【正文】 滯回線型比較器組成的整形電路，整形電路是一種波形變換電路，它可將檢波器輸出的寬度編碼第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 18 脈沖整形變換為 CPU 所能識別的數(shù)字信號。檢波出的信號再送到整形電路中進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換與整形，最后由 7腳輸出數(shù)字編碼 脈沖信號，送至 CPU 去識別，處理。調(diào)節(jié)其阻值可調(diào)節(jié)帶通濾波器的中心頻率值。信號再進(jìn)入帶通濾波器，濾除頻率范圍 3050KHZ 以外的干擾信號。在放大器輸入端設(shè)置有 ABLC 電路（即自動偏壓電路或者自動電平 控制電路，它可使放大及限幅電路輸出電平穩(wěn)定的編碼信號），可自動調(diào)整放大器的偏置電壓，使放大器的輸出電平穩(wěn)定?；驹砣缦拢航邮論Q能器把超聲波回波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的數(shù)字編碼脈沖調(diào)幅波，并由 1 腳進(jìn)入集成放大器的正相輸入端。 6 C3 積分電容連接端，該腳所接積分電容標(biāo)準(zhǔn)值為 330PF，當(dāng)電容值增大時，則外部濾波干擾增強，而且輸出脈沖的低電平持續(xù)時間增加。 3 C2 檢波電容連接端，該端與地接檢波電容，電容量大 ，則為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容值小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動大。 圖 35 CX20216A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 表 32 CX20216A 引腳功能 引腳 名稱 功能 1 IN 信號輸入端 2 C1 RC 網(wǎng)絡(luò)連接端，該端與地串接一 RC 網(wǎng)絡(luò)，以確定前置放大器的頻率特性與增益。 (6）濾波器中心頻率 f0 為第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 16 30～ 60kHz。(4）電壓增益 77～ 79dB。 (2）電源電流 ～ (典型值為 )。 CX20216A 是日本索尼公司生產(chǎn)的彩電專用紅外遙控接收器，采用單列 8腳直插式，超小型封裝?？紤]到紅外遙 控常用的載波頻率 38KHz 與測距超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以利用它作為超聲波 發(fā)射 電路。按照 上面所討論的，單片機(jī)需要的只是第一個回波的時刻。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。 綜合考慮各種方案的特點 ， 所以用 方案二 。當(dāng)輸入信號的電壓大于基準(zhǔn)電壓時，輸出為 “1” ；當(dāng)輸入信號的電壓小于基準(zhǔn)電壓時，輸出為 “0” ；這樣就起到對輸入信號進(jìn)行變 換的目 的 。這種方法的特 點是 不僅靈敏度很高，抗干擾能力很強，而且還不需要放大電路，可使系統(tǒng)電路更為簡潔。 方案二：采用紅外線檢波接收的專用集成芯片 CX20216A，它常用于電視機(jī)紅外遙控接收器，由于紅外遙控常用的 38kHz 載波與測距用的 40kHz 超聲波接近，當(dāng)它沒有接收到信號時輸出為高電平，當(dāng)它接收相近頻率的信號時輸出為低電平。 探第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 15 頭接到回波， 如果 接收到的信號頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由ＲＣ值決定），則其輸出引腳的電平將從 “1” 變?yōu)?“0” （此時鎖相環(huán)已進(jìn)入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機(jī)對接收探頭的接收情況進(jìn)行實時監(jiān)控。正弦信號不能直接被處理器接收，因此最后必須進(jìn)行波形變換。超聲波接受探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號 (主 要是 頻率要求一致，否則會因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收 )。 表 31 執(zhí)行工作的極限值 符號 參量 最小值 最大 值 單位 VCC 電源電壓 V TA 工作溫度范圍 0 75 176。 1A11Y22A32Y43A53Y6GND74Y84A95Y105A116Y126A13V C C14U 4B74 L S 041KR21KR1T1V C CI N T D12R E S E T9P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167I N T O13T014T115E A V P P31X119X218WR16RD17P 0732P 0633P 0534P 0435P 0336P 0237P 0138P 178P 0039P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E P30R X D10T X D11U5A T 89 C 51V C CV C C 圖 33 超聲波發(fā)射器的設(shè)計 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 14 74LS04簡介 反向器 74LS04 是 6 非門，其工作電壓為 5V，他的內(nèi)部含有 6 個 CMOS 反相器， 74LS04 的作用就是反相把 1 變成 0。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波發(fā)生器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。 綜合上述情況，本次設(shè)計采用方案一。 方案二：利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 13 超聲波測距發(fā)射電路 方案選擇與設(shè)計 方案一：利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生 40kHz 的超聲波信號，并直接驅(qū)動 發(fā)生器 產(chǎn)生超聲波。當(dāng)采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。 XTAL2：接外部晶振的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相 放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 : 接報警電路 。 : 接報警電路 。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 12 : 接 ICA3 輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。 INT0: 產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。 : 產(chǎn)生輸出一個 40KHZ 的脈沖信號。對于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因為 I/O 的復(fù)位缺省值為輸入； (4) 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻； (5) 最后對 I/O 端口進(jìn)行輸出 (寫數(shù)據(jù)輸出寄存器 )和輸入 (讀端口 )編程，完成對外圍電 路的相應(yīng)功能。 I/O 端口的編程實際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對 I/O 寄存器進(jìn)行編程。同時 AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。首先 AT89C51 是一個低功耗高性能單片機(jī)， 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口。 根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，選擇 AT89C51 單片機(jī)。 AT89C51在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn) 8051單片機(jī)完全兼容，第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 10 DIP40 封裝系列與 8051 為 PintoPin 兼容。 供貨渠道是否暢通、價格是否低廉。 芯片的功耗。 芯片的封裝形式。 單片機(jī)的存儲介質(zhì)。一般來說，選擇單片機(jī)需要考慮以下幾個方面： 單片機(jī)的基本性能參數(shù)。 單片機(jī)的選擇 在系統(tǒng)的設(shè)計中，選擇合適的系統(tǒng)核心器件就成為能否成功完成設(shè)計任務(wù)的關(guān)鍵，而作為控制系統(tǒng)核心的單片機(jī)的選擇更是重中之重。 AT89C51 為系統(tǒng)主控芯片， 用超聲波傳感器作為測量器件，用單片機(jī)中程序進(jìn)行處理，最后通過 LED 數(shù)碼管顯示出測量的距離值（總體電路圖見附錄一）。硬件電路的設(shè)計限定了系統(tǒng)主體的功能與性能，同時，硬件電路的選擇和連接也為軟件程序的編寫提供了依據(jù)。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 9 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，兩者相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一個具有完整功能的系統(tǒng)。將式 (4) 代入式 (3) 可得 : H = cos [arctan(M/H )] (5) 當(dāng)被測距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 M 時 , 于是式 ( 5) 變?yōu)?: H = （ 6） 這就是所謂的時間差測距法。 圖 22 超聲波測距系統(tǒng)軟件框圖 系統(tǒng)的工作原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波向前 傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。 系統(tǒng)軟件程序部分采用模塊化設(shè)計方法。系統(tǒng)硬件電路部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、語音報警模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊組成。但是如果兩者之間的距離不斷縮小，那么報警的聲音就會發(fā)生變化，以便能夠給人們提示。而單片機(jī)會對距離的變化情況發(fā)出不同的指令。如果距離小于一個特定的值，單片機(jī)會發(fā)出指令讓報警裝置發(fā)出相應(yīng)的警報聲。接收電路會把信號傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示： 圖 21 超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 超聲波測距系統(tǒng)能夠在必要的時候（例如：汽車倒車）通過單片機(jī) 控制發(fā)射電路發(fā)射超聲波，超聲波向前傳播。對固體中特超聲的產(chǎn)生、檢測和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體 —— 液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構(gòu)成了近代聲學(xué)的新領(lǐng)域 。點陣振動的能量是量子化的，稱為聲子（見固體物理學(xué)）。普通聲波 的波長遠(yuǎn)大于固體中的原子間距， 第二章 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 6 在此條件下固體可當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)。超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收（見聲波）。利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應(yīng)用。 超聲測距 技術(shù)已在 各 方面獲得普遍應(yīng)用。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。 由于 超聲波具有如下特性 ： 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播 ； 超聲波可傳遞很強的能量 ； 超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象 ； 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 超聲波是指振動頻率大于 20210Hz 以上的 ， 其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（ 20210Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運動。與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的 2021A 型超聲分析檢測儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測量儀器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機(jī)打印。隨后具有檢測，記錄，存儲，數(shù)據(jù)處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。隨著測距技術(shù)研究的不斷深入，對超聲測距系統(tǒng)功能要求越來越高，單 第一章 引言 4 數(shù)碼顯示的超聲測距系統(tǒng)會帶來較大的測試誤差。 目前 國內(nèi)外在超聲波檢測領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波測距系統(tǒng) 的發(fā)展速度很快。另 外，也有大量的文獻(xiàn)研究采用數(shù)字信號處理技術(shù)和小波變換理論來提高傳輸時間的精度。廈門大學(xué)的某位學(xué)者研究了一種回波輪廓分析法。 八十年代后期，由于計算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號的數(shù)字化采集和分析成為可能。 超聲波測距系統(tǒng)在我國的發(fā)展 超聲波測距技術(shù)作為檢測技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過程中起著重要的作用。這種方法除可用于手工檢測外，還可與采用先進(jìn)技術(shù)的自動系統(tǒng)聯(lián)用，自第一種脈沖回波儀器問世以來，根據(jù)相同的原理，有無數(shù)種其他儀器得到了發(fā)展，并有許多改進(jìn)和精化。 美國的 Firestone 首次介紹了脈沖回波探傷儀 ，使超聲波檢測技術(shù)發(fā)展到了更重要的階段。 4 年之后， 1934 年 sokolov 首次發(fā)表了關(guān)于在液體槽子里用穿透法作實物試驗的結(jié)果，他用了各種方法做了實驗，用來檢測穿過試件的超聲能量，其中之一是用簡單的光學(xué)方法觀察液體表面由超聲波形成的波紋。 1929 年， Sokolov 首先提出用 超聲波探查金屬物內(nèi)部缺陷的建議。法國人 Langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個鮮為人知的東西，由于當(dāng)時電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。展望未來，超聲波作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更高精度，更大應(yīng)用范圍，更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求 。 超聲波測距技術(shù)在社會生活中已有廣泛的應(yīng)用，如汽車倒車?yán)走_(dá)等，它們測距精度一般較低。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單。本設(shè)計的電路 ， 成本低廉 、 性能可靠 、 所用元件易購 ， 結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理 ， 電路實現(xiàn)容易 ， 工作穩(wěn)定可靠。但是超聲波測距不失為一種簡單可行的方法。 第一章 引言 2 設(shè)計意義 距離 在 很多 場合和控 制中需要 實時 檢