【正文】 院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 24 頁 共 38 頁 四、 計(jì)算超聲波傳播時(shí)間 T0 中讀取出來的時(shí)間差數(shù)據(jù)并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)闀r(shí)間差值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為： S=*V*T 。 //設(shè)定時(shí)器 0為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器 1 定時(shí) ET0=1。 部分源程序如下： EA=1。 //超聲波接收 接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的 UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)， 由芯片CX20216A 組成的超聲波接收電路 經(jīng)過前置放大、限幅放大、寬頻帶濾波器、檢波器及比較器、整形、置后比較器的一系列工作之后，在信號(hào) 輸出端 7腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾埱笮盘?hào)，送至單片機(jī)處理。 include sbit csbout=P1^0。定時(shí)子程序轉(zhuǎn)回來的時(shí)候，要對(duì)中斷進(jìn)行初始化。 //超聲波發(fā)送 前方測距電路的輸入端接單片機(jī) 端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在 端口輸出一個(gè) 40kHz 的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管 T 放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭 UCM40T，發(fā)出40kHz 的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射 200ms。 測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用 UCM40 的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是 40kHz的脈沖信號(hào) , 這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。主程序流程圖 如圖31 所示。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。 四、 數(shù)據(jù)傳輸與顯示 經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用三位 LED 表示。 三、 信號(hào)處理 RAM 中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為： S=*V*T＝ *V*(Tr*N)其中， T 為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間， Tr 為方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率， N 為計(jì)數(shù)器的值。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信 號(hào)、門控信號(hào)、發(fā)射脈沖信號(hào)、峰值采集信號(hào)、遠(yuǎn)近控制信號(hào)的時(shí)序及輸出。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 21 頁 共 38 頁 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)功能 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù) 據(jù)的處理和應(yīng)用。通過接收電路的檢波放大、積分整形以及一系列的處理，送至單片機(jī)。 如圖 28,29所示： 圖 28顯示驅(qū)動(dòng)電路 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 19 頁 共 38 頁 圖 29顯示電路 報(bào)警電路 由一個(gè)三極管 、一個(gè) 電阻 和一個(gè) 蜂鳴器 組成 一個(gè)最簡單的報(bào)警電路 。考慮各種因素，本設(shè)計(jì)選用靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 18 頁 共 38 頁 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管 LED 顯示器常用兩種驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。綜合課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示的 LED 驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。 圖 26 CX20216A引腳圖 CX20216A 內(nèi)部框圖如圖 27： 圖 27 原理框圖 顯示電路 顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使 用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 17 頁 共 38 頁 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該腳必須接上一盒上拉電阻到電源端，該電阻推薦值為 220K 歐姆，沒有接收信號(hào)端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。 4腳 ：接地端。增大電阻 R 或減小 C，將使負(fù)反饋量增大，放到倍數(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= 歐姆， C= 微法。芯片 CX20216A 的 各引腳功能介紹如下： 1 腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻 抗為 40K 歐姆。 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， +5V 供電。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻 R3， R4 一方面可以提高反向器 74LS04 的輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 15 頁 共 38 頁 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 24 所示 ： 圖 24系統(tǒng)發(fā)射電路 發(fā)射電路原理：當(dāng)單片機(jī) AT89S51,通過 這個(gè) I/O 口 ,發(fā)射電路主要有反向器74LS04 和超聲波發(fā)射 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，單片機(jī) P10 端輸出的 40KHZ 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的 另一個(gè)電極。輸出端為引腳 X2，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 X1 是接外部晶體管的一個(gè)引腳。 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作 。 c、系統(tǒng)復(fù)位 在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將 RC 電路接施密特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。本設(shè)計(jì)采用的是按鍵復(fù)位，當(dāng)按下按鍵后，電容被短路， RST 引腳就處于高電平，就可以達(dá)到復(fù)位的目的。 AT89S51 的 RST引腳為復(fù)位引腳，只要在 RST引腳上出現(xiàn) 兩個(gè)機(jī)器周期 以上的高電平，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。該設(shè)計(jì)采用含有電阻的復(fù)位電路，復(fù)位電路可以有效的解決電源毛刺和電源緩慢下降（電池電壓不足）等引起的問題，在電源電壓瞬間下降時(shí)可以使電容迅速放電，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。單片機(jī)外圍需要一個(gè)復(fù)位電路，復(fù)位電路的功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤消復(fù)位信號(hào)。 RST： AT89S51 的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片又時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間， AT89S51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。它采用外部振蕩器時(shí)，引腳應(yīng)接地。 : 接報(bào)警電路 XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。 : 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。 INT0: 產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。 AT89S51 單片機(jī)共有 40 個(gè)引腳。在 89S51 上一樣可以照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能 ； 工作頻率為 33MHz，大家都知道 89S51的極限工作頻率只有 24M，就是說 S51 具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度 ； 具有雙工UART 串行通道 ； 雙 數(shù)據(jù)指示器 ； 電源關(guān)閉標(biāo)識(shí) ； 全新的加密算法，這使得對(duì)于 89S51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯 ；兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列產(chǎn)品。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89S51 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(jià)廉的方案。 AT89S51芯片 AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INTO 或 INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序 ，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離 。輸出端 7高電平越變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信?hào)，送至單片機(jī)處理。CX20216A 是帶有信號(hào)放大器，寬頻帶濾波器，檢波器。 由 AT89S51 單片機(jī)編程，執(zhí)行程序后 口產(chǎn)生 40KHZ 的脈沖信號(hào)，經(jīng)三極管放大后來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭 SPEAKER（ K3），產(chǎn)生超聲波。該電路簡單方便 ， 經(jīng)濟(jì)實(shí)用。程控放大器分為 2 檔，分別放大 10 倍和 100 倍，由控制端 A1， A0 控制。模擬開關(guān)起收發(fā)隔離的作用。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使輸入信號(hào)功率最大。 圖 18信號(hào)放大器原理圖 接收放大器的作用是放大有用信號(hào)，并抑止其它噪聲與干擾，從而達(dá)到最大的信噪比，以利于檢測電路的正確檢測。 (3) 匹配濾波器與相關(guān)接收和相關(guān)器具有等效性。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識(shí)，輸入為已知信號(hào)加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大。在傳感器接收到的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。 傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失，接收預(yù)放大江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 9 頁 共 38 頁 單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利檢測單元的正確檢測?？紤]到測量“盲區(qū)”，這里選擇脈寬為 120μ s，包含 5 個(gè)調(diào)制的 44KHz 的方波信號(hào)。 圖 15發(fā)射部分電路 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 8 頁 共 38 頁 圖 16 一次和二次濾波放大 電路 發(fā)射接收電路中應(yīng)考慮的各種問題： 發(fā)射波形如圖 17，傳感器的振蕩波形要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，理論上信號(hào)的幅度時(shí)指數(shù)上升的， Q 各周期后達(dá)到滿幅度的 95%， 個(gè)周期后達(dá)到 99%。其電路如圖 16所示。由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲， S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高 Q值的濾波放大電路。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠 接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測量。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機(jī) 口控制其是否工作 。 圖 13 測距脈沖圖 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁 共 38 頁 圖 14 超聲波回波接收電路 設(shè)計(jì)方案四 : 發(fā)射電路 發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。所以 必須將其隱去 ,當(dāng) 輸出啟動(dòng)信息 ,同步脈沖加至比較器 A2 時(shí)， A2 輸出一遠(yuǎn)大于 的電壓， 經(jīng) D2 降壓后大約等于 ，加至 A1 同相端，由于 C1延遲作用， A1 同相端將產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，如圖 13中的（ 4）所示。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)接收換能器接收到的第一個(gè)波是串?dāng)_直通波，也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發(fā)射換能器直接到達(dá)接收換能器而造成的。如圖 13中的（ 3）所示，其前上升沿使 A1 輸出低電平， S =0， R =1， Q=1， 0INT =0（負(fù)跳變）；即 0INT 獲得負(fù)跳沿信號(hào)， CPU 響應(yīng)中斷請江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁 共 38 頁 求，使 T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，記數(shù)值 N 送存 RAM。由于 D1 輸出低電平， 而反相器 N 輸出高電平，所以有 RS 觸發(fā)器的 S =0， R =1， Q=1， 0INT =0 當(dāng) 發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)（如圖 13中的（ 1）所示）經(jīng)過微分電路形成的同步脈沖信號(hào)通過反相器 N 的反相功能， R =0，D1 箝位釋放 S =1， Q=0， 0INT =1（正跳變）， T0 計(jì)數(shù)器開始記數(shù)，