毕业设计（论文）-基于单片机的超声波测距系统.doc

shandong毕业设计说明书基于单片机的超声波测距系统学 院：电气与电子工程学院专 业：电子信息科学与技术学生姓名： 学 号： 指导教师： 20 年 月中文摘要摘要本文详细介绍一种基于at89c52单片机的超声测距系统的设计。该系统依靠温度检测确定超声波的实时传播速度，再利用单片机内置定时器配合中断程序测量从超声波的发射到检测到回声信号的时间差，最后利用速度和时间完成对实测距离的检测和输出。合理的硬件设计使该系统具有安装调试简单，价格经济合理，使用操作简单，可拓展系统功能等优点，具有较为广阔的推广前景。论文系统的介绍了超声波测距系统的测距原理，从超声传感器的技术特性和工作原理方面提出超声波传感器的选择方法，并对影响系统测距精度的主要技术参数进行讨论。通过误差分析提出提高测量精度的相应方案，包括超声波脉冲的发射宽度、发射电路的抗干扰设计、软件处理和显示精度等方面。该系统形成以at89c52单片机为主控制器，结合发射电路、接收电路、电源电路、温度检测电路、数显电路、报警电路硬件结构，再配合单片机软件系统实现测距功能。详细的论证系统功能实现的基础上，根据系统的总体方案完成系统设计。本文进一步介绍了at89c52单片机在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。系统软件采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。通过本文论证该设计的技术指标均达到设计要求，并且该系统对室内有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性。最后分析误差产生的原因及如何对系统进行完善提出了一些改进建议。关键词：超声波，超声测距，单片机，温度补偿iabstractabstractthis paper introduces a kind of based on single chip microcomputer pulse reflecting type ultrasonic ranging system.the system is based on the air to determine the spread of ultrasonic speed conditions, the use of launch ultrasonic echo and the time difference to measure distance to be tested.this system installation easy to use, cheap, and can be used together with remote control and remote sensing system, has the broad application prospect.this paper summarizes the ultrasonic detection development and basic principle, this paper introduces the working mechanism and the ultrasonic sensor characteristics, to some of the major influence ranging system parameters are discussed.the at89c52 single chip microcomputer control system to give priority to with transmitting and receiving, testing, power supply, temperature compensation, display section, the alarming circuit module circuit constitute the unit overall design scheme.in ultrasonic ranging system is introduced based on the function, the overall structure of system design argumentation.paper further introduced the application of at89c52 microcomputer in the system, and analyzes the various parts of the system hardware and software realization.system software modular design, the main program, preset subroutines, launch procedure, receiving a subroutine, display subroutines etc module. the probe signal scm comprehensive analysis, realize the ultrasonic rangefinder all functions.related part of the circuit diagram, the program flow chart with hardware.through this paper demonstrates that the design technology indexes meet the design requirements, and the system for the indoor limited range of distance measurement has higher precision and reliability.in the final analysis the causes of error and how to perfect the system and put forward some suggestions for improvement.key words:ultrasonic, ultrasonic ranging, microcontroller, temperature compensationiii第一章引言目录目录摘要iabstractii第一章引言- 1 -1.1 课题提出的背景- 1 -1.2课题的设计内容及主要技术指标- 2 -1.3课题内容及科学意义- 2 -第二章超声波测距技术综述- 4 -2.1超声波与超声波传感器- 4 -2.1.1超声波概述- 4 -2.1.2超声波传感器- 4 -2.1.3超声波传感器性能指标与选择- 6 -2.2超声波测距原理- 8 -2.3系统误差分析及参数选择- 8 -2.3.1超声波测距误差分析- 8 -2.3.2中心频率的选择- 9 -2.3.3发射脉冲宽度的选择- 9 -2.3.4测量盲区- 10 -2.4本章小结- 10 -第三章系统硬件的组成- 11 -3.1总体设计方案- 11 -3.2发射电路的设计- 12 -3.2.1典型的超声波发射电路- 12 -3.2.2 功率放大电路- 13 -3.2.3系统发射电路方案- 14 -3.3接收电路的设计- 16 -3.3.1由cx20106a构成的超声波接收电路- 16 -3.3.2分立元件构成的超声波接收电路- 19 -3.4显示电路的设计- 25 -3.5温度补偿电路的设计- 27 -3.5.1ds18b20温度传感器- 27 -3.5.2由ds18b20温度传感器构成的测温电路- 29 -3.6报警电路的设计- 30 -3.7电源电路的设计- 31 -3.8本章小结- 32 -第四章系统软件的实现- 33 -4.1单片机系统概述- 33 -4.1.1at89c52单片机简介- 33 -4.1.2系统中at89c52的i/o端口分配- 35 -4.2软件系统的实现- 36 -4.2.1主程序结构- 37 -4.2.2外部中断子程序结构- 37 -4.2.3定时中断子程序结构- 38 -4.3本章小结- 38 -结论- 39 -参考文献- 40 -致谢- 41 -附录- 42 -附录一：整机电路- 42 -附录二：系统程序- 43 -iv第二章超声波测距技术综述- 5 -第一章引言第一章引言1.1 课题提出的背景随着汽车工业的发展，汽车本身的安全性和智能性日益得到重视。目前，超声波测距技术已经成熟的应用于汽车的倒车系统。随着科技的发展，在紧急状况下汽车的自主避障功能将是一大发展方向。这一过程是通过计算机采集周边环境信息，并对信息进行分析和处理，判断紧急情况，然后发出模仿驾驶员操作的控制信息，代替驾驶员控制汽车自动对紧急情况进行最合理的处理。随着微处理器的发展与超声波传感技术的成熟，超声波测距仪的使用可以迅速采集驾车环境，通过计算机操控汽车实现紧急避障，是本课题的研究背景。在其它领域，传统的接触式测距存在很多的局限性。如在工业现场，自动化装配、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件的位置、形状、间距进行自动判别，进行接触是测量的问题变得更为复杂与困难，因此更需要非接触式测距仪。在当前技术条件下，非接触式的测距仪通常使用超雷达、激光和超声波。但在系统实现和设备造价方面，激光和雷达在实现测距功能方面虽然测量精度和精准度表较高，但对于设备要求也很高，且造价相对较高，所以不适合在一些低成本但对测量精度要求不是很高的领域应用。在这些领域里，性价比很高的超声波测距的方法便具有了很大的优势：1、相对于光波，超声波在空气中的传播速度相对较低，但具有很强指向性强，传播和反射过程中能量损耗较小，对于较近的物体灵敏度较高。2、超声波的干扰信号主要来自外界声波信号，其对于色彩、电磁、干扰光照强度空气悬浮物等的干扰并不敏感，可用于黑暗、强电磁干扰、烟雾、粉尘等环境，并且可用于识别透明的目标。3、由超声波传感器构成的测距系统，具有结构简单、价格低廉、精度较好、反应迅速、易安装调试、可实时控制等优点，适合在各种领域应用。由于超声波具有易于定向发射、方向性好、强度易于控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，因此它常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到毫米级而在工业中得到广泛的应用。目前，超声波测距主要应用在倒车提醒、建筑工地、液体深度检测、工业现场等技术领域。1.2课题的设计内容及主要技术指标一、主要设计内容：1、查找资料，确定实现方案；2、选用传感器并设计相应电路；3、设计硬件电路、绘制硬件原理图、pcb图；4、完成该课题的程序设计，提交程序设计框图及程序设计清单；5、完成硬件与软件综合调试，使用仿真软件对单片机系统进行仿真，实现预定功能；6、硬件设计包括：（1）、单片机系统；（2）、超声波发射系统；（3）、超声波接收系统；(4)、温度补偿系统；(5)、显示系统等。7、程序设计包括：(1)、主程序；(2)、超声波的接收和处理程序；(3)、ds18b20温度采集程序；(4)、显示驱动程序。8、系统调试及性能分析。三、主要设计技术指标与参数：（1）测量范围要求为不大于6m；（2）进行温度补偿；（3）显示方式为数码管显示；（4）精度优于1%；（5）具有较强的抗干扰能力；1.3课题内容及科学意义本文通过对超声波测距原理的理论研究，以及对引起误差的原因分析，探究可实现的硬件电路，开发出以at89c52单片机为主控制器，采用40khz压电式超声传感器以及ds18b20传感器做温度补偿的超声测距仪。方案电路简单，集成度高，功耗低，体积小的优点。具有较高的测量精度和灵敏度，并且测量范围广、价格低廉，适合非接触测距的广泛应用。此外设计周期短，可拓展其它的功能。- 3 -第二章超声波测距技术综述第二章超声波测距技术综述2.1超声波与超声波传感器2.1.1超声波概述大家知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数成为声音的频率，它的单位是赫兹。人类耳朵能听到的声波频率为2020000hz。因此，当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阀上限时，人们便听不到了，这样的声波称为“超声波”。测距使用的超声波可由超声波传感器产生，在压电晶片的两端施加一定频率的电压信号便可激励产生机械振动，当电压信号频率高于声波频率时便可发出超声波。以这种方式产生的超声波具有频率高、波长短、指向性强、能量衰减慢、可定向传播等优点，所以在非接触式测距系统中得到广泛应用。根据超声波在介质中的振动方向和传播方向的关系，可将超声波的波形分为以下几种形式：1、纵波：超声波的振动方向平行于传播方向。2、横波：超声波的振动方向垂直于传播方向。3、表面波：超声波的振动介于纵波和横波之间。应用于本测距系统的超声波的波形为纵波。由于超声波具有易于定向发射、方向性好、强度易于控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，因此它常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到毫米级，因而在工业中得到广泛的应用。2.1.2超声波传感器超声波测距系统是利用超声波作为测距媒介，因而设计是时必须存在能够发射和接收超声波的器件超声波传感器。一、组成部分超声波传感器主要由两个点击中间加上压电晶片构成。当两电极上加一定频率电压信号可从压电晶片上发射超声波，反过来压电晶片接收到超声波也可在两电极上产生频率信号。根据超声波波形的不同，其结果形式可分直探头、斜探头和表面波探头，分别用于接收纵波、横波和表面波；根据传感器功能的不同，其结构形式可分为首发一体式（发射和接受一个探头）和首发分体式（一个发射探头、一个探头接收）。2、 结构原理为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。超声波的获得渠道在总体上有两种方式，一是使用电气方式产生超声波，二是使用机械方式产生超声波。具体的产生方法此处不做讨论，但两种方式产生的超声波在声波的频率、功率等特性上不尽相同，所以两个方法的应用领域也各不相同。针对系统的特点，在测距系统上一般选用压电式超声波传感器，此种类型的传感器结构简单，可获得稳定的超声波信号。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图2-1所示，在结构上，超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板构成。当对他的两极外施加一定频率的脉冲信号时，压电晶片就会发生振荡。当施加信号的频率等于压电晶片的固有振荡频率时就会发生共振，带动共振板振动产生超声波。反之，当共振板感应到超声波时，将会引起压电晶片的振动，在两极间形成频率信号，连接上信号处理系统，就变成超声波接收器传感器了。 压电晶片 导线 共振板 锥形罩图2-1超声波传感器压电式超声波传感器的等效电路如图2-2所示，c0为静电电容，r为材料介电损耗并联电阻cm和lm为机械共振回路的电容和电感，rm为损耗串联电阻。压电陶瓷晶片的固定谐振频率即中心频率。发射超声波时，在其上面施加与中心频率一致的交变电压，超声传感器可获得很高的灵敏度。当所用压电晶片材料不变时，改变材料的几何尺寸，就可以改变其固有谐振频率，利用这一特性可获得不同中心频率的超声传感器。图2-2超声波传感器等效电路2.1.3超声波传感器性能指标与选择1、 性能指标1、中心频率中心频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。中心频率越高，可探测距离越短，但分辨力越高。常见的超声波传感器中心频率有30khz、40khz、75khz、200khz、等。2、工作温度能使传感器正常工作的温度范围称为工作温度。一般情况下，超声波传感器的工作温度比较低，可以长时间的有效工作。医疗用的超声探头的温度比较高，需要设置制冷设备。3、灵敏度主要取决于制造晶片本身。灵敏度单位为分贝（db），数值是负数。4、指向角指向角是标定超声波传感器方向性重要参数。一般情况下，指向角越小，方向性越强。一般传感器的指向角为几度至几十度。2、 超声波传感器的选择超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。在超声波测距系统中，中心频率若取的太低，则外界的杂音干扰较多，抗干扰能力差：频率若取的太高，则在传播中信号衰减较大，检测距离变短，但相应的分辨力会增强。超声波传感器分通用型、耐高温型、宽频带型、密封防水型等多种。一般在电子市场上常见的超声波传感器有收发分体式和收发一体式两种。收发一体式超声波传感器就是一个传感器同时作为发送器和接收器，即可发送超声波，又可接收超声波；收发分体式是一个发送器用于产生和发射超声波，另一个接受器用作超声波的接收。本设计中选用的探头是中心频率为40khz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器tct40-16t和一支接收传感器tct40-16r组成，其参数特性如表21所示。表2-1传感器特性参数表型号tct40-16ttct40-16r结构开放式开放式使用方式发射接收中心频率40.01.0khz40.01.0khz频率带宽20.5khz20.5khz灵敏度(0db=v/ubar)-65dbmin声压（0db=0.02mpa）117dbmin指向角7580静电容量2000pf30% 2000pf30% 最低使用温度-20-20最高使用温度7070最大输入电压60vp-p 60vp-p 2.2超声波测距原理在频率信号的驱动下超声波传感器的发射探头发射具有一定宽度超声波脉冲，同时使用一定的设备开始计时。在超声波传播时碰到障碍物就会产生反射现象产生回波信号，超声波传感器的接收探头收到回波信号后计时立即停止。超声波在空气中的传播速度是温度的函数，先忽略温度的影响，常温下超声波的速度为340m/s，计时设备记录的时间为t，这样就可以计算出超声波的传播距离s，即：s=340t/2 。这种方法是利用超声波传播速度作已知量，测量从发射超声波到检测到回波信号的时间，通过计算完成距离测量。其计算距离的公式为（2-1）式中s为所测距离的长度；c是超声波在空气中的传播速度（是温度t的函数）；t为所测得超声波传播的时间。 2.3系统误差分析及参数选择2.3.1超声波测距误差分析根据式（2-1）可知，超声波测距系统的测量误差与超声波在空气中的传播速度和所测量的时间误差有关。一、时间误差当要求测距误差小于1%时，即测量精度在1mm时，忽略温度对超声波速度的影响，即先忽略超声波的速度误差，假设超声波的传播速度为常温下的速度c=344m/s 。测距时间误差。即在忽略超声波的传播速度误差的影响下，要求对超声波传播时间的测量精度精度小于2.9us，即可是测量精度达到毫米级，保证测距精度由于1%。单片机at89c52在使用12mhz的晶振作时钟基准时，其内置定时器t0在工作方式1下，其计时精度为1us，因此系统采用at89c52定时器计时能保证时间测量精度优于1%。2、 速度误差超声波在空气中的传播速度不是定值，它随着空气密度的不同而变化，而空气密度与温度是密切相关的。这就使得超声波的传播c速度成为温度t的函数。超声波传播速度与温度的关系如下（2-2）式中：t为温度（），c为超声波的传播速度。由式（2-2）可看出温度越高超声波传播速度越快。这样，当系统要求测距精度优于1%，测量精度在1mm级别时，就必须把超声波的传播速度随的温度变化的因素考虑进去。这样在系统处理数据时不能把超声波的传播速度作为常量处理，应该施加温度补偿，通过软件修正速度的取值。具体做法是，在计算距离前先获得环境温度信息，通过式（2-2）获得速度的修正值，然后利用修正值进行距离测量。用此方法可使测量精度大大提高。2.3.2中心频率的选择查阅文献知，超声波在空气中的衰减系数为：（2-3）所以，超声波在空气中的衰减对频率的大小很敏感，合理的选择超声波频率才能取得良好的测距效果，一般中心频率选在40khz左右，频率太高会使超声波无法在空气中是传播。传感器的中心频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波在扩散和吸收过程中的能量损失，以及对背景噪声的抗干扰程度，并且中心频率的大小决定了超声波传感器的物理尺寸。结合本设计技术指标，由于本测距仪最大测量量程为六米，因而选择传感器的中心频率频率在40khz。这样传感器的指向性强，抗干扰能力强，信噪比较大，虽然相对低频传播损耗有所增加，但不会影响正常的超声波发射和接收。2.3.3发射脉冲宽度的选择超声波发射脉的冲宽度决定了测距仪的测量盲区，同时也影响其测量精度，并且与信号的发射能量有关。减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量量盲区，但相应的也减小了发射能量，增加了超声波接收检测的难度。但是在实际应用上，脉冲宽度过宽会加大测量盲区的范围，对回波的接收及回波检测都造成了一定的困难。在具体设计中，参考以25us、100us、200u s以及800us，即1个、4个、8个以及32个40khz方波脉冲的发射脉冲宽度作为发射信号，后检测其接收的回波信号信号。一般情况下，短距离即小于2米采用发射200us(8个40khz方波脉冲)发射脉冲宽度；长距离发射800us(32个40khz脉冲方波)的发射脉冲宽度。最终决定，本设计方案发射300us的超声波信号，即12个40khz方波脉冲，同时通过单片机编程控制来避开盲区。此时，取得的测量精度及盲区范围比较合适，并且有较好的接收准确度与速度。2.3.4测量盲区直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体。由此，超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为测量盲区。传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。所以还需要考虑超声波测距设计中的盲距，在超声波发射过程中将无法进行测量工作，因为发射信号可以直接衍射到接收器，每发射一个超声波周期耗时为1/40000s，超声波传播的距离为0.85cm，在发射是为了保证测量精度，以发射12个40khz方波脉冲为例，盲区距离为120.85=10.2cm。2.4本章小结本章系统的说明了超声波的形成、超声波传感器原理，超声波测距原理，主要误差分析及系统参数的选择。通过超声传感器的原理及结构分析得到超声传感器的几个主要技术参数，并结合设计所需给出本设计中所用超声传感器的特性参数。分析了超声波测距的基本原理以及主要的测量误差，在此基础上给出了本设计的测距方案，脉冲宽度的选择、中心频率频率的选择、环境温度的影响、以及测量盲区的范围。- 40 -第四章系统软件的实现第三章系统硬的组成第三章系统硬件的组成3.1总体设计方案通过上一章的分析，我们根据本设计的指标选定了满足技术指标的超声波传感器以及主控制器：一支用于超声波发射的探头tct40-16t和一支用于超声波接收探头tct40-16r的收发分体式传感器以及单片机at89c52。本章在此基础上论述说明如何具体的设计本系统单元电路，以及各单元电路的逻辑关系。依据课题要求，系统将在6米的小范围内实现精度较高的测距功能。系统整体结构框图如图31所示。 电源电路 障 碍 物 发射电路 at89c52 发射探头 报警电路 接收电路 接收探头 显示电路 测温电路图3-1 系统设计方案框图为驱动超声波传感器发射超声波，系统通过单片机编程控制开启内部计数器t0，从at89c52的p10端口输出40khz左右的方波信号。由于单片机端口输出信号功率很弱，同时为使超声传感器发射探头tct40-16t发射的超声波距能够传播足够长的距离，故在单片机与tct40-16t之间设计添加功率放大电路作为发射电路。另一方面在接收端，从接收传感器tct40-16r接收到的超声波回声是很微弱的，其级别在mv级，同时夹杂着较强的外界噪声，所以在单片机与tct40-16t之间的接收电路除检测超声波回声产生单片机中断指令外，还应具备放大信号和抑制噪声的功能。故本系统设计中，接收电路中还包括前置放大电路、带通滤波电路以及检测电，其中放大电路和滤波电路的中心频率均在40khz左右。由于回波信号经过放大电路后的输出信号是不确定的连续信号（正弦信号的叠加），该种信号形式无法作为单片机的中断响应信号。为了得到能稳定驱动单片机中断响应的下降沿脉冲信号，接收电路在放大滤波电路后，由lm393集成电压比较器构成的检测电路，将连续信号转换成方波信号。利用方波的负跳变作为单片机的中断信号，输入到at89c52的p3.2/int0端口，单片机响应中断请求内部计数器停止计时。再由单片机编程控制，根据计数器的数值计算出相应距离，最后通过显示电路显示出来。3.2发射电路的设计3.2.1典型的超声波发射电路使用tct40-16t/r可以很方便地发射和检测超声波。下面介绍两种典型的应用电路。1、 由74hc00与非门构成的发射电路图3-274hc00构成的发射电路74hc00是一个高速cmos四2输入与非门，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，相对于ttl逻辑ic，它的功耗要小很多。对于hc类型，其工作电压为26v，具有高抗干扰性，可以兼容直接输入ttl逻辑信号和cmos逻辑输入的特点。如图3-2所示，电路中利用at89c52的p1.0口产生40khz的方波信号，经过74hc00的放大后输出到超声波传感器tct40-16t，产生超声波。2、 由74hc04非门构成的发射电路如图3-3所示，此种发射电路由74hc04反向器和超声波传感器构成。电路工作时，由单片机p10端口输出的40khz方波信号经两路接到超声波传感器两级。一路经一级反向器后送到超声波传感器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波传感器的另一个电极。这种推挽式的驱动方式可放大方波信号的信号功率。从而提高超声波传感器的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻r1和r2可以提高74hc04非门逻辑输出高电平时的驱动能力，同时增加超声波传感器的振荡阻尼效果，缩短自由振荡时间。图3-274hc04构成的发射电路3.2.2 功率放大电路一、功率放大电路的特点经上述论述我们知道，发射电路的本质是一个功率放大电路。为了综合的考虑此处发射电路的电路形式，在设计功率放大电路时，我们需要注意以下几点：1、功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值：icm 、ucem、pcm。2、电流、电压信号比较大，必须注意防止波形非线性失真。即动态范围要尽可能大。在本设计中，功率放大电路的主要目的是提高输出功率驱动超声波传感器，且驱动信号为方波故对电路非线性失真的要求相对较低。3、电源提供的能量尽可能地转换给负载，以减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。输出效率是负载得到的有用功率po与电源供给晶体管功率pe的比值,定义如下：（3-1）剩余部分变成晶体管的管耗pc(pc=pepo)。4、 由于bjt本身消耗的功率很大，因此在功率放大器的设计和使用过程中，必须注意对bjt的散热和保护问题。本设计中，超声波间歇性发射且时间很短，故对bjt的有效使用时间较短，基本不存在散热问题。2、 功率放大电路的分类根据电路中用于放大作用的晶体管导通的导通角的大小可作以下分类：1、甲类（a类）工作状态：在一个信号周期内晶体管的发射结都处于正向导通状态，整个周期内均有电流通过集电极，晶体管导通角等于360。2、乙类（b类）工作状态：在一个信号周期内，晶体管的发射结只在半个周期内正向导通，在另外半个周期内反向截止，即半周期导电半周期截止。晶体管的导通角等于180。3、甲乙类（ab类）工作状态：它介于甲类和乙类工作状态之间，晶体管的发射结在大于半个周期小于一个周期的时间内正向导通。导通角大于180小于360。4、丙类（c类）工作状态：晶体管的发射结在小于半个周期内正向导通，导通角小于180。3.2.3系统发射电路方案经过上述分析本系统发射电路设计方案选择由晶体管构成的功率放大电路。鉴于系统对于集成环境要求低，经对比决定电路阻容耦合的otl互补对称功率放大电路。电路形式如图3-3所示。一、电路形式该电路形式为单电源供电的互补推挽式乙类功率放大电路。选定电阻r1和r2的阻值，使静态时两个三极管的发射极电位为vcc/2，则电容c2两端的电压uc也等于vcc/2。若此处系统选择电容c2容量足够大的时，当有信号输入时，可认为电容c2两端电压基本不变。在信号正半周期，npn型三极管q1导通，电流从电源流出，经过ql和电容c2后流过负载r5驱动传感器工作；在信号的负半周期，pnp型三极管q2导通，依靠电容c2上的电压供电，电流从c2的正端流出，经过q2流致公共端，再流过负载，然后回到c2的负端。图中，r3 、r4的电阻值可选12，其作用为射极负反馈电阻，同时也起限流保护的作用。图3-3发射电路设计方案二、元件的选择及参数计算在本系统设计时，主电源vcc采用12v的直流蓄电池提供稳压电源。电容c1为耦合电容选择容量为100pf的普通电容；确保电容c2足够大以满足电路要求，选用容量为l00uf最大耐压为50v的电解电容。电阻r1和r2的阻值要确保两个三极管的发射极电位为vcc/2即6v，故可知电阻r2的压降约为6.7v,选定r2的阻值为1k，则根据计算：(3-2)可确定r1阻值为790。r3 、r4作为射极负反馈电阻其阻值可选12。选定三极管选用互补的9012和9013型三极管，其技术参数如表3-1所示。其集电极与发射极间的耐压值是工作电源的两倍，且两个三极管特点互补完全满足设计要求。选取负载电阻r5的阻值为15，此时电路工作时的集电极电流最大为6v/20=300ma，均小于两管的500ma和600ma的最大允许电流。型号90129013结构pnpnpn极间反向击穿电压集电极-发射极-30v25v集电极-基极-40v45v发射极-基极-5v5v耗散功率0.625w0.625w集电极最大电流500ma600ma表3-1三极管的技术参数经上述分析可知，本设计方案的最大输出功率为：（3-3）该结果证明本设计方案能够满足发射电路要求。3.3接收电路的设计3.3.1由cx20106a构成的超声波接收电路一、电路原理图系统接收电路的形式如图3-4所示。其中用到集成电路cx20106a，这是一款用于红外线接收和检波的专用芯片，通常使用在红外通信系统中作为接收器。通常情况下，红外遥控常用的载波频率为38khz，与本测距系统的超声波中心频率40khz比较接近，故此处可使用cx20106a构成超声波的接收检测电路。实际上，集成电路cx20106a构成超声波的接收检测电路在灵敏度和抗干扰性上有很好的效果，合理的改变c2的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。r1和c2控制cx20106a内部的放大增益，通过调整r2的阻值可以调节带通滤波器的中心频率。r为超声波接收传感器tct40-16r，当感应接收到超声波回声信号后，经cx20106a的处理会在管脚7产生一个下降沿，该管脚与单片机的外部中断int0 相连接，由此可触发单片机的中断响应。单片机在得到外部中断0 的中断请求后，转入外部中断0 的中断服务程序进行处理，通过软件编程可计算出实测距离，并通过数码显示电路显示出来。图3-4由cx20106a构成的超声波接收电路二、cx 20106a集成电路的技术参数下面是cx20106a集成电路的管脚封装、内部结构图以及引脚注释，如图3-5和3-6所示。cx20106a集成电路采用的单列直插式的8管脚的封装形式，市场价格在3元左右，技术成熟，使用广泛方便。图3-5cx20106a的管脚封装图3-6cx20106a的内部结构1脚：超声波回声信号的输入端，其输入阻抗的大小在40k左右。2脚：该脚与地之间串联有一个电容和一个电阻，构成rc串联网络，同时与其他内置元件构成放大器负反馈系统。通过调整rc网络的取值可以设置放大器的电压增益和频率特性。如图3-4所示，增大电阻r1或减小c2，均增大负反馈量从而使放大倍数下降。但因为c2的大小与放大电路的频率特性相关，所以一般情况下不会改变c2的大小，本设计中该参数设定为r1=4.7，c2=1uf。 3脚：该脚通过一个电容接地，该电容作为检波电容使用。如图3-4中c3所示，c3为大容量电容时，可作为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；c3为小容量电容时，为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但会造成输出脉冲的宽度变化大，容易形成错误的检波信号，这里c3参数选择为3.3uf。 4脚：接地端。5脚：该脚通过一个电阻与电源相连，如图3-4所示，通过调整r2的大小可以设置带通滤波器的中心频率。增大r2，则降低；反之，升高。当r=200k时，hz，当r=220k，则。6脚： 该脚通过一个电容接地，该电容可与内置电路形成积分电路，其一般取值为330pf，如果增大电容的取值，会缩短探测距离。7脚：检波信号输出端，该输出端为集电极开路，所以根据其输出方式的特点，该引脚须添加一个上拉电阻与电源相连，其阻值为22k，没有接受信号时该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚：电源端，输入电压为4.55v。 3.3.2分立元件构成的超声波接收电路除专用的集成电路外，由于该测系统的电路规模不大，可以考虑使用分立式元器件自行设计构成超声波接收电路。经第二章的分析可以的到超声波接收电路的结构原理图如图3-7所示。带通滤波电路信号检测电路前置放大电路图3-7超声波接收电路原理框图一、前置放大电路考虑到超声波接收传感器得到的信号比较微弱，前置放大电路作用是对传感器接收的有效信号进行放大，同时抑制部分的噪声和干扰，为后续的信号处理电路的设计做准备。图3-8前置放大电路如图3-8所示，由于传感器的输出电压很小，一般为几十毫伏，为此设计选用一个高精度、高输入阻抗放大器lm833，,连接电阻r1、r2和r3构成，组成一反向比例放大电路，将放大增益设定为200倍，即可实现前置放大电路的功用。根据理想放大器的两个重要概念可知，在本电路中：（3-4）式3-4表明，输出电压与输入电压成比例运算关系，负号表示以输出电压u0与输入电压ui反相。电路的电压放大倍数为：(3-5)设定电路的放大增益为200时，分别取r1=1k，r2=200k。图中运放的同相输入端接有电阻r3，其阻值的大小应使两输入端外接直流通路的等效电阻平衡，即r1/r2，以消除放大器的偏置电流及漂移的对输出端的影响.二、带通滤波电路在传感器接收到的回波信号中，除了障碍物反射的回波外，还有外界的干扰，夹杂着各种噪声。前置放大电路在放大信号的同时，也将部分噪声信号放大。故本设计在此处设计一个由rc滤波网络和集成运放构成的多反馈环型有源带通滤波器对信号进行处理。由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。所以该滤波电路可以有效的降低高频段和低频段的噪声干扰，筛选出有用的信号。图3-9带通滤波器原理示意图如图3-9所示，当输入信号通过电路时，低通滤波器将的高频信号阻断，而高通滤波器将的低频信号阻断，最后，只有频率范围在的信号才能通过滤波电路，于是电路构成一个带通滤波器，其通频带等于。图3-9带通滤波器电路图根据以上原理本设计方案设计带通滤波器的电路图如图3-10所示。输入端的电阻r1和电容c1组成低通电路，电阻r2和电容c2组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端。输出端通过电阻r3引回一个反馈，这样可是电压迅速下降改善滤波特性。当r1=r，r2=2r，r3=r时，可求得带通滤波器的电压放大倍数为（3-6）公式中（3-7）（3-8）（3-9）（3-10）由式3-6可知，当时，电压放大倍数达到最大值，而当频率减小或增大时，都会降低。通常将称为带通滤波器的中心频率，称为通带电压放大倍数。q为滤波电路的品质因数，q的值越大，则通频带越窄，选择性越好。一般将下降至时所包括的频率范围定义为带通滤波器的通带宽度，用符号b来表示。将带入式3-6可得带通滤波器两个通带截止频率和，从而得到通带宽度为（3-11）在本设计中要求带通滤波器的中心频率为，设定其品质因数q为3，选用电容为c=1nf。根据式3-7可得电阻取值：根据式3-11可得通带带宽：根据式3-10可得：根据式3-8可得谐振增益：根据式3-9可得：又由可计算获得，。通过上述计算可确定电路中各元件参数为：，。带通滤波器参数为：中心频率，带宽，电路谐振增益。三、检测电路接收传感器感应到回波信号后，经过上述前置放大和带通滤波电路后，就可以进行信号检测了。检测电路的目的是为单片机提供终端信号，由此来确定超声波从发射到接受所需要的时间，是确定检测距离的重要一环。它决定了系统的测量精度，同时为保证系统的稳定运行，设计要求检测电路能准确的鉴别出接收信号。所以，此处的检测电路通常利用电压比较器将输入信号与某一固定电平进行比较，利用电压比较器的输出电平的跳变来产生上升或下降沿触发单片机的中断响应。图3-10电压比较器构成的检测电路检测电路设计如图3-10所示，是由电压比较器lm393连接相应的电阻电容构成。由于检测电路的输入信号是经放大电路后的信放大号，相应的部分外景噪声也被放大。若是使用简单的过零比较器，虽然灵敏度较高，但这也会形成即使没有接收到超声波回声信号，比较器也会被触发的情形。这样一来测距的准确率就会很低。所以，过零比较电路在此处是不行的，会产生错误的测距结果。由此，再设计检测电路时，使用的是单限电压比较器，即先设点参照电压的阀值，使其高于一般噪声峰值电平，这样就可以确保比较器不会被噪声错误的触发。另一方面，当信号的幅值发生变化时，阀值电平所对应的门限就能将有用信号鉴别出来，从而有效的检测出有效信号。此处所选择的阀值电压。由图3-10可知，电阻r1、r2的阻值决定了阀值电压的大小。设定，根据关系式且可得出。由于lm393具有集电极开路输出的结构，所以在电源与输出之间加一上拉电阻r3，其阻值为。1nf的电容c1起阻容耦合的作用。电压比较器lm393的输出端连接单片机的p3.2管脚，当输入信号高于比较器的参比电压1v时，电压比较器lm393输出5v的高电平；当输入信号低于1v时，电压比较器lm393输0v的低电平。检测电路利用此下降沿的跳变来控制单片机中断int0，时计数器停止计时，从而确定超声波传播的时间。四、接收电路的电路原理图图3-11发射电路3.4显示电路的设计单片机系统中常用的显示器有发光二极管led(light emitting diode)显示器、液晶lcd(liquid crystal display)显示器、crt显示器等。led、lcd显示器有两种显示结构：段显示（7段、米字型等）和点阵显示（58、88点阵等）。 本设计中采用四位led七段数码管动态显示来实时的显示系统测量所得到的实测距离。课题的参数要求显示的距离范围在6米之内，故此处选用4位led七段式数码管，通过单片机编程实现软件译码和动态显示，以.cm的形式数值，可精确到0.5cm。如图3-12（a）所示，在led数码管的内部是由8个发光二极管组成，其中七个编号为a，b、c、d、e、f、g的七段发光二极管组成8字形，通过不同的组合形式可以显示数字或字符。此外，还有一个为小数点，标为dp。使用led七段数码管构成显示器时，要注意区分共阳极与共阴极两种不同的接法，如下图3-12（b）所示。两种数码管的接法仅在单片机编程时数码对应的笔划信息码不同。图3-12led数码管的机构形式和两种不同接法led显示器工作方式有两种：静态显示和动态显示。静态显示时，每一位数码管均有8位数据线与其段选端连接，在现实中数据线内的电平保持不变以保证字形码的持续显示。当数据线输入其他字形码后，数码管在显示出相应的字形。这种显示模式cpu占用时间短，显示稳定，便于控制。但相应的元件增加，电路实现比较复杂，成本相比于动态显示较高。动态显示时，所有的数码管的