系统硬件设计 - 基于单片机控制的超声波测距报警系统

　　2 系统硬件设计

　　2.1 超声波测距原理

　　单片机在 T0 时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一个负跳变到单片机中端口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在介质中传播的时间t ，由此便可计算出距离。其时序图如图3 所示。

　　

　　图3 超声波时序图

　　2.2 硬件电路

　　硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用STC89C51 或其兼容系列。采用12 MHz 高准确度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.4 端口输出超声波换能器所需的40 kHz 的方波信号，利用外中断0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4 位共阳LED 数码管，段码用程序驱动，位码用PNP 三极管驱动。

　　STC89C51 芯片引脚与封装如图4 所示。

　　

　　图4 STC89C51 引脚

　　引脚功能说明：

　　（1）VCC：电源电压。

　　（2）GND：接地。

　　（3）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。

　　（4）/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

　　（5）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

　　（6）XTAL2：来自反向振荡器的输出。

　　（7）P0 口：P0 口为一个8 位漏级开路双向I/O 口，也即地址/ 数据总线复用口。作为输出口用时，每脚可吸收8TTL 门电流。

　　（8）P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能吸收或输出4TTL门电流。

　　（9）P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 口缓冲器可吸收或输出4 个TTL门电流，当P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

　　（10）P3 口：P3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可吸收或输出4 个TTL 门电流。

　　P3 口也可作为AT89C52 的一些特殊功能口，如表1 所示。

　　表1 P3 特殊功能口

　　

　　P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

　　（11）ALE//PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

　　（12）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。

　　在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。

　　2.4 超声波发射电路

　　超声波发射电路原理如图5 所示。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R10、R11 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，缩短其自由振荡时间。

　　

　　图5 超声波发射电路原理图

　　2.5 超声波检测接收电路

　　集成电路CX20106A 是一款红外线检波接收的专用芯片。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz 与测距的超声波频率40 kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（ 如图6）。实验证明用CX20106A 接收超声波（ 无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

　　

　　图6 超声波检测接收电路

　　2.6 显示电路

　　显示电路采用简单实用的4 位共阳LED 数码管，段码用74LS244 驱动，位码用PNP 三级管驱动。接P2.1 引脚的为个位显示数码管，其小数点在P2.1 有效时显示，此功能由软件来完成。

　　2.7 复位功能

　　系统应具备测距启动功能，可以复位系统，使其开始重新测距。

　　综上所述，本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用STC89C52，经济易用，且片内有8K 的ROM，便于编程。电路原理如图7 所示。