【正文】 近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。 CX20206A 紅外遙控接收器集成電路的特性： CX20206A 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。單片機除了進(jìn)行運算外，還要完成控制功能。因此，在單片機中就設(shè)置有定時器兼計數(shù)器。實際上單片機里面還有一個時鐘電路，使單片機在進(jìn)行運算和控制時，都能有節(jié)奏地進(jìn)行。 單片機內(nèi)部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進(jìn)行。單片機8051 的 CPU 由運算器和控制器組成。累加器 ACC 是一個八位寄存器，它是 CPU 中工作最頻繁的寄存器。寄存器 B 主要用于乘法 和除法操作。其每位的具體含意如下所示。 a、進(jìn)位標(biāo)志 CY（ ）。如果操作結(jié)果在最高位有進(jìn)位（加法）或者借位（減法），則該位為 1，否則為 0。又稱半進(jìn)位標(biāo)志，它反映了兩個八位數(shù)運算低四位是否有半進(jìn)位，即低四位相加（或減）有否進(jìn)位（或借位），如有則 AC 為 1狀態(tài)，否則為 0。 MCS－ 51反映帶符號數(shù)的運算結(jié)果是否有溢出，有溢出時，此位為 1，否則為 0。反映累加器 ACC 內(nèi)容的奇偶性，如果 ACC 中的運算結(jié)果有偶數(shù)個 1（如 11001100B，其中有 4個 1），則 P 為 0，否則， P=1。由于 PSW存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字。其功能在介紹位指令時再說明 ，如圖 51： 圖 51 DIP塑封引腳圖引腳功能 DIP塑封引腳圖引腳功能 超聲 波測距系統(tǒng) 15 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)?雙運算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工 作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。 LM358 的封裝形式有塑封 8引線雙列直插式和貼片式。 ＊直流電壓增益高 (約 100dB) 。 ＊電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V)；雙電源 (177。15V) 。 ＊低輸入偏流。 ＊共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 ＊輸出電壓擺幅大（ 0至 ) 。 LM358 應(yīng)用電路圖： 如圖 52： 超聲 波測距系統(tǒng) 16 圖 52 超聲 波測距系統(tǒng) 17 6 超聲波傳感器測距模塊的硬件設(shè)計 超聲就是指頻率高出可聽頻率極限 (即在 20 kHz 以上的頻段 )的彈性振動，這種振動以波動形式在介質(zhì)中的傳播過程就形成超聲波。上世紀(jì) 70 年代以后，由于集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，高性能、高穩(wěn)定性的鎖相技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，才使實用的超聲波流量計得以迅速發(fā)展。 諧振頻率高于 20 kHz 的聲波被稱為超聲波。 如圖 61： 圖 61 根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計；根據(jù)超聲波流量計適用的流道不同可分為管道流量計、管渠流量計和河流流量計；根據(jù)對信超聲 波測距系統(tǒng) 18 號的檢測原理，超聲波流量計非接觸測量方法分為：傳播時差法、多普勒法、波束偏移法及流動超聲法等不同類型，其中傳播時差法又分為直接時差法、相位差法和頻差法。 硬件電路設(shè)計方法 總體的系統(tǒng)設(shè)計 整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以分為兩太模塊：超聲波發(fā)射、接收探頭及濾波放大電路的設(shè)計和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，如圖 1 所示。接收到的超聲波分別被前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器及低通濾波器處理獲得含有流體流速信息的低頻模擬多普勒信號，再送到數(shù)字系統(tǒng)部分的DSP(TMS320F2812)的模／數(shù) (A／ D)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機 C8051F236 通過 SPI從 DSP中讀出流速的數(shù)據(jù)，再根據(jù)輸入的儀表參數(shù)進(jìn)行流量、累計流量等所需要的數(shù)據(jù)量的計算，并通過液晶顯示器顯示。 超聲波測距系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 一般情況下，超聲波測距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 62 所示。為了避免溫度對聲波傳播速度的影響，都采用溫度補償以適應(yīng)在不同環(huán)境下正常工作的需求。 多路同步超聲波測距系統(tǒng) 系統(tǒng)由單片機、 FPGA 模塊、 6 對收發(fā) 同體的超聲波換能器、功率放大電路、回波高增益放大電路、帶通濾波電路以及比較整形電路等組成。 圖 63 系統(tǒng)組成框圖 本系統(tǒng)中。單片機控制器單元主要是啟動超聲波發(fā)射與計時計數(shù)器開始計數(shù)的同 步以及接收到回波后對其計時計數(shù)器的值進(jìn)行處理等運算。當(dāng)超聲波換能器接收到回波信號之后，將其信號送入 FPGA 內(nèi)部，用來控制計時計數(shù)器的停止，將所得的計數(shù)值送入單片機。第六路超聲波換能器安裝在測距儀的左側(cè)，在測距儀的右側(cè)安裝一塊標(biāo)準(zhǔn)檔板，較準(zhǔn)確的測量當(dāng)時環(huán)境下的聲速，用于溫度補償。 超聲 波測距系統(tǒng) 20 FPGA 內(nèi)部各組成模塊設(shè)計 FPGA 主要實現(xiàn) 125 kHz 的超聲波的發(fā)射與接收以及六路超聲波從發(fā)射到接收之間時間的測量。 圖 64 FPGA 主要由發(fā)射模塊、順序執(zhí)行計數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器、計時計數(shù)器與接收模塊五部分組成。順序執(zhí)行計數(shù)器模塊主要由六與非門、計數(shù)器和非門組成。數(shù)據(jù)選擇器與順序執(zhí)行計數(shù)器完成計數(shù)值數(shù)據(jù)的讀取。接收模塊主要接收回波信號和關(guān)閉計數(shù)器，當(dāng)接收模塊接收到信號以后，便啟動計數(shù)，達(dá)到計數(shù)值，就輸出高電平，用來關(guān)閉計時計數(shù)器停止計數(shù)。在工作環(huán)境中，對聲速影響的因素很多。 (3)采用 FPGA 與 AT89C51 結(jié)合的方案， 由 FPGA 來完成多路超聲波傳播時間的精確測量， AT89C51 完成信號的啟動以及數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)總共有 6 個模塊，分別是電源模塊 、發(fā)射模塊 (超聲波產(chǎn)生和功率放大 )、接收模塊、 DSP模塊、擴(kuò)展單元模塊和單片機模超聲 波測距系統(tǒng) 22 塊。發(fā)射電路將接收到的方波脈沖信號送入乙類推挽放大電路，用其輸出信號驅(qū)動 CMOS 管，接著將其脈沖信號加到高頻脈沖變壓器進(jìn)行功率放大，使幅值增加到 100 多伏，最后將放大的脈沖方波信號加到超聲波換能器上產(chǎn)生頻率為 125 kHz 的超聲波并將其發(fā)射出去。因本系統(tǒng)頻率較高，回波信號非常弱，為毫伏級，因此設(shè)計成兩級放大電路，第一級放大 100 倍，第二級放大 50 倍，共放大 5 000 倍左右。 超聲波的產(chǎn)生與功率放大 多普勒超聲波測量中傳感器的激勵方式有單載頻脈沖激勵、連續(xù)正弦波激勵和偽隨機碼信號激勵等，由于連續(xù)正弦信號的采集較為容易，也適于作頻譜分析，因此選用這種方式。一般的正弦振蕩電路會有很多諧波分量，而且頻率漂移較大，一旦調(diào)節(jié)好了頻率又不易修改，使系統(tǒng)適應(yīng)不同頻率傳感器的靈活性減低，但是 DDS 芯片可以解決這些問題。目前使用最廣泛的一種 DDS 方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速 DAC產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存人的正弦波。+ V 或 +5 V 供電，極低功耗， 28腳 SSOP 封裝。 AD9850 有 32 位調(diào)節(jié)字，分為 W0， W1， W2， W3， W4 五個字節(jié)，每次只能寫入一個字節(jié)，當(dāng) WCLK腳變高時，寫入有效。 RESET 有效時，清除調(diào)節(jié)字寄存器。AD9850 的 WCLK， FQUD 和 RESET 均通過 74HC574 連在 DSP 的 GPIOA 上，他們的時序是通過寫入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。由于超聲波的頻率較高 (640 k 和 M)，進(jìn)行功率放大時超聲 波測距系統(tǒng) 25 一般的功率放大集成電路帶寬不夠，因此只好用功率晶體管搭放大電路。該圖為推挽式放大電路， Q1為 NPN管 (3DDSA)， Q2為 PNP管 (3CDSA)。 接收模塊 該模塊主要是將探頭接收到的信號進(jìn)行調(diào)理，得到含有流體流速信 息的多普勒頻偏信號，供后續(xù)數(shù)字系統(tǒng)部分做進(jìn)一步分析處理。 TLE2072 是低噪聲高速 JFET 輸入運算放大器，他的單位增益帶寬可達(dá) 10 MHz，能滿足信號放大帶寬的要求，電路中起到前置放大及阻抗變換的作用。 接收信號放大電路輸出的信號相對于發(fā)射信號產(chǎn)生了頻移，此頻移在 0～ 3 kHz范圍，反映流體的流速大小，由于此頻移相對于發(fā)射信號頻率較小，直接進(jìn)行頻率測量精度難以保證，所以采取混頻措施得到差頻信號。 超聲 波測距系統(tǒng) 26 7 AT89C51 單片機簡介 AT89C51 是 一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。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， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 如圖 71： 圖 71 1． 主要特性： 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 三級程序存儲器鎖定 32 可編程 I/O 線 5 個中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 2．管腳說明 ： VCC：供電電壓。 P0 口： P0口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。并因此作為輸 入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。但是有些情況又不得不并聯(lián)解決多顆 LED 驅(qū)動 成本問題 ,這些設(shè)計可以為大家做些參考。 如圖 81： 圖 81 LED動態(tài)掃描顯示電路 采用集成三極管可以保持每路 LED 電流一致 ,這些三極管在相同溫度環(huán)境下、相同工藝條件生產(chǎn)出來的 β 值一樣 ,可以保證每路電流基本一樣。 采用精度較高的 IC 做恒流參考源 ,R 可以設(shè)定 IC 輸出電流 ,一經(jīng)確定 R阻值可以使用固定電阻代替。 線性大功率 LED 恒流輸出可以并聯(lián)使用 ,在產(chǎn)品設(shè)計中我們往往找不到較大電流的驅(qū)動 IC,一般 2A以上就很少見 ,標(biāo)稱 2A的 IC也不一定可以極限使用。并聯(lián)使用是有效的設(shè)計辦法。使能 PWM 控制信號需要適當(dāng)?shù)母綦x ,避免相互干擾和驅(qū)動能力問題。一般 IC耐壓是指負(fù)載和電源 ,沒有注明激勵電壓請不要大于5V設(shè)計。 DCDC 方式是工作在較高的頻率上 ,需要注意的是 PCB 布板時避免交叉設(shè)計 ,各自濾波、旁路電容要緊靠 IC 附近 ,負(fù)載電流最后會和即可 。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下： （ 1）布線時盡量減少回路環(huán)的面積 ,以降低感應(yīng)噪聲。除減小壓降外 ,更重要的是降低耦合噪聲。其它 IC 的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。 （ 5）在速度能滿足要求的前提下 ,盡量降低單片機的晶振和選用低速數(shù)字電路。 其它常用抗干擾措施 （ 1）交流端用電感電容濾波 :去掉高頻低頻干擾脈沖。次級加低通濾波器 :吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓。 （ 4） I/O 口采用光電、磁電、繼電器隔離 ,同時去掉公共地。 （ 6）防雷電用光纖隔離最為有效。 （ 8）外殼接大地 :解決人身安全及防外界電磁場干擾。防止復(fù)位不充分 , CPU 就工作 ,尤其有 EEPROM的器件 ,復(fù)位不充份會改變 EEPROM 的內(nèi)容。 超聲 波測距系統(tǒng) 31 ② CPU、 RAM、 ROM 等主芯片 ,VCC 和 GND之間接電解電容及瓷片電容 ,去掉高、低頻干擾信號。 ④ 集成塊與插座接觸可靠 ,用雙簧插座 ,最好集成塊直接焊在印制板上 ,防止器件接觸不良故障。 根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，可以采用 AT89S51 單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成，顯示電路 ，由于 AT89C2051 外部 15 個 I/O引腳，即 P1 口和 P3 口，單 P3 口的 是不引出的， 15 個 I/O口要直接驅(qū)動 8 位 LED 顯然是不夠的，我們通過一片面74LS273 對地址進(jìn)行鎖存，如果 P1 口僅用于顯示驅(qū)動，而沒有與其它外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可省略這個鎖存器，直接或通過其他驅(qū)動電路驅(qū)動連接 LED。 此電路中， 74LS273 用于驅(qū)動 LED 的 8 位段碼， 8 位 LED 相應(yīng)的 a— g段連在一起，它們的公共端分別連至由 74LS138（點擊芯片型號可瀏覽其詳細(xì)的技術(shù)手冊 ） 譯碼選通后經(jīng) 74LS04 反相驅(qū)動的輸出端。 動態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低， LED將出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。在 C51 指令中，延時子程序是相當(dāng)簡單的，并且延時時間也很容易更改，可參見程序清單中的 DELAY 延時子程序。程序很簡單，流程圖略去。 程序清單 : ORG 0100H MAIN : MOV R3,00H :字形碼初始地址 LOO