基于51单片机超声波测距设计

基于51单片机超声波测距设计内容摘要：

中还要用硬件描述语言 (VHDL 语言 )编写程序来实现硬件电路功能。 由于 EPM7128SLC8415 的算法 复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。 方案设计三： 采用锁相环频率合成技术 采用锁相环频率合成技术 ，也可以实现我们所需要的超声波测距仪。 具体方案如下：首先通过频率合成技术产生超声波所需要的频率，在通过信号线将采用锁频率相开 始 测 量 超声波信号 开定时器 关定时器 数据运算 显示器 接收检测 电声换能器 电声换能器 驱动电路 本科 毕业设计论文 14 合成技术得到的频率引到超声波的发射头上，这样就可以实现超声波测距。 它的优点就是工作频率可调，也可以达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器通带可变，实现很困难。 它的原理如图 12所示： 晶 振整 形电 路R 分 频鉴 相 器F D环 路 滤 波 器L F可 变 分 频 器N压 控 振 荡 器V C Of vf Rf i n 综上所述，因此选择第一种设计方案。 单片机采用 Atmel 公司的 AT89S52，超声波发射和接收电路有多种，常用的电路如下： 1 超声波发射电路 : (1) 分立元件构成的发射电路 图 分立元件构成的超声波发射电路 图 是由两只普通低频小功率三极管 C9013 构成的振荡、驱动电路，三极管T T2 构成两级放大器，但是由于超声波发射头的正反馈作用，这个原本是放大器的电路变成了振荡器。 超声波发射器的压电晶片可等效于一个串联 LC 谐振电路，具有选频作用，因此该振荡器只能振荡在超声波发射头的固有谐振频率 0f。 第二个图中用电感 L 替代3R这样可以增大激励电压，使其具有较大的功率输出。 本科 毕业设计论文 15 (2) 由集成电路构成的发射电路 图 为由 555 集成芯片构成的振荡、调制、激励电路。 该电路应使用双极型555（内部电路由普通三极管构成），不宜使用单极型 7555（内部电路由 CMOS 电路构成，外部引脚与 555 相同），其原因是 7555 带负载能力小。 图 555 构成的超声波发射电路 图 是由非门构成的一个振荡器发送电路，用非门构 成的电路简单，调试容易。 很容易通过软件控制。 图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。 图 由非门构成的超声波发射电路 2 超声波接收电路： (1) 由分立元件构成的接收电路 图 为由三极管 T1,T2 和若干电阻电容组成的两级阻容耦合交流放大电路。 第一级中3R为集电极负载电阻； 2R 为偏流电阻，同时引入 了交直流并联电压负反馈，可以较有效的稳定静态工作点，改善非线性失真以及增益的稳定性；4R 本科 毕业设计论文 16 是发射极负反馈电阻，引入直、交流串联电流负反馈，具有稳定工作点、增益、改善失真、提高输入阻抗等作用。 图 分立元件构成的超声波接收电路 (2) 由运算放大器构成的接收电路 图 是由运放构成的超声波放大电路，该电路的形式在其他应用中经常遇到，特点如下： 1）一般式用运放组成的放 大电路都要求对称的正负电源供电，这里以单电源供电，输出端的静态电位必须设置在 1/2 的电源电压，这由同相输入端的点位来确定， 1R 和 2R 分压取得 1/2 的电源电压加到运放的同相输入端，使其电位 1/2 电源电压。 2）采用同相端输入方式其输入阻抗高，超声波接收传感器的输出信号接到放大器的同相端，有利于超声波传感器充分发挥接收灵敏度和自生的选频作用。 3）反相端对地不提供直流通路，因此通过隔直电容 2C 提供直流通路。 图 运放构成的超声波接收电路 (3) LM1812 收发集成电路构成 LM1812 是一种专用于超声波接收和发送的集成电路，它即可做发送电路，又可以做接收电路使用。 如下图所示： 本科 毕业设计论文 17 图 由 LM1812 构成的接收电路 (4) CX20206 构成的接收电路 图 CX20206 构成的接收电路 以上为常用的发射和接收电路，分立元件构成的收发电路容易受到外界的干扰，体积、功耗也比较大。 而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以首先考虑采用集成电路来 本科 毕业设计论文 18 组成收发电路。 在由集成电路构成的收发电路中，发射电路我们选用由非门构成，接收电路采用由红外接收检波芯片 CX20206 构成，主要是考虑到系统的调试简单、成本低、可靠性好。 单片机主机系统电路 本次我们采用了 Atmel 公司的 AT89S52,该单片机主要特点如下： (1) AT89S52 系列单片机以 8051 为内核，兼容 MCS51 系列单片机。 (2) AT89S52 系列单片机内、内部含有 Flash 存储器，在系统开发可以反复擦写。 (3) AT89S52 采用静态时钟方式，可以节省电能。 (4) AT89S52 支持 ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序。 (5) AT89S52 晶振频率高达 24M，运行速度更快。 (6) AT89S52 价格也比较便宜 6 元 /片 (7) 增加了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。 单片机电路 图 单片机主电路 引脚功能： P0 口用来送显示信号给 LCD 的数据为， P20~P22 送命令到 LCD 控制 LCD 的显示方式。 为 DS18B20 温度数据采集端。 接测量按键。 本科 毕业设计论文 19 复位电路 单片机在 RESET 端加一个大于 20ms 正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如下： 在系统上电的瞬间， RST 与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST 电位下降，于是在 RST 形成一个正脉冲。 只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即 20RC ms。 一般取R 1 K ， C 22uF。 当人按下按钮 S1 时，使电容 C1 通过 R1 迅速放电，待 S1 弹起后， C 再次充电，实现手动复位。 R1 一般取 200。 图 复位电路 时钟电路 当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的 XATL1 和 XATL2 用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择 3M~24M，电容选择 30pF 左右。 我们选择晶振为 12MHz,电容 33pF。 图 时钟电路 按键电路 我们通过 来启动测量，程序中通过查询 的电平来检测是否按键被按下，电路原理如下： 当按下按键时 为低电平，单片机通过 查询到低电平开始 本科 毕业设计论文 20 测量距离，当松开按键， 即为高电平。 在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。 图 按键电路 蜂鸣器电路 本次设计通过一只蜂鸣器来提示用户按键按下了，现在单片机开始了测距。 蜂鸣器时一块压电晶片，在其两端加上 3~5V的直流电压，就能产生 3KHz 的蜂鸣声。 电路如图 通过单片机软件产生 3KHz 的信号从 口送到三极管 的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。 图 蜂鸣器电路 超声波发送电路 超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（“也称为超声波换能器”）的型号选用 CSB40T（其中心频率为 40KHz）。 可以采用软件产生 40KHz 的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头产生超声 波。 这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为 100mA 以上的驱动电路。 第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。 这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。 本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74LS04，具体电路如图： 本科 毕业设计论文 21 图 超声波发送电路 从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向 CSB40T 的 1 引脚为高电平，下面经过一级反向后为低电平；当输入 信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动 CSB40T，只要控制信号接近 40KHz，就能产生超声波。 超声波接收电路 超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。 由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。 本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片 CX20206，由于红外遥控 的中心频率在 38KHz，和超声波的 40KHz 很接近，所以可以用来做接收电路。 CX20206 是日本索尼公司的产品，采用单列 8 引脚的直插式封装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对 38KHz 左右的信号的接收与处理，该芯片内部如下图所示： 图 CX20206 内部结构 CX20206 构成本次设计接收电路如下图： 本科 毕业设计论文 22 图 超声波接收电路 使用 CX20206A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。 其总放大增益 80db。 以下是 CX20206A 的引脚注释。 1 脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40kΩ。 2 脚：该脚与地之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。 增大电阻 R4 或减小 C4,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。 但 C4 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为 R4=， C4=1μF。 3 脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为。 4 脚：接地端。 5 脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0，阻值越大，中心频率越低。 例如，取 R=200kΩ时， f0≈42kHz，若取 R=220kΩ，则中心频率 f0≈38kHz。 6 脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7 脚：遥控命令输出端，它是集电 极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为 22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8 脚：电源正极， ～ 5V。 温度采集 DS18B20 电路 本科 毕业设计论文 23 物理学告诉我们，超声波在空气中的传播速度为： TC G  3 1 ，由此可见，超声波的速度和温度密切关系，即温度每增加 1176。 C，超声波速度约增加，本次我们考虑温度补偿，以使我们的设计更加精确，温度的采集通常使用DS18B20 一线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路图如下 图所示。 D。