超聲波測(cè)距系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、超聲波測(cè)距系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要本文詳細(xì)介紹了一種基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件,利用反射超聲波測(cè)量待測(cè)距離。在介紹了單片機(jī)性能和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了超聲波測(cè)距的發(fā)展及基本原理，介紹了傳感器的原理及特性。由此提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。然后簡(jiǎn)要介紹了利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)距儀的原理:單片機(jī)發(fā)出的超聲波，通過(guò)換能器發(fā)射出去，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，計(jì)算此超聲波從發(fā)射出到接受的時(shí)間差從而得出被測(cè)物體到測(cè)距儀的距離。針對(duì)測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測(cè)、顯示部分的總體設(shè)計(jì)方案做了論證。設(shè)計(jì)了一種基于8051單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。介紹了超聲波測(cè)距的原理及8051單片機(jī)的

2、性能和特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距方案的系統(tǒng)框圖及軟、硬件設(shè)計(jì)。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：超聲波；8051單片機(jī)；測(cè)距目錄1 引 言42 微控制器mc9s12dg128b83 ds18b20溫度補(bǔ)償電路104 超聲波傳感器125 集成電路cx20106a簡(jiǎn)介146 超聲波傳感器測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì)186.1 硬件電路設(shè)計(jì)方法196.2 多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng)206.2.1 fpga內(nèi)部各組成模塊設(shè)計(jì)2

3、16.2.2 發(fā)射電路236.2.3接收電路236.3超聲波的產(chǎn)生與功率放大246.4接收模塊267 at89c51單片機(jī)簡(jiǎn)介278 led動(dòng)態(tài)掃描顯示電路299 提高敏感器件抗干擾性能319.1系統(tǒng)硬件干擾349.2降低外時(shí)鐘頻率369.3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)379.4 多任務(wù)調(diào)度管理的仿真實(shí)現(xiàn)41結(jié)論43致謝44參考文獻(xiàn)451 引 言近年來(lái)，隨著單片機(jī)在我國(guó)的推廣，以其簡(jiǎn)單實(shí)用、功能強(qiáng)、體積小而日益廣泛的被廣大設(shè)計(jì)師采用，尤其在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用更為突出。本文論述了采用單片機(jī)技術(shù)研制成功的智能距離提示器的原理與方法。該智能距離提示器主要是利用超聲波探測(cè)傳感器發(fā)送超聲波來(lái)測(cè)試相對(duì)應(yīng)的距離。工作時(shí)，

4、超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖。超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來(lái)的反射波后，也向單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖。最后由單片機(jī)裝置對(duì)接受信號(hào)依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出該智能距離提示器離障礙物之間的距離。該超聲波智能距離提示器具有測(cè)距原理簡(jiǎn)單，成本低，制作方便易于實(shí)時(shí)控制，并且在精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求等特點(diǎn)。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩 ,傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一 ,縱向分辨率較高.超聲波對(duì)色彩、光照度、外界光線和電磁場(chǎng)不敏感 ,因此超聲測(cè)距對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強(qiáng)電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力 ,在液位測(cè)量、機(jī)器人避障

5、和定位、倒車?yán)走_(dá)、物體識(shí)別等方面有著廣泛的運(yùn)用。由于超聲傳播不易受干擾 , 能量消耗緩慢 , 在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn) , 因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量. 本文以超聲波理論為依據(jù)，給出日常生活中可以方便 使用的非接觸式超聲波測(cè)距裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程。1.1超聲波測(cè)距的原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離sct2，式中的c為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋

6、范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。單片機(jī)(at89c51)發(fā)出短暫的40khz信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至led顯示電路進(jìn)行顯示。圖1-1超聲波測(cè)距電路表1 溫度與波速的關(guān)系表溫度/-20-100102030100波速/m/s319325323338344349386由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)。所以列出了幾種不同溫度下的波速,請(qǐng)看表1所示。在測(cè)距時(shí)由于溫度變化，可通過(guò)

7、溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速c，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高了測(cè)量精確度。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號(hào)，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，被超聲波接收器接收到。只要計(jì)算出超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收到回波信號(hào)的時(shí)間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計(jì)算出距被測(cè)物體的距離：d=s/2=(vt)/2 （1）其中d為被測(cè)物到測(cè)距儀之間的距離，s為超聲波往返通過(guò)的路程，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系：v=331.4+0.61

8、t （2）式中，t為實(shí)際溫度()，v的單位為m/s。1.2 壓電式超聲波傳感器的原理目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。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。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且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。反

9、之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)即為超聲波接收器。1.3 反射式超聲波測(cè)距儀的硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路構(gòu)成，如圖1-2所示。圖1-2本超聲波測(cè)距儀的具體工作過(guò)程如下，在單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)后，mc9s12dg128b產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制外圍電路產(chǎn)生40khz的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為40khz的超聲波。同時(shí)，計(jì)數(shù)mc9s12dg128b內(nèi)部的定時(shí)器，測(cè)量超聲波信號(hào)從發(fā)出到接收所花的時(shí)間，并把經(jīng)超聲波換能器r接收到的超聲波信號(hào)放大、

10、濾波、整形，并作為接收信號(hào)來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測(cè)距的時(shí)間操作。同時(shí)，由溫度傳感器ds18b20測(cè)得當(dāng)前的環(huán)境溫度，讀入單片機(jī)，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的測(cè)量值以及當(dāng)前溫度。2 微控制器mc9s12dg128bmc9s12dg128b是飛思卡爾公司推出的s12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括spi、sci、i2c、a/d、pwm等，在flash存儲(chǔ)控制及加密方面有較強(qiáng)的功能。mc9s12dg128b微控制器采用增強(qiáng)型16位s12 cpu，片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá)25mhz；片內(nèi)資源包括8kb ram、128kb flash、2

11、kb eeprom、sci、spi及pwm串行接口模塊；pwm模塊可設(shè)置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時(shí)鐘頻率；它還提供2個(gè)8路10位精度a/d轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)can和增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模式（bdm）。2.1 超聲波的發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路一般由超聲波反射器t、40khz的超音頻振蕩器、驅(qū)動(dòng)（或激勵(lì)）電路等組成，本設(shè)計(jì)利用門電路產(chǎn)生40khz的超聲波，組成的超聲波發(fā)射電路見(jiàn)圖2-1。圖2-1超聲波發(fā)射電路圖中，與非門74ls00和lm386組成超聲波發(fā)射電路，用74ls00構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)調(diào)節(jié)20k的電位器，可產(chǎn)生超聲波發(fā)射的40khz信號(hào)，其中u3a為驅(qū)動(dòng)器，電路

12、振蕩頻率f1/2.2rc，單片機(jī)的控制信號(hào)由u2a輸入。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設(shè)計(jì)利用了單運(yùn)放lm386，發(fā)射距離可達(dá)4m。2.2 超聲波的接收電路超聲波接收電路如圖2-2所示。接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的超聲波接收器r，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)。為了進(jìn)行信號(hào)的整形，在設(shè)計(jì)中的cmos電平的6非門芯片cd4069，可以減少電路的復(fù)雜程度，提高電路的帶負(fù)載能力。整形后的信號(hào)由c1耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊lm567的輸入端3腳，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度落在其中心頻率上時(shí)，lm567的邏輯輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?。圖2-2超聲波的接收電路3 ds18b20溫度補(bǔ)償電路根據(jù)上文中式可知，

13、溫度對(duì)聲速的影響較大，若不進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器ds18b20來(lái)采集溫度，ds18b20是美國(guó)dallas公司生產(chǎn)的1-wire總線串行數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、抗干擾能力強(qiáng)、易于與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種溫度測(cè)控系統(tǒng)。它的測(cè)量溫度范圍為-55+125，精度可達(dá)0.0675，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ms。數(shù)字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區(qū)別是：將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)串行通信的方式輸出。因此掌握ds18b20的通信協(xié)議是使用該器件的關(guān)鍵。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖時(shí)隙；寫“0”、

14、讀“1”時(shí)隙，讀“0”、讀“1”時(shí)隙。初始化后，傳感器輸出兩個(gè)字節(jié)的溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到實(shí)際溫度的值，利用式（2）可計(jì)算補(bǔ)償聲速。3.1 液晶顯示電路字符點(diǎn)陣系列模塊是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型顯示模塊。分4位和8位數(shù)據(jù)傳輸方式。它提供57點(diǎn)陣+光標(biāo)和510點(diǎn)陣+光標(biāo)的顯示模式。提供顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)ddram、字符發(fā)生器cgrom和字符發(fā)生器cgram，可以使用cgram來(lái)存儲(chǔ)自己定義的最多8個(gè)58點(diǎn)陣的圖形字符的字模數(shù)據(jù)。它提供了豐富的指令設(shè)置：清顯示，光標(biāo)回原點(diǎn)，顯示開(kāi)/關(guān)，光標(biāo)開(kāi)/關(guān)，顯示字符閃爍，光標(biāo)移位，顯示移位等。提供內(nèi)部上電自動(dòng)復(fù)位電路，當(dāng)外加電源電壓超過(guò)+4.

15、5v時(shí)，自動(dòng)對(duì)模塊進(jìn)行初始化操作，將模塊設(shè)置為默認(rèn)的顯示工作狀態(tài)。ocm2x16顯示兩行字符，每行可以顯示16個(gè)字符。本設(shè)計(jì)采用ocm2x16，顯示兩行字符，一行顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度，一行顯示所測(cè)距離。圖3-1液晶顯示電路3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、定時(shí)器計(jì)時(shí)子程序、計(jì)算子程序、液晶顯示子程序等。主程序包括初始化和各個(gè)子程序的調(diào)用，最后把測(cè)量結(jié)果用液晶顯示屏顯示出來(lái)。圖3-2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖4 超聲波傳感器4.1 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲

16、型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有：1 壓電傳感器；2 磁致伸縮傳感器；3 靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨” 或“笛” 。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料

17、置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。4.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路主要由反向器74ls04和超聲波換能器t構(gòu)成，單片機(jī)p1.0端口輸出的40khz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向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。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻r10、r11一方面可以提高反向器74

18、ls04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器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。4.3 超聲波檢測(cè)接收電路超聲波檢測(cè)接收電路是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板。5 集成電路cx20106a簡(jiǎn)介集

19、成電路cx20106a是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38khz與測(cè)距的超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。適當(dāng)更改電容c4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。cx20106a紅外遙控接收器集成電路的特性： cx20106a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。實(shí)際上，人們往往把運(yùn)算器和控制器合并稱為中央處理單元cpu。單片機(jī)除了進(jìn)行運(yùn)算外，還要完成控制功能。所以離不開(kāi)計(jì)數(shù)和定時(shí)。因此，在單片機(jī)中就設(shè)置有定時(shí)器兼計(jì)數(shù)器。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的

20、基本組成，即單片機(jī)是由中央處理器（即cpu中的運(yùn)算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為rom）、讀寫存貯器（又稱隨機(jī)存貯器通常表示為ram）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為i/o口）等等組成。實(shí)際上單片機(jī)里面還有一個(gè)時(shí)鐘電路，使單片機(jī)在進(jìn)行運(yùn)算和控制時(shí)，都能有節(jié)奏地進(jìn)行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)有“傳達(dá)室”的作用，當(dāng)單片機(jī)控制對(duì)象的參數(shù)到達(dá)某個(gè)需要加以干預(yù)的狀態(tài)時(shí)，就可經(jīng)此“傳達(dá)室”通報(bào)給cpu，使cpu根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來(lái)采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。單片機(jī)內(nèi)部有一條將它們連接起來(lái)的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而cpu、rom、ram、i/

21、o口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。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(guò)干道進(jìn)行。mcu-51 cpu和存儲(chǔ)器。單片機(jī)8051的cpu由運(yùn)算器和控制器組成。a 運(yùn)算器運(yùn)算器以完成二進(jìn)制的算術(shù)/邏輯運(yùn)算部件alu為核心，再加上暫存器tmp、累加器acc、寄存器b、程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器psw及布爾處理器。累加器acc是一個(gè)八位寄存器，它是cpu中工作最頻繁的寄存器。在進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算時(shí)，累加器acc往往在運(yùn)算前暫存一個(gè)操作數(shù)（如被加數(shù)），而運(yùn)算后又保存其結(jié)果（如代數(shù)和）。寄存器b主要用于乘法和除法操作。標(biāo)志寄存器psw也是一個(gè)八位寄存器，用來(lái)存

22、放運(yùn)算結(jié)果的一些特征，如有無(wú)進(jìn)位、借位等。其每位的具體含意如下所示。psw cy ac fo rs1 rs0 ov p對(duì)用戶來(lái)講，最關(guān)心的是以下四位。a、進(jìn)位標(biāo)志cy（psw.7）。它表示了運(yùn)算是否有進(jìn)位（或借位）。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。b、輔助進(jìn)位標(biāo)志ac。又稱半進(jìn)位標(biāo)志，它反映了兩個(gè)八位數(shù)運(yùn)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。c、溢出標(biāo)志位ov。mcs51反映帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果是否有溢出，有溢出時(shí)，此位為1，否則為0。d、奇偶標(biāo)志p。反映累加器acc內(nèi)容的奇偶性，如果acc中的運(yùn)算結(jié)

23、果有偶數(shù)個(gè)1（如11001100b，其中有4個(gè)1），則p為0，否則，p=1。psw的其它位，將在以后再介紹。由于psw存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字。運(yùn)算器中還有一個(gè)按位（bit）進(jìn)行邏輯運(yùn)算的邏輯處理機(jī)（又稱布爾處理機(jī)）。其功能在介紹位指令時(shí)再說(shuō)明，如圖5-1： 圖5-1 dip塑封引腳圖引腳功能dip塑封引腳圖引腳功能lm358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益 模組,音頻放大器、工業(yè)控制、dc增益部件和其他所有可用

24、單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 lm358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。 特性(features)： 內(nèi)部頻率補(bǔ)償。 直流電壓增益高(約100db) 。 單位增益頻帶寬(約1mhz) 。 電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?330v)；雙電源(1.5一15v) 。 低功耗電流，適合于電池供電。 低輸入偏流。 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。 輸出電壓擺幅大（0至vcc-1.5v) 。 參數(shù)：輸入偏置電流45 na；輸入失調(diào)電流50 na；輸入失調(diào)電壓2.9mv；輸入共模電壓最大值vcc1.5 v；共模抑制比80db；電源抑制

25、比100db 。lm358應(yīng)用電路圖：如圖5-2：圖5-26 超聲波傳感器測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì)超聲就是指頻率高出可聽(tīng)頻率極限(即在20 khz以上的頻段)的彈性振動(dòng)，這種振動(dòng)以波動(dòng)形式在介質(zhì)中的傳播過(guò)程就形成超聲波。超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測(cè)量的原理是：由超聲換能器產(chǎn)生的超聲波以某一角度入射到流體中，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號(hào)就可以測(cè)量流體的流速和流量。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(shí)用的超聲波流量計(jì)得以迅速發(fā)展。超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓力損失小，而且使用方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。諧振頻率高于20

26、khz的聲波被稱為超聲波。超聲波測(cè)距的基本工作原理是：發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過(guò)介質(zhì)返回到接收探頭，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，利用公式s=05ct就能算得從探頭到障礙物的距離，式中：s為所測(cè)的距離，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為超聲波從發(fā)到收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。如圖6-1： 圖6-1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(jì)；根據(jù)超聲波流量計(jì)適用的流道不同可分為管道流量計(jì)、管渠流量計(jì)和河流流量計(jì)；根據(jù)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)原理，超聲波流量計(jì)非接觸測(cè)量方法分為：傳播時(shí)差法、多普勒法、波束偏移法及流動(dòng)超聲法等不同類型，其中傳播時(shí)差法又分為直接時(shí)

27、差法、相位差法和頻差法。 雙頻超聲波多普勒流量計(jì)能夠產(chǎn)生兩組異頻、相互獨(dú)立的超聲波信號(hào)，兩種頻率用于識(shí)別和排除一系列的錯(cuò)誤信號(hào)，他能有效去除噪聲信號(hào)，并將準(zhǔn)確識(shí)別出的多普勒信號(hào)進(jìn)行平方放大。6.1 硬件電路設(shè)計(jì)方法總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個(gè)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(jì)和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖1所示。發(fā)射探頭發(fā)射兩個(gè)己知的固定頻率的獨(dú)立超聲波信號(hào)，接收探頭負(fù)責(zé)接收含有流體的流速信息的超聲波。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(hào)，再送到數(shù)字系統(tǒng)部分的dsp(tms320f2812)的模數(shù)

28、(ad)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。tms320f2812內(nèi)部定時(shí)中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采集的數(shù)據(jù)送人環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，然后tms320f2812對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理、fft變換求其功率譜、功率譜的延伸、疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。單片機(jī)c8051f236通過(guò)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(jì)流量等所需要的數(shù)據(jù)量的計(jì)算，并通過(guò)液晶顯示器顯示。除了測(cè)量以外，還可以通過(guò)鍵盤選擇執(zhí)行安裝、測(cè)試、設(shè)置儀表和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)等多種操作。超聲波測(cè)距系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 一般情況下，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。圖6-2超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)常采用頻率為40 khz的

29、方波信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生。為了避免溫度對(duì)聲波傳播速度的影響，都采用溫度補(bǔ)償以適應(yīng)在不同環(huán)境下正常工作的需求。時(shí)間的精確測(cè)量可由單片機(jī)內(nèi)部單獨(dú)的計(jì)數(shù)器完成，也可由外部的計(jì)時(shí)電路完成。6.2 多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng)系統(tǒng)由單片機(jī)、fpga模塊、6對(duì)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。系統(tǒng)組成框圖如圖6-3。圖6-3系統(tǒng)組成框圖 本系統(tǒng)中。單片機(jī)系統(tǒng)與fpga系統(tǒng)是測(cè)距儀的核心部件，用來(lái)協(xié)調(diào)各部分元件工作。單片機(jī)控制器單元主要是啟動(dòng)超聲波發(fā)射與計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)的同步以及接收到回波后對(duì)其計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行處理等運(yùn)算。fpga單元主要用來(lái)產(chǎn)生超聲

30、波的發(fā)射脈沖頻率125 khz與計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的頻率(170 khz)，通過(guò)微控制器mcu來(lái)啟動(dòng)超聲波的發(fā)射，fpga發(fā)射一定數(shù)量(這里選擇8至10)的脈沖串之后，停止發(fā)射同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，超聲波途經(jīng)障礙物返回。當(dāng)超聲波換能器接收到回波信號(hào)之后，將其信號(hào)送入fpga內(nèi)部，用來(lái)控制計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的停止，將所得的計(jì)數(shù)值送入單片機(jī)。第一路到第五路超聲波換能器用于測(cè)量距離，測(cè)量距離的五路超聲波換能器按等間距分別安裝在測(cè)距儀的固定板上，系統(tǒng)采用收發(fā)同體的探頭，其波束角很小，有效的保證了各探頭到被測(cè)物體的垂直測(cè)量距離。第六路超聲波換能器安裝在測(cè)距儀的左側(cè)，在測(cè)距儀的右側(cè)安裝一塊標(biāo)準(zhǔn)檔板，較準(zhǔn)確的測(cè)量當(dāng)時(shí)環(huán)境

31、下的聲速，用于溫度補(bǔ)償?？刂苹蝻@示模塊用于調(diào)整平衡或輸出顯示測(cè)量距離的目的。6.2.1 fpga內(nèi)部各組成模塊設(shè)計(jì) fpga主要實(shí)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(shí)間的測(cè)量。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-4所示。圖6-4fpga主要由發(fā)射模塊、順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器與接收模塊五部分組成。其中：發(fā)射模塊完成脈沖串的發(fā)射與計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)，主要由96分頻器、發(fā)射脈沖串計(jì)數(shù)器和發(fā)射脈沖串的控制器三部分組成。順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器模塊主要由六與非門、計(jì)數(shù)器和非門組成。 所有的接收模塊接收完數(shù)據(jù)后，通過(guò)與非門及非門輸出高電平(finish端口)，以觸發(fā)單片機(jī)使單片機(jī)處于接收數(shù)據(jù)

32、狀態(tài)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)使順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值每次加1，輸出端口便是相應(yīng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，單片機(jī)便從相應(yīng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器中讀取計(jì)數(shù)值。數(shù)據(jù)選擇器與順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)的讀取。 計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器模塊主要完成測(cè)量脈沖發(fā)出去到接收到的時(shí)間間隔和脈沖的計(jì)數(shù)，主要由啟動(dòng)與關(guān)閉計(jì)數(shù)器控制、12分頻器、16位計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器、二選一數(shù)據(jù)選擇器及8位數(shù)據(jù)鎖存器組成。接收模塊主要接收回波信號(hào)和關(guān)閉計(jì)數(shù)器，當(dāng)接收模塊接收到信號(hào)以后，便啟動(dòng)計(jì)數(shù)，達(dá)到計(jì)數(shù)值，就輸出高電平，用來(lái)關(guān)閉計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。為防止信號(hào)串?dāng)_，在信號(hào)發(fā)射時(shí)，cuan端輸入高電平，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行屏蔽，如圖6-5：圖6-5 計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器模塊經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，本

33、文給出的基于單片機(jī)與fpga相結(jié)合的多路同步超聲波 測(cè)距系統(tǒng)與其它系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：(1)抗環(huán)境影響因素能力強(qiáng)。在工作環(huán)境中，對(duì)聲速影響的因素很多。 (2)采用125 khz的頻率，同時(shí)采用多路超聲波精確同步測(cè)距。 (3)采用fpga與at89c51結(jié)合的方案，由fpga來(lái)完成多路超聲波傳播時(shí)間的精確測(cè)量，at89c51完成信號(hào)的啟動(dòng)以及數(shù)據(jù)的處理。與常規(guī)系統(tǒng)相比，雖然增加了fp-ga硬件，但是系統(tǒng)也舍棄了一些系統(tǒng)所采用的溫度補(bǔ)償模塊，大大提高了系統(tǒng)的精度和系統(tǒng)的靈活性，如圖6-6：圖6-6系統(tǒng)總電路圖如圖6-7所示。系統(tǒng)總共有6個(gè)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

34、塊、dsp模塊、擴(kuò)展單元模塊和單片機(jī)模塊。 圖6-76.2.2 發(fā)射電路發(fā)射電路如圖6-8（a）所示。發(fā)射電路將接收到的方波脈沖信號(hào)送入乙類推挽放大電路，用其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)cmos管，接著將其脈沖信號(hào)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(hào)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。6.2.3接收電路接收電路如圖6-8（b）由op37構(gòu)成的兩級(jí)運(yùn)放電路，tl082構(gòu)成的二階帶通濾波電路以及l(fā)m393構(gòu)成的比較電路三部分組成。因本系統(tǒng)頻率較高，回波信號(hào)非常弱，為毫伏級(jí)，因此設(shè)計(jì)成兩級(jí)放大電路，第一級(jí)放大100倍，第二級(jí)放大50倍，共放大

35、5 000倍左右。 圖6-8另外考慮到本系統(tǒng)要適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境，因此設(shè)計(jì)了由tl082構(gòu)成的高精度帶通濾波電路，以供回波信號(hào)放大后進(jìn)行進(jìn)一步濾波，將濾波后的信號(hào)輸入到lm393構(gòu)成的比較器反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓相比較，并且對(duì)其比較輸出電壓進(jìn)行限幅，將其電壓接至d觸發(fā)器，比較器將經(jīng)過(guò)放大后的交流信號(hào)整形出方波信號(hào)，將其接至fpga，啟動(dòng)接收模塊計(jì)數(shù)，達(dá)到脈沖串設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。6.3超聲波的產(chǎn)生與功率放大 多普勒超聲波測(cè)量中傳感器的激勵(lì)方式有單載頻脈沖激勵(lì)、連續(xù)正弦波激勵(lì)和偽隨機(jī)碼信號(hào)激勵(lì)等，由于連續(xù)正弦信號(hào)的采集較為容易，也適于作頻譜分析，因此選用這種方式。超聲信號(hào)的頻移

36、反映了流速的信息，測(cè)準(zhǔn)頻移是保證測(cè)量精度的關(guān)鍵，愈少在頻譜中引入干擾分量愈好，因此我們需要源信號(hào)有較高的純度。一般的正弦振蕩電路會(huì)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(wèn)題。dds技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過(guò)dac轉(zhuǎn)換成模擬量形式信號(hào)的合成技術(shù)。目前使用最廣泛的一種dds方式是利用高速存儲(chǔ)器作查尋表，然后通過(guò)高速dac產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存人的正弦波。本系統(tǒng)選用的dds芯片是ad公司生產(chǎn)的coms型dds芯片ad9850，該芯片最高可支持125 mhz的時(shí)鐘頻率，32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或串行方式裝

37、入。+3.3 v或+5 v供電，極低功耗，28腳ssop封裝。ad9850有兩種裝載頻率調(diào)節(jié)字的方式，無(wú)優(yōu)劣之分。ad9850有32位調(diào)節(jié)字，分為w0，w1，w2，w3，w4五個(gè)字節(jié)，每次只能寫入一個(gè)字節(jié)，當(dāng)w-clk腳變高時(shí)，寫入有效。fq-ud有效時(shí)，ad9850讀取新的調(diào)節(jié)字，產(chǎn)生新的頻率輸出。reset有效時(shí)，清除調(diào)節(jié)字寄存器。如圖6-9：圖6-974hc574是8d鎖存器，可將寫入的數(shù)據(jù)保存在輸出端直到下次時(shí)鐘到來(lái)。ad9850的w-clk，fq-ud和reset均通過(guò)74hc574連在dsp的gpioa上，他們的時(shí)序是通過(guò)寫入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。流體中有較高的顆粒含量，超聲波的衰減較大，發(fā)

38、射信號(hào)要有一定功率，因此功率放大不可少。由于超聲波的頻率較高(640 k和1.0 m)，進(jìn)行功率放大時(shí)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。具體電路如圖4所示。該圖為推挽式放大電路，q1為npn管(3ddsa)，q2為pnp管(3cdsa)。dds-in接dds的輸出，變壓器的輸出接發(fā)送傳感器。6.4接收模塊 該模塊主要是將探頭接收到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，得到含有流體流速信息的多普勒頻偏信號(hào)，供后續(xù)數(shù)字系統(tǒng)部分做進(jìn)一步分析處理。接收探頭接收到的信號(hào)分別通過(guò)中心頻率為1 mhz和640 khz的窄帶帶通波器，濾去其中的低頻雜散噪聲，放大以后送入解調(diào)器，輸出含有流速信息的低頻多

39、普勒頻偏信號(hào)，然后送入tms320f2812的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。tle2072是低噪聲高速jfet輸入運(yùn)算放大器，他的單位增益帶寬可達(dá)10 mhz，能滿足信號(hào)放大帶寬的要求，電路中起到前置放大及阻抗變換的作用。mc1350為可控增益選頻放大器，中頻變壓器t1(t2)諧振頻率為640 khz(1 mhz)，對(duì)信號(hào)起帶通濾波的作用，輸出信號(hào)經(jīng)tle2072半波放大后，由rc濾波形成mc1350增益控制電壓，從而使輸人信號(hào)強(qiáng)度在較大范圍內(nèi)變化時(shí)得到一穩(wěn)定的輸出信號(hào)，此電路可使輸入信號(hào)的波動(dòng)范圍達(dá)60 db時(shí)輸出保持穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。 接收信號(hào)放大電路輸出的信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生了頻移，此頻移在03

40、 khz范圍，反映流體的流速大小，由于此頻移相對(duì)于發(fā)射信號(hào)頻率較小，直接進(jìn)行頻率測(cè)量精度難以保證，所以采取混頻措施得到差頻信號(hào)。含有差頻信息的高頻信號(hào)通過(guò)cd4053模擬開(kāi)關(guān)與發(fā)射信號(hào)的本振方波(cp1或cp2)進(jìn)行乘積運(yùn)算，經(jīng)tle2072阻抗變換后利用阻容濾波器進(jìn)行低通濾波得到差頻信號(hào)。7 at89c51單片機(jī)簡(jiǎn)介at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機(jī)。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)

41、標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。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at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。at89c單片機(jī)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。如圖7-1：圖7-11 主要特性：與mcs-51兼容4k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部ram32可編程i/o線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式2管腳說(shuō)明：vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙

42、向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時(shí)，p0口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個(gè)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。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門

43、電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。8 led動(dòng)態(tài)掃描顯示電路led 因其vf值特性原因做不到相同,隨著溫度及電流大小也有些vf值也會(huì)發(fā)生變化,一般不適合并聯(lián)設(shè)計(jì)。但是有些情況又不得不并聯(lián)解決多顆led驅(qū)動(dòng)成本問(wèn)題,這些設(shè)計(jì)可以為大

44、家做些參考。注意需要vf值分檔,同檔vf值的led盡量使用在同一產(chǎn)品上面,產(chǎn)品可以保證誤差電流在1ma之內(nèi)led相對(duì)恒流狀態(tài)。如圖8-1：圖8-1 led動(dòng)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(lái)的值一樣,可以保證每路電流基本一樣。恒流部分在要求不是很高的條件下可以這樣設(shè)計(jì),穩(wěn)定的電壓或穩(wěn)定的pwm伏值驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓后的三極管偏壓,做到基本恒流。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。多三極管集成器件的使用可以減少ic的使用數(shù)量,從而減低設(shè)計(jì)產(chǎn)品成本。線性大功率led恒流輸出可以并聯(lián)使

45、用,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中我們往往找不到較大電流的驅(qū)動(dòng)ic,一般2a以上就很少見(jiàn),標(biāo)稱2a的ic也不一定可以極限使用。大于1a的ic工藝成本的原因mos管都是外置,外置mos管線路復(fù)雜,可靠性減低。并聯(lián)使用是有效的設(shè)計(jì)辦法。采用dd312并聯(lián)參考設(shè)計(jì)直接驅(qū)動(dòng)3顆6wled。使能pwm控制信號(hào)需要適當(dāng)?shù)母綦x,避免相互干擾和驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題。en使能電壓要符合規(guī)格書(shū)要求,不要電壓太高損壞en腳。一般ic耐壓是指負(fù)載和電源 ,沒(méi)有注明激勵(lì)電壓請(qǐng)不要大于5v設(shè)計(jì)。像這種檢測(cè)在led的一端led恒流驅(qū)動(dòng)ic也可以并聯(lián)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng),實(shí)際上ic是單獨(dú)工作的,最后在并流一起。dc-dc方式是工作在較高的頻率上,需要注意的是pc

46、b布板時(shí)避免交叉設(shè)計(jì),各自濾波、旁路電容要緊靠ic附近,負(fù)載電流最后會(huì)和即可。9 提高敏感器件抗干擾性能提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下： （1）布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲。 （2）布線時(shí),電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲。 （3）對(duì)于單片機(jī)閑置的i/o口,不要懸空,要接地或接電源。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。 （4）對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路,如： imp809,imp706,imp813, x5043,x50

47、45等,可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。 （5）在速度能滿足要求的前提下,盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。 （6）ic器件盡量直接焊在電路板上,少用ic座。 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。（2）變壓器雙隔離措施:變壓器初級(jí)輸入端串接電容,初、次級(jí)線圈間屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地,次級(jí)外屏蔽層接印制板地,這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級(jí)加低通濾波器:吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓。 （3）采用集成式直流穩(wěn)壓電源: 有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)作用。（4）i/o口采用光電、磁電、繼電器隔離,同時(shí)去掉公共地。 （5）通訊線用雙絞線:排除平行互感。 （6）防

48、雷電用光纖隔離最為有效。 （7）a/d轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換:減少誤差。 （8）外殼接大地:解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。 （9）加復(fù)位電壓檢測(cè)電路。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(huì)改變eeprom的內(nèi)容。 （10）印制板工藝抗干擾： 電源線加粗,合理走線、接地,三總線分開(kāi)以減少互感振蕩。 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(hào)。 獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少接插件與連線,提高可靠性,減少故障率。 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。 有條件的采用四層以上

49、印制板,中間兩層為電源及地。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用at89s51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)led數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，顯示電路，由于at89c2051外部15個(gè)i/o引腳，即p1口和p3口，單p3口的p3.6是不引出的，15個(gè)i/o口要直接驅(qū)動(dòng)8位led顯然是不夠的，我們通過(guò)一片面74ls273對(duì)地址進(jìn)行鎖存，如果p1口僅用于顯示驅(qū)動(dòng)，而沒(méi)有與其它外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可省略這個(gè)鎖存器，直接或通過(guò)其他驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)連接led。地址線我們通過(guò)一片74ls138三八譯碼器對(duì)8位led進(jìn)行分時(shí)選通，這樣在任一時(shí)刻，只有一位led是點(diǎn)亮的，但只要掃描的頻率足

50、夠高(一般大于25hz)，由于人眼的視覺(jué)暫留特性，直觀上感覺(jué)卻是連續(xù)點(diǎn)亮的，這就是我們常說(shuō)的動(dòng)態(tài)掃描電路。此電路中，74ls273用于驅(qū)動(dòng)led的8位段碼，8位led相應(yīng)的ag段連在一起，它們的公共端分別連至由74ls138（點(diǎn)擊芯片型號(hào)可瀏覽其詳細(xì)的技術(shù)手冊(cè)）譯碼選通后經(jīng)74ls04反相驅(qū)動(dòng)的輸出端。這樣當(dāng)選通某一位led時(shí)，相應(yīng)的地址線(74ls04輸出端)輸出的是高電平，所以我們的led選用共陽(yáng)led數(shù)碼管。動(dòng)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。如頻率太高，由于每個(gè)led點(diǎn)亮的時(shí)間太短，led的亮度太低，肉眼無(wú)法看清，所以一般均取幾個(gè)ms左右為宜，這就要求在編寫程序

51、時(shí)，選通某一位led使其點(diǎn)亮并保持一定的時(shí)間，程序上常采用的是調(diào)用延時(shí)子程序。在c51指令中，延時(shí)子程序是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，并且延時(shí)時(shí)間也很容易更改，可參見(jiàn)程序清單中的delay延時(shí)子程序。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們只是編寫了8位led同步顯示0000000011111111直到99999999數(shù)字，并且反復(fù)循環(huán)。程序很簡(jiǎn)單，流程圖略去。程序清單:org 0100hmain : mov r3,#00h :字形碼初始地址loop: mov dptr,#table :字形碼送數(shù)據(jù)指針 mov a,r3 movc a,a+dptr mov p1,a :送顯示 mov r4,#0e8h :循環(huán)顯示某個(gè)字符1sdela

52、y: acall display :顯示 djnz r4,delay :延時(shí)時(shí)間未到繼續(xù) inc r3 :顯示下個(gè)字符 cjne r3,#0ah,loop :未顯示到“9”繼續(xù) almp main :返回主程序display: mov r1,#08h :共顯示8位led mov r5,#00h :從第一位開(kāi)始顯示disp: mov a,r5 mov p3,a ：送地址數(shù)據(jù) acall delay1 :每位顯示15ms inc r5 ：指向下一位led djnz r1,disp :8位為顯示完繼續(xù) retdelay1: mov r6,#10h :延時(shí)子程序loop1: mov r7,#38hlo

53、op2: djnz r7,loop2 djnz r6,loop1 rettable: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h db 92h,82h,0f8h,80h,90h end :程序結(jié)束9.1系統(tǒng)硬件干擾影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾,并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素,常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常,輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,重則會(huì)導(dǎo)致事故,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。形成干擾的基本要素有三個(gè)： （1）干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào), 用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下：du/dt, di/dt大的地方就是干擾

54、源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。（2）傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 （3）敏感器件。指容易被干擾的對(duì)象。如：a/d、 d/a變換器,單片機(jī),數(shù)字ic,弱信號(hào)放大器等。 9.1.1分類干擾的分類干擾的分類有好多種,通?？梢园凑赵肼暜a(chǎn)生的原因、傳導(dǎo)方式、波形特性等等進(jìn)行不同的分類。按產(chǎn)生的原因分： 可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。 按波形分：可分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等等。 干擾的耦合方式 干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)是通過(guò)一定的耦合通道才對(duì)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生作用的。因此,我們有必要看看干擾源和被干擾對(duì)象之間的傳遞方式。干擾的耦合方式,無(wú)非是通過(guò)導(dǎo)線、空間、公共線等等,細(xì)分下來(lái),主要有以下幾種：（1）直接耦合： 這是最直接的方式,也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號(hào)通過(guò)電源線侵入系統(tǒng)。對(duì)于這種形式,最有效的方法就是加入去耦電路。 （2）公共阻抗