【正文】 iu = osuCR 22? 利用節(jié)點電流法，即求出傳遞函數(shù) )(sAu = )( )(SuSuio = 221222211)111(1 sCCRRsCRRRRRRRffff????? (36) (2) 頻率特性 )(?jAu =200)()(21 ????? jjAup??=200)()(21 ffjffjAup?? ? (37) 其中固有角頻率 0? =fRRCC 2211 ，阻尼系數(shù) ? =12212 )////(2 CCRRR RRff ，而通帶放大倍數(shù) upA =1RRf? 。 基本模型如 314所示 圖 314 (1) 傳遞函數(shù) nu = pu =0 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 25 頁 22 139。 基于單片機的風(fēng)速測量儀的設(shè)計 第 24 頁 圖 313 超聲波接收器 S 將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信 號，按照電路圖 313 所示與帶通濾波器連接，將接收到的超聲波電信號濾波，經(jīng)過包絡(luò)檢波環(huán)節(jié)，檢測出渦街信號， 渦街信號經(jīng)過簡單的積分后，在電壓比較器和 RC高通濾波電路構(gòu)成的整形濾波環(huán)節(jié)中與輸入的基準電壓 1/2Vcc作比較，被整形為與風(fēng)速成正比的矩形波，信號周期隨檢波信號變化而變化。 ， R12 組成 RC 高通濾波環(huán)節(jié)。 VD1， C7， R10 組成的包絡(luò)檢波電路，通過電容 C7 的不斷充放電的過程，C7上獲得與 包絡(luò) (調(diào)制信號 )相一致的電壓波形，有很小的起伏。與超聲波發(fā)射器對應(yīng)，選用 TCT4012R 接收頭。 30% 5)探測距離（ m）： ~20 6)－ 6dB 指向角： 70o 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁 其外部封裝及形狀如下圖 312：（超聲波接收換能器 TCT4012R） 超聲波檢測接收電路設(shè)計 如圖 313，是本設(shè)計采用的超聲波接收電路。 (NPN9013 型 ) CCCCCEBCb BECCB IRVVIIR VVI ????? ? ? ?CTbbbe I VUrr 2639。 充電時間 1 1 2 1 2( ) l n 2 ( )T R R C R R C? ? ? ? (31) 放電時間 2 2 2ln 2 0 .7T R C R C?? (32) 矩形波的振蕩周期 1 2 1 2 1 2l n 2 ( 2 ) 0 .7 ( 2 )T T T R R C R R C? ? ? ? ? ? (33) 振蕩頻率 ? ?121 2 CRRf ?? (34) 本文設(shè)計 ? ? ? ? KH zpFkkCRRf 1454205*25 121 ????? 74LS123 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 如圖 39是 74LS123 管腳圖 圖 39 引出端符號： CEXT1， CEXT2 外接電容端 Q1， Q2 正脈沖輸出端 21, 負脈沖輸出端 A1， A2 負觸發(fā)輸入端 B1， B2 正觸發(fā)輸入端 21,CLRCLR 直接清除端（低電平有效） 如圖 310 是 74LS123 功能表： 圖 310 基于單片機的風(fēng)速測量儀的設(shè)計 第 22 頁 即 當(dāng) 555定時器產(chǎn)生的方波信號的下降沿到來 1（ A）管腳時，此時 2（ B） ,3（ CLR ）管腳均為高電平，于是在 13管（ Q）腳產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。 通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出 0 1u? ，電容放電時， 0u? 0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。 2tt? 時刻， cu 下降到 13 ccV ，比較器 2A 輸出由 1 變?yōu)?0， RS 觸發(fā)器的 _DR? 1， _DS? 0，觸發(fā)器處于 1，定時器輸出 0 1u? 。 12t t t?? 期間， _ 1Q? ，放電三極管Ｔ導(dǎo)通，電容Ｃ通過 2R 放電。所以0t1t 期間，定時器輸出 0u 為高電平１。 圖 37 圖 38 基于單片機的風(fēng)速測量儀的設(shè)計 第 20 頁 設(shè)電容的初始電壓 cU ＝ 0， t＝ 0 時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端 VTH＝ VTL＝ 013 Vcc，比較器Ａ 1 輸出為高電平， A2 輸出為低電平，即 _ 1DR? ，_ 0DS ? （ 1 表示高電位， 0 表示低電位）， RS? 觸發(fā)器置１，定時器輸出0 1u? 此時 _ 0Q? ，定時器內(nèi)部 放電三極管截止，電源 ccV 經(jīng) 1R ， 2R 向電容Ｃ充電， cu 逐漸升高。 LM555 定時器 由 555 定時器組成的多諧振蕩器如圖 37 所示，其中 R R2 和電容 C 為外接元件。 3. 脈沖信號經(jīng)過 NPN 型 9013 三極管放大后激勵超聲波發(fā)射器 F 。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 圖 36 如圖所示，這部分電路主要包括： 1. LM555 定時器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生 145KHZ 的超聲波。 超聲波發(fā)射電路設(shè)計 如圖 36，是本設(shè)計采用的超聲波發(fā)射電路。需要選通某一位時使單片機相應(yīng)引腳置高位，相應(yīng)的三極管被導(dǎo)通，則相應(yīng)位被選通。 單片機的 P2 口 ~ 用于選通數(shù)碼管的各位， P0 口用于數(shù)碼管各位的段選通。 2. 三極管 Q1~Q4。 圖 35 如圖所示，這部分電路主要包括： 1. 數(shù)碼管 U2。 基于單片機的風(fēng)速測量儀的設(shè)計 第 18 頁 顯示電路設(shè)計 如圖 35，是本設(shè)計采用的顯示電路。 3. 跳線 JUMPER。 2. 三極管 Q5 。也可通過不同程序，用于測量結(jié)果符合一定條件時發(fā)出報警，如液位過高、過低，井深在某個范圍，等等。 這部分電路的作用是在特定情況下，使蜂鳴器發(fā)出鳴聲。這里是在 VCC 與 RESET 引腳之間接入一個按鍵 S1，按鍵按下是 RESET 置高，單片機復(fù)位。這里選用頻率為 的晶振。上節(jié)已對其進行簡要介紹。 圖 33 單片機系統(tǒng)及復(fù)位電路原理圖 如圖所示，這部分電路主要包括 : 1. 單片機 U1。 這部分電路的作用是作為超聲波測距系統(tǒng)的核心，運行整個 程序，使系統(tǒng)能夠正常工作，并按照預(yù)期的目標完成任務(wù)，且能達到要求的精度。 以上是對 AT89S52 的外部結(jié)構(gòu)從邏輯上進行的簡要介紹，對于定時器及中斷將在下一章中進行介紹。 基于單片機的風(fēng)速測量儀的設(shè)計 第 16 頁 XTAL1: 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA應(yīng)該接 VCC。 EA/VPP: 訪問外部程序存儲器控制信號。 PSEN: 外部程序存儲器選通信號（ PSEN）是外部程序存儲器選通信號。否則， ALE 將被微弱拉高。如 果需要，通過將地址為 8EH的 SFR的第 0位置 “ 1” ， ALE操作將無效。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。 ALE/PROG： 地址鎖存控制信號（ ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO位可以使此功能無效。晶振工作時， RST腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 在 flash 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。在使用 8位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口輸出 P2鎖存器的內(nèi)容。在訪問外部程序存儲器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時， P2 口送出高八位地址。對 P2 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。 在 flash編程和校驗時， P1口接收低 8位地址字節(jié)。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。 在 flash編程時， P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。 基于單片機的風(fēng)速測量儀的設(shè)計 第 14 頁 當(dāng)訪問外部程序和數(shù) 據(jù)存儲器時， P0口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8個 TTL邏輯電平。掉電保護方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。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。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。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 主要性能： ?? 與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容 ?? 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 ?? 1000次擦寫周期 ?? 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz ?? 三級加密程序存儲器 ?? 32個可編程 I/O口線 ?? 三個 16位定時器 /計數(shù)器 ?? 八個中斷源 ?? 全雙工 UART串行通 ?? 低功耗空閑和掉電模式 ?? 掉電后中斷可喚醒 ?? 看門狗定時器 ?? 雙數(shù)據(jù)指針 ?? 掉電標識符 下面對其功能進行簡要描述。 圖 31 AT89S52 的外部引腳結(jié)構(gòu)圖 基于單片機的風(fēng)速測量儀的設(shè)計 第 12 頁 如圖 32，為 AT89S52 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 （ 6） 顯示及其報警等等。 （ 4） 電信號經(jīng)過選頻放大，過濾整形得出新的渦街頻率 f。 （ 2） 脈沖串通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。軟件部分由主程序，超聲波接收子程序，鍵盤驅(qū)動程序，溫度補償程序及顯示程序等部分組成。再經(jīng)濾波器濾波，最后由比較器整形和放大，就獲得頻率為渦街頻率 f的方波信號，最后使用計數(shù)電路進行測頻和處理即可得出風(fēng)速值。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 圖 25 超聲波測距的總體設(shè)計 總體設(shè)計思想 超聲波發(fā)生器發(fā)射端利用 LM555定時器芯片發(fā)生 145KHz的超聲波脈沖，經(jīng)過信號提升環(huán)節(jié)，通過流動空氣介質(zhì)；超聲波發(fā)生器接收端把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，送到選頻放大器。超聲波傳感器的指向圖是由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是Ф =0聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。指向特性用指向圖表示。如圖 24 圖 23 圖 24 2 指向特性 實際的超聲波傳感器中壓電晶片是個小圓片，可以把表面上每個點看成 1個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。并且最大靈敏度向著稍低的頻率移動。另外，超聲波接收器的頻率特性和輸出端外接電阻有很大關(guān)系，如果 R很大，（如大于 100K）頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。曲線在 f0處最尖銳，輸出電信號的幅度最大，信號 f0處接收靈敏度最高。因此，超聲波發(fā)射器一定要使用非常接近中心頻率的f0的交流電壓來激勵。圖中， f0為超聲波發(fā)射器的中心頻率 ，在 f0處，超聲波發(fā)射器產(chǎn)生的超聲機械波最強，也就是說，在 f0處所產(chǎn)生的超聲波聲壓能級最高。 共振板 電極 壓電晶片 圖 22 超聲波傳感器的基本特性 超聲波傳感器的基本特性分為頻率特性和指向 特性。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。 壓電式超聲波發(fā)生器原理： 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷極性也隨著改變。 超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理工作的，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器