山东交通学院毕业设计（论文）
图4.1中，P0.0～P0.7用来控制LED的段码，P2.0～P2.3用来控制LED的位码，P1.3用来和温度传感器DS18B20连接，超声波发射电路和单片机8051的P1.0口连接，而超声波接收电路连接到8051的外部中断INT0。因此单片机8051不需要进行外部扩展就可满足超声波测距电路的系统要求[4]。电源采用+5V电源供电。晶振X1的频率是12MHZ。
4.2 超声波发射电路设计
4.2.1 超声波频率及探头的选择
超声波在空气中频率越高，功率越大，精度越高，但在空气中衰减越快；相反频率越低，功率越小，在空气中衰减越慢，但误差大。综合考虑75KHZ、40KHZ、25KHZ等几个常用超声波频率的特点，取40KHZ可以较好的解决这个矛盾。为了便于超声波的发射和接收，采用共振频率为40KHZ的超声波探头，其发射探头选用TCT40-10F1。 4.2.2 超声波发射电路
超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波振头）和超声波发生器两部分组成， 40KHz的超声波信号是利用555时基电路振荡产生的，振荡频率f ≈1.43/（(R9+2×R10) ×C5），通过R10调节信号频率，使之与换能器的40KHz固有频率一致，为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源[5]。工作时，单片机通过P1.0口向超声波发生电路发出控制信号从555振荡电路的4脚输入到驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。
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图4.2 超声波发射电路 Figure 4.2 ultrasonic transmitter
由555型电路组成多谐振荡器，它的振荡频率为40kHz。R10用来调节信号频率。多谐振荡器产生的40kHz的脉冲由3脚输出，通过超声波发射器向外发射。
4.3 超声波接收电路设计
4.3.1 超声波接收器
超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路和波形变换电路三部分电路组成。电源VCC采用12V电源供电。超声波接收探头选择与发射探头配对的TCT40-10S1。波形变换采用集成运放芯片（LM324）作为比较器对放大后的信号进行波形变换[6]。当输入信号的电压大于基准电压时，输出为“1”；当输入信号的电压小于基准电压时，输出为“0”；这样就实现了对输入信号进行变换的目的。
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4.3.2 超声波接收电路图
图4.3 超声波接收电路 Figure 4.3 ultrasonic receiver circuit
芯片CX20106[7]是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60 kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端就输出低电平，而输出端直接到8051的INT0引脚上，以触发中断，图中芯片未接任何元件的引脚为输出端。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻，通过改变电阻值来将滤波器的中心频率设置在40 kHz，就可达到理想的效果。
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4.4 温度检测电路
4.4.1 温度检测方案的分析
由于超声波也是属于声速，所以在传播途中也会受到温度等外界因素的影响，为了比较精确的得到传感器与液面之间的距离，利用温度传感器检测当时条件下的环境温度，并换算到相对应的超声波声速，利用这个速度去计算距离就可以得到比较准确的距离。因此在整个系统中添加一个温度传感器来对当时环境温度进行检测。 4.4.2 数字温度传感器DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS公司推出的单总线数字测温芯片[8]。他具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。采用数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。他的工作电压使用范围宽(3.0～5.5 V)，可以采用外部供电方式，也可以采用寄生电源方式，即当总线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电。他还有负压特性，电源极性接反时，DS18B20不会因接错线而烧毁，但不能正常工作。可以通过编程实现9～12位的温度转换精度设置。设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 4.4.3 DS18B20的结构及电路
DS18B20采用3脚T0-92封装，形如三极管，同时也有8脚SOIC封装，还有6脚的TSOC封装。测温范围为-55～+125℃，在-10～85℃范围内，精度为±0.5℃。每一个DS18B20芯片的ROM中存放了一个64位ID号：前8位是产品类型编号，随后48位是该器件的自身序号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。又因其可以采用寄生电源方式供电。因此，一条总线上可以同时挂接多个DS18B20，实现多点测温系统[9]。
图4.4 DS18B20的外形及封装 Figure 4.4 DS18B20 shape and packaging
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图4.5 数字温度传感器DS18B20电路图
Figure 4.5 digital temperature sensor DS18B20 circuit diagram
温度传感器的DQ脚与单片机8051的P1.3管脚相连，用于显示当时的环境温度。并把从外界检测到的温度返回到单片机中，并通过固化在程序中的温度速度表，查得最接近检测到的温度的速度值，代入距离计算公式，从而得到比较精确的距离，提高了超声波测距的精度。
4.5 显示方案的论证与选择
方案一：采用LCD液晶显示器。LCD液晶显示器既能显示数字又能显示文字，功能很大的，但价格要比较贵，且控制较为困难。
方案二：采用数码管（LED）显示，特点：显示数字清晰，电路结构简单，成本低廉。
根据对比，方案二优于方案一，所以选择方案二，即采用LED进行显示。 4.5.1 LED显示电路图
显示电路采用简单实用的4位LED数码管,单片机系统及显示电路如图4.6所示。 LED（Light Emitting Diode）是当外加电压超过额定电压时发生击穿而发出可见光，LED的工作电压通常为2～20mA。工作压降为2V左右，使用时需加限流电阻。
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