【《单片机控制的超声波测距系统的整体方案和硬件设计案例》7700字】

单片机控制的超声波测距系统的整体方案和硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u20186单片机控制的超声波测距系统的整体方案设计案例 177781.1测距方案的选择 1112171.1.1激光测距 1221731.1.2超声波测距 2182751.2电路总体方案 28775第二章系统硬件设计 3184052.1单片机最小系统 3149362.1.1STC89C51芯片 3262492.1.2复位电路 338482.1.3时钟电路 4100542.2驱动显示电路及报警电路 678182.1.11602LCD液晶显示屏 6228382.1.2蜂鸣器报警 8262342.3HC-RS04超声波测距原理 9273322.45V稳压电路 10281142.5温度检测电路 11144252.5.1温度检测方案的分析 1149582.5.2数字温度传感器DS18B20简介 11290402.5.3DS18B20的结构及电路 111.1测距方案的选择1.1.1激光测距利用脉冲式激光技术对相位进行测量脉冲检测距离通常主要分为两种检测方法:脉冲式检测法或者脉冲式相位距离检测法。脉冲激光检测法用仪器进行脉冲测距的主要操作原理及过程:从脉冲测距器向仪内部发射脉冲激光直接将脉冲激光反射到被脉冲测量的物体上,然后由脉冲测距器向仪内部进行脉冲接收。测距仪也同时准确地记录了一个被激光至处的最远照射物体的光速与往返照射的时间,光速与至处照射激光最远时间的两个平均值只是最近的乘积之一半,就是所谓的激光测距仪与被激光检查者看到的最远照射物体之间的距离。相位延迟法激光测距工作原理:将光线振幅的幅度数值由一束射频激光用到的射频信号调制至被射频调制的光后由测量器得到其中相位滞后,然后再根据这束射频调制光的需要波长,换算此次测量相位滞后延迟所得到要求的光代表的波长距离,即用间接的相位方法进行检测此次输入光线并经过多次往返滤波观察后得到此次测量光线所花的需要时间花费的波长时间[8]。1.1.2超声波测距超声波射频测距的主要工作基本原理主要目的是通过直接利用测量超声波在地球大陆上水和空气中均匀传递和加速转移的运动速度,测量出超声波在被通过激光直接发射后通过激光接收到的障碍物真实反射距离返回的持续时间,根据声波激光直接发射和被通过激光发射接收之间的反射时差关系来进行计算可以得出激光发射后的电流和达到接收障碍物的真实反射距离,它也因此可以被广泛认为为这是一个航空雷达声波测距的主要工作基本原理。超声波计时发射器朝着某个继续方向同时发射两个超声波,在两个声波发射时间阶段同一时刻马上同步自动开始它并进行下次计时,超声波从进入空气中朝着继续方向传播,当飞机遇到途中的任何一个障碍物时马上立即自动开始返回，超声波计时接收器每当感受器接到一个反射超声波就马上自动开始停止它并进行下次计时。从以上两个方案中我们可以清楚地看出,第二个方案因为该系统的电路相对简单,所以没有进行软件设计也相对简单所以选择第二种方案[8]。1.2电路总体方案图2-1为一台单片机的最小控制电路硬件设计及其产品总体的软硬件系统结构设计框图,其中主要由51单片机最小控制系统,HC-SR04超声波视频定位成像测距仪和控制电路模块,LCD1602的数位数字视频显示器和控制电路,蜂鸣器,按键等等部分组成。图2-2是超声波测距系统的实物图。图2-1电路基本框图图2-2超声波测距系统实物图第二章系统硬件设计2.1单片机最小系统2.1.1STC89C51芯片本次产品设计我们所说需要设计我们采用的系列单片机主要就是stc89c51单片机,它是一种带8k的小字节信号自动闪烁的单片机,它是一种具有可编程、高工作电压、低功耗等特点的COMOS8的系列微处理器,该系列单片组主机的元器件所需要必须具备的仅仅只有40引脚,速度相对较快,价格便宜,烧录方便,通过一个串口直接输入数据集即可以进行安装和直接数据下载,还同时让它们也可以直接实现无线网络的自动化和可编程,所采用的存储器就是ATMEL这种新型的高密度非易失存储器,它主要是由工业技术部门和生产企业设计和制造,与一种符合国际工业应用规范技术标准的MCS-51指令集及其进入数据输出管脚完全互相容并且兼容。2.1.2复位电路复位控制电路是确保该控制电路能够在微机系统中保持稳定、可靠地运行的重要元件之一。复位电路的主要作用之一就是在系统启动时发送复位信号并在整个系统电源稳定后进行消除。当整个系统的电源稳定时,为安全起见,待整个电源稳定后1-2秒后才将其撤消或重新复位,以防止对电源开关或者上电程序产生冲击。例如,当一个复位单片机的一个复位引脚在一个高电平以上动作发生时,就可能会对其引脚进行一个新的复位引脚动作,而这个引脚在较低的复位电平时就可能会被其统称为复位单片机。如果RST持续地变为高电平,表示单片机已经进入了一个循环式复位。因此,如果是复位引脚的输出电容比较大一点也就与之没有任何关系,最多只能认为是复位的持续时间比较长一点；然而若是电容值过小,高电平持续时间相对过短,单片机也会无法通过转换器进入正常运行。其中电容一般为10μf或22μf。铝电解式锂离子电容器是很好的。但是当一个用于单片机的电容复位控制电路被电容连接通时,电容初期也就是完全没有电源供电的,它在其内部的复位电阻就非常低。通电后,5v的降压电源就这样会通过一个降压电阻电路来对其中的直流电解和降压电容内部输出电路进行电压补偿和自动充电,电容两端的内部供电电路温度就这样会由0v慢慢地向下上升而达到4v左右(这个复位时间很短一般小于0.3秒),正因为这样,复位器引脚从低端的电位上慢慢上升而达到了一个高电位,引起了内部自动控制电路的自动进行复位。当用户按动上下自动电压复位器的电容电源按钮时,电容两端不能同时进行自动充电,电容恢复到0V,重新复位[9]。电路图如图3-1。图3-1复位电路2.1.3时钟电路时钟工作控制电路主要组成有高频晶振控制器件及其在通用单片机电路中的内部时钟工作控制电路。其所使用产生的功率振荡器和频率信号可以给整个单片机系统提供一个新的时钟信号输出控制信号,用于对该时钟信号输出进行定时和自动定点。单片式主机内部电路采用了一个高输出增益率的逆向输入电压信号放大器,它的一个输入终端引脚使用的也就是电路XTAL1,输出终端也就是电路XTAL2。只要晶体振荡器与用于微调稳压电容器的C1、C2通过两个引脚互相连接,就一样能够同时发生稳定的自激振荡。该系统模型设计采用了一个如下框图所示的自动控制电路。一般来说,电容器C3、C4在33pf左右；晶体振荡器,简称晶振,频率为1.2~12mhz。晶体振荡器的工作频率是指相对于系统中的时钟信号频率相对于系统中的频率而言,相对于系统中的频率以及相对于系统中的频率而言,在正常情况下,采用一个频率大约为6mhz或12mhz的晶体振荡器。如果在该系统中需要使用单片机的串口方式进行连接,一般可以采用11.0592mhz频率的晶体振荡器。该模型采用了12mhz的晶体振荡器[10]。这些都被认为是对于单片机系统正常运行的保证,如果振荡器没有产生任何震荡,系统就可能不再工作。如果振荡器不能正常工作,系统程序在运行时就很有可能导致该电路中出现了相应的工作时间误差,这对于通信来说意义非凡：因为电路不能进行通信。它由一个晶体振荡器和两个陶瓷电容器组成,晶体振荡器和两个陶瓷电容器之间的频率几乎是不存在正负的关系。两个陶瓷电容器之间的相互连接部分的那一点必须相互接地。图3-2晶振电路一般而言,单片机的每一个晶体振荡器都被认为是同时工作在并联谐振的状态,它们通常被认为是谐振电容的一个组成部分。按照从晶振制造厂家提供的晶振所要求负荷和功率进行选择。换言之,晶体振荡器最大频率误差测量方法是在其额定负载功率范围以下对其进行频率误差测量,这样既能够确保最大频率误差,又能够确保温漂等误差[11]。机器周期:通常指的是从内存中直接读出一个指令词以便于指定CPU周期的尽量短暂(这个时间是由内部和外部总线共同完成一台或多台微功能电脑所需要的时间)。12小时的周期。时钟周期=1秒/晶振转换频率,故采用单片带主机电机工作周期=12秒/晶振转换频率,补充其他几个电机周期:指令写入周期(instructioncycle):一个指令被自动取出和写入执行某一条特定命令所可能需要的整个时间。总线运行周期(buscycle):周期即总线访问端存储器或总线I/O端口端在进行总线操作时候所使用的一个总线运行周期。时钟节拍周期(clockcycle):又可以简称为一个时钟周期,它是进行信号和计算操作中最基本的单位。(这个频率是晶振谐波频率的一个倒数,也被我们称为一个T波的状态)指令周期、总线周期和时钟周期之间的关系:一个指令周期由若干个总线周期组成,而一个总线周期时间又包含有若干个时钟周期。一般来说,处理器的每个机械工作周期是由12个小时的机械工作周期构成。所以这种单片机使用12m的晶振,运行频率大约是1m。负载控制电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C[6],跟晶振的频率特性、单片机内部的频率时钟驱动控制电路的等效性和负载控制电容密切十分相关。两个电容器的取值都是一样的,或者差别不是很大。若时间差异太大,很容易导致产生非均匀的共振,停止一次震荡,或者干脆不要再进行二次震荡。其实它可以同时起到一个并联和二次协振的主要功能,这样我们也就可以同时使得它的两个脉冲信号变得更平稳和更加协调[11]。2.2驱动显示电路及报警电路该显示电路选择LCD1602的液晶屏,当超出所规定的距离时,蜂鸣器就会自动实现报警的功能,并且还可以通过一个按键来实现对有限长度和距离的自动调整。2.1.11602LCD液晶显示屏LCD1602液晶在这个自动显示器上所需要采用的自动液晶技术是一种先进的非工业单位具有文本和数字符型的自动显示系统液晶,意思是说也就是它所指的需要同时自动显示的就是文本和数字内容,其大小是它可以手动设置为16*2,可以同时分别自动显示两行,每行中一个单位字符型就可以分别同时显示16个或多个单位字符。目前,市面上大多数的英文字符型高清液晶电视显示屏大都还是采用HD44780液晶显示芯片。该控制软件的基本工作控制原理与传统电脑软件完全相同,因为它内部采用了基于windows的HD44780的控制软件,使得它不仅可以轻松与目前市场上大多数的英文字符型或者数字液晶电视显示器软件配合进行使用。这些点上的矩阵图形字符被分别存储在LCD1602储器模块内的每个点上而矩阵图形字符就是产生在存储器模块中的160个点在不同点上的矩阵图形字符的整个图形中,这些点上的矩阵图形字符主要类型包括:阿拉伯文和数字、英文字母的大小写、常见的注音符号和以及日文虚假字的名称等,每一个在节点上的矩阵图形字符都必须同时具有一个固定的图形标识符和代码。英语模块中的第一个占位大写拼音字母"A"显示是01000001B(41H),显示时这个模块将它的位置在四个地址41H符号中的一个作为点阵占位字符的一个图形符号显示了出来,我们就这样可以清楚地直接看到它的大写字母"A"[12]。其中的接口管脚选择功能表和数据寄存器的接口选择表和控制功能表分别为图如表3-1和图如表3-2所示:表3-1管脚功能表引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器前端是一个中间强度对比的自动调节端,接地或者是正电源时其中间强度对比的弱,接地或者是负电源时其中间强度对比的最高(当其中的强度对比率被调得太高同时也会在两个显示器的屏幕上同时出现"鬼影",使用时我们就认为这样可以直接根据需要通过一个10k的显示器电位仪来进行强度调节其中是对比程度)。4RSRS为指令寄存器的直接选择,高电平1时候也可以直接选择一个数据信号寄存器、低电平0时候也可以直接选择指令寄存器。5R/WR/W为一种读写快速信号输出线,高电平(1)时用户可以直接进行快速读和读或写混合操作,低电平(0)时用户可以直接进行快速读和读或写混合操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、双向数据总线0位（最低位）8DB1底4位三态、双向数据传输总线1位9DB2底4位三态、双向数据传输总线2位10DB3底4位三态、双向数据传输总线3位11DB4高4位三态、双向数据传输总线4位12DB5高4位三态、双向数据传输总线5位13DB6高4位三态、双向数据传输总线6位14DB7高4位三态、双向数据传输总线7位(最大位)(通常亦为为busyflag)15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极表3-2寄存器选择控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据2.1.2蜂鸣器报警蜂鸣器喇叭是一种完全采用机电一体化的设计结构的小型电子讯号音响器,采用交流高频输入电压的方式来进行电源供电,广泛应用于各种电子计算机、打印机、复制器、报警器、电子玩具、汽车等等各种电子装置、电话机、定时器等各种类型与电子商务有关的产品中。蜂鸣器大致而言我们可以仔细地划分,可以大致归为以下两大类:一是采用高压电动蜂鸣器和采用电磁力元件驱动的无线电式蜂鸣器。压电式高频蜂鸣器一般包括多谐压电振荡器、压抗放电蜂窝共鸣片、阻抗压电匹配器和压电共鸣箱、内部保护壳体等几个部分。多谐信号振荡器一般是由多谐晶体管或其它集成电路组合而形成。当直流电源(1.5~15v直流电源的工作电压)和高清声波振荡器的电源相互连接时,多谐波振荡器就会同时发射到一个固定频率的振荡器,并且输出一个固定的频率振荡范围大约是为1.5~1.5khz的高清声波共振信号。电阻蜂鸣匹配器能够驱动一个小型的压电式蜂鸣片,使其对电路输出的信号声音以及信号电流进行降压发声。电磁波的一种声音系统是由一个电磁振荡器、一个产生电磁波的线圈、一个产生电磁波的铁、一个电磁振动器的薄膜和一个电磁表面壳所结合组成的。所以当一个发声电源和一个音频振荡器相互连接时,振荡器所振动产生的各种磁场用于振动音频输入信号的励磁电流将其振动通过一个小的电磁振荡线圈,使得这个电磁振荡线圈所振动产生的各种磁场用于处在振动过程中的薄膜片组就能够在一个电磁振荡线圈与静电磁铁的相互作用下,周期性地对其进行磁场振动从而获得声音。本次的测试中所需要我们选择的都是电磁式自动报警蜂鸣器,当其与工作的距离大大地超出了实际设计的预设值,蜂鸣器便有了机会自动向工作人员发出报警。电磁式蜂鸣器工作时所用的发声机械原理是一个电流在空气中流过一个电磁线圈而产生的磁场,通过一个被震荡为振动的薄膜来传递声音。因此它就很有可能是需要一定的脉冲电流才真正可以被我们用来控制和驱动它,单片机IO引脚输出的这个脉冲电流水平比较小,单片机IO引脚输出的脉冲电流TTL这个脉冲电流水平根本无法被驱动不了这个脉冲控制蜂鸣器,因此我们就很有可能在其中内部再添加一个脉冲同时带有一定的电流和电压进行放大的脉冲控制电路,即通过一个PNP三极晶闸管9012来对它们分别进行一个电压的放大和一个电流的驱动[13]。原理图见图3-3。图3-3蜂鸣器驱动电路2.3HC-RS04超声波测距原理超声波的脉冲测距计算方法主要是通过借助于一种将空气超声波的脉冲通过回声谐波渡越一个时间轴的方法来对其进行计算实现的,设一个空气超声波发射脉冲由两个传感器向周围空气中反射发出并被空气接收的脉冲时间频率长度分别为d和t,超声波在一个空气环境中的脉冲传播时间频率和脉冲运动时间速度分别为d和c,则从一个传感器向外的目标一个回波物体的脉冲运动速度距离d小则可以利用下式计算方法求出:d=ct/2[14]。其系统框图设计如图3-4所示。定时器控制定时器控制计算传输调制40k振荡超声波发射计时增益放大超声波接收障碍物图3-4系统框图基本原理:发射器向超声波发送一个长度在6毫米左右、频率范围内40khz以下的超声波信号。这个信号在电磁辐射中反映到了物体上,并由接收机组进行接受,而这个接收机组从根源上说就是一个带有压电响应变换器。在接收到这个信号后,会产生一个毫伏等级的弱电压。2.45V稳压电路直流稳态电源系统可称之为直流稳压器。其中交流电源的输入电压主要分为两种,即当一个交流电源的输入和输出电压或者一个输入负载的电阻发生了变动时,稳压器的直接输出和电压就可以不断地继续。电压调整参数主要包括测量电压是否具有一定的稳定性,波动系数及响应率等。首先说明了输入电压变动对于输出电压产生的影响。纹波变化系数的值是常泛指在额定的最大工作电流条件下,输出交流电压中一个输入交流电压分量的纹波幅值及其大小；后者通常代表了当电机输入的交流电压或输出负荷突然发生变化,使其不能恢复至正常而必须恢复持续的一个时刻。直流稳压电源一般可以大致分为两种工作形式：直流连续导电型和直流开关型。前者,用一个三相电频交流变压器将一个稳定的单相或三相高频交流来源的电压进行转换为合适的电压值,然后通过多次的整流、滤波,得到一个不稳定的单相直流电源,然后再经过一个稳压补偿电路,即可获得一个稳定高频交流单相电压(或一个稳定的三相电流)。该种不同类型的通用电源保护器件主要特点是其工作电路原理简单、纹波小、相互之间的电磁干扰性能比较少,但是它们的工作体积大、费用多,效率低(往往效率要求在40%~60%)。后者以通过直接改变电压调整器的控制元件(或控制启动器)的直流通断电与时间电流之比方式来直接调整机器输出的直流电压,从而可以使其输出能够直接达到一定的直流稳压。此类直流电源的最大功耗较小,效率最高程度可达85%左右,但其它的缺点主要表现是信号纹波较大、相互之间的信号干扰较大。因此,自20世纪80年代以来迅速向前推进。从其实际工作原理形式上我们大致可以将其划分两类为：①可控整流型。它们通过不断修改晶闸管在一个导向接通式的电源电路中的工作时间而反复进行可以调节其中的输出输入电压。②斩波形。其中一个输入通断电容可作为不稳定的直流开关电压,以通过改变电流相应的开关电路器件中的直流通断电阻比而直接得到一个单向或无脉动的直流,再经过直流滤波处理即可直接得到一个稳定的直流开关电压。③变换器型。不稳定的直流高压输入输出电压先经整个逆变器自动变换为低频的三相交流电,再经进行变压、整流、滤波后,从整个逆变器中进行取样即可得到一个完全新的直流高压输入输出电压,并通过电压反馈电路来自动控制整个逆变器的稳定工作频率,达到稳定地控制输出直流输入电压的工作目的[15]。2.5温度检测电路2.5.1温度检测方案的分析因为超声波是声速,它受到外部因素的影响,如它传播时的温度。使用温度传感器可以来自动检测周围环境的平均温度,更准确地获得传感器与液体表面之间的距离。在目前的情况下,将声音转换成相应的