本科毕业设计--超声波测距系统.doc

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1、毕业设计（论文）中文摘要本文详细介绍了一种基于单片机的超声测距系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离。在介绍了单片机性能和特点的基础上，分析了超声波测距的发展及基本原理，介绍了传感器的原理及特性。由此提出了系统的总体构成。然后简要介绍了利用51系列单片机设计测距仪的原理:单片机发出的超声波，通过换能器发射出去，遇到被测物体后反射回来，计算此超声波从发射出到接受的时间差从而得出被测物体到测距仪的距离。针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案做了论证。设计了一种基于8051单片机的超声波测距系统。介绍了超声波测距的原理及8051单片机的性能和特点，并

2、在此基础上，给出了实现超声波测距方案的系统框图及软、硬件设计。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，且在测量精度方面也能达到要求。测试结果表明，该设计满足设计要求，具有一定的实用价值。关键词：超声波；8051单片机；测距目录1 引 言42 微控制器MC9S12DG128B83 DS18B20温度补偿电路104 超声波传感器125 集成电路CX20106A简介146 超声波传感器测距模块的硬件设计186.1 硬件电路设计方法196.2 多路同步超声波测距系统206.2.1 FPGA内部各组成模块设计216.2.2

3、发射电路236.2.3接收电路236.3超声波的产生与功率放大246.4接收模块267 AT89C51单片机简介278 LED动态扫描显示电路299 提高敏感器件抗干扰性能319.1系统硬件干扰349.2降低外时钟频率369.3系统软件结构设计379.4 多任务调度管理的仿真实现41结论43致谢44参考文献451 引 言近年来，随着单片机在我国的推广，以其简单实用、功能强、体积小而日益广泛的被广大设计师采用，尤其在控制领域中的应用更为突出。本文论述了采用单片机技术研制成功的智能距离提示器的原理与方法。该智能距离提示器主要是利用超声波探测传感器发送超声波来测试相对应的距离。工作时，超声波发生器不

4、断的发出一系列连续的脉冲，并给单片机提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后，也向单片机提供一个短脉冲。最后由单片机装置对接受信号依据时间差进行处理，自动计算出该智能距离提示器离障碍物之间的距离。该超声波智能距离提示器具有测距原理简单，成本低，制作方便易于实时控制，并且在精度方面也能达到工业实用的要求等特点。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡 ,传播速度仅为光波的百万分之一 ,纵向分辨率较高.超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感 ,因此超声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力 ,在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷

5、达、物体识别等方面有着广泛的运用。由于超声传播不易受干扰 , 能量消耗缓慢 , 在介质中传播的距离较远 , 因而超声波经常用于距离的测量. 本文以超声波理论为依据，给出日常生活中可以方便 使用的非接触式超声波测距装置的设计过程。1.1超声波测距的原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离SCt2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量

6、误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。图1-1超声波测距电路表1 温度与波速的关系表温度/-20-100102030100波速/m/s319325323338344349386由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。所以列出了几种不同温度下的波速,请看表1所示。在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动

7、探测环境温度、确定计算距离时的波速C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：d=s/2=(vt)/2 （1）其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：v=331.4+0.61T （2）式中

8、，T为实际温度()，v的单位为m/s。1.2 压电式超声波传感器的原理目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极

9、间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时即为超声波接收器。1.3 反射式超声波测距仪的硬件电路设计本系统硬件电路由单片机最小系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路构成，如图1-2所示。图1-2本超声波测距仪的具体工作过程如下，在单片机产生复位信号后，MC9S12DG128B产生一个控制信号，控制外围电路产生40kHz的超声波，经整形放大后加到超声波换能器发射出频率为40kHz的超声波。同时，计数MC9S12DG128B内部的定时器，测量超声波信号从发出到接收所花的时间，并把经超声波换能器R接收到的超声波信号放大、滤波、整形，并

10、作为接收信号来启动定时器的输入捕捉功能，完成一次超声波测距的时间操作。同时，由温度传感器DS18B20测得当前的环境温度，读入单片机，然后经其处理，在液晶显示屏上显示相应的测量值以及当前温度。2 微控制器MC9S12DG128BMC9S12DG128B是飞思卡尔公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存储控制及加密方面有较强的功能。MC9S12DG128B微控制器采用增强型16位S12 CPU，片内总线时钟频率最高可达25MHz；片内资源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPR

11、OM、SCI、SPI及PWM串行接口模块；PWM模块可设置成4路8位或2路16位，可宽范围选择时钟频率；它还提供2个8路10位精度A/D转换器、控制器局域网CAN和增强型捕捉定时器，并支持背景调试模式（BDM）。2.1 超声波的发射电路超声波发射电路一般由超声波反射器T、40kHz的超音频振荡器、驱动（或激励）电路等组成，本设计利用门电路产生40kHz的超声波，组成的超声波发射电路见图2-1。图2-1超声波发射电路图中，与非门74LS00和LM386组成超声波发射电路，用74LS00构成多谐振荡器，通过调节20k的电位器，可产生超声波发射的40kHz信号，其中U3A为驱动器，电路振荡频率f1/

12、2.2RC，单片机的控制信号由U2A输入。为增大超声波的发射频率，本设计利用了单运放LM386，发射距离可达4m。2.2 超声波的接收电路超声波接收电路如图2-2所示。接收头采用与发射头配对的超声波接收器R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。为了进行信号的整形，在设计中的CMOS电平的6非门芯片CD4069，可以减少电路的复杂程度，提高电路的带负载能力。整形后的信号由C1耦合给带有锁定环的音频译码集成块LM567的输入端3脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平跃变为低电平。图2-2超声波的接收电路3 DS18B20温度补偿电路根据上文中式可知，温度对声速的影

13、响较大，若不进行补偿，将会带来测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。系统采用数字温度传感器DS18B20来采集温度，DS18B20是美国DALLAS公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。它的测量温度范围为-55+125，精度可达0.0675，最大转换时间为200ms。数字式温度传感器和模拟温度传感器最大的区别是：将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲时隙；写“0”、读“1”时隙，

14、读“0”、读“1”时隙。初始化后，传感器输出两个字节的温度，进行数据处理后得到实际温度的值，利用式（2）可计算补偿声速。3.1 液晶显示电路字符点阵系列模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型显示模块。分4位和8位数据传输方式。它提供57点阵+光标和510点阵+光标的显示模式。提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM，可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个58点阵的图形字符的字模数据。它提供了丰富的指令设置：清显示，光标回原点，显示开/关，光标开/关，显示字符闪烁，光标移位，显示移位等。提供内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对

15、模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。OCM2X16显示两行字符，每行可以显示16个字符。本设计采用OCM2X16，显示两行字符，一行显示当前的环境温度，一行显示所测距离。图3-1液晶显示电路3.2 系统软件设计系统软件包括主程序、温度采集子程序、定时器计时子程序、计算子程序、液晶显示子程序等。主程序包括初始化和各个子程序的调用，最后把测量结果用液晶显示屏显示出来。图3-2系统软件设计图4 超声波传感器4.1 超声波传感器的原理及结构超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型

16、。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨” 或“笛” 。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，

17、它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。4.2 超声波发射电路超声波发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向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R10、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高

18、电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。4.3 超声波检测接收电路超声波检测接收电路是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板。5 集成电路CX20106A简介集成电路CX20

19、106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHZ与测距的超声波频率40kHZ较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。CX20106A红外遥控接收器集成电路的特性： CX20106A是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，采用单列8脚直插式，超小型封装，5V供电。实际上，人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元CPU。单片机除了进行运算外，还要完成控制功能。所以离不开计数和定时。因此，在单片机中就设置有定时器兼计数器。到这里为止，我们已经知道了单片机的基本组成，即单

20、片机是由中央处理器（即CPU中的运算器和控制器）、只读存贮器（通常表示为ROM）、读写存贮器（又称随机存贮器通常表示为RAM）、输入/输出口（又分为并行口和串行口，表示为I/O口）等等组成。实际上单片机里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运算和控制时，都能有节奏地进行。另外，还有所谓的“中断系统”，这个系统有“传达室”的作用，当单片机控制对象的参数到达某个需要加以干预的状态时，就可经此“传达室”通报给CPU，使CPU根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施。单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带”，即所谓的“内部总线”。此总线有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中断系统

21、等就分布在此“总线”的两旁，并和它连通。从而，一切指令、数据都可经内部总线传送，有如大城市内各种物品的传送都经过干道进行。MCU-51 CPU和存储器。单片机8051的CPU由运算器和控制器组成。A 运算器运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器ACC是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一

22、些特征，如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV P对用户来讲，最关心的是以下四位。a、进位标志CY（PSW.7）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。b、辅助进位标志AC。又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则AC为1状态，否则为0。c、溢出标志位OV。MCS51反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。d、奇偶标志P。反映累加器ACC内容的奇偶性，如果ACC中的运算结果有偶数个1（

23、如11001100B，其中有4个1），则P为0，否则，P=1。PSW的其它位，将在以后再介绍。由于PSW存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字。运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机（又称布尔处理机）。其功能在介绍位指令时再说明，如图5-1： 图5-1 DIP塑封引脚图引脚功能DIP塑封引脚图引脚功能LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使

24、用运算放大器的场合。 LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 特性(Features)： 内部频率补偿。 直流电压增益高(约100dB) 。 单位增益频带宽(约1MHz) 。 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5一15V) 。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入偏流。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽，包括接地。 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 。 参数：输入偏置电流45 nA；输入失调电流50 nA；输入失调电压2.9mV；输入共模电压最大值VCC1.5 V；共模抑制比80dB；电源抑制比100dB

25、。LM358应用电路图：如图5-2：图5-26 超声波传感器测距模块的硬件设计超声就是指频率高出可听频率极限(即在20 kHz以上的频段)的弹性振动，这种振动以波动形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波技术应用于流量测量的原理是：由超声换能器产生的超声波以某一角度入射到流体中，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息，利用接收到的超声波信号就可以测量流体的流速和流量。上世纪70年代以后，由于集成电路技术的迅猛发展，高性能、高稳定性的锁相技术的出现与应用，才使实用的超声波流量计得以迅速发展。超声波流量计结构简单，压力损失小，而且使用方便，因而得到了广泛的应用。谐振频率高于20 kHz的声波被

26、称为超声波。超声波测距的基本工作原理是：发射探头发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，利用公式S=05ct就能算得从探头到障碍物的距离，式中：S为所测的距离，c为超声波在介质中的传播速度为超声波从发到收所经过的时间。如图6-1： 图6-1根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计；根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计；根据对信号的检测原理，超声波流量计非接触测量方法分为：传播时差法、多普勒法、波束偏移法及流动超声法等不同类型，其中传播时差法又分为直接时差法、相位差法

27、和频差法。 双频超声波多普勒流量计能够产生两组异频、相互独立的超声波信号，两种频率用于识别和排除一系列的错误信号，他能有效去除噪声信号，并将准确识别出的多普勒信号进行平方放大。6.1 硬件电路设计方法总体的系统设计整个系统的硬件结构可以分为两太模块：超声波发射、接收探头及滤波放大电路的设计和数字系统的设计，如图1所示。发射探头发射两个己知的固定频率的独立超声波信号，接收探头负责接收含有流体的流速信息的超声波。接收到的超声波分别被前置放大电路、带通滤波器放大器、混频器及低通滤波器处理获得含有流体流速信息的低频模拟多普勒信号，再送到数字系统部分的DSP(TMS320F2812)的模数(AD)转换器

28、进行模数转换。TMS320F2812内部定时中断子程序进行数据采样，采集的数据送人环形数据缓冲区内，然后TMS320F2812对采样数据进行加窗处理、FFT变换求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。单片机C8051F236通过SPI从DSP中读出流速的数据，再根据输入的仪表参数进行流量、累计流量等所需要的数据量的计算，并通过液晶显示器显示。除了测量以外，还可以通过键盘选择执行安装、测试、设置仪表和现场参数等多种操作。超声波测距系统的一般结构 一般情况下，超声波测距系统的基本结构如图6-2所示。图6-2超声波测距系统的基本结构系统常采用频率为40 kHz的方波信号由单片

29、机内部产生。为了避免温度对声波传播速度的影响，都采用温度补偿以适应在不同环境下正常工作的需求。时间的精确测量可由单片机内部单独的计数器完成，也可由外部的计时电路完成。6.2 多路同步超声波测距系统系统由单片机、FPGA模块、6对收发同体的超声波换能器、功率放大电路、回波高增益放大电路、带通滤波电路以及比较整形电路等组成。系统组成框图如图6-3。图6-3系统组成框图 本系统中。单片机系统与FPGA系统是测距仪的核心部件，用来协调各部分元件工作。单片机控制器单元主要是启动超声波发射与计时计数器开始计数的同步以及接收到回波后对其计时计数器的值进行处理等运算。FPGA单元主要用来产生超声波的发射脉冲频

30、率125 kHz与计时计数器的频率(170 kHz)，通过微控制器MCU来启动超声波的发射，FPGA发射一定数量(这里选择8至10)的脉冲串之后，停止发射同时启动计时计数器计数，超声波途经障碍物返回。当超声波换能器接收到回波信号之后，将其信号送入FPGA内部，用来控制计时计数器的停止，将所得的计数值送入单片机。第一路到第五路超声波换能器用于测量距离，测量距离的五路超声波换能器按等间距分别安装在测距仪的固定板上，系统采用收发同体的探头，其波束角很小，有效的保证了各探头到被测物体的垂直测量距离。第六路超声波换能器安装在测距仪的左侧，在测距仪的右侧安装一块标准档板，较准确的测量当时环境下的声速，用于

31、温度补偿。控制或显示模块用于调整平衡或输出显示测量距离的目的。6.2.1 FPGA内部各组成模块设计 FPGA主要实现125 kHz的超声波的发射与接收以及六路超声波从发射到接收之间时间的测量。其内部结构如图6-4所示。图6-4FPGA主要由发射模块、顺序执行计数器、数据选择器、计时计数器与接收模块五部分组成。其中：发射模块完成脉冲串的发射与计数器的启动，主要由96分频器、发射脉冲串计数器和发射脉冲串的控制器三部分组成。顺序执行计数器模块主要由六与非门、计数器和非门组成。 所有的接收模块接收完数据后，通过与非门及非门输出高电平(FINISH端口)，以触发单片机使单片机处于接收数据状态，单片机发

32、出信号使顺序执行计数器开始计数，计数值每次加1，输出端口便是相应的计时计数器，单片机便从相应的计时计数器中读取计数值。数据选择器与顺序执行计数器完成计数值数据的读取。 计时计数器模块主要完成测量脉冲发出去到接收到的时间间隔和脉冲的计数，主要由启动与关闭计数器控制、12分频器、16位计时计数器、二选一数据选择器及8位数据锁存器组成。接收模块主要接收回波信号和关闭计数器，当接收模块接收到信号以后，便启动计数，达到计数值，就输出高电平，用来关闭计时计数器停止计数。为防止信号串扰，在信号发射时，CUAN端输入高电平，对其信号进行屏蔽，如图6-5：图6-5 计时计数器模块经过实验室调试，本文给出的基于单

33、片机与FPGA相结合的多路同步超声波 测距系统与其它系统具有如下优势：(1)抗环境影响因素能力强。在工作环境中，对声速影响的因素很多。 (2)采用125 kHz的频率，同时采用多路超声波精确同步测距。 (3)采用FPGA与AT89C51结合的方案，由FPGA来完成多路超声波传播时间的精确测量，AT89C51完成信号的启动以及数据的处理。与常规系统相比，虽然增加了FP-GA硬件，但是系统也舍弃了一些系统所采用的温度补偿模块，大大提高了系统的精度和系统的灵活性，如图6-6：图6-6系统总电路图如图6-7所示。系统总共有6个模块，分别是电源模块、发射模块(超声波产生和功率放大)、接收模块、DSP模块

34、、扩展单元模块和单片机模块。 图6-76.2.2 发射电路发射电路如图6-8（a）所示。发射电路将接收到的方波脉冲信号送入乙类推挽放大电路，用其输出信号驱动CMOS管，接着将其脉冲信号加到高频脉冲变压器进行功率放大，使幅值增加到100多伏，最后将放大的脉冲方波信号加到超声波换能器上产生频率为125 kHz的超声波并将其发射出去。6.2.3接收电路接收电路如图6-8（b）由OP37构成的两级运放电路，TL082构成的二阶带通滤波电路以及LM393构成的比较电路三部分组成。因本系统频率较高，回波信号非常弱，为毫伏级，因此设计成两级放大电路，第一级放大100倍，第二级放大50倍，共放大5 000倍左

35、右。 图6-8另外考虑到本系统要适应各种复杂的工作环境，因此设计了由TL082构成的高精度带通滤波电路，以供回波信号放大后进行进一步滤波，将滤波后的信号输入到LM393构成的比较器反相输入端，与基准电压相比较，并且对其比较输出电压进行限幅，将其电压接至D触发器，比较器将经过放大后的交流信号整形出方波信号，将其接至FPGA，启动接收模块计数，达到脉冲串设定值时，关闭计时计数器停止计数。6.3超声波的产生与功率放大 多普勒超声波测量中传感器的激励方式有单载频脉冲激励、连续正弦波激励和伪随机码信号激励等，由于连续正弦信号的采集较为容易，也适于作频谱分析，因此选用这种方式。超声信号的频移反映了流速的信

36、息，测准频移是保证测量精度的关键，愈少在频谱中引入干扰分量愈好，因此我们需要源信号有较高的纯度。一般的正弦振荡电路会有很多谐波分量，而且频率漂移较大，一旦调节好了频率又不易修改，使系统适应不同频率传感器的灵活性减低，但是DDS芯片可以解决这些问题。DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式信号的合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DAC产生已经用数字形式存人的正弦波。本系统选用的DDS芯片是AD公司生产的COMS型DDS芯片AD9850，该芯片最高可支持125 MHz的时钟频率，32位频率调节字可用并行或串行方式装入。+3.3

37、V或+5 V供电，极低功耗，28脚SSOP封装。AD9850有两种装载频率调节字的方式，无优劣之分。AD9850有32位调节字，分为W0，W1，W2，W3，W4五个字节，每次只能写入一个字节，当W-CLK脚变高时，写入有效。FQ-UD有效时，AD9850读取新的调节字，产生新的频率输出。RESET有效时，清除调节字寄存器。如图6-9：图6-974HC574是8D锁存器，可将写入的数据保存在输出端直到下次时钟到来。AD9850的W-CLK，FQ-UD和RESET均通过74HC574连在DSP的GPIOA上，他们的时序是通过写入数据产生的。流体中有较高的颗粒含量，超声波的衰减较大，发射信号要有一定

38、功率，因此功率放大不可少。由于超声波的频率较高(640 k和1.0 M)，进行功率放大时一般的功率放大集成电路带宽不够，因此只好用功率晶体管搭放大电路。具体电路如图4所示。该图为推挽式放大电路，Q1为NPN管(3DDSA)，Q2为PNP管(3CDSA)。DDS-IN接DDS的输出，变压器的输出接发送传感器。6.4接收模块 该模块主要是将探头接收到的信号进行调理，得到含有流体流速信息的多普勒频偏信号，供后续数字系统部分做进一步分析处理。接收探头接收到的信号分别通过中心频率为1 MHz和640 kHz的窄带带通波器，滤去其中的低频杂散噪声，放大以后送入解调器，输出含有流速信息的低频多普勒频偏信号，

39、然后送入TMS320F2812的模数转换器。TLE2072是低噪声高速JFET输入运算放大器，他的单位增益带宽可达10 MHz，能满足信号放大带宽的要求，电路中起到前置放大及阻抗变换的作用。MC1350为可控增益选频放大器，中频变压器T1(T2)谐振频率为640 kHz(1 MHz)，对信号起带通滤波的作用，输出信号经TLE2072半波放大后，由RC滤波形成MC1350增益控制电压，从而使输人信号强度在较大范围内变化时得到一稳定的输出信号，此电路可使输入信号的波动范围达60 dB时输出保持稳定，保证系统的稳定工作。 接收信号放大电路输出的信号相对于发射信号产生了频移，此频移在03 kHz范围，

40、反映流体的流速大小，由于此频移相对于发射信号频率较小，直接进行频率测量精度难以保证，所以采取混频措施得到差频信号。含有差频信息的高频信号通过CD4053模拟开关与发射信号的本振方波(CP1或CP2)进行乘积运算，经TLE2072阻抗变换后利用阻容滤波器进行低通滤波得到差频信号。7 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-

41、51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图7-1：图7-11 主要特性：与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式2管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每

42、脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口

43、被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。8 LED动态扫描显示电路LED 因其VF值特性原因做不到相同,随着温度及电流大小也有些VF值也会发生变化,一般不适合并联设计。但是有些情况又不得不并联解决多颗LED驱动成本问题,这些设计可以为大家做些参考。注

44、意需要VF值分档,同档VF值的LED尽量使用在同一产品上面,产品可以保证误差电流在1mA之内LED相对恒流状态。如图8-1：图8-1 LED动态扫描显示电路采用集成三极管可以保持每路LED电流一致,这些三极管在相同温度环境下、相同工艺条件生产出来的值一样,可以保证每路电流基本一样。恒流部分在要求不是很高的条件下可以这样设计,稳定的电压或稳定的PWM伏值驱动稳压后的三极管偏压,做到基本恒流。采用精度较高的IC做恒流参考源,R可以设定IC输出电流,一经确定R阻值可以使用固定电阻代替。多三极管集成器件的使用可以减少IC的使用数量,从而减低设计产品成本。线性大功率LED恒流输出可以并联使用,在产品设计

45、中我们往往找不到较大电流的驱动IC,一般2A以上就很少见,标称2A的IC也不一定可以极限使用。大于1A的IC工艺成本的原因MOS管都是外置,外置MOS管线路复杂,可靠性减低。并联使用是有效的设计办法。采用DD312并联参考设计直接驱动3颗6WLED。使能PWM控制信号需要适当的隔离,避免相互干扰和驱动能力问题。EN使能电压要符合规格书要求,不要电压太高损坏EN脚。一般IC耐压是指负载和电源 ,没有注明激励电压请不要大于5V设计。像这种检测在LED的一端LED恒流驱动IC也可以并联设计驱动,实际上IC是单独工作的,最后在并流一起。DC-DC方式是工作在较高的频率上,需要注意的是PCB布板时避免交

46、叉设计,各自滤波、旁路电容要紧靠IC附近,负载电流最后会和即可。9 提高敏感器件抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。 提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下： （1）布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。 （2）布线时,电源线和地线要尽量粗。除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。 （3）对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。 （4）对单片机使用电源监控及看门狗电路,如： IMP809,IMP706,IMP813, X5043,X5045等,可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。 （5）在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。 （6）IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。 其它常用抗干扰措施 （1）交流端用电感电容滤波:去掉高频低频干扰脉冲。（2）变压器双隔离措施:变压器初级输入端串接电容,初、次级线圈间屏蔽层与初级间电容中心接点接大地,次级外屏蔽层接印制板地,这是硬件抗干扰的关键手段。次级加低通滤波器:吸收变压器产生的浪涌电压。 （3）采用集成式直流稳压电源: 有过流、过压、过热等保护作用。（4）I/O口采用光电、磁电、继电器隔离,同时去掉公共地。 （5）通讯线用双绞