超声发射电路设计方案

1 超声发射电路设计方案 1、绪论 1 1、课程设计的背景 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为 射线 而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形 成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 由于单片机系统的本身限制，要实现一些功能的扩展，才可以满足生产生活的需要，所以，单片机系统的扩展，成为单片机系统的一个重要的研究方向。 我们在日常的学习中，为了能更好的运用以及巩固所学的硬件知识，运用那个课程中所学的理论知识与实践紧密结合，同时，培养我们独立地解决实际问题的能力，和锻炼运用硬件与软件结合的综合能力，学院开设此次课程设计，来满足课程的需要。 程设计的目的 （ 1）熟练掌握单片机和 8253 的 原理及应用 （ 2） 掌握各芯片的逻辑功能及使用方法 ； 2 （ 3）掌握 超声波发射电路的设计 ； （ 4）掌握 超声波 接收电路 的设计 ； （ 5） 熟悉 定时器生 成方波的设计与制作。 题要求 1、使用 8253 芯片实现方波输出； 2、输出的方波频率范围较宽，能 达到 上， 在此频率范围内，可以实现频率可调； 3、运用单片机，实现对定时器 /计数器 8253芯片的控制，来实现方波发生器的功能； 4、 设计出超声波的发射和接 收 电路。 2、实验方案 波 生 成设计思路 单片机可以实现方波输出，根据此课题要求则需要利用单片机对8253芯片的控制，使芯片工作在特定的工作方式，来实现方波的发生，因此，总结课题的要求，有如下方案可以讨论： 1、利用 8086 微处理器，控制 8253 芯片，是芯片工作在工作方式 3，来实现方波的输出。利用键盘，来实现对输出方波频率的调节，同时，还要加数码管，用以显示按键输入的新的频率数值。 2、使用 51 系列单片机，控制 8253 芯片，同样使 8253 芯片工作在方式 3，使 8253芯片实现方波的输出，配以数码管和键盘来实现对方波的输出频率调节。 3 3、使用 51 系列单片机，控制 8253 芯片使之工作在方式 3，实现方波输出 。使用 换芯片 可变电阻器，给单片机输入频率信号，用以调节频率。 4、使用 51 系列单片机，控制 8253 芯片，工作在方波发生器方式，使用按钮，对频率实现等步长调节。 案选择 1、对于方案 1，使用 8086微处理器实现对 8253 芯片的控制，对 8253 芯片的初始化程序如下： X,04 ;控制寄存器 X,36H ;计数器 0，方式 3 X,X,04 X,7X,X,92H X, ;计数值 927X,04X,76H ;计数器 1，方式 3 X,X,04X,32H X,X,0 ;计数值 32H X,X,04X,0 ;计数器 2，方式 3 X,X,04X,04H X,4 X,0 ;计数值 04H X,于 8086 微处理器在生产生活中并不是最为常见的，所以此方案实现起来并不十分方便，因此不采取此方案。 2、方案 2 的原理图如图 1 下： 图 1 方案 2 原理图 原理图中，利 4阵键盘用以输入调节的频率。从而实现频率可调，程序如下： ;使 止计数 5 0;送控制寄存器地址到数据指针寄存器 ,#36H ;送工作方式字到累加器 00110111 ;工作方式字送到控制寄存器 0;送通道 0地址 ,#16H ;计数器 /定时器初始值 ;初始值送入通道 0寄存器 ;使 许计数 查询按键是否被按下 ;返回子程序，继续扫描按键 ;按键被按下，调用子程序 ;复位键按下，执行复位操作 ;频率加操作 ;频率减操作 0,#100 0,P,#60H ,#1 ;频率加步长 ;中断处理 0,#100 0,P,#60H ,#1 ;频率减步长 6 ;中断处理 0;中断处理程序 ,#36H 0 案 2 原理 图中数码管部分未画出。由于使用此方案，系统组成复杂，不利于实验的调试。因此不使用此方案。 3、方案 3 中的方波实现部分与方案 2相同，区别在于频率调节部分，方案 2 是利用键盘直接键入新的频率值，而本方案是利用模拟信号输入来控制频率的改变，由于模拟信号连续，因此可以实现在要求的频率范围内连续调节。其原理图如图 2 所示： 7 图 2 方案 3原理图 在本方案中，加入了 系统的复杂性大大提高，不利于实际的实现，因此，也不采用此方案。 4、方案 4 的方波实现与前者相同，区别是频率调节环节的变化。此方案中，只用 了三个按钮来实现频率的调节。原理图如图 3 所示 图 3 方案 4原理图 在此方案中，使用按钮来控制频率的改变，这样的设计，使系统得到了大大的简化，同时，硬件软件的实现十分简便，因此，在此课程设计中，选用方案 4来完成课题的设计。 案可行性研究 相比之下，方案 4有着比较明显的优势。因为方案 4 的硬件设计简单，频率的调节是用按钮实现，同时， 8253 芯片与单片机的接口使用的是 74以在送地址的时候保持地址有效电平，使地址与数据的传输分开。而且对于方案 4 的软件的设计，只需 8 要有初始化 8253 芯片，以及对按键的处理程序即可，因此可行性最高。 3、课题方案阐述 件设计 方波 生成部分 硬件的设计方框图如图 图 硬件设计框图 硬件设计方案原理如下： 1、时钟发生电路由 振）产生脉冲给 位信号由开关和 于系统要对外部接口送数据，所以 始终为高电平；单片机 接 8253 的数据端口，由于单片机内部无上拉电阻，当作为输入或者输出时应在外部接上拉电阻，因此 接上拉电阻。系统的设计需要使用 位作为地址线，同时 此，需要加地址锁存器；频率调节电路是用按钮组成的，当按钮按下时，可单片机时钟脉冲发生电路以及复位电路 片机 8253 芯片 74址锁存器 频率调节电路 9 以对频率进行等步长的递增或者递减，从而实现输出频率可调的方波。 2、硬件设计原理图如方案 4原理图所示。 超声波 发射和接收部分 硬件 的方框图设计 如图 示 图 硬件设计框图 超声波 发射电路 设计 控制处理电路（单片机、 ） 接收 发送 传出 控制 放大电路（多级） 整流电路 滤波电路 电压比较器电路等 振荡脉冲信号 驱动电路 检测物 体 超声波传感器电路内部 10 发射电路主要有反相器 74换能器构成 ,单片机 0一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波发射强度。输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。上拉电阻 4出高电平的驱动能力。 超声波 接收电路设计 11 12 个部件功能描述 1、 8253芯片的引脚图及功能 （ 1） 8253 芯片的引脚图如图 5 所示 图 5 8253芯片引脚图 （ 2） 8253 芯片内部 组成部分： 13 1） 数据总线缓冲器 (8 位、三态、双向 )。 数据中线缓冲器是 8253 与系统数据总线相连接时用的接口电路，它由 8 位双向三态缓冲器构成。 2） 读 /写控制逻辑 。 读 /写控制逻辑接收系统控制总线送来的输入信号，经组合后形成控制信号，对各部分操作进行 控制。可接收的控制信号有： 片选信号，低电平有效； 读信号，低电平有效； 写信号，低电平信号； 10口选择信号。100时，选中 0 通道；101时，选中 1 通道；100时，选中 2 通道；101 时，选中控制寄存器。8253的输入信号组合功能表如表 1所示。 表 1 8253 输入信号组合的 功能表 10功 能 0 1 0 0 0 写计数器 0 0 1 0 0 1 写计数器 1 0 1 0 1 0 写计数器 2 0 1 0 1 1 写 入 控制字寄存器 0 0 1 0 0 读 计数器 0 0 0 1 0 1 读计数器 1 0 0 1 1 0 读计数器 2 0 0 1 1 1 无操作 14 1 禁止使用 0 1 1 无操作 3）计数器 02。 三个完全相同的 16 位减计数器。每个通各有 3 个引脚，它们是： 数器 02 的输入时钟脉冲此引脚输入； 数器 02 的输出端； 数器 02 的门控脉冲输入端。 4）控制字寄存器。 控制字寄存器是一种只写寄存器，在对 8253 编程时，由 输出指令向它写入控制字，来选定 计数器通道，规定各计数器的工作方式，读写格式和数制。其格式如图 6 所示： 7 3 1D 0 01 02M 1M 0M 6 8253控制字格式 1 计数 0 二进制计数 000 方式 0 001 方式 1 10 方式 2 11 方式 3 100 方式 4 101 方式 5 00 计数器锁存，供 01 只读 /写计数器低字节 10 只读 /写计数器高字节 11 先读 /写计数器低字节，后读 /写高字节 00 选择通道 0 01 选择通道 1 10 选择通道 2 11 无效 15 控制字的位值及意义如上图。 5） 8253芯片的工作方式： 工作方式 0：计数结束中断方式； 工作方式 1：可编程单稳态输出方式； 工作方式 2：比率发生器； 工作方式 3：方波发生器； 工作方式 4：软件触发选通； 工作方式 5：硬件触发选通； 其中，本课程设计用到的是方式 3, 方波发生器。工作在方式 3 的 8253 芯片的工作过程参看相关文献。 2、 （ 1） 片机的引脚图如图 7所示 16 图 7 （ 2）各引脚的功能： 1） 、主电源引脚40脚）：主电源接 5V 20脚）：接地 2） 、时钟电路引脚 18 脚）：接外部晶体振荡器的一端。片内是一个振荡电路反相放大器的输出端。 19 脚）：接外部晶体振荡器的另一端。片内是一个振荡电路反相放大器的输入端 3）、控制信号 、 9 脚） 复位端。高电平有效，宽度在 24 个时钟周期宽度以上，使单片机复位。该引脚有复用功能， 备用电源输入端，防止主电源掉电。 30脚） 地址锁存信号端。访问片外存贮器时， 低 八位地址的锁存控制信号。平时不访问片外存贮器时，该端以六分之一的时钟振荡频率固定输出脉冲。 负载驱动能力为 8 个 电路。该引脚有复用功能， 为片内程序存贮器编程（固化）的编程脉冲输入 。 29脚） 片外程序存贮器读选通信号端。负载能力为 8 个 17 31脚） 接高电平时， 动顺延至片外程序存贮器。 接低电平时， 引脚有复用功能， 片内程序存贮器编程时的编程电压。 4）输入 /输出引脚 39 32 脚）：访问片外存贮器时作为低八位地址线和八位数据线（复用）。负载能力为 8个 1 8脚）： 8位准双向 I/O 口。负载能力为 3 个 21 28 脚）：访 问片外存贮器时作为高八位地址线 10 17 脚）： 8位准双向 I/O 口。负载能力为 3 个。另外还有专门的第二功能 10脚）： 行口输入端） 11脚）： 行口输出端） 12脚）： /部中断 0输入端） 13脚）： /部中断 1输入端） 14脚）： 时器 /计数器 0外部输入端） 15脚）： 时器 /计数器 1外部输入端） 16 脚）： /片外数据存贮器写选通信号输出端） 17脚）： /外数据存贮器读选通信号输出端） 3、 74 18 （ 1） 74引脚图（图 8） 图 8 74（ 2） 74功能 1）输出使能引脚 锁存控制引脚 脚是输出使能 (是低电平有效 ,当 1 脚是高电平时 ,不管输入 3、 4、 7、 8、 13、 14、 17、 18 如何 ,也不管 11 脚 (锁存控制端 ,G)如何 ,输出 2( 5( 6( 9( 12( 15( 16(19(部呈现高阻状态 (或者叫浮空状态 )； 当 1脚是低电平时 ,只要 11脚 (锁存控制端 ,G)上出现一个下降沿 ,输出 2( 5( 6( 9( 12( 15( 16( 19(即呈现输入脚 3、 4、 7、 8、 13、 14、 17、 18 的状态。 锁存端 高变低时，输出端 8 位信息被锁存，直到 三态门使能信号 态门导通，允许 7输出， 出悬空。当 74作地址锁存器时，应使 低电平，此时锁存使能端 出 19 态与输入端 生负的跳变时，输入端 7 数据锁入 51 单片机的 4 接。 2） 74 8个输入端。 8个输出端。 G 是数据锁存控制端；当 G=1时，锁存器输出端同输入端；当 1”变为“ 0”时，数据输入锁存器中。 0”时，三态门打开；当 1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。 在 片机系统中，常采用 74 为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端 1D80口，输出端提供的是低 8位地址， G 端接至单片机的地址锁存允许信号 出允许端 地，表示输出三态门一直打开。 20 4、 引脚注释 l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40 2 脚：该脚与 间连接 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 R 或减小 C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C 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 R= C= 3 脚：该脚与 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：该脚与电源端 入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心 21 频率 值越大，中心频率越低。例如，取 R=200， 2若取 R=220则中心频率 8 6 脚： 该脚与 准值为 330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，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为 22没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。 8 脚： 电源正极， 5V。 序设计流程图 程序设计流程图如图 9所示 频率加步长 判断频率是增是减 扫描键盘是 否是复位键 频率减步长 8253 初始化 程序开始 是 否 减 增 22 图 9 程序设计流程图 序设计 根据程序设计的流程图，可以编写如下程序代码： 000H 1,#09H ;使 止计数 0 ;送控制寄存器地址器中 ,#36H ;送工作方式字 ;工作方式字送到控制寄存器 0 ;送通道 0地址 , ;计数器 /定时器初始值 ;初始值送入通道 0寄存器 ;使 允许计数 ;返回子程序，继续扫描按键 ,#01H ;频率加步长 1,A ;中断处理 ,#01H ;频率减步长 1,A ;处理 23 0,#1 0, 4、仿真与调试 境下的仿真调试 根据设计的原理图，在 境中，绘制出仿真电路图，如图 10所示 图 10 仿真电路图 真结果 正确连接各部件线路，将源程序代码加入 译环境中，编 24 译调试程序，然后将正确编译、连接后生成的 入 ，是单片机可以仿真实际电路工作。 仿真的结果如图 11、图 12 所示 图 11 输出波形图 图 12 输出方波的频率 超声波 发射电路仿真结果如图 13、 图 14所示 25 图 13 发射波形图 图 14 振荡衰减回波 26 5、设计中的问题 件连接的若干问题 在硬件连接过程中，遇到了一些问题，现做阐述如下： 1、由于 以在外接数据时要外加上拉电阻，用来保护电路不被损坏； 2、地址锁存器 74连接单片机和 8253 芯片之间的用以锁 存地址。这样的设计是由于数据线和 地址线使用同样的 口，在输出地址时，由于需要对地址保持，从而需要对地址锁存，确保数据的正确传送。 3、由于仿真软件中，可以对 8253 芯片设置时钟频率，故无需外加时钟电路。而在实际电路中，则需要正确接入时钟电路。 8253 芯片对输入时钟脉冲有着固定的要求，因此，在实际电路中，需要根据手册，正确选择输入时钟信号。 件调试的若干问题 程序设计的流程图列出来以后，就可以按照流程图的思路来编写程序。当源程序编写好了之后，可以进行编译。在编译的时候，遇到一些问题，现做阐述如下： 1、由于程序的编写是根据硬件 的设计对应而来的，因此，在写程序的时候，要特别注意对各个引脚的操作一定要正确，否则，将会出现不能实现功能的问题。如在对 8253 芯片写入初始化控制字和通道初值后，需要给 8253 芯片所选通道的门控信号一个上升沿脉冲， 27 则对应的程序里，就要根据硬件的接法来给相应引脚送出上升沿脉冲。 2、由于硬件电路中，调节频率的电路是由按钮组成的，因此，在实现功能的时候，需要对电路加上去抖动环节。在程序编写的时候，可以考虑使用软件去抖动。在加入的去抖动的延时程序中，要注意延时时间选择要适当，保证功能实现的可靠性。 3、仿真环境中， 需要使用 件，因此，在编译源程序时，必须在编译环境 ，在输出选项中，选择创建 果不选择此项，则即使编译成功，也不会产生仿真或者实际电路中所需要的 能达到所要实现的功能。 4、频率的是变化是按一定的规律的， 8253 芯片的输出方波的频率与其时钟输入的脉冲的频率以及输入的初始值有关，其规律如下： 其中，率， 6、总结 计心得体会 课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现 ,提出 ,分析和解决