【正文】 腳從上至下依次為 8 。 缺點：必須保證接收到的信號為 40KHz，否則無法解調(diào)出。典型應(yīng)用電路如圖所示 ,其主要功能是從 40kHz 紅外載波信號中 ， 將編碼信號解調(diào)出來 ， 并加以放大和整形 ,然后再送到微處理器 (CPU)進(jìn)行處理 ， 以實現(xiàn)遙控操作功能。 24 本設(shè)計中就是利用這一芯片來實現(xiàn)檢測接收電路，實驗證明用集成電路CX20206A 接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。12≈ KHz≈38 KHz。紅外遙控常用的載波頻率為38KHz，這是由發(fā)射端所使用的 455KHZ 晶振來決定的。 圖 超聲波接收電路原理圖 集成電路 CX20206A 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。 23 超聲波測距的制作和調(diào)試 都較為簡單 ，其中超聲波發(fā)射和接收采用超聲波 傳感器 TCT4010F1（ T 發(fā) 射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40KHz，安裝時應(yīng)保持 兩換能器 中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無特殊要求 ，若 將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，那可以大大提高抗干擾能力。 圖 發(fā)射電路 在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。 22 E、 在系統(tǒng)可編程 ,無需編程器 ,可遠(yuǎn)程升級 F、 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，原復(fù)位電路可以保留，也可 以不用，不用時reset 腳直接短到地 。 主電源引腳（ 2根） (Pin20)：電源輸入，接＋ 5V 電源 2. GND(Pin10)：接地線 外接晶振引腳（ 2 根 ） 1. XTAL1(Pin5)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 2. XTAL2(Pin4)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 控制引腳（ 1 根） RST：復(fù)位引腳 可編程輸入 /輸出引腳（ 15 根） 1. P1 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線， ～ ，共 8 根 2. P3 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線， ～ 、 ，共 7根 芯片 特點： （ 1） 增強(qiáng)型 1T 流水線 /精簡指令集結(jié)構(gòu) 8051 CPU； （ 2） 工作電壓： ～ ～ ； （ 3） 工作頻率范圍： 035MHz，相當(dāng)于 普通 8051的 0～ 420MHz； （ 4） 用戶應(yīng)用程序空間 512/1K/2K/3K/4K/5K 字節(jié) ； （ 5） 片上集成 256 字節(jié) RAM； （ 6） 15 個通用 I/O 口 ，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏 ； （ 7）EEPROM 功能 ； （ 8） 共 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器 ； （ 9） PWM(2 路） /PCA（可編程計數(shù)器陣列） ； （ 10） ADC,8 路 8 位精度 ； （ 11） 通用異步串行口 (UART)；（ 12） SPI 同步通信口，主模式 /從 模式 ； （ 13） 看門狗 ； （ 14） 內(nèi)部集成 R/C振蕩器，精度要求不高時可省外部晶體 ； （ 15） ISP/IAP； （ 16） 工作溫度范 21 圍： 0～ 75℃/ 40～ 85℃ ； （ 17） 封裝： PDIP20， SOP20(寬體 )， TSSOP20(超小封狀 )。 圖 STC12C2052 單片機(jī)引腳 STC12C2052 為 20 引腳小型封裝， 2K 內(nèi)部程序存儲器， 15 個可編程 I/O 線，沒有 P0 口和 P2 口的 16 根 I/O 線，內(nèi)部集成了一個模擬比較器。20 代表 2K 字節(jié)； 52 代表RAM是 256 字節(jié) ； AD 表示有 A/D 轉(zhuǎn)換功能。有 32 腳 PLCC(27 個 I/0 口 )， 28腳 DIR(23 個 I/O 口 )， 20 腳 DIP(15 個 I/O 口 ).三種封裝形式，在芯片型號命名上 。 微處理器命名 STC12 系列單片機(jī)是美國 STC 公司在 8051 單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對芯片內(nèi)核進(jìn)行了較大改進(jìn)后推出的一個增一強(qiáng)型功能的 8051 的單片機(jī)，具有很多很強(qiáng)的新功能。10 pF連接方式。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫 19 度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，建議電容使用 30pF177。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。 圖 微處理器電路原理圖 微處理器的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另一種方式為外部方式。這個電源就是根具其基本原組成在其基礎(chǔ)上按實際需要和實際情況設(shè)計的。濾波器由電容電感等儲能元件組成，它的作用是盡量將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，輸出比較平滑的直流電壓，但當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時，濾波器輸出的直流電壓的幅度也將隨之變化，在要求比較高的電子電路 中這是不符合要求的。直流電源組成如圖 3— 4所示。 我國電源提供的交流電一般為 220V，而各種電子設(shè)備所需要的直流電壓的幅值卻各不相同。同時在輸出端上接入電容 C0，其值為 100uF,以改善負(fù)載的瞬態(tài)響 17 應(yīng)。L7805CV 的外形如圖 3— 3所示。 電源電路 16 圖 電源電路原理圖 本系統(tǒng)中使用到的電源包括 +5V 和 +12V，其中 +12V 電壓由直流穩(wěn)壓電源提供，通過電源接頭提供給電路板。結(jié)構(gòu)框圖如圖 3— 1所示。單片機(jī)通過 INT0 引腳來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測 INT1 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就 認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。 15 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 電路工作原理及設(shè)計 主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分組成。而氣介式超聲回波測距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這個閡值決定信噪比。 (3)信噪比問題 超聲波測距儀都有確定的量程。 (2)采用自動距離增益控制 14 采用具有自動增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。通過對溫度修正來校正聲速的方法，即用測溫元件測量實際環(huán)境。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。 所以，在本實驗中，我們選取了雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離精度。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。 13 但是，當(dāng)探測距離很遠(yuǎn)時，為了增大發(fā)射功率，須采用特殊形式的大功率超聲發(fā)射傳感器，但這些傳感器的接收靈敏度一般很低，甚至無法用于接收，在這種情況下，選用兩個換能器分別用于發(fā)送和接收。所以把這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。這就構(gòu)成了遠(yuǎn)限的問題。同時，接收信號的衰減程度總是要比發(fā)射信號余振的衰減慢得多。 在使用一個探頭同時充當(dāng)發(fā)射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強(qiáng)達(dá)幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到限幅 電路，引起探頭振動，不能進(jìn)行正確的測量，同時，探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的液面反射信號也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。距離過遠(yuǎn)時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠(yuǎn)限存在的原因。其系統(tǒng)原理框圖如圖 所示 圖 測距系統(tǒng)原理框圖 單片機(jī)發(fā)出短暫的 40kHz 信號，經(jīng)過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，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號 12 啟動單片機(jī)中斷程序，得出時間 t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至 LED 顯示。 表 波速與溫度的關(guān)系 溫度 （ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速 （ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 在測距時由于溫度 變化，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定計算距離時的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程 。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射 /接收的設(shè)計方法。 11 限制 系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個因素： 超聲波的幅度，反射的質(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。在其它情況下 ,可根據(jù)具體需要而程序會略有改動。 在 25 ℃時 , ? ?0 .1 7 3 1 4 2 5 1 5s N m m? ? ?為本儀器的距離計算公式。θ為攝氏溫度 。 0 ℃時 , 空氣中聲速的實驗值為 331. 45 m/ s ,空氣中聲速表達(dá)式為 2 7 3 .1 6v 3 3 1 .4 5 ( / )2 7 3 .1 6 ms? ?? （ ） 由實驗分析得距離計算公式為 ? ?3 3 1 . 4 5 2 7 3 . 1 6 152 7 3 . 1 6r Ns m mf ????? （ ） 式中 N 為計 數(shù)個數(shù) 。由公式可知 :聲速與熱力學(xué)溫度的平方根成正比。 T 為熱力學(xué)溫度。 r 為 氣體的比熱比 。 圖 脈沖法測距 10 首先超聲波傳感器向空氣中發(fā)射聲脈沖 , 聲波遇到被測物體反射回來 , 若可以測出第一個回波達(dá)到的時間與發(fā)射 脈沖間的時間差 t ,利用 1s= vt2 即可算得傳感器與反射點間的距離 s , 測量距離 22hd= s 2?（ ） 若 sh時 ,則 d ≈ s ,本儀器采用收發(fā)同體傳感器 ,故 h = 0 ,則 d= 1s= vt2 溫度補(bǔ)償 常溫常壓下 ,空氣近似為理想氣體。 圖 超聲波傳感器指向特性圖 超聲波測距 超聲測距原理 為了使移動機(jī)器人實現(xiàn)避障，就必須裝備測距系統(tǒng)， 以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向） 。超聲波傳感器的指向角一般為 40 度～ 80 度 [5]。下圖 24 就是超聲波傳感器的指向圖。但離開超聲波傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波疊加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。因此，超聲波接收器應(yīng)于輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有