【正文】 高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S52的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括256字節(jié)的內(nèi)部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字節(jié)的片內(nèi)EEPROM和可擴(kuò)展至64K的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 極限參數(shù) 表31 AT89S52極限參數(shù)參數(shù)額定值單位操作溫度0～+70或40～+85176。CEA/Vpp腳相對(duì)于Vss的電壓0～+V其他任何腳相對(duì)于Vss的電壓～+V每個(gè)IO腳的最大IOL15mA 超聲波傳感器 完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。小功率超聲探頭多用作探測(cè)方面?！　〕曁筋^的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率?！　。?）工作溫度。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。主要取決于制造晶片本身。人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。我們選用壓電式超聲波傳感器。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 共振板gon 壓電晶片 電極 電極 圖32超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。4 硬件電路設(shè)計(jì) 整體電路設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路與溫度測(cè)量電路等幾部分模塊組成。在發(fā)射后把信號(hào)放大，接收前也要把信號(hào)再次放大。 圖41超聲波測(cè)距原理圖單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲 發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面： （1）超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響； （2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)； （3）超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路，要求功率盡量大些，電路力求簡(jiǎn)單實(shí)用。 NE555是一種用途很廣的時(shí)基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，～18V范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。輸入控制端有直接復(fù)位Reset端，通過(guò)比較器A1，復(fù)位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH。圖43 40khz超聲波發(fā)射電路 圖44 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳 本次設(shè)計(jì)中NE555電路的工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)TXD口發(fā)出低電平，三極管Q5為PNP管所以導(dǎo)通，C極向外輸出高電平。 Vcc經(jīng)外接電阻R1和R2向電容C充電，當(dāng)C上的電壓Vc上升到2Vcc/3時(shí)，反相比較器A1翻轉(zhuǎn)輸出低電平，RS觸發(fā)器復(fù)位，即V＝0，3腳輸出為“0”，則三極管導(dǎo)通，C經(jīng)三極管和P1放電，當(dāng)Vc下降到Vcc/3時(shí)，同相比較器A2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即S＝0，RS觸發(fā)器置位，3腳輸出變?yōu)椤?”，三極管又截止，C又開始充電，如此周而復(fù)始，輸出端便可獲得周期性的矩形脈沖波，NE555的內(nèi)部電路。所以調(diào)節(jié)R1和R2即可改變脈沖頻率使之等于40KHz。圖45 方波產(chǎn)生電路 為了使40KHz的方波信號(hào)更為可靠，要對(duì)其進(jìn)行整形及放大。整形后的信號(hào)經(jīng)由三極管2放大，此時(shí)的信號(hào)已經(jīng)很可靠，可以滿足本次設(shè)計(jì)的需要。此外在超聲波發(fā)射電路中還加入了消除余振部分以保證電路可以更好的為超聲波發(fā)射器提供信號(hào)，也使測(cè)量結(jié)果更為精確。所以當(dāng)發(fā)射電路停止向其輸入脈沖信號(hào)后，如果沒(méi)有合適的能量釋放回路，則在其感性的作用下，超聲波探頭內(nèi)部振蕩仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，仍然發(fā)射超聲波，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。單片機(jī)控制發(fā)送超聲波的TXD口和消除余振的INT0口都是P3口的低四位，只需要由程序控制兩個(gè)管腳輸出相同的電平。兩個(gè)動(dòng)作幾乎是同時(shí)的，可以提高此后計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。圖46方波消除余波電路 圖47 發(fā)射電路模塊 超聲波接收電路在本次設(shè)計(jì)中選擇了前置放大電路＋帶通濾波電路＋后級(jí)放大電路的類似電路。如圖48所示： 由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也較小，為此要求將信號(hào)放大60萬(wàn)倍左右。放大后的交流信號(hào)經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號(hào)整形輸出一個(gè)方波信號(hào)，此方波信號(hào)上升沿使D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)。調(diào)試時(shí)，在a點(diǎn)與+16V（電源）之間用導(dǎo)線快速短路一下后松開，繼電器應(yīng)吸合（或釋放），再短路一下松開，繼電器應(yīng)釋放（或吸合），如果繼電器無(wú)反應(yīng)，請(qǐng)檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。為了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)于超聲波探頭接收到的信號(hào)同樣需要進(jìn)行處理。電路中加入二極管D1同樣是因?yàn)樯厦嫣岬降奶筋^的感性。這樣，如果沒(méi)有二極管保護(hù)，這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)將會(huì)全部加在三極管Q4的be結(jié)上，如果探頭的感性比較強(qiáng)，其反向電動(dòng)勢(shì)足以將be結(jié)擊穿。電容C9對(duì)經(jīng)過(guò)三極管的信號(hào)進(jìn)一步整形，去掉信號(hào)波形中的毛刺，使波形更好。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60 kHz。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I／O接口用于筆劃段字形代碼?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的I／O接口電路很多，常用的就是通過(guò)串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴(kuò)展并行的I／O口。在顯示電路的設(shè)計(jì)上，利用單片機(jī)的P0～P2口來(lái)控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費(fèi)管腳資源，但是對(duì)單片機(jī)的理論知識(shí)要求相對(duì)比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來(lái)支持，所以我選擇這種方案。顯示及其驅(qū)動(dòng)電路的原理圖見(jiàn)圖412。通過(guò)變壓器的直流電通過(guò)由二極管組成的橋式整流電路進(jìn)入三端穩(wěn)壓元件，CW7812和CW7805分別為電路提供穩(wěn)定的12V和5V直流電源。如圖413所示：圖413穩(wěn)壓電源圖414 單片機(jī)電路 提高測(cè)距的范圍由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波頻率成正比，因此用來(lái)測(cè)距的超聲波的頻率不能很高。所以，40Kz的超聲波單頻測(cè)距的范圍只有5～6米，無(wú)法滿足我們的要求。其測(cè)距原理是：控制器現(xiàn)發(fā)出一串頻率為fH的超聲波，串長(zhǎng)度可以有10～16個(gè)完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。由于高頻聲波先發(fā)出，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)，其回波EchoH先到達(dá)CPU，因此，對(duì)于較近的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測(cè)。由于該裝置在距離較遠(yuǎn)時(shí)對(duì)精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測(cè)。 發(fā)射探頭和接收探頭間的影響 超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)完成的。這一干擾問(wèn)題可通過(guò)軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到虛假反射波結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。 系統(tǒng)干擾因素測(cè)量裝置的干擾來(lái)自多方面。光線對(duì)測(cè)量裝置中的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生干擾。干擾竄入測(cè)量裝置有三條主要途徑，如圖416：（1）電磁干擾干擾以電磁波輻射的方式經(jīng)空間竄入測(cè)量裝置。信號(hào)在傳播過(guò)程中，通道中各元器件產(chǎn)生的噪聲或非線性畸變所造成的干擾。一般情況下，電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)干擾主要由發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、大功率繼電器、電臺(tái)等的感應(yīng)引起，其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電源接地系統(tǒng)和U0系統(tǒng)的干擾，這種干擾可采用良好的屏蔽與正確的接地、高頻濾波加以抑制。 圖416 產(chǎn)生誤差的途徑（3）供電系統(tǒng)干擾由于供電電網(wǎng)面對(duì)各種用戶，電網(wǎng)上并聯(lián)著各種各樣的用電器。這種跳變的持續(xù)時(shí)間很短，人們稱之為尖峰電壓。供電系統(tǒng)常采用下列幾種抗干擾措施:① 交流穩(wěn)壓器。② 隔離穩(wěn)壓器。隔離穩(wěn)壓器初次級(jí)間用屏蔽層隔離，減少級(jí)間禍合電容，從而減少高頻噪聲的竄入。它可濾去大于50Hz市電基波的高頻干擾。④ 獨(dú)立功能塊單獨(dú)供電。 溫度對(duì)超聲波測(cè)距的影響在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 V = 331．4 + 0．607T 式中，T為實(shí)際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。這里采用的主要元器件是是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 程序完成的功能 （1）超聲波的發(fā)射和接受控制（2）消除余振（3）對(duì)回波信號(hào)的檢測(cè)（4）測(cè)距時(shí)間到距離的換算（5）距離的顯示（6）對(duì)距離進(jìn)行判斷 主要部分程序流程圖 圖51 程序流程框圖 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序的分析uint Read_Temperature(void) //讀取溫度,返回整數(shù)值{ uint c。 //復(fù)位18b20芯片 tu=0。 // 跳過(guò)多傳感器識(shí)別skio r