超聲波測(cè)距原理與應(yīng)用

1、«1-1 MC9S12系勇a控SS主5性能產(chǎn)禺型號(hào)RAM/KBFLASH 1/KBEPROM/KB串RuAzDPWM.MHzI/O 弓國(guó)MOS12DT2S6B122564SCL 弐L PC、GN2.0A,B8頃25918MC9S12DT128B81282SCI, SPL FC、 CANZQA/BI68iio28爵8g25918MC9S12DJ256B122564set sPh re. tANIOA/B16踣KI位8庭8童2559.918MC9S12DP256B122564SCI、SPk FC、 CANZOArB16滋血也8路8也25918M«S12DJ128B81282SC

2、I, SPI、FC、 CAN2.0A,B msCANMlesiofi8恥也2559.918MtS12DG255B122564SCI、SPI、PC、CAN2OA/B16 路 eft8恥也25918MC9S12DG128B812?i2SCI、SPk 卩c、CAN2.0A/B16昭衛(wèi)位8路8也25*599«8MC9S12DB128B81282SCh SPhCAN2.0A/B16K10R8路8包25918MC9S12H128612841 scu SPL PC1CAN2.0A/B16路M.6路8也258|1-2 S12X5$12系做較FLASHmKB-S12XE501MBS12XS3264-2

3、56 KB16-25 ; 32-128 KBS12Q 81632-125 KB25照ROMS12XF50128-512 KB1025H12KBROM耶S12HZ 2532 256 KB iROMOIRAM/KBCANSCISPlFC12M4-126«iI卜4616-322他16-32242-120-2120-101EEPROMpraKB6 將 I 0-4圖1系統(tǒng)廉理框圖MS12e81削也猜 106 im16*10 也im776爵10位卜矚述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)3. 1超聲波發(fā)射部分 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TC

4、T40- 16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用-硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)P1.040 kHz方波脈沖信端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn),滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40- 16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力,射部分的電路，如圖2所示。圖中輸出端上拉電阻_R31, R32, 方面可以提高反向器 74HC04 另一方面可以

5、增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。U3A2V3D74RC0474HC04 3C334辛6 7斗MU斗I 74HCD411TCT40-16KI1Ii74HC041 Eim:10ffi2趨聲波發(fā)射電路框哥3. 2超聲波接收部分 上述TCT40- 16T發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲 波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT40- 16R進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片 CX20106,得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路，如圖3所示。14CX2

6、0H)&就聲波接收&.313) III2C2I0C330Lt二二6 (M nF國(guó)3超聲披接收電路框圖點(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 3060 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來做接收電路。CX2010g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。工作過程如下:接收的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放濾除干擾大器和限幅放大器， 將信號(hào)調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到

7、與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)， 其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端 7腳直接接到.AT89S52的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。 若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R42,將濾波器的中心頻率設(shè)置在 40 kHz,就可達(dá)到理想的效果。本設(shè)計(jì)顯示部分采用字符型TC1602夜晶顯示所測(cè)距離值。TC1602顯示的容量為2行 16個(gè)字。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，與數(shù) 碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。使用時(shí)，可將P0與LCD的數(shù)據(jù)線相連，P2口與LCD的控制線相連，如圖5所示。*'和I2okn訕 12 沁 R765 432onff

8、li 5 TC1I6G2 A晶顯示電路其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信號(hào)線，第6腳E為使能端。第7 14腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機(jī)端的D0D7是接到LCD/ 602的D1D0,正好相反，因此在編寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確。設(shè)計(jì)方案二：40KHZ 的超聲波發(fā)送脈沖信號(hào)由單片機(jī)的P1.0 口送出，發(fā)出一系列的脈沖群，每一個(gè)脈沖群的持續(xù)時(shí)間大約為0.5ms左右。信號(hào)經(jīng)過三極管放大，再經(jīng)過阻抗匹配電路即變壓器（變壓器輸入輸出比為1: 10）后，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓,內(nèi)部的壓電晶片開始震動(dòng),經(jīng)過壓電換能器將

9、發(fā)出 40kHz的脈沖超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射波，發(fā)射波返回到超聲波傳感器上，盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但是由回波引起的接受壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離有幾毫伏，遠(yuǎn)距離還不到幾毫伏,由于在較遠(yuǎn)距離的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也很小,為此要求將信號(hào)放大6000倍左右。信號(hào)經(jīng)過放大整形電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。在接收端第一級(jí)，要求其放大倍數(shù)為了 C945這62倍左右，所以選擇只三極管，達(dá)到 了放大倍數(shù)。第二三級(jí)選用了一枚集成放大器NE5532它集成了兩個(gè)放大器，可達(dá)到預(yù)定放大倍數(shù)。超聲波回波接收電路IJ信號(hào)放大器原理圖控制端A1A0輸岀Cl

10、 -I評(píng)aSCP1Jp It 1基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射接收電路由AT89C51單片機(jī)編程，執(zhí)行程序后P1.0 口產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，經(jīng)三極管放大后來IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭 UCM40T，產(chǎn)生超聲波。接收頭采用和發(fā)射頭配對(duì)UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器兩級(jí)放大后加至譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率fO=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)解R8在發(fā)射的載頻上，則 LM567輸入信號(hào)大于25mv,輸出端8腳由高電平越變?yōu)榈碗娖?，作為中斷?qǐng)求信號(hào)， 送至單片機(jī)處理。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)

11、單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器當(dāng)收到超聲波反射TO,利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。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(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)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。發(fā)射電路電路圖如 圖3.9所示:T40-16至單片機(jī)n. on圖3.9系統(tǒng)發(fā)射電路 此電路由一個(gè)9V的電源，R1=3.6K歐,R2=360歐,三極管T一個(gè)，激勵(lì)換能器T40-16 個(gè)。其流程圖如圖3.10所示:圖3.10流程圖發(fā)射電路原理：當(dāng)單片機(jī)AT89C51通過P1.0這個(gè)I/O 口，發(fā)送一系列的脈沖經(jīng)過三極管T進(jìn)行放大，從而使T40-16這

12、個(gè)激勵(lì)換能器發(fā)射出超聲波。接收電路如3.11所示:其原理框圖如下:至麗需魅EJ0-15551車圖3.12原理框圖此系統(tǒng)為了全方位測(cè)距，故有左、右、中三個(gè)測(cè)距電路，其電路都相同。3.3.1系統(tǒng)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。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管,給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。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。由于全程顯示的距離范圍在 4米之內(nèi)，用3個(gè)LED數(shù)碼管表示距

13、離的 cm數(shù)值。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)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的LED通以恒定的電流即每一位 LED顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電因此，使用這種方法單片路并保持不變即可， 如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。機(jī)中CPU開銷小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。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。而所謂動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的LED通以脈沖電流，即采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮,這

14、時(shí)LED的亮度就是通斷的平均亮度?？紤]各種因素，本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。本設(shè)計(jì)選用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的I/O 口。8155的P 口作為L(zhǎng)ED的字形輸出口，為提 高顯示亮度，采用 8路反相驅(qū)動(dòng)器74LS244驅(qū)動(dòng)PC口作為L(zhǎng)ED的位選控制口，采用共陽極的LED顯示器，由于8段全亮?xí)r位控線的驅(qū)動(dòng)電流較大，采用6路反相驅(qū)動(dòng)器74LS06以提高驅(qū)動(dòng)能力。圖3.13系統(tǒng)顯示電路3.5穩(wěn)壓電源而且對(duì)于我們通常所大部分的電子電路與電子設(shè)備都需要有一個(gè)穩(wěn)定的直流電源提供能量, 接觸的控制器而言，一般都是利用電網(wǎng)提供的交流電源，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后，濾去其不穩(wěn)定的脈動(dòng)、干擾成分，提供一個(gè)穩(wěn)定的

15、直流電壓，來使電子電路與電子設(shè)備保持正常的即通過降壓、整流、工作。并且，我們目前絕大部分電子電路與電子設(shè)備都是使用線性電源,(7805)是濾波、穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的直流電壓給電子電路及芯片工作的。固定式三端穩(wěn)壓電源 由輸出腳Vo,輸入腳Vi和接地腳GND組成,它的穩(wěn)壓值為+5V,它屬于CW78xx系列的穩(wěn)壓器,輸入端接電容可以進(jìn)一步的濾波，輸出端也要接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響，此電路的穩(wěn)定性也比較好。由于固定式三端穩(wěn)壓電源（在1A到2A之間，考慮到電路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次設(shè)計(jì)電源電路需要采用擴(kuò)流電路，如圖 3-17。Ct 15 T：(W*7互J7805）的輸出電流有1.5A，而本次

16、設(shè)計(jì)電路電流i:a±3-174.1單片機(jī)AT89C51介紹AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口,Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一I/O寄存器進(jìn)行編程。具同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口， 2個(gè)16位可編程定

17、時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。I/O端口的編程實(shí)際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對(duì)體步驟如下:（1）根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些I/O端口，用EQU偽指令定義其相應(yīng)的寄存器;（2）初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時(shí)的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài),影響外圍電路正常工作;（3）根據(jù)外圍電路功能，確定I/O端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對(duì)于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因?yàn)镮/O的復(fù)位缺省值為輸入;（4）用作輸入的I/O管腳，如需

18、上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻;（5）最后對(duì)I/O端口進(jìn)行輸出（寫數(shù)據(jù)輸出寄存器）和輸入（讀端口）編程，完成對(duì)外圍電路的相應(yīng)功能。kP1,O匚140P1.1匚2saP1I玄匚3二迫P1匚A:P1 .4匚5Pl匚fl聞Pl.a匚734Pii 7r6RST匚<Axn> P：j 11rICJ31(TXn>1匚1 i30(INTO) P3 ?rIN藝y( INT1>廠1第(TO) P3.4匚14£7<r 1)P3.fi匚(WA> H34匚1 uKO(RD) P3.7匚1Z24X ! RyCIBN3XTRL1匚NNGND匚 vcc =1

19、npn.o (AOO)1 t AO 1) Pfl S tADiJj PC 3 (AO3) Pfl 4 (An4) PO.fi <AO5) 列 fi (ADfi) P<3 7 (AO 7) ALE/FTO53 n PSEN7 (A1SJ 戸2 M pa.G PE 4 R2h3 0全N P2 1n(A 1 d)<Ain(Ay>»邑0 (AS>圖4.1 AT89C51單片機(jī)芯片根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,各接口功能如下:P1.0：產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)。（用于前方測(cè)距電路）P1.1:產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)。（用于右側(cè)測(cè)距電路）P1.2:產(chǎn)生輸出一個(gè)4

20、0KHZ的脈沖信號(hào)。（用于左側(cè)測(cè)距電路）INTO:產(chǎn)生中斷請(qǐng)求,接前方測(cè)距電路。INT1:產(chǎn)生中斷請(qǐng)求,接前方測(cè)距電路。P1.3:接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。P1.4:接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。PO.O:用于顯示輸出,接顯示器。P0.1：用于顯示輸出,接顯示器。P0.2:用于顯示輸出,接顯示器。P0.3:用于顯示輸出,接顯示器。P0.4:用于顯示輸出,接顯示器。P0.5:用于顯示輸出,接顯示器。P0.6:用于顯示輸出,接顯示器。P0.7:用于顯示輸出,接顯示器。P2.7:接報(bào)警電路P2.0:接報(bào)警電路P2.1:接報(bào)警電路XTAL1:接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，

21、它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，些引腳應(yīng)接地。XTAL2接外部晶振的一個(gè)引腳。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。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。RST AT89C51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，AT89C51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)。4.2 運(yùn)算放大器主要技術(shù)參數(shù) :1 、開環(huán)差模電壓增益 Au0：Au0 是指集成運(yùn)放在無外加反饋情況下,并工作在線性區(qū)時(shí)的差模電壓增益.用分貝表示則是

22、20lgAu0.性能較好的集成運(yùn)放的 Au0可達(dá)140db以上。2、輸入失調(diào)電壓及其溫漂：失調(diào)電壓的大小主要反映了差分輸入元件的失配；輸入失調(diào)電壓是隨溫度 ,電源電壓或時(shí)間而變化的 ,通常將輸入失調(diào)電壓對(duì)溫度的平均變化率稱為輸入電壓溫度漂移。3、輸入失調(diào)電流及其溫漂：在常溫下，輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器的兩個(gè)輸入端的基極靜態(tài)電流之差稱為輸入失調(diào)電流110。輸入失調(diào)電流溫度漂移是指輸入失調(diào)電壓隨溫度變化的平均變化率。一般以 mA/0C 為單位。高質(zhì)量的為每度幾個(gè)皮安。4、輸入偏置電流IIB: IIB是指常溫下輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值,IIB=（IB1+IB2）/24-1 ）IIB越

23、小，運(yùn)算放大器的輸入電IIB的大小反映了放大器的輸入電阻和輸入失調(diào)電流的大小,阻越咼，輸入失調(diào)電流越小。5、差模輸入電阻 Rid: Rid是指運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端之間的動(dòng)態(tài)電阻，一般為幾兆。6、輸出電阻R0：運(yùn)算放大器在開環(huán)工作時(shí)，在輸出端對(duì)地之間看進(jìn)去的等效電阻即為輸出電阻。R0大小放映了運(yùn)算放大器的負(fù)載能力。7、共模抑制比KcmR(4-2)KcmR=Aud/Auc用 dB 表示，即為 20lg(Aud/Auc).8、最大差模輸入電壓UidM : UIdM是指運(yùn)算放大器同相端和反相端之間所能加的最大電壓。9、最大共模輸入電壓UicM : UIcM是指運(yùn)算放大器在線性工作范圍內(nèi)能承受的最大共模

24、輸入電壓。4.3探頭UCM介紹壓電陶瓷超聲波換能器（超聲波傳感器）體積小，靈敏度高、性能可靠、價(jià)格低廉，是遙控、遙測(cè)、報(bào)警等電子裝置最理想的電子器件、用此換能器構(gòu)成的超聲波遙控開關(guān)，可使 家電產(chǎn)品、電子玩具加速更新?lián)Q代，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。表2.1傳感器特性參數(shù)型號(hào)UCM T40K1UCM R40K1結(jié)構(gòu)開放式開放式發(fā)射距離8 10 米8 10 米使用方式發(fā)射接收諧振頻率40KHZ± 1KHZ40KHZ± 1KHZ頻帶寬2KHZ± 0.5KHZ2KHZ± 0.5KHZ靈敏度>70dB/V/ubar>70dB/V/ubar外形尺寸e 16mm322.5mme 16mm322.5mm溫度范