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第3章系统硬件设计 在非接触测量领域中，随着传感器技术水平的不断提高，利用超声波传感器测量距离的技术也日趋成熟，基于单片机的超声波测距仪以其强抗干扰能力、高精度、低功耗、体积小等优点在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用，本章论述了以51单片机为控制核心的超声波测距模块的具体电路设计。 内容来自www.paper51.com 3.1 系统工作的过程 http://www.paper51.com 本文设计的超声波测距仪是一款非接触的测量仪器。它的工作原理是: 采用555时基振荡电路产生40kHz的超声波信号，超声波传感器的工作状态由三极管工作情况决定。当单片机给三极管一个高电平使其导通后，由555产生的超声波就可以通过发射探头可将其发射出去；此后经过一段时间，超声波遇到障碍物将发生反射，反射后将被接收探头接收，由于探头接收的信号很微弱，所以信号还要经过放大电路进行放大（采用专用集成检波接收电路则不需要放大电路），最后再通过波形变换电路将信号转换成单片机能接收的信号。单片机接收信号后关闭计时器、禁止555工作、处理有关信息，最后通过显示电路显示测量到的距离。显示一段时间后将进入下一次的测量。在整个测量过程中由于电源电路提供能量才使得各模块电路在单片机的控制下成功有序地完成一次距离测量。可见电源电路也是该系统不可缺少的一部分。 http://www.paper51.com 3.2 主控制电路 copyright paper51.com 主控制器主要由单片机AT89C51、振荡器和复位电路三部分组成。设计原理图如3-1所示，由于它是单片机工作的必要组成部分，所以又称为单片机最小系统。它是测距仪的控制中枢，也是整个系统的核心部分。它之所以这样重要是因为它在测距仪中发挥了四个作用： http://www.paper51.com
1、控制超声波的发射； paper51.com
2、负责处理接收电路发出的信号； paper51.com
3、时间转化成距离的数据处理； copyright paper51.com 4、协调端口实现动态显示。 copyright paper51.com 由上可知，它的正常工作是保证测距仪成功测距的先决条件，单片机最小系统的设计虽简单但很关键。下面就其作一些简单的介绍。 http://www.paper51.com 内容来自www.paper51.com 图3-1 单片机最小系统原理图 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 3.2.1 AT89C51单片机 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 单片机，又称微处理器，是许多自动控制系统中的核心部件。考虑到显示电路需要占用比较多的I/O口和需要处理较复杂的数学计算对单片机的运行速度的有较高的要求，本系统选用了AT89C51单片机作为主控器件[8]。 paper51.com AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable andErasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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-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，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。 paper51.com 3.2.2 时钟振荡器 paper51.com 单片机外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器（AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益的反相放大器）的反馈回路中构成并联振荡电路。 paper51.com
为便于CPU处理数据，让计时器每计一次数就是1us，振荡器采用了12MHz的石英晶体。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，这里电容使用30pF±10pF。 http://www.paper51.com 本系统选用外部晶体作为时钟频率，晶体振荡器XTAL1与XTAL2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出。晶体振荡器连接如下 http://www.paper51.com
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图3-2 晶体振荡器连接 paper51.com 3.2.3 复位电路 内容来自www.paper51.com 本复位电路采用手动复位，在Vcc和RST端接一容量为22uF左右的电解电容，其两端并接一个轻触按钮（为限制按钮按下时电容瞬间释放的电流，避免产生火花，在按钮一侧串联一个电阻），利用RST内部复位下拉电阻便构成复位电路。其电路如图3-1所示。 paper51.com
手动的好处在于能避免死机时关机复位。其复位过程为：接通电源瞬间，电容上的电压很小，RST端上的电压接近电源电压，在电容充电过程中，RST端电位逐渐下降，当RST端电位小于某一数值后，CPU脱离复位状态；当按钮按下时，电容通过R1放电，当电容放完电后，RST端的电位由R1、R2分压比决定。由于R2 » R1，因此RST为高电平，CPU进入复位状态，松手后，电容C3开始充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。 paper51.com 3.3 串行通信接口 copyright paper51.com 本系统的与PC通信采用RS-232标准串口通信。 http://www.paper51.com
RS-232是EIA40年前为公用电话网络数据通信而制定的标准，由于RS232的发送和接收是“对地”而言的，采用非平衡模式传输，存在共地噪声，所以其最大传输距离和速率在标准中被限定为15米和19200bit/s。 copyright paper51.com 3.3.1RS-232电气特性 内容来自论文无忧网 www.paper51.com RS-232对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都做了规定。 copyright paper51.com
在TXD和RXD上： 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
1、逻辑1（MARK）=-3V~15V。 http://www.paper51.com 2、逻辑0（SPACE）=+3V~+15V。 paper51.com 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： copyright paper51.com 1、信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V~+15V。 copyright paper51.com
2、信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V~-15V。 http://www.paper51.com 以上规定说明了RS-232标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，低于+15V，断开状态（OFF）即信号无效的电平高于-15V低于-3V，也就是说当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3~+3V之间和低于-15V或高于+15V的电压无意义，因此，在实际工作时，应保证电平在（3~5）V范围之间。 paper51.com
RS-232电平与TTL电平的转换：前者用正负电压来表示逻辑状态，与后者以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此为了同计算机接口或终端的TTL器件相连，必须在两者之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前教为广泛地使用集成电路转换元件，MAX232芯片可完成两者之间的转换[10]。 内容来自www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com |