【正文】 為 f=(( 2R +2 1R ) 1C )。 采用 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器可以實現(xiàn)寬范圍占空比的調(diào)節(jié)，并且電路設(shè)計簡單，占用面積小。當(dāng) 4 腳為低電平時， 555有振蕩脈沖輸出；為高電平時， 555定時器清零，沒有輸出。為保證 555時基具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用 +12V電源即 CCV =12V。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 7 J u n 2 0 07 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:T R I G2Q3R4C V o l t5T H R6D I S7VCC8GND1U15 55R2R1C2 C1V C CVOUC 15 圖 超聲波發(fā)射電路圖 超聲波接收電路設(shè)計 超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。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。按照上面所討論的原理，單片機需要的只是第一 個回波的時刻。超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減與距離成正比，即距離越近信號越強，距離越遠(yuǎn)信號越弱，通常在 1mV～ 1V之間。由于輸入信號的范圍較大，對放大電路的增益提出了兩個要求：一是放大增益要大，以適應(yīng)小信號時的需要；二是放大增益要能變化，以適應(yīng)信號變化范圍大的需要。為減少負(fù)電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號放大和變換采用了 LM324通用運算放大器，前三級為放大器設(shè)計，后一級 為比較器設(shè)計。為滿足交流信號的需要，每一級的放大器均采用阻容電路進(jìn)行電平偏移，即圖 7C 、 21C 、 22C 和 24C ，容量均為 10μ F，實現(xiàn)單電源條件下交流信號的放大。距離較近時，兩級 放大的增益已能夠輸出足夠強度的信號了，第三級有可能出現(xiàn)信號飽和，但距1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 9 M a y 20 0 7 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:T R I G2Q3R4C V o l t5T H R6D I S7VCC8GND15 55R21KC13 30 0 P FR15KC S B 40 TV C C接 P 1 .3超聲波發(fā)送電路圖C2 16 離較遠(yuǎn)時，必須采用三級放大。調(diào)節(jié)電位器可得到閥值電壓 NU 。 當(dāng) LM324 檢測到超聲波回波信號時，它輸出低電平信號，此時 LM324 的輸入電壓就小于閥值電壓，所以 LM324 就輸出高電平信號，通向 PC 的數(shù)據(jù)采集端。比較器這一部分如果調(diào)節(jié)不當(dāng)也可能會出現(xiàn)一些問題，如在輸出端會有高頻輸出等。利用比較器的正反饋產(chǎn)生滯環(huán)特性來降低比較器的靈敏度，可以減少干擾。采用可調(diào)電位計是較為方便的方法。合理調(diào)節(jié)電位器27R ，選擇比較基準(zhǔn)電壓，可使測量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。當(dāng) 18 溫度從 0～ 40℃變化時，將會產(chǎn)生大約 7％ 的聲速變化，在超聲波測距儀中，把聲 速作為一個標(biāo)準(zhǔn)量，為了獲得較精確的聲速，引入溫度補償是必要的。 DS1820是 DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，電路連接非常簡單，但是必須保證時序與單片機嚴(yán)格同步。溫度輸出以 16 位符號擴展的二進(jìn)制數(shù)形式提供，低位在前，以 ℃ /LSB（最小可分辨信號）形式表達(dá)，高五位為擴展符號位。在本系統(tǒng)中采用默認(rèn)的 12位精度。 DS1820溫度傳感器有兩個晶振，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩率明顯改變，所產(chǎn)生信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入。計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時，溫度寄存器的 值將加 1攝氏度，計數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)至計數(shù)器 2計數(shù)到 0，停止溫度寄存器累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 DS1820利用單線控制信號在總線上與單片機進(jìn)行通信。 圖 溫度測量電路圖 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 0 M a y 20 0 7 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:1 2 3D S 18 2 0V C CR 1 03K接 P 1 .5 19 報警電路設(shè)計 報警電路如圖所示，采用典型的 555振 蕩電路，單片機通過控制 4腳 (手動復(fù)位腳 )的電平來控制振蕩器的工作，高電平時工作，低電平時停止。單片機的 P1. 4控制 555 電路根據(jù)測量結(jié)果，產(chǎn)生不同頻率的信號使報警電路發(fā)出不同長短報警聲。 LED 指示燈由單片機管腳控制，高電平點亮，低電平熄滅，其閃爍頻率與聲音報警頻率相同。顯示位數(shù)按照該裝置可測量的長度 (與采用的超聲波傳感器有關(guān) )以及測量的精度來確定，要能顯示出0— 9這些數(shù)字以及小數(shù)點等，并要求顯示穩(wěn)定，無閃爍。通過對一般測距儀的分析，發(fā)現(xiàn)通常只需要 4位的 LED即可滿足大多數(shù)的顯示精度要求，為了減少所需的 I/O數(shù)量，降低成本，采用動態(tài)顯示控制方式。 串行輸入顯示接口芯片 MC14499是一個 BCD一鎖存 /7段譯碼 /驅(qū)動器，雙列直插式 l8腳封裝， MC14499具有輸入鎖存功能，一幀數(shù)據(jù)輸入之后，就被鎖存起來，直至下一幀數(shù)據(jù)輸入為止。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 0 M a y 20 0 7 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:接 P 1 .4報警電路T R I G2Q3R4C V o l t5T H R6D I S7VCC8GND1U25 55 SPR67 5KR82KR77 5KC70 .1 uC60 .1 uD1Q1V C C 20 圖 顯示電路圖 用 MC14499 設(shè)計的 LED 顯示器動態(tài)顯示接口電路，用 AT89C2051 單片機作為控制核心的超聲波測距儀，其數(shù)據(jù)輸出既可以通過單片機的通用 I/O 口輸出，也可以通過單片機的串口用串行方 式輸出。單片機的 P1 口為數(shù)據(jù)輸出口，顯示器采用 RS202 型共陰極 7段 LED，顯示位數(shù)為 4位，由于一片 MC14499 可以驅(qū)動 4個 LED 顯1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 7 J u n 2 0 07 S he e t o f F i l e : E : \ l i uw e i \論文 \ p r o t e l \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:+5接 P 1 .0接 P 1 .1接 P 1 .2a b c d e f gdpⅠⅡⅢⅣDCLKENVDDO S CV S SM C 1 44 9 9R3R4R5+5C3U6NOTU7NOTU8NOTU9NOT4 7Ω * 85 .1 K Ω *3dpgfedcbaCOM1COM2COM3COM4C9L E D 1 21 V i n9OUT10GND117805V i n 12OUT13GND147812V i n15OUT16GND177905C2C1C61 00 uC3C70 .1 uR2R1R424V+ 5 VR3C41 00 uC50 .1 u+ 1 2 VC81 00 uC90 .1 u 5 V示器，因此該顯示接口只需用一片 MC14499 和單片機連接。 用來向 MC14499 發(fā)送數(shù)據(jù)， 用來向 MC14499 發(fā)送時鐘脈沖， 用于控制單片機輸出數(shù)據(jù)向 MC14499 串行輸入 (當(dāng) =0 時，允許 MC14499 輸人數(shù)據(jù) )。由于 MC14499 具有輸入自動鎖存功能，而串行輸入一幀數(shù)據(jù)又需要一定的時間，所以 LED 顯示的數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。并且?guī)в谐潆娦铍姵刈鳛閭溆秒娫矗?dāng)單片機電源正常工作時，蓄電池處于浮充電狀態(tài)，時刻保持滿電狀態(tài)，當(dāng)緊 急情況下，如果單片機電源不能夠正常工作，那么蓄電池提供 +5v 的穩(wěn)定電源，直到電源故障解除為止。 電源電路圖如圖所示： 圖 +5V、 5V和 +12V穩(wěn)壓電源電路圖 22 穩(wěn)壓電源電路 在輸出電流為 500mA 時，輸出電壓為 24V。短路消除后，它都能自動啟動。 當(dāng)負(fù)載電流增大時， 3 只晶體管都導(dǎo)通，直至 VT2 飽和為止， IC2達(dá)到 20mA 左右，從而限制 VT1 的基極電流。如果負(fù)載電阻很小，則輸出電壓很低，不能維持 VT3 導(dǎo)通，從而使穩(wěn)壓電路關(guān)閉。 圖 24V穩(wěn)壓電路圖 器件 選型 AT89C2051 單片機 AT89C2051是一個 2K字節(jié)可編程 EPROM的高性能微控制器。 AT89C2051有以下特點： 2K字節(jié) EPROM、 128字節(jié) RAM、 15根I/O線、 2個 16位定時 /計數(shù)器、 5個向量二級中斷結(jié)構(gòu)、 1個全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有 12MHz/24MHz工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。空閑時， CPU停止，而讓 RAM、定時 /計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 AT89C2051有 2個 16位計時 /計數(shù)器寄存器 Timer0、 Timer1。因為一個機器周期有 12個振蕩 23 器周期，所以計數(shù)率是振蕩器頻率的 1/12。由于需要二個機器周期來辨認(rèn)一次 1到 0的變化，所以最大的計數(shù)率是振蕩器頻率的 1/24，可以對外部的輸入端 ，便于測量脈沖寬度。 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。因此超聲波檢測 廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。小功率超聲探頭多作探測作用。 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。在空氣中傳播超聲波 ，其頻率較低，一般為幾十 KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接 收波產(chǎn)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超進(jìn)行檢測 .而實際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。 24 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計和仿真 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。在系統(tǒng)軟件中，要完成對發(fā)射脈沖信號、脈沖接收信號、時序及輸出信號的控制。 （ 3）信號處理 RAM中的溫度值要轉(zhuǎn)化為此溫度下的聲速，轉(zhuǎn)換公式是： 3 3 1 .4 1 / 2 7 3c ??? (m/s)。在這部分中，信號處理包括計數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十