率，晶體振蕩器XTAL1與XTAL2分別為用作片內振蕩器的反向放大器的輸入和輸出。晶體振蕩器連接如下 圖32 晶體振蕩器連接 復位電路本復位電路采用手動復位，在Vcc和RST 端接一容量為22uF左右的電解電容，其兩端并接一個輕觸按鈕（為限制按鈕按下時電容瞬間釋放的電流，避免產生火花，在按鈕一側串聯(lián)一個電阻），利用RST內部復位下拉電阻便構成復位電路。其電路如圖31 所示。手動的好處在于能避免死機時關機復位。其復位過程為：接通電源瞬間，電容上的電壓很小，RST 端上的電壓接近電源電壓，在電容充電過程中，RST端電位逐漸下降，當RST 端電位小于某一數(shù)值后，CPU 脫離復位狀態(tài)；當按鈕按下時，電容通過R1 放電，當電容放完電后，RST端的電位由RR2分壓比決定。由于R2 187。 R1，因此 RST為高電平， CPU進入復位狀態(tài)，松手后，電容 C3開始充電，RST 端電位下降，CPU脫離復位狀態(tài)。 串行通信接口本系統(tǒng)的與 PC 通信采用 RS232 標準串口通信。RS232 是 EIA 40 年前為公用電話網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信而制定的標準，由于 RS232 的發(fā)送和接收是“ 對地” 而言的，采用非平衡模式傳輸，存在共地噪聲，所以其最大傳輸距離和速率在標準中被限定為 15 米和 19200bit/s。西南科技大學本科生畢業(yè)論文20 RS232 電氣特性RS232 對電氣特性、邏輯電平和各種信號線功能都做了規(guī)定。在 TXD 和 RXD 上：邏輯 1（MARK）=3V~15V。邏輯 0（SPACE）=+3V~+15V。在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等控制線上：信號有效（接通，ON 狀態(tài)，正電壓）=+3V~+15V 。信號無效（斷開，OFF 狀態(tài)，負電壓）=3V~15V 。以上規(guī)定說明了 RS232 標準對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于3V ，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V；對于控制信號：接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，低于+15V，斷開狀態(tài)（OFF ）即信號無效的電平高于15V 低于3V，也就是說當傳輸電平的絕對值大于 3V 時，電路可以有效地檢查出來，介于3~+3V 之間和低于15V 或高于 +15V 的電壓無意義，因此，在實際工作時，應保證電平在 （3~5）V 范圍之間。?RS232 電平與 TTL 電平的轉換：前者用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與后者以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此為了同計算機接口或終端的 TTL 器件相連，必須在兩者之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前教為廣泛地使用集成電路轉換元件，MAX232 芯片可完成兩者之間的轉換 [10]。 RS232 連接器機械特性 由于 RS232 并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn) DB2DB15 和 DB9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。下面介紹本系統(tǒng)用到的 DB9 連接器。DB9 連接器可作為提供多功能 I/O 卡或主板 COM1 和 COM2 兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的 9 個信號。在通信速率低于 20Kbit/s 時，RS232 標準規(guī)定 DB9 連接器直接相連電纜長度的最大物理距離為 15 米。表 31 顯示了 DB9 各引腳的具體功能。其中 3 和 5 是最常用的三個腳。RS232 串口通信基本接線方法：距離較近時（12m） ，可以用電纜線直接連接標準 RS232 端口，若距離較遠，需要附加調制解調器（MODEM ） 。最為簡單且常西南科技大學本科生畢業(yè)論文21用的接線方法是三線制接法，即地、接受數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連。表 31 DB9 常用引腳說明 9 針串口（DB9）針號 功能說明 縮寫1 數(shù)據(jù)載波檢測 DCD2 接收數(shù)據(jù) RXD3 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD4 數(shù)據(jù)終端準備 DTR5 信號地 GND6 數(shù)據(jù)設備準備好 DSR7 請求發(fā)送 RTS8 清除發(fā)送 CTS9 振鈴指示 DELL 數(shù)據(jù)發(fā)送電路這部分電路主要由電平轉換芯片 MAX232 和 DB9 串行接口等組成。圖 33 為串行數(shù)據(jù)發(fā)送電路的設計原理圖。圖33 串行數(shù)據(jù)發(fā)送電路圖 電路中使用了 MAXIM 公司的 MAX232，該芯片簡易，單 +5V 電源供電，僅需四個 外接電容即可完成 TTL 電平與 EIA 電平之間的相互轉換。 發(fā)射電路設計超聲波傳感器發(fā)射超聲波,超聲波發(fā)送脈沖信號由單片機產生，將脈沖信號放大西南科技大學本科生畢業(yè)論文22用以驅動超聲波換能器發(fā)送超聲波?？紤]到超聲波頻率較低，可能對外界的抗干擾能力較差，因此不能發(fā)送單脈沖的超聲波。為對抗突發(fā)干擾，單片機產生脈寬為125200us,即一個調制脈沖內包含58個40KHZ的方波，并由單片機控制脈沖群之間的時間間隔，其發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離。若在有效測距范圍內有被測物，則在后一路探測波束發(fā)出之前應當接收到前一路發(fā)出的反射波，否則認為前一路沒有探測到物體。按有效測距范圍及最大測量距離可以算出最短的脈沖群間隔發(fā)送時間。例如，最大測距距離為3 m時，脈沖間隔時間t=2 D／C=21／340≈18 ms，實際應取t≥18 ms。 。對發(fā)射來說，為了要使機械的轉換效益最大，換能器必須工作在它的共振頻率。對接收而言,為了使機械到電的轉換效率最大，最佳的工作點取在反共振頻率處。在換能器系統(tǒng)中, 發(fā)射部分的共振頻率要與接收部分反共振頻率相匹配 [1]。圖 34 發(fā)射脈沖示意圖超聲波發(fā)射電路主要由555振蕩器和一個共發(fā)射極放大電路構成。其原理圖如圖35所示。 圖35 超聲波發(fā)射電路西南科技大學本科生畢業(yè)論文23 555 振蕩器 圖 36 555 內部結構圖555定時器是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，利用它能極方便地構成施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。在這里我們利用其構成了個多諧振蕩器產生40kHz的波形。圖 36是國產的雙極型定時器CB555的電路結構圖。它由比較器A1和A 基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管T 三部分組成 [5]。其工作過程：接通電源，設三極管 T 截止，電源通過 R10 和 R9 給電容 C7 充電，當上升到 2/3 VCC 時反向比較器 C1 翻轉輸出低電平，RS 觸發(fā)器復位，555 輸出端V0 為“0”，則三極管 T 導通， C7 經 R10 和 T 放電，當電壓降到 1/3 VCC 時正相比較器翻轉輸出低電平，RS 觸發(fā)器置位，輸出 V0 變?yōu)椤?”，此時 T 又截止，C7 又開始充電，如此周而復始，輸出端就可以獲得周期性的矩形脈沖波。其工作過程可用表32 簡潔表示，經分析表明：電容 C7 的放電時間 t1 和充電時間 t 2 可分別表示為： （3110ln(2).70tRCRC???）1 2 3 4ABCD4321DCBA Titl eNumber RevisionSizeA4Date: 13May2022 Sheet of File: E:\業(yè) 業(yè) 業(yè) 業(yè) 業(yè) 業(yè) 業(yè) \ Drawn By:R15KΩR2 5KΩR3 5KΩG41TDG2amp。G3amp。G1amp。C1C2R4V0VccVcoVI2(TR/)VI1(TH)V039。(DISC)VR1VR2RD/Vc1Vc2 /34567812西南科技大學本科生畢業(yè)論文24 （32(109)ln()tRCRC??????2）表32 555內部工作過程輸 入 輸 出RD vI1 vI2 V0 TD0 X X 低 導通1 2/3 VCC 1/3 VCC 低 導通 1 2/3 VCC 1/3 VCC 不變 不變 1 2/3 VC 1/3 VCC 高 截止 1 2/3 VCC 1/3 VCC 高 截止由式（41 ） 、 （4－2）可得輸出脈沖得頻率為 （33）為達到頻率為 40 kHz 的超聲波，經計算，C7 取 4700pF ，R9 取 510 。 R10?取 4k ，為了調節(jié)信號頻率，R10 可改為 5k 的可調電阻。為保證 555 時基具有足??夠的驅動能力，此處采用+5V 電源。 共射極放大電路為了提高測量精度使單片機的計時精度更好，在 555 振蕩器后面外加一個共射極放大電路，其目的不是為了放大，而是用它作受控開關使用，主要是因為 555 振蕩器周期性振蕩之前有一個起振時間，為了防止出現(xiàn)單片機已經開始計時了，而超聲波信號還沒有發(fā)出去所帶來的計時誤差這種情況的產生。 其工作過程是：當三極管的發(fā)射極接收到單片機給的低電平時，不管發(fā)射極有沒有超聲波輸入，由于三極管都不導通，所以超聲波探頭兩端一直沒有壓差而無法工作；當單片機給了三極管基極低電平時，三極管的能否工作，主要取決于三極管的發(fā)射極有沒有信號輸入，當有40kHz的方波信號輸入時，三極管根據(jù)信號高低電平決定導通與否，探頭兩端有了同頻率的壓差變化，這樣超聲波探頭將發(fā)生共振，完成發(fā)送超聲波的任務。，實際產生7個方波脈沖，周期為25us。圖 38中波形經放大后加載在發(fā)射探頭兩端的脈沖信號，經Q1后相位與單片機輸出相反，電壓放大為15V。由于三極管結電容的影響，圖中所示放大后的波形發(fā)生了畸變，但由于頻率未變，所以仍能很好地產生40kHZf 1t1 t2? 2R10?( )C西南科技大學本科生畢業(yè)論文25的超聲波脈沖。圖 37 單片機輸出脈沖波形 西南科技大學本科生畢業(yè)論文26 圖 38 放大后的脈沖波形 接收電路設計超聲波接收器主要由超聲波接收探頭和紅外線檢波接收集成電路兩部分組成。具體電路如圖39所示。圖 39 超聲波接收電路 CX20226 工作原理分析 CX20226A 是日本索尼公司生產的彩電專用紅外遙控