基于单片机的超声波信号源设计
- 格式：doc
- 大小：907.00 KB
- 文档页数：18
湖南科技大学单片机课程设计题目基于单片机的超声信号源的设计姓名学院机电工程学院专业测控技术与仪器学号指导教师成绩二〇一一年五月二十九日单片机课程设计任务书一、设计题目：基于单片机的超声信号源设计二、引言超声波就是频率超过声波频率的机械波，一般频率在20KHz—40KHz的范围内[1]。
由于超声波的速度较光速小，其传播时间容易检测，且其传播方向性及强度均好，易于控制等，使得超声波检测技术在物体位置测量、物体识别、空间导航等方面应用越来越广泛。
因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来，超声波作为一种新型的非常重要有用的机械波在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高实用高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市各类大型系统也有较大发展，其状况不断改善。
国家或个人对各类实用系统的需求也在加大，而超声波能在很多领域为人们的生活带来方便。
例如：超声波测距仪，超声波驱鼠，超声波驱蚊等各种应用也越来越广。
因此，一种简单实用的超声波发射装置将越来越得到广泛应用。
三、设计要求：1、设计一种能够发射超声波的信号源。
2、利用89C51单片机控制脉冲波的发射。
3、通过脉冲波信号的变化控制由反相器和超声波发生器构成的超声波产生电路生产超声波。
4、要清楚了解单片机的循环控制程序的编写。
四、摘要本超声波信号源是由单片机控制发射超声波。
由单片机芯片89C51为主的计时及控制系统和由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成的发射系统组成。
采用AT89C51单片机作为计时及主控制器、用TCT40—l0Fl作超声波发射器。
采用硬件电路和软件控制相结合，电路结构简单，低成本，操作方便，工作稳定。
其设计思想可以应用于超声波杀蚊虫等。
因此，我的题目是基于单片机的超声信号源设计。
关键词：超声波；单片机；信号源；控制目录一、功能要求 (1)二、方案论证 (1)三、系统硬件电路的设计 (1)3.1超声波信号源硬件电路设计 (1)3.2超声波发射电路设计 (4)3.3电源电路设计 (6)3.4总体硬件结构与工作原理 (7)四、系统程序的设计 (7)4.1系统的主控制程序设计 (7)4.2超声波发生子程序设计 (7)五、调试及性能分析 (8)六、结束语 (8)七、参考文献 (9)八、附录一元件清单 (10)九、附录二电路总原理图 (12)十、附录三电路PROTUES仿真图 (13)十一、附录四超声波信号源源程序清单 (14)正文一、功能要求1、设计一种能够发射超声波的信号源。
2、利用89C51单片机控制脉冲波的发射。
3、通过脉冲波信号的变化控制由反相器和超声波发生器构成的超声波产生电路生产超声波。
4、要清楚了解单片机的循环控制程序的编写。
二、方案论证超声波信号源设计可以由89C51芯片单片机计时及控制系统和超声波发射电路组成。
89C51芯片电路主要由复位电路和晶振电路组成。
超声波发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成。
T为超声波发射器，采用TCT40—l0Fl，外型尺寸Φ15 。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R2，R3一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，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。
工作时，单片机的定时器T0产生40 KHz方波信号，从P1.0端口输出，一路经过一级反向器后送到超声波发射器T的一个电极，另一路经过两极反向器后送到超声波发射器T的另一个电极，从而将40 KHz电脉冲信号加到超声波发射器T，使T发射超声波。
三、系统硬件电路的设计3.1超声波信号源硬件电路设计3.1.1单片机计时及控制系统设计单片机控制电路核心是单片机芯片，其加上工作基本电路，就可以展开控制工作。
用单片机P1.0口输出控制信号，由一路经过一级反向器后送到超声波发射器T的一个电极，另一路经过两极反向器后送到超声波发射器T的另一个电极，从而将40 KHz电脉冲信号加到超声波发射器T，使T 发射超声波。
3.1.2 单片机芯片的选择MCS8031和AT89C51都具有4个8位I/O接口，但MCS8031没有内部程序存储器，需要外接，增加电路复杂性；AT89C2051和AT89C51都具有Flash ROM[2]，可以省去外接程序存储器；但AT89C2051接口少，不利于功能扩展；故选用AT89C51。
AT89C51单片机内部结构及主要性能特点：40个引脚，双列直插式封装；有4个8位I/O接口，有全双工增强型UART,可编程串行通信；2个16位定时／计数器；5个中断源，2个中断优先级；有片内时钟振荡器（全静态工作方式，0-24 MHz）；有128字节内部RAM，4 KB Flash ROM（可以擦除1000次以上，数据保存10年）；电源控制模式灵活（时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式）。
其内部结构图如图1所示。
图1 AT89C51/AT89C52内部结构图3.1.3 AT89C51基本电路AT89C51单片机要正常工作，必须有其基本电路，包括晶振电路、复位电路。
（1）晶振电路单片机的时钟信号通常有两种产生方式[3]：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。
内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。
外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。
本设计采用内部时钟方式，电路如图2所示。
图2 晶振电路在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。
C1和C2的作用是稳定振荡频率和快速起振。
根据经典电路选择参数，本电路选用晶振24 MHz，C1=C2=30PF[2]。
其中晶振周期（或外部时钟信号周期）为最小的时序单位。
（2）复位电路复位电路如图3所示。
图3 按键与上电复位电路复位是使单片机处于某种确定的初始状态。
单片机工作从复位开始。
在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。
复位操作有两种基本方式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
本设计采用后一种复位电路。
电路如图3所示。
开机瞬间RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。
根据经典电路选择参数，选取C3=10µF，R9=10KΩ[2]。
3.1.4 AT89C51定时计数应用电路分析AT89C51单片机片内集成有两个可编程的定时/计数器T0和T1[4]。
它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式。
本设计采用定时计数器T0，根据需要，让其工作于方式2。
方式2为8位定时器/计数器，由TL0作低8位计数器，TH0用以保存初值。
其初值在256～0范围，计数范围为1～256。
具体应用见程序设计部分。
单片机控制程序初值计算：工作在T0，模式2，晶振24MHZ,一个机器周期0.5us。
频率40KHz,T=1/f=25us.共50个机器周期。
X=256-50=206，TL0=0CEH，H0=0CEH。
3.2 超声波发射电路设计3.2.1 选择超声波发生器类型超声波发生器可以分为两大类[1]：一类是用机械方式产生超声波，另一类是电气方式产生超声波。
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。
电气方式包括压电型，电动型等；目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。
压电式超声波换能器利用压电晶体的谐振来工作，其内部结构如图4所示。
超声波换能器有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加电脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，从而带动共振板振动，产生超声波。
本设计选用压电式超声波换能器TCT40—l0Fl作超声波发射器。
图4 超声波换能器内部结构图3.2.2 超声波发射电路设计超声波发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成，如图5所示。
图中T为超声波发射器，采用TCT40—l0Fl，外型尺寸Φ15 。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R2，R3一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，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。
工作时，单片机的定时器T0产生40 KHz方波信号，从P1.0端口输出，一路经过一级反向器后送到超声波发射器T的一个电极，另一路经过两极反向器后送到超声波发射器T的另一个电极，从而将40 KHz电脉冲信号加到超声波发射器T，使T发射超声波。
电路采用推挽形式，向超声波发射器T提供电脉冲信号，可以提高超声波的发射强度。
图5 超声波发射电路原理图3.3 电源电路设计电源电路由变压器、单相桥式电路、滤波电路和三端稳压电路构成。
其电路如图6所示。
电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。
三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端，由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。
在本系统中，要求电源电压为5V ，由于三端式稳压器输出电压固定，故在设计中选择三端式稳压器7805。
7805电路参数[6]：当25Tj =℃，输入为720Vin νν≤≤，05.0 1.0mA I A ≤≤，015P w ≤时，输出04.8 5.25V νν≤≤，本设计稳压输出5V 。
三端式稳压器的输入与输出之间电压差为2-3V[7] ，整流桥的输出电压是输入电压(有效值)的1.2倍（这里选择IN4007组成的单相桥式整流电路），故选择220V/ 6V 的变压器。
由于7805的最大输出电流为1A ，电压为稳定的+5V ，最大输出功率为5W ，考虑电源消耗，故本系统选择8W 的变压器。
图8中C7、C9为低频滤波电容，根据经验选择电解电容，其容值分别为C8=C10=1000μF ；C9、C11为高频滤波电容，均选0.1μF的贴片电容。
发光二极管用于指示电源是否接通，选择FG1112004 发光二极管，根据正向电流If=5mA，选择限流电阻R19= 620Ω。
T1 TRANS1..220vAC+C101000uF R19 620ΩD21N4007D11N4007 D31N4007D41N4007Vin1GND2+5V3U107805+C81000uFC90.1uFC110.1uFD5LED+5V6V图6 电源电路3.4 总体硬件结构与工作原理总体硬件结构原理图见附录2。
超声波信号源工作原理：打开电源，整个电路通电，单片机执行程序，对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式，启动T0，调用超声波发生子程序，从P1.0端口输出，一路经过一级反向器后送到超声波发射器T的一个电极，另一路经过两极反向器后送到超声波发射器T的另一个电极，从而将40 KHz电脉冲信号加到超声波发射器T，使T发射超声波。
