XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录[14]。
2.4 超声波测距系统
超声波测距系统结构如图2-2所示。
图2-2 超声波测距系统结构图
电子市场常见的超声探头是收发分体式，一般频率为40KHz。如果需要更高频率的 超声探头，比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件，拟选用的探头是40KHz的超声传感器，有一支接收传感器SZW-R40-10P和一支发射传感器SZW-S40-12M，其特性参数如表2-1所示[15]。
发射电路通常有调谐式和非调谐式[16]。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄，在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的够有参数决定，频带较宽。
为了将一定频率、幅度的交流的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的时机就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超
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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害[17]。因此，工作电压不能超过这个极限值。同时，发射电路中的阻尼电阻决定电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，一起分辨率低，适宜去探测厚度大，对分辨要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。
表2-1 传感器特性参数
型号 结构 使用方式 中心频率 声压 指向性 容量 最低使用温度 最高使用温度 最小探测距离 最大探测距离 分辨率 最大输入电压 SZW-S40-12M 开放式 发射 40±1KHz 115dBmin（0dB=0.02mPa） 75° 2500±25%pF -40℃ 85℃ 0.2m 4m 9mm 20Vp-p连续信号 SZW-R40-1OP 开放式 接收 40±KHz -70dBmin（0dB=1V/μbar） 80° 1100±25%pF -40℃ 85℃ 0.2m 4m 9mm 发射部分的电脉冲电压很高，但是由障碍物回波因其的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就由三级放大电路，检波电路及门限判别电路构成的，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。但是由于超声传感器固有特性，即盲区的存在，对于回波的接收和处理造成了相当程度的影响[18]。
3 系统硬件电路设计
该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组成，下面主要通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。
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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 该系统的核心部分采用性能较好AT89C51单片机。系统硬件原理图见附录
3.1 单片机AT89C51硬件介绍
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密、非易失性存储技术产生，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案， AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程[19]。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
I/O端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对I/O寄存器进行编程。具体步骤如下[20]：
（1）根据实际电路的要求，选择要使用那些I/O端口，用EQU伪指令定义其相应的寄存器；
（2）初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作；
（3）根据外围电路功能，确定I/O端口id方向，初始化端口的数据方向寄存器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为I/O的复位缺省值为输入；
（4）用作输入的I/O管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻；
（5）最后对I/O端口进行输出（写数据输出寄存器）和输入（读端口）编程，完成对外围电路的相应功能[21]。
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图3-1 AT89C51单片机芯片
根据系统设计要求，各接口功能如下[22]：
P1.0：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于前方测距电路） P1.1：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于右侧测距电路） P1.2：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于左侧测距电路）
INT0：产生中断请求，接前方测距电路。
INT1：产生中断请求，接前方测距电路。
P1.3：接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P1.4：接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P0.0~P0.7：用于显示输出，接显示器。 P2.7：接报警电路。 P2.0：接报警电路。 P2.1：接报警电路。
XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。
XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端
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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。
RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内部均被设成已知状态[23]。
3.2 发射与接收电路设计
超声波发射接收电路如图3-2所示。该电路简单实用，通过两级放大，增强接收信号，比较适合本设计需要。
测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器，他的工作电压时40KHz的脉冲信号，前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40KHz的脉冲信号，经过三级管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40KHz的脉冲超声波，且持续发射200μs。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，原理和前方测距相同。
图3-2 基于AT89C51单片机的超声波测距系统发射接收电路
由AT89C51单片机编程，执行程序后P1.0口产生40KHz的脉冲信号，经三极管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。接收头采用和发射头匹配的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成两块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号放大25mv，输出端8角由高电平越变为低电平，
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