導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇高低頻電路設(shè)計(jì)與制作，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：波形；幅度；頻率

1 研究背景及意義

波形發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，作為實(shí)驗(yàn)用信號(hào)源，是現(xiàn)今各種電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中不可缺少的儀器設(shè)備之一。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器可由硬件電路搭接而成，但這種電路波形質(zhì)量差、控制難、可調(diào)范圍小、電路復(fù)雜且體積大，因此在本設(shè)計(jì)中，采用AT89C52單片機(jī)和DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器制作成數(shù)字低頻信號(hào)發(fā)生器，具備價(jià)格低、性能高、在低頻范圍穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為主控芯片，輔以D/A轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、按鍵和波形指示電路、電源等電路。當(dāng)按下四個(gè)按鍵中的任一個(gè)按鍵，輸出端分別輸出鋸齒波、三角波、正弦波、方波，并且有四個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管分別作為不同波形的指示燈。

2.1 波形輸出控制按鍵電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以鍵盤的數(shù)目來選擇鍵盤最適合的接法，鍵盤的數(shù)目為4個(gè)，因此選擇接口方案為獨(dú)立式接法，即每一個(gè)I/O口上只接一個(gè)按鍵，按鍵的另一端接電源或接地，利用單片機(jī)讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。在程序中查尋此I/O口的電平狀態(tài)就可以了解是否有按鍵動(dòng)作?；贏T89C52單片機(jī)的波形輸出控制按鍵電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 波形指示電路設(shè)計(jì)

基于AT89C52單片機(jī)的波形指示電路的設(shè)計(jì)是通過按鍵控制可產(chǎn)生鋸齒波、三角波、正弦波、方波，同時(shí)采用四種不同顏色的LED指示其對(duì)應(yīng)的波形?；贏T89C52單片機(jī)的波形指示電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 D/A轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用DAC0832芯片，DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常需要電壓信號(hào)，因此在使用時(shí)，RFB、IOUT1、IOUT2這3個(gè)引腳外接運(yùn)算放大器LM324，以便將轉(zhuǎn)換后的電流量變換成電壓量輸出。DAC0832的電壓輸出電路原理圖如圖4所示。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于AT89C52單片機(jī)，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（DAC0832）、運(yùn)放電路（LM324）、按鍵電路、波形指示電路、晶振電路、復(fù)位電路等，產(chǎn)生所需不同信號(hào)的低頻信號(hào)源，其幅度和頻率可按要求控制。通過按鍵編程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生鋸齒波、三角波、正弦波、方波等，同時(shí)用LED顯示燈指示對(duì)應(yīng)的波形。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路清晰、性能較好，具有一定的實(shí)用性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]胡漢才，主編.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，1996.

篇2

印象中，已有相當(dāng)多的品牌先于三諾推出千元級(jí)2.0音箱，其中不乏優(yōu)秀的產(chǎn)品。不管從搶占市場(chǎng)先機(jī)，還是從產(chǎn)品認(rèn)知度來說，之前的那些產(chǎn)品都占了起手。那么，N-50G究竟具有什么特質(zhì)，讓三諾如此信心滿滿地殺入這一領(lǐng)域?N-50G又憑什么與那些早已進(jìn)人市場(chǎng)的同類產(chǎn)品一較高一下?這是獲知三諾將要這款產(chǎn)品時(shí)，我迫切想了解的事情。

回憶一下，執(zhí)筆之時(shí)距初次試聽三諾N-50G正好60天。但不知從何時(shí)起，已習(xí)慣于待每日下班散去忙碌與喧囂之后，留出一些時(shí)間與這款箱子獨(dú)處，感受它帶來的恬淡和平靜。幾年間，過耳的千元級(jí)2.0箱子并不少。這些產(chǎn)品受設(shè)計(jì)廠家文化底蘊(yùn)、技術(shù)功底、設(shè)計(jì)實(shí)力，以及音樂素養(yǎng)的影響，總是具有各自不同的聲音風(fēng)格。有的是突出品位，如美酒般醇香；有的是迎合特殊偏好，在某些位置濃墨重彩；但三諾N-50G卻截然不同，它給人的感覺恰似一盞清茶，淡雅而又回味悠長(zhǎng)。而在外觀方面，三諾N-50G樸實(shí)而簡(jiǎn)潔，倒也與其聲音風(fēng)格相配。

了解一款產(chǎn)品，總是需要多角度細(xì)細(xì)著手。我們還是從它不同方面的特質(zhì)去剖析吧。

形似素衣――N-50G的外觀印象

三諾N-50G并不具吸引眼球的特質(zhì)，因?yàn)樗芎?jiǎn)潔?；疑姆雷o(hù)網(wǎng)罩、經(jīng)過黑色高光處理的前障板和深棕色的箱體均偏向深色調(diào)，它的整體線條也給L--種傳統(tǒng)而又硬朗的感覺。那么，N-50G在箱體上的用料又如何呢?三諾在這款產(chǎn)品上所用的板材為18mm中密度板，對(duì)于一款千元級(jí)的2.0音箱來說是相當(dāng)不錯(cuò)的。而且在前障板部位還采用了雙層粘合設(shè)計(jì)，使其強(qiáng)度達(dá)到了等效36mm板材的水平，保證了箱體的剛性，這有利于緩解箱體諧振對(duì)于聲音的影響，確保聲音的純凈。

就個(gè)人而言，我并不贊同2.0音箱在箱體表面上引入高光處理工藝。因?yàn)檎驹?.0音箱用戶的角度來說，在一款產(chǎn)品使用之初，總會(huì)不可避免地反復(fù)擺位調(diào)試。其間手掌和手指接觸箱體是在所難免的，而經(jīng)過高光處理的箱體，此時(shí)也會(huì)不可避免地沾上手上的油脂形成難看的印記。要知道，并不是所有用戶都在家準(zhǔn)備了手套和絨布來應(yīng)對(duì)這種情況。而且擦拭高光處理的箱體表面是一件非常耗時(shí)費(fèi)神的事情，這一點(diǎn)我深有感觸。

獨(dú)特內(nèi)涵――N-50G的內(nèi)部配置

對(duì)于設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)完全偏向于音質(zhì)的2.0音箱來說，其采用的揚(yáng)聲器單元、分頻方式、內(nèi)部元器件和電路設(shè)計(jì)，是決定聲音風(fēng)格和影響音質(zhì)的幾大部分。要深入了解這款產(chǎn)品，我們不妨將目光轉(zhuǎn)向它們。

1　單元配置

高音單元的振膜材質(zhì)對(duì)音質(zhì)和音色具有非常重要的影響，不同振膜材質(zhì)有著不同的聲音特點(diǎn)。在高端多媒體音箱上所見的通常有兩大類――以鋁合金、鈦合金或鍍合金為材質(zhì)的硬球頂高音振膜，以棉布、絲絹、防彈布為材質(zhì)的軟球頂高音振膜。硬球頂振膜回放高音的頻率范圍最寬，對(duì)音樂信號(hào)的瞬態(tài)反應(yīng)也最好，但聲音偏硬；而軟球頂振膜的回放頻帶較寬，解析力高，聲音通透細(xì)膩。

N-50G的高音單元為1英寸絲膜軟球頂揚(yáng)聲器，擁有良好的內(nèi)阻尼特性，高頻亮麗而不刺耳，聽感上細(xì)膩柔和，延伸極佳，不易引起聽覺疲勞，非常適合多媒體近場(chǎng)聆聽。

N-50G的低音單元設(shè)計(jì)比較獨(dú)特，采用了一款設(shè)計(jì)獨(dú)特的6.5寸紙漿松壓盆揚(yáng)聲器，針對(duì)低音單元的分隔振動(dòng)進(jìn)行了多項(xiàng)特殊的設(shè)計(jì)。這款紙盆采用特殊紙漿撈制，并在紙漿中不規(guī)則地混入碳纖維作為加強(qiáng)筋，以增加紙盆的剛性。由于采用了松壓紙盆并且經(jīng)過不規(guī)則補(bǔ)強(qiáng)，整張紙盆在工作范圍內(nèi)的分割振動(dòng)能被降到最低，因此失真極低，不僅在低頻重放上有很好的力度，而且能使中頻段表現(xiàn)出良好的質(zhì)感。

2　分頻方式

分頻器可以說是音箱的心臟和靈魂，直接決定著回放質(zhì)量的好壞，在音箱中起著舉足輕重的作用。分頻器分為電子分頻和功率分頻兩種，電子分頻比功率分頻更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡娮臃诸l是從功率放大器輸出聲功率，直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，中間不介入其它器件。這樣就避免了功率分頻的缺點(diǎn)，減少了功率損耗，使分頻點(diǎn)更加精確，各頻帶間的平衡調(diào)整更簡(jiǎn)便易行，相位和瞬態(tài)特性良好，無(wú)調(diào)制失真，提高了音質(zhì)。

N-50G采用的是電子／功率混合式分頻方式，在電子分頻的基礎(chǔ)上，為避免用戶錯(cuò)誤接線而導(dǎo)致高音單元發(fā)生故障，在高音通道加入了一個(gè)品質(zhì)較高的MKP聚丙烯薄膜電容作為分頻電容。

3　元器件和電路設(shè)計(jì)

N-50G的所有控制旋鈕都位于背板左上角，交流電源采用隔離式進(jìn)線設(shè)計(jì)――音樂信號(hào)從上端引入，交流電源從下端進(jìn)入，內(nèi)部走線分開，可有效隔絕220V交流電源對(duì)音頻信號(hào)的干擾。由于其聲音風(fēng)格調(diào)校得比較偏監(jiān)聽，因此為滿足不同用戶的聽音偏好，N-50G還是加入了高低音的獨(dú)立調(diào)節(jié)功能。

它的控制方式采用了音量+高低音旋鈕的組合，并選擇了帶中點(diǎn)定位的電位器，僅憑手感就能準(zhǔn)確的找到中點(diǎn)位置，使用起來還是比較方便。N-50G仍采用傳統(tǒng)的主副箱結(jié)構(gòu)，為了便于區(qū)分，高低音通道采用了不同的接口，低音通道采用了理論上更適合大電流傳輸?shù)慕泳€柱，而高音通道則使用了普通的彈簧線夾。

N-50G采用一體化背板，電源變壓器設(shè)置在背板上。功放部分采用雙板設(shè)計(jì)，音調(diào)部分和功率放大各占一塊電路板，兩者完全分開，互不干擾。其音調(diào)部分采用了NE5532運(yùn)放，雖然不是什么發(fā)燒元件，但性能對(duì)于多媒體音頻已經(jīng)足夠了。對(duì)于一些喜歡動(dòng)手機(jī)的用戶來說，還可以自己將其更換為更高級(jí)的運(yùn)放以獲得性能的進(jìn)一步提升。

在主功放電路板上，濾波電容選用兩顆10000uF／35V電容，功放由3片ST公司的TDA7265芯片構(gòu)成，其中一片驅(qū)動(dòng)兩聲道高音單元，另外兩片橋接后分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)低音單元，以提供更大的輸出功率。TDA7265是中等功率的雙通道音頻功放芯片，有效輸出功率可達(dá)25W×2，最大輸出電流為4.5A，橋接后每片可輸出50W以上的功率。TDA7265的各項(xiàng)保護(hù)功能較全，除了過熱和短路保護(hù)，還有靜音功能，可消除開關(guān)機(jī)的電流沖擊聲。

電源決定著有源音箱的輸出功率。倘若沒有足夠的功率支持，再好的揚(yáng)聲器也無(wú)法勝任低頻和大功率下面的表現(xiàn)力，整體音質(zhì)水平將因此大打折扣。在供電部分，N-50G采用了120VA的環(huán)形變壓器，為整個(gè)系統(tǒng)提供了充沛的供電。

聲如淡茶――N-50G的聽音感受

最初聆聽N-50G，一時(shí)還讓我不太適應(yīng)，因?yàn)槠渥非蟮氖橇己玫倪€原性和 平衡感――與純粹的監(jiān)聽風(fēng)格不同，它對(duì)聲音有輕微的著墨，但并不濃重；與以往接觸的Hi-Fi箱有別，它相比之下卻更顯清淡。如果用香濃的咖啡和醇厚的美酒來形容以往接觸的Hi-Fi箱，用清澈的泉水去比喻純粹的監(jiān)聽箱，那么三諾N-50G就如同一盞淡茶，對(duì)音樂的詮釋帶著清新之感，既不過于濃厚，也不過于平淡。不會(huì)在第一時(shí)間給人以強(qiáng)烈的聽覺沖擊，卻能讓音樂的韻味慢慢滲入心間，這也是我逐漸喜歡上這種聲音的原因。

在長(zhǎng)時(shí)間的靜心感受過程中，我選擇了很多平時(shí)早已聽熟的曲子，沒想到N-50G帶來的卻是全新感受。

在低頻上，它所展現(xiàn)的是一種穩(wěn)重并富于控制力的低頻。得益于電子分頻不存在傳統(tǒng)分頻器的插入損耗以及阻尼悉數(shù)較高的優(yōu)勢(shì)，N-50G在回放《加州旅館》時(shí)，其低頻在音調(diào)旋鈕置于中間默認(rèn)位置的狀態(tài)下顯得速度快而有力，下潛較深，只是量感并不十分突出。如果希望獲得更富于量感的低頻，則需要將音調(diào)旋鈕調(diào)到2點(diǎn)或3點(diǎn)位置，這時(shí)N-50G帶來的則是一種相對(duì)兼顧音質(zhì)和量感的效果。

在中頻方面，N-50G是一種中性且略帶潤(rùn)澤的風(fēng)格。在古璇所演唱的《城里的片光》一曲中，N-50G對(duì)人聲拿捏有度，厚而不老。值得一提的是，與以前聽過的一些級(jí)別相近但風(fēng)格不同的2.0音箱不同，N-50G的中頻擁有良好的密度感，但濃而不軟，具有極高的還原性和平衡感。

N-50G的高頻清晰細(xì)膩，解析力較高。雖然不是那種能在瞬間抓住耳朵的風(fēng)格，但細(xì)聽之后卻讓人感到舒適耐聽。特別是在回放弦樂時(shí)，對(duì)于樂器的質(zhì)感和細(xì)節(jié)表現(xiàn)得比較透徹。必須提到的是，在測(cè)試搭配中，我不僅選擇了TempoTecHiFier幻想曲這款素質(zhì)出色的聲卡，還分別挑選了TerraTec Fire6 LT和創(chuàng)新SBLive!聲卡作為音源。經(jīng)過對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)N-50G比較容易暴露音源的弱點(diǎn)，因此搭配一塊較高素質(zhì)的聲卡是很有必要的，檔次至少應(yīng)該高于SB Livel級(jí)別。

在聲場(chǎng)和聲像定位測(cè)試上，N-50G由于采用了“點(diǎn)音源”和電子分頻設(shè)計(jì)，聲場(chǎng)鮮明，解析力出眾，聲像定位清晰明確。播放一些聲效制作精良的電影片段，N-50G能很容易地感受到聲像配合畫面的移動(dòng)感，對(duì)臨場(chǎng)感有很大幫助。

由于電子分頻有效提升了功放對(duì)揚(yáng)聲器的控制力，因此N-50G的解析力在整個(gè)頻段上都表現(xiàn)得比較好：這與僅靠提升中高頻來獲得解析力的錯(cuò)覺和假相不同，在所有的頻段上對(duì)聲場(chǎng)的刻畫都細(xì)致入微，在播放一些錄音優(yōu)秀的曲目時(shí)，N-50G的聲場(chǎng)寬廣定位感良好，形體感也比較強(qiáng)烈，這是很難得的。

注：所謂“點(diǎn)音源”設(shè)計(jì)，是指音箱的高音和低音單元盡量接近，使所有頻率的聲音都盡可能來源于―點(diǎn)的設(shè)計(jì)?！包c(diǎn)音源”是理論上最理想的狀態(tài)，但音箱一般采用高低音分頻設(shè)計(jì)，高音和低音單元不在同一位置，因此不同頻率的聲音在到達(dá)人耳時(shí)就會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差，這會(huì)嚴(yán)重影響聲場(chǎng)定位和聲音的自然感，是臨場(chǎng)感的重要破壞因素。傳統(tǒng)家用音箱聽音距離較遠(yuǎn)，因此高低音的時(shí)間差較小，不至于產(chǎn)生重要的影響。但多媒體近場(chǎng)聆聽卻不同，一般聽音距離都在1米以內(nèi)，在這樣短的使用距離下，高低音之間的距離就變得無(wú)法忽略，因此盡可能的縮短高低音之間的距離對(duì)多媒體音箱而言非常重要。

篇3

【關(guān)鍵詞】STM32；紅外線發(fā)射管；紅外線接收頭；LM386

此外我們的語(yǔ)音信號(hào)放大采用OP07，它是一款常用的放大器芯片，用它搭建的電路來采集音頻信息實(shí)現(xiàn)音頻放大功能，頻率范圍控制在題目要求的30HZ至3400HZ之間，采集音頻信號(hào)通過電能，光能等能量的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)音頻信息的還原，實(shí)現(xiàn)了基本要求和發(fā)揮部分。我們組的特色是實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，所選都是通用而價(jià)格低廉的元件，各種功能均已實(shí)現(xiàn)。

1.方案論證與選擇

1.1 產(chǎn)生方波方案

方案一：555發(fā)生器產(chǎn)生方波，選用LM555CM利用芯片的自身結(jié)構(gòu)并配合電路：4腳和8腳接電源，6腳和2腳短接，5腳接電容和1腳接地即可以將正弦波轉(zhuǎn)化為方波

方案二：用比較器產(chǎn)生方波，該模塊由遲滯比較器電路組成，選用的集成放大器為TL082。由圖知電路的正反饋系數(shù)F為：F=R3/（R3+R4）相較于常用的LM324和741可以產(chǎn)生較好的方波波形，但也是局限于低頻區(qū)域。

方案三：用調(diào)制管實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生180K方波的電路，并集成在發(fā)射電路部分，具有體積小，功能強(qiáng)，干擾小的特點(diǎn)，并且可以便于將180K的載波與信號(hào)相疊加。

經(jīng)過實(shí)踐和論證我們最終確定用方案三來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生180K基波的功能。

1.2 紅外發(fā)射電路方案

方案一：由555時(shí)基電路構(gòu)成，電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。適合家用電器和小型儀器用途和開關(guān)。

方案二：采用專用芯片，采用LC7461專用發(fā)射芯片CX20106芯片LC7461是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路。

方案三：采用與門將180K的基準(zhǔn)信號(hào)和要傳播的信號(hào)通過74LS08與門，180K的基準(zhǔn)信號(hào)通過調(diào)制器產(chǎn)生并加在電阻的前級(jí)，就會(huì)產(chǎn)生周期相與的高低電平脈沖信號(hào)。

通過論證，并搭建實(shí)物進(jìn)行比較，我們最終確定了用方案三，并達(dá)到了理想的效果。

1.3 紅外接收電路方案

方案一：由紅外接收管和放大電路組成，經(jīng)過三極管Q1通過第一級(jí)放大的信號(hào)傳輸?shù)饺龢O管Q2的第二級(jí)。但距離比較近時(shí)阻擋了接收管接收紅外線的強(qiáng)度，產(chǎn)生了一個(gè)低電平的脈沖信號(hào)，使得信號(hào)傳輸?shù)男Чд妗?/p>

方案二：用接收管來接收信號(hào)并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電流信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)三極管9013的工作。三極管把電流信號(hào)放大產(chǎn)生的電流信號(hào)用在音頻信號(hào)的輸入。

經(jīng)過論證和比較我們，并且搭建出實(shí)物，我們最終確定采用方案三來實(shí)現(xiàn)接收功能。

2.總體方案設(shè)計(jì)

2.1 原理分析

紅外線傳輸需要180K的載波，這個(gè)頻率是固定的，我們用555電路搭建了出來，在傳輸?shù)男盘?hào)中表頭必須有10倍的載波周期輔助，結(jié)尾必須有77.8us的高電平信號(hào)，因而固定地占有了160us的時(shí)間，中間的信息傳輸中，需要將音頻信息添加在載波中，音頻的傳輸實(shí)質(zhì)就是辨別不同的頻率，從而傳輸?shù)臅r(shí)間不同，占空比不同。在頻率調(diào)制的過程中用180K的基波和300HZ到3.4KHZ進(jìn)行調(diào)制，將信號(hào)呈周期不同的狀態(tài)進(jìn)行疊加傳輸。

2.2 方案對(duì)比

方案一：我們之前用的方案是用單片機(jī)用AD轉(zhuǎn)換采8位信號(hào)，并用DA模擬出來，采樣的頻率是6.8K，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)的頻率是1K，因而難以達(dá)到要求。后來我們想把信號(hào)減小為4位傳輸?shù)珎鬏數(shù)念l率是2K，因?yàn)槲覀兊牟蓸狱c(diǎn)就相應(yīng)的增加，而且音頻信號(hào)由于適量地丟失，造成我們的音頻信號(hào)有很大的傳輸缺陷，從而使得還原的信號(hào)失真明顯而且會(huì)丟失一些重要的數(shù)據(jù)。

方案二：我們想利用傳輸?shù)臄?shù)據(jù)差來模擬信號(hào)，這樣可以把部分傳輸?shù)念l率由原來的8位減少到4位，但是一小部分高頻的信號(hào)還是傳輸了8位。與此思想類似的是用數(shù)據(jù)去除個(gè)固定值如1000，可以將數(shù)據(jù)整體減小為4位，但是數(shù)據(jù)會(huì)大幅度的減小，從而帶來不必要的失真。

方案三：我們主要用硬件來搭建并實(shí)現(xiàn)電路。音頻信號(hào)大多是正弦波，利用比較器可以將其轉(zhuǎn)換為方波，用此信號(hào)來驅(qū)動(dòng)三極管的開斷，在之前的調(diào)試中，由于紅外

3.硬件設(shè)計(jì)之單元電路設(shè)計(jì)

3.1 紅外發(fā)送模塊

紅外線發(fā)射管也稱紅外線發(fā)射二極管，屬于二極管類。它是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成近紅外光并能輻射出去的發(fā)光器件，主要應(yīng)用于各種光電開關(guān)及遙控發(fā)射電路中。

3.2 紅外接收電路模塊

紅外線接收管是在LED行業(yè)中命名的，是專門用來接收和感應(yīng)紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線光線的。

3.3 音頻放大電路

我們采用OP07制作的音頻放大電路可以流暢地播放音頻信息，采用咪頭采集音頻信號(hào)通過放大選通電路，后級(jí)接入了低通濾波器，用喇叭將原來的聲音信號(hào)真實(shí)地還原出來。

4.軟件

因?yàn)榘l(fā)揮部分要求增加數(shù)溫度字通道，我們采用程序編碼解碼來傳送數(shù)字信號(hào)。我們用8位二進(jìn)制數(shù)表示溫度，然后再在這個(gè)字節(jié)前加一個(gè)表頭。我們用50us的高電平加120us的低電平表示表頭表示一個(gè)數(shù)的開始。然后用50us的高電平加50us的低電平表示1，用50us的高電平加50us的低電平表示0。

5.制作和測(cè)試

我們組剛開始開始討論方案，并走了一些彎路，但經(jīng)過不懈的努力，仿真，繪制PCB版，調(diào)試，最終得到了較為理想的結(jié)果。

5.1 測(cè)試條件和儀器

檢查多次，仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。

測(cè)試儀器使用的儀器表，高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器。

5.2 測(cè)試結(jié)論

經(jīng)過我們的測(cè)試和較為嚴(yán)密的分析，我們的電路將信號(hào)盡最大的可能通過紅外線傳輸?shù)搅宋覀兊慕邮昭b置上。在規(guī)定的無(wú)差范圍內(nèi)，而且語(yǔ)音沒有明顯的失真。

6.結(jié)論

由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]ALAN V.OPPENHEIM.信號(hào)與系統(tǒng)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.

篇4

關(guān)鍵詞：心電放大電路；波形仿真；低噪聲；濾波器；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-127-04

Design of Portable and Low Noise ECG Monitor

DONG Weichao,MENG Lingjun,ZHANG Huixin

(Ministry of Education Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Taiyuan,030051,China)

Abstract：Aimed at the importance of real-time inspect of the ECG signal to ECG signal analysis.A special method for real-time inspectting of the ECG signal is designed.The electrodermal signal gained from the human body which is transmitted by a multiplex selector can be enlarged first transited a preamplifier,next passed a band-pass filter in order to separate high-frequency interfere,and then through a 50 Hz noise rejector,finally the digital signal of electrocardiogram can be gained by the AD of MSP430.The performance of the circuit′s 50 Hz notch filter is good and the noise is low,the waveform of the whole circuit basically does not have the distortion.After testing in the experiment,the waveform of the ECG is clear and stable,basically it can also meet the requirement of the clinical monitor and pathology analysis.

Keywords：ECG amplifier circuit;waveform emulation;low noise;filter;data sampling

0 引 言

監(jiān)護(hù)儀是一種用以測(cè)量和監(jiān)控病人生理參數(shù)，并可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報(bào)警的裝置或系統(tǒng)。便攜式監(jiān)護(hù)儀小型方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監(jiān)護(hù)室及外出搶救病人的監(jiān)護(hù)。心血管疾病是人類生命的最主要威脅之一，而心電(Electrocardiogram,ECG)信號(hào)是診斷心血管疾病的主要依據(jù)，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人心電活動(dòng)，設(shè)計(jì)自動(dòng)采集病人心電信號(hào)的便攜式系統(tǒng)具有重要意義。

傳統(tǒng)的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)采用通用的三電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極，右腹下電極為右腿驅(qū)動(dòng)電極。這種聯(lián)接方式有效實(shí)用，有利于便攜使用。便攜式監(jiān)護(hù)儀分析處理系統(tǒng)可以分為兩大部分，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監(jiān)護(hù)儀，二是由微機(jī)系統(tǒng)組成的心電圖處理診斷系統(tǒng)。被檢查者將某一時(shí)段的動(dòng)態(tài)心電信號(hào)由監(jiān)護(hù)儀記錄下來，通過GPRS通信方式將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院的心電圖處理診斷系統(tǒng)中。心電信號(hào)是由人體心臟發(fā)出相當(dāng)復(fù)雜的微弱信號(hào)，為了獲得含有較小噪聲的心電信號(hào)，需要對(duì)采集到的心電信號(hào)做降噪處理。

本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：

(1) 目前對(duì)心電信號(hào)的降噪有多種方法，這里主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號(hào)中分離。濾波采用高通和低通兩級(jí)濾波，濾波電路經(jīng)Workbench仿真效果明顯。

(2) 與以往雙T型50 Hz陷波器不同的是，該設(shè)計(jì)電路引入放大器形成正反饋，以減小阻帶寬度。

(3) 本文為人體日常生活方便,設(shè)計(jì)了導(dǎo)聯(lián)電極脫落檢測(cè)電路，防止運(yùn)動(dòng)輸入電極脫落。

1 心電信號(hào)的特點(diǎn)及整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

心電信號(hào)屬醫(yī)學(xué)生物信號(hào)，它一般具有以下特點(diǎn)：隨機(jī)性較強(qiáng)，即信號(hào)無(wú)法用確定的函數(shù)描述，而只能用統(tǒng)計(jì)的方法，從大量測(cè)量結(jié)果中看其規(guī)律；噪聲背景強(qiáng)，即要測(cè)的有用信號(hào)往往淹沒在許多無(wú)用信號(hào)中。常規(guī)心電信號(hào)的頻帶范圍是0.05～100 Hz，在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號(hào)90%的能量成分。由于心電信號(hào)是mV級(jí)的信號(hào)，因此對(duì)于干擾環(huán)境而言，它是非常微弱的信號(hào)。

心電信號(hào)由皮膚電極取自于人體表面，是一種低頻率的微弱雙極性信號(hào)。它淹沒在許多較強(qiáng)的干擾和噪聲之中。這些干擾主要包括肌電信號(hào)、呼吸波信號(hào)等體內(nèi)干擾信號(hào)和以50 Hz工頻干擾、電極與皮膚界面之間的噪聲為主的體外電磁場(chǎng)干擾信號(hào)的影響。信號(hào)源阻抗大約100 kΩ，信號(hào)為10 μV～5 mV，典型值為1 mV，加上周圍的電磁干擾(特別是50 Hz的工頻干擾)比較大，要求放大電路具有高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比；為保持信號(hào)的穩(wěn)定，還要求輸入失調(diào)電壓和偏置電流小、溫漂??；為了便于隨身攜帶，還要求體積小、電源電壓低、耗電少等。

對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，必須設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的放大器。放大器的核心和關(guān)鍵是前置級(jí)的設(shè)計(jì)。整個(gè)前置級(jí)電路由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構(gòu)成。從體表獲得的心電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入后,ECG信號(hào)經(jīng)運(yùn)放構(gòu)成的前置放大器放大,濾波器濾除其中的高頻干擾后,再經(jīng)一個(gè)50 Hz陷波器進(jìn)一步抑制電源干擾,然后通過電平位移進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換,從而得到數(shù)字化的心電信號(hào)。

2 電路結(jié)構(gòu)描述，心電信號(hào)的傳感、放大及濾波

2.1 電路結(jié)構(gòu)描述和仿真

整個(gè)監(jiān)護(hù)儀是由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構(gòu)成。醫(yī)學(xué)傳感器獲得體表的心電信號(hào)濾除其他頻段干擾后經(jīng)過放大調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換之后傳給計(jì)算機(jī)以供數(shù)據(jù)分析。其中便攜性方面設(shè)計(jì)了電極脫落檢測(cè)電路，擺脫電纜羈絆，使使用者能隨身攜帶。硬件電路用Workbench軟件進(jìn)行仿真能實(shí)現(xiàn)其功能,采用的濾波函數(shù)用Matlab和Filterlab軟件仿真之后能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。濾波方法采用50 Hz陷波之后，再經(jīng)過高低通兩級(jí)濾波，引入放大器形成正反饋，以減小阻帶寬度。

2.2 心電輸入電極

電極對(duì)動(dòng)態(tài)心電圖采集記錄心電信號(hào)的質(zhì)量至關(guān)重要，采用電極應(yīng)貼附力強(qiáng)、透氣性好、吸汗、電極導(dǎo)電性能好、極化電壓低的優(yōu)質(zhì)電極，此外還應(yīng)該具有對(duì)皮膚刺激小、佩帶舒適、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。通常采用表面鍍有AgCl的可拆卸的一次性軟電極，并在電極上涂有優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電膏。

2.3 前置放大器

便攜機(jī)前置放大電路是對(duì)心電功能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的關(guān)鍵部分，要求該系統(tǒng)能在強(qiáng)的噪聲背景下，通過體表傳感器不失真地將心電信號(hào)檢測(cè)出來，放大至合適的幅度，送入A/D 變成數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)分析處理。

對(duì)心電信號(hào)等生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的采集采用模塊化的方式，主要由前端醫(yī)學(xué)傳感器、信號(hào)濾波放大調(diào)理電路和A/D采樣電路組成。其中調(diào)理電路根據(jù)不同生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的頻譜和幅度范圍的不同選擇不同的濾波器和放大電路。通過前置放大部分對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行放大，此部分包括右腿驅(qū)動(dòng)以抑制共模干擾、屏蔽線驅(qū)動(dòng)以消除引線干擾，增益設(shè)成10倍左右。設(shè)計(jì)前置放大采用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的醫(yī)用放大器AD620。放大后的信號(hào)經(jīng)濾波、50 Hz陷波處理后再進(jìn)一步放大，后級(jí)增益設(shè)成100倍左右。由于心電信號(hào)幅度最大為幾個(gè)mV，而A/D轉(zhuǎn)換中輸入信號(hào)的幅度要求在1 V以上，所以總增益設(shè)成1 000倍左右。其中，濾波采用二階高(低)通濾波電路，用于消除0.05～100 Hz頻帶以外的肌電等干擾信號(hào)，工頻中的其余高次諧波也可被濾除掉。同時(shí)，采用有源雙T帶阻濾波電路進(jìn)一步抑制50 Hz工頻干擾。

2.4 心電信號(hào)的放大

心電信號(hào)屬于高強(qiáng)噪聲下的低頻微弱信號(hào),且電極與體表的接觸電阻一般高達(dá)幾兆歐,所以要求前置放大級(jí)應(yīng)具有高輸入阻抗、高共摸抑制比、低噪聲、高增益且可調(diào)、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。經(jīng)過比較,選用Analog Device公司的低價(jià)儀表放大器AD620。

心電信號(hào)的放大具體實(shí)現(xiàn)電路見圖1。心電信號(hào)前置放大級(jí)的增益不易設(shè)定太高，以免在干擾較強(qiáng)時(shí)信號(hào)引起嚴(yán)重失真。為更好地消除共模電壓，設(shè)計(jì)了自舉屏蔽驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。采用緩沖放大器將連接點(diǎn)的共模電位驅(qū)動(dòng)到屏蔽線，在輸入共模信號(hào)時(shí)使屏蔽線與芯線等電位，在差模信號(hào)輸入時(shí)沒有影響。為了進(jìn)一步提高電路的抗干擾能力，采用右腿驅(qū)動(dòng)電路從根本上降低空間電場(chǎng)在人體上產(chǎn)生的干擾。此右腿驅(qū)動(dòng)不是實(shí)際意義上的右腿驅(qū)動(dòng)，因?yàn)橛捎诖讼到y(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)在于便攜操作，選用腹部右下側(cè)設(shè)置電極。

圖1 心電信號(hào)放大電路示意圖

2.5 電極脫落檢測(cè)

由于此系統(tǒng)應(yīng)用于人體日常生活中，人常常處于活動(dòng)狀態(tài)，這樣輸入電極很可能脫落，從而使系統(tǒng)不能正常工作。為此，設(shè)計(jì)了導(dǎo)聯(lián)電極脫落檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 電極脫落檢測(cè)電路

正常情況下，正負(fù)電極對(duì)人體皮膚形成的極化電壓可以互相抵消。當(dāng)一側(cè)電極脫落時(shí)，將有較大的極化電壓輸入，通過一個(gè)比較器，當(dāng)比較電壓超出范圍時(shí)，認(rèn)為電極導(dǎo)聯(lián)脫落，Vo輸出電平由正常時(shí)的高電平變?yōu)榈碗娖?，下?jí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲指示。

2.6 心電信號(hào)的濾波

BT3受到各種噪聲的干擾，噪聲來源通常有下面幾種:工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運(yùn)動(dòng)肌電干擾(EMG)、基線漂移等。其中50 Hz的工頻干擾最為嚴(yán)重，也是最難消除的。其他的各種噪聲通過高截低通、高通低截濾波方法可以很好地消除。

從心電電極得到的心電信號(hào)先要經(jīng)過前置放大電路，被處理后的信號(hào)具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時(shí)候的心電信號(hào)主要受到工頻、肌電等信號(hào)的干擾。心電信號(hào)需經(jīng)過兩次陷波和兩次濾波以實(shí)現(xiàn)消噪的目的，兩次陷波分別濾掉50 Hz的工頻信號(hào)和100 Hz的倍頻諧波信號(hào)，兩個(gè)濾波器分別是0.05 Hz高通濾波器和100 Hz的低通濾波器。這樣可得到較為光滑的波形。

2.6.1 陷波電路

陷波器的電路如圖3所示，該電路是帶雙T網(wǎng)絡(luò)的有源濾波器，其傳遞函數(shù)：

A(S)=1+(sCR)21+2(2-A0)sCR+(sCR)2AV(1)

其中： AV=R1+R2R2(2)

圖3 陷波器電路圖

與以往雙T型陷波器不同的是，該電路引入放大器A2形成正反饋，以減小阻帶寬度，使得阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大。品質(zhì)因數(shù)Q可以通過變阻器Rw來調(diào)節(jié)。R和C的值可由中心頻率f0確定。

f0=12ΠRC(3)

當(dāng)f0=50 Hz時(shí)，C和R分別取0.068 μF和47 kΩ；f0=100 Hz時(shí)，C和R分別取0.068 μF和24 kΩ。

圖4為式(1)傳遞函數(shù)的Filterlab 2.0的仿真結(jié)果。由此可以看出陷波電路設(shè)計(jì)符合要求。

圖4 陷波電路的幅頻和相頻特性

2.6.2 帶通濾波電路

帶通濾波器電路如圖5所示，采用的是帶反饋的有源濾波器。該電路前半部分是0.05 Hz的高通濾波器，后半部分為100 Hz的低通濾波器。

圖5 帶通濾波器電路圖

高通濾波器的傳遞函數(shù)：

A(S)=-S2C1C3S2C3C4+S(C1+C3+C4)/R5+1/R2R5(4)

低通濾波器的傳遞函數(shù)：

A(S)=-1/R1R3S2C2C5+SC5(1/R1+1/R3+1/R4)+1/R3R4(5)

各電阻電容值的選取，除了能夠?yàn)V波以外還具有放大作用。以上全部電路所用的放大器均是TI公司的OPA2137。

圖6是Matlab的濾波仿真結(jié)果，從圖中可以看出，信號(hào)在50 Hz處被很好地抑制了，濾波的效果非常理想，完全可以達(dá)到臨床實(shí)用的要求。

濾波器對(duì)最終信號(hào)的質(zhì)量尤為重要，由于濾波器的性能對(duì)元器件的誤差相當(dāng)靈敏，因此在這一級(jí)的設(shè)計(jì)中需要選用穩(wěn)定而精密的阻容原件，可串聯(lián)精密電位器以獲得較好的效果。

圖6 濾波前后的ECG頻譜比較

3 結(jié) 語(yǔ)

電路中各濾波器的性能與濾波器的參數(shù)有直接關(guān)系，需經(jīng)過正確計(jì)算。陷波器雙T型網(wǎng)絡(luò)中的電阻和電容需要精確匹配，以保證雙T網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱，否則陷波深度會(huì)受影響。變阻器如何調(diào)節(jié)將會(huì)影響波形的好壞，可在實(shí)驗(yàn)中調(diào)試得出。

圖7是實(shí)際電路測(cè)試的結(jié)果(縱坐標(biāo)為μV)，可以看到該電路較好地完成了對(duì)心電的降噪。當(dāng)然，在降噪過程中還可以增加屏蔽技術(shù)，以進(jìn)一步減少外部信號(hào)的干擾。帶通濾波器還可以設(shè)計(jì)成只帶一個(gè)放大器的濾波器，使電路更為簡(jiǎn)單，但是精確率可能會(huì)降低。

圖7 實(shí)測(cè)心電信號(hào)圖

要想獲得清晰穩(wěn)定的心電信號(hào)，心電放大器中前置放大器與濾波器的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵,特別是50 Hz的帶阻濾

波器尤其重要。本文設(shè)計(jì)的以AD620型運(yùn)放構(gòu)成的心

電放大器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度,保證心電信號(hào)清晰穩(wěn)定,按上述設(shè)計(jì)制作出的監(jiān)護(hù)儀體積小、耗電少、攜帶方便、工作正常。經(jīng)實(shí)測(cè)輸出心電波形基本無(wú)失真,P波、T波都能得到真實(shí)顯示。特別是該電路抗50 Hz陷波性能好,信號(hào)中基本看不到寄生工頻干擾。電路穩(wěn)定性好,即使電極脫落,基線亦無(wú)明顯漂移。滿足家居監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。

作為便攜式監(jiān)護(hù)儀器,硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積便于攜帶是其自身固有的特點(diǎn)。本文針對(duì)這些特點(diǎn),心電信號(hào)采集存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理從節(jié)省電能和成本方面考慮采用MSP430單片機(jī)。為使濾波函數(shù)得以更好地實(shí)現(xiàn)，可采用具有運(yùn)算速度快和浮點(diǎn)運(yùn)算優(yōu)點(diǎn)的DSP芯片進(jìn)行改進(jìn)，使采集的信號(hào)失真更小,保真度更高,對(duì)ECG信號(hào)的采集準(zhǔn)確率大大提高，但DSP昂貴的價(jià)格會(huì)使成本提高。

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作者簡(jiǎn)介

董偉超 男，1982年出生，河北保定人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)集成技術(shù)。

篇5

1.1 選題研究背景、目的及意義

1.1.1 課題研究背景

本課題屬于設(shè)計(jì)性課題。21世紀(jì)人類已進(jìn)入信息社會(huì)，汽車及交通也已邁入信息時(shí)代。當(dāng)前信息技術(shù)在汽車及交通領(lǐng)域中的應(yīng)用項(xiàng)目相當(dāng)多，發(fā)展速度可以說是“日新月異”,各種媒體多有報(bào)道。

可大致歸納為4個(gè)方面，即車輛安全系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)、通訊及導(dǎo)航系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)和移動(dòng)多媒體系統(tǒng)。隨著汽車的日益普及, 停車場(chǎng)越來越擁擠, 車輛常常需要在停車場(chǎng)穿行、掉頭或倒車。由于這些低速行駛的車輛與其它車輛非常接近, 駕駛員的視野頗受限制, 碰撞和拖掛的事故時(shí)有發(fā)生, 在夜間時(shí)則更顯突出。車輛安全系統(tǒng)通過應(yīng)用電子信息技術(shù)，使車輛實(shí)現(xiàn)高智能化，極大地改善車輛人機(jī)系統(tǒng)的安全性，以避免事故的發(fā)生和減少傷害程度。

1.1.2 選題的目的及意義

本課題把硬件電路和電路軟件有機(jī)的結(jié)合起來，完成汽車倒車報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠了解單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀，而且通過對(duì)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)掌握了數(shù)字電路從原理圖到PCB版的全部過程，形成完善的設(shè)計(jì)思路以及思想，并通過對(duì)汽車倒車超聲波報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)的過程，鍛煉應(yīng)用C以及相關(guān)匯編語(yǔ)言等軟件設(shè)計(jì)電路程序的能力為以后參與實(shí)際工作奠定良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

本課題要求使用現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的計(jì)算機(jī)軟件PROTEL，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛， Protel是人們熟悉的常用EDA軟件。作為電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的一種工具，Protel應(yīng)用于電路原理圖設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)等，它基于Windows環(huán)境，功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，能讓人們?cè)诰哂凶钔暾墓δ墉h(huán)境下，提升設(shè)計(jì)上的品質(zhì)和效率。本課題將要求Protel在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括電路原理圖設(shè)計(jì)和印刷電路板設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)過程中遇到的問題和解決方法。這樣使學(xué)生也能將所學(xué)與所用有機(jī)結(jié)合起來，在步入工作崗位之前得到全方位的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

通過對(duì)汽車倒車報(bào)警電路的設(shè)計(jì)能初步具有用PROTEL軟件設(shè)計(jì)電路原理圖以及電路版圖的能力。與實(shí)際電路相結(jié)合，通過理論聯(lián)系實(shí)際的方法，使所學(xué)的知識(shí)通過自己設(shè)計(jì)思考真正應(yīng)用到實(shí)踐中。

微波探測(cè)技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域里的廣泛使用，使得通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)所學(xué)到的此方面的知識(shí)將會(huì)有很強(qiáng)的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)要求對(duì)汽車倒車超聲波報(bào)警器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，可以通過完成本次設(shè)計(jì)，練習(xí)PROTEL軟件的使用，增加硬件設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。

隨著社會(huì)進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，擁有汽車的家庭逐漸增多，交通問題也同時(shí)出現(xiàn)了：交通擁擠，各種不同的場(chǎng)合停車、倒車?yán)щy。許多非職業(yè)汽車駕駛員更是希望能有一種汽車倒車報(bào)警器，在倒車時(shí)不斷測(cè)量汽車尾部與其后面障礙物的距離，并隨時(shí)顯示其距離，在不同的距離范圍內(nèi)發(fā)出不同的報(bào)警信號(hào)，以提高汽車倒車時(shí)的安全性。

汽車倒車超聲波報(bào)警器設(shè)計(jì)就是為了確保駕駛員和汽車的安全，使駕駛員在倒車時(shí)能明確與后面車輛、建筑的距離，確保倒車的安全。它具有顯示功能，能夠客觀顯示車后物體與車尾之間的距離。它可望成為新手駕駛員，以及后視不良車輛如大貨車、公共汽車、集裝箱車等車輛駕駛員倒車的好幫手，也可用于夜間輔助倒車及倒車入庫(kù)。

1.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀以及存在的問題

1.2.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距。前2種方法由于技術(shù)難度大，成本高，一般僅用于軍事工業(yè)，而超聲波測(cè)距則由于其技術(shù)難度相對(duì)較低，且成本低廉，適于民用推廣。這項(xiàng)技術(shù)也可用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動(dòng)測(cè)量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測(cè)距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)也是利用超聲波來測(cè)量距離。

1.2.2 探測(cè)盲區(qū)問題

超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到"虛假反射波"結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對(duì)本系統(tǒng)沒有影響。

1.3 論文的主要內(nèi)容

論文將介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案選擇與硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。全文共分為五章，本章介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀和本課題的選題目的與意義；第二章介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了方案論證與選擇；第三章介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理；第四章介紹了各單元模塊的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；第五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試過程和調(diào)試結(jié)果，最后總結(jié)了整個(gè)設(shè)計(jì)中有待改進(jìn)的地方。

 

第二章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理

2.1 超聲波的測(cè)距原理

2.1.1 測(cè)距的電路原理框圖

構(gòu)成超聲測(cè)距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器及一些輔助電路。

采取收發(fā)分離方式有兩個(gè)好處：一是收發(fā)信號(hào)不會(huì)混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?hào)；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，選擇了西安立宇電子科技有限公司的超聲波測(cè)距傳感器TCT40－16T/R（T表示發(fā)射傳感器，R表示接收傳感器），最大探測(cè)距離為6m，發(fā)射擴(kuò)散角為60度。同時(shí)，采用單片機(jī)作 為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示。

圖2-1 測(cè)距的電路原理框圖

通過單片機(jī)的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40kHz的超聲波，與此同時(shí)單片機(jī)內(nèi)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；經(jīng)過延遲后開啟超聲波接收電路，當(dāng)接收電路收到經(jīng)障礙物反射的回波后，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)結(jié)束。通過單片機(jī)計(jì)算出即時(shí)距離，在顯示電路顯示出來，若低于警戒距離則開啟報(bào)警。

2.1.2 工作原理

人能聽到的聲音頻率為：20Hz~20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波。超聲波是一種只有少數(shù)生物（如蝙蝠、海豚）才能感覺的機(jī)械波，其頻率在20kHz以上，波長(zhǎng)短，繞射小、能定向傳播。

超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。

本設(shè)計(jì)采用的超聲波是40kHz。超聲波的縱向分辨率較高，對(duì)色彩和光照度不敏感，對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可以用于測(cè)量較近目標(biāo)的距離。本設(shè)計(jì)采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾、有毒等各種環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。

超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應(yīng)用要求復(fù)雜。在這里使用脈沖反射式。超聲波測(cè)距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C，而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離L。超聲波測(cè)距的算法原理如圖2-2所示：

 

圖2-2  超聲波測(cè)距的算法原理圖

計(jì)算公式為：

 C= 331. 5 + 0. 607 T                  （2-1）

式中：C為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。

        L=                     （2-2）

式中：C為被測(cè)距離； 為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差； 為超聲回波接收時(shí)刻； 為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。用單片機(jī)可以很方便地測(cè)量 時(shí)刻和 時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測(cè)距離L。

這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表2-1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

表2-1  聲速與溫度關(guān)系表

溫度(℃)  30

 20

 10

0 10 20 30 100

聲速(米／秒) 313 319 325 323 338 344 349 386

聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的機(jī)理。本設(shè)計(jì)認(rèn)為在實(shí)際使用中的環(huán)境溫度變化不大，對(duì)距離檢測(cè)精度要求也不高，將超聲波波速C認(rèn)為是不變的常數(shù)。

另一種補(bǔ)償方法就是用查表法，查上面溫度與聲速的對(duì)應(yīng)表，再適當(dāng)插值補(bǔ)償。這種方法精確度較高。在這里考慮到設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)易性，沒有進(jìn)行補(bǔ)償，能達(dá)到簡(jiǎn)單應(yīng)用的基本要求。

該系統(tǒng)的工作原理：由微機(jī)編程送出40kHz頻率的方波信號(hào)至信號(hào)處理器，信號(hào)處理器通過兩級(jí)放大，再經(jīng)過壓電換能器將信號(hào)發(fā)射出去，該信號(hào)遇到障礙物反射回來在此稱為回波。同時(shí)，壓電換能器將接收的回波，通過信號(hào)處理的檢波放大、積分整形及一系列常見電路的處理，送至微機(jī)處理。顯示器的聲音告警頻率、發(fā)光二極管方位指示及障礙物距超聲波探頭的距離顯示均由單片機(jī)控制。

2.1.3 超聲波測(cè)距的工作方式

利用超聲波測(cè)距的工作，就可以根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測(cè)量距離的作用。其主要有三種測(cè)距方法：

•相位檢測(cè)法，相位檢測(cè)法雖然精度高,但檢測(cè)范圍有限。

•聲波幅值檢測(cè)法，聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。

•渡越時(shí)間檢測(cè)法，渡越時(shí)間檢測(cè)法的工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間。

本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距就是使用了渡越時(shí)間檢測(cè)法。在移動(dòng)車輛中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時(shí)間差和傳播速度，計(jì)算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。

2.1.4 信號(hào)處理技術(shù)

測(cè)量過程是由單片機(jī)部分和超聲波信號(hào)處理電路共同完成的，一次測(cè)量的全過程為40ms。發(fā)射時(shí)，將40kHz的超聲波信號(hào)和一個(gè)同步脈沖信號(hào)加到與門，同步脈沖信號(hào)通過與門控制發(fā)射超聲波。單片機(jī)將同步脈沖的起始時(shí)刻定為 ， 超聲波接收電路將接收到的信號(hào)加到單片機(jī)中，若檢測(cè)到信號(hào)，則記下該時(shí)刻 ，由時(shí)間差  =    ，即可算得障礙物與超聲探頭之間的距離。若單片機(jī)系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號(hào)，則到40 ms時(shí)重復(fù)上述過程開始下一輪的循環(huán)。

在超聲波發(fā)出后，如果直接進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，則勢(shì)必浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)榇讼到y(tǒng)有最小測(cè)量距離，當(dāng)距離最小時(shí)，即為時(shí)間差 最小，記為  ，所以此時(shí)間可以用來處理別的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中計(jì)算子程序就是在此時(shí)間里完成的，這樣就節(jié)省了一些時(shí)間。

2.2 超聲波探頭的主要作用

•探頭是一個(gè)電聲換能器，并能將返回來的聲波轉(zhuǎn)換成電脈沖；

•控制超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當(dāng)改變探頭入射角或改變超聲波的擴(kuò)散角時(shí)，可使聲波的主要能量按不同的角度射入介質(zhì)內(nèi)部或改變聲波的指向性，提高分辨率；

•實(shí)現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換；

•控制工作頻率，適用于不同的工作條件。

2.3 小結(jié)

本章介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距原理、超聲波測(cè)距的工作方式以及測(cè)距中如何進(jìn)行信號(hào)處理優(yōu)化，并闡述了超聲波測(cè)距的基本概念理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)計(jì)算的主要方法和內(nèi)容

第三章 汽車倒車超聲波報(bào)警器設(shè)計(jì)方案比較與選擇

3.1 汽車倒車超聲波報(bào)警器的總體方案設(shè)計(jì)

3.1.1 方案的擬定條件

本設(shè)計(jì)首先要根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的要求（最大測(cè)距6m，最小測(cè)距0.20m，顯示分辨率0.02m，實(shí)時(shí)數(shù)字顯示測(cè)得的距離；在不同的距離范圍內(nèi)發(fā)出不同的聲光報(bào)警信號(hào)；駕駛員可根據(jù)個(gè)人需要調(diào)整設(shè)置報(bào)警距離．本報(bào)警器與其它報(bào)警器相比具有功能多、電路簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)）來進(jìn)行器件選擇，如諧振頻率是多少，帶寬為多少，Q值、聲壓輸出、波束指向性、電容、驅(qū)動(dòng)電壓、功率是多少才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在什么樣的 環(huán)境特性下才能正常工作，市場(chǎng)上是否容易找到，便宜且應(yīng)用較廣否，這些都是需要考慮的問題。只有在這樣的條件下，方案才能順利確定，設(shè)計(jì)才能順利展開。

3.1.2 模型的建立

汽車倒車?yán)走_(dá)是利用超聲波測(cè)距原理，不斷測(cè)量汽車尾部與其后面障礙物的距離，在一定距離范圍內(nèi)給駕駛者以警示，同時(shí)由高亮度數(shù)碼管顯示出所測(cè)的距離值，提高汽車在倒車時(shí)的安全性。超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，可由單片機(jī)測(cè)出從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間，計(jì)算出障礙物到汽車尾部的距離S=CT/2，式中C為超聲波波速。盡管超聲波波速與環(huán)境溫度有關(guān)，但汽車倒車?yán)走_(dá)在實(shí)際使用中的環(huán)境溫度變化不大，對(duì)距離檢測(cè)精度要求也不高，將超聲波波速C認(rèn)為是不變的常數(shù)。

測(cè)距系統(tǒng)模型應(yīng)如圖3-1所示。

3.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的器件選擇

3.2.1 微控制器的選擇

單片機(jī)是本檢測(cè)系統(tǒng)的核心，它完成系統(tǒng)的功能設(shè)定、測(cè)量對(duì)象選擇、信號(hào)處理存儲(chǔ)、驅(qū)動(dòng)LED顯示等功能。起初對(duì)于是選擇AT89S51芯片，還是AT89C51芯片舉棋不定，覺得二者區(qū)別不大，后來查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)AT89S51相對(duì)于AT89C51增加了很多新功能，性能有了較大提升，價(jià)格卻基本不變，甚至比89C51更低。

     圖3-1 測(cè)距模型

•AT89S51支持ISP在線編程功能，串行寫入、速度更快、穩(wěn)定性更好，燒寫電壓也僅僅需要4～5V 即可。這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。而AT89C51只支持并行寫入，同時(shí)需要VPP燒寫高壓。

•最高工作頻率為33MHz，大家都知道89C51的極限工作頻率是24M，就是說S51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。

•燒寫壽命更長(zhǎng)：89S5*標(biāo)稱的1000次，實(shí)際最少是1000次～10000次，這樣更有利初學(xué)者反復(fù)燒寫，減低學(xué)習(xí)成本。綜合上面的一些區(qū)別，個(gè)人認(rèn)為89C51的停止使用只是時(shí)間問題而已，就象當(dāng)年的8031。

•內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。

•雙數(shù)據(jù)指示器。

•電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)及電源范圍：89S5*電源范圍寬達(dá)4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的時(shí)候則無(wú)法正常工作。

•全新的加密算法，這使得對(duì)于89S51的解密變?yōu)椴豢赡埽绦虻谋Ｃ苄源蟠蠹訌?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。

•兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容產(chǎn)品。也就是說所有教科書、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書上采用的單片機(jī)是8051還是89C51還是MCS-51等等），在89S51上一樣可以照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。

此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。

比較結(jié)果：就如同INTEL的P3向P4升級(jí)一樣，雖然都可以跑Windows98，不過速度是不同的。從AT89C51升級(jí)到AT89S51，也是同理。和S51比起來，C51就要遜色一些，實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)方面技術(shù)的進(jìn)步是永遠(yuǎn)向前的。

3.2.2 顯示模塊器件的選擇

在單片機(jī)小系統(tǒng)中，顯示模塊可以反映系統(tǒng)工作和運(yùn)行結(jié)果，在系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要地位。常用的顯示有：LED顯示和LCD顯示。

•LED顯示的硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是顯示消耗的電流較高，體積大，在低功耗手持式儀器中很少使用。

•LCD顯示具有低功耗、體積小特點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于以單片機(jī)為核心的便攜式儀表和測(cè)試儀中。采用LCD來顯示檢測(cè)到的溫濕度參數(shù)，降低系統(tǒng)功耗。

本設(shè)計(jì)顯示部分采用簡(jiǎn)單的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼驅(qū)動(dòng)用74LS245集成電路，位碼用S8550（也可用9012）三極管驅(qū)動(dòng)。

3.2.3 超聲波傳感器的選擇

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

    以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或者超聲波探頭。

    超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。

    超聲波探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：

•工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

•工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲波探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。

•靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

本次設(shè)計(jì)就選用壓電式超聲波發(fā)生器，壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì) 發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。

圖3-2  超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志（一般器件上有標(biāo)明是T還是R，T：發(fā)射換能器，R：接受換能器）。超聲波換能器外部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。

 

圖3-3  超聲波換能器外部結(jié)構(gòu)

每個(gè)傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40kHz左右波動(dòng)。而且超聲波傳感器發(fā)射波束時(shí)存在發(fā)散角問題，一般發(fā)散角都比較大，從而導(dǎo)致了方向性較差。同時(shí)，隨著傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號(hào)衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖3-4所示。

 

圖3-4  發(fā)散角與耗散性

3.3 小結(jié)

本章介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的工作原理和超聲波測(cè)距系統(tǒng)微控制器的特點(diǎn)，提出了超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)的總體方案，對(duì)各功能模塊的方案進(jìn)行了比較，分析了常用的傳感器，選定了超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的器件。

第四章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)工具平臺(tái)簡(jiǎn)介

電路及PCB設(shè)計(jì)是EDA技術(shù)中的一個(gè)重要內(nèi)容，而EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門新技術(shù)，它提供了基于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。Protel是其中比較杰出的一個(gè)軟件，在國(guó)內(nèi)流行最早、應(yīng)用面最寬。Protel DXP是Altium（Protel Technology前身）公司在2002年8月推出的一套最新Protel DXP電路板設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。該平臺(tái)運(yùn)行與Windows XP/2000操作系統(tǒng)。Protel DXP不僅繼承了Protel系列產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是將所有設(shè)計(jì)工具集成于設(shè)計(jì)系統(tǒng)一身。通過把設(shè)計(jì)輸入仿真、PCB繪制仿真、拓?fù)渥詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為用戶提供了全程的設(shè)計(jì)解決方案，使用戶可以輕松的進(jìn)行各種復(fù)雜的電路板設(shè)計(jì)。

使用Protel DXP設(shè)計(jì)印刷電路板的第一步就是要設(shè)計(jì)電路原理圖，只有正確設(shè)計(jì)電路原理圖，生成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表之后才能生成PCB文件。在設(shè)計(jì)時(shí)，先分析系統(tǒng)，在進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，將各部分電路分別設(shè)計(jì)，得到個(gè)模塊電路，在通過融合，實(shí)現(xiàn)整體電路的設(shè)計(jì)，還可以將所有模塊在一張比較大的圖紙上全部畫出來，但在同一張紙以模塊的形式分別設(shè)計(jì)電路圖，這樣在設(shè)計(jì)過程中思維比較清晰，設(shè)計(jì)過程比較簡(jiǎn)單，而且更容易檢查錯(cuò)誤。原理圖的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)完成后要先通過編譯無(wú)誤后才生成網(wǎng)絡(luò)表，原理圖常見錯(cuò)誤有：

•管腳沒有接入信號(hào)；

•放置導(dǎo)線時(shí)Wire與繪圖工具中Line混用，Wire具有電氣特性而Line不具有；

•元件放到圖紙界外；

•創(chuàng)建的工程文件網(wǎng)絡(luò)表只能部分調(diào)入PCB：生成netlist時(shí)沒有選擇為global；

在設(shè)計(jì)好原理圖，通過編譯檢查，生成了網(wǎng)絡(luò)表之后的工作就是繪制PCB板圖了。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表之前，要確定原理圖中的元件都有PCB封裝。如果使用的器件在Protel DXP軟件的PCB庫(kù)中是沒有封裝的，那就要求自己按照器件的技術(shù)手冊(cè)封裝所需元件了。在封裝PCB元件是應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

•原理圖中所填元件的封裝要與PCB元件庫(kù)中的名稱一致。

•原理圖中元件的引腳名稱要與PCB元件庫(kù)中的引腳名稱一致。

•直插式元件封裝的孔要比元件的實(shí)際尺寸稍微大些，貼片元件的引腳封裝應(yīng)在條件允許的范圍內(nèi)盡量加寬、加長(zhǎng)，這樣才有利于焊接。

完成以上幾步后，將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入到PCB文件中，生成PCB板圖。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表的時(shí)候通常會(huì)出現(xiàn)以下的錯(cuò)誤：

•原理圖中的元件使用了PCB庫(kù)中沒有的封裝。

•原理圖中的元件使用了PCB庫(kù)中名稱不一致的封裝。

•原理圖中的元件使用了PCB庫(kù)中pin number不一致的封裝。

網(wǎng)絡(luò)表成功導(dǎo)入PCB文件之后對(duì)器件進(jìn)行布局，元件的布局有自動(dòng)布局和手工布局兩中方式，由于自動(dòng)布局的效果往往不能令人滿意，所以一般都需要進(jìn)行手工調(diào)整。良好的布局可以降低PCB布線的難度。布局應(yīng)遵循以下一般原則：

首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。

在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：

①盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。

③重量超過15g的元器件、應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

④對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便于調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。

⑤應(yīng)留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

①按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。

②以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列，這樣，不但美觀，而且裝焊容易，也易于批量生產(chǎn)。

④位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形，長(zhǎng)寬比為3：2或4：3。電路板面尺寸大于200×150mm時(shí)，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。

布線的方式也有兩種：自動(dòng)布線及手工布線，自動(dòng)布線效率高，但有時(shí)布線的結(jié)果不盡如人意，這是因?yàn)樽詣?dòng)布線的功能主要是實(shí)現(xiàn)電氣網(wǎng)絡(luò)之間的連接。在自動(dòng)布線的實(shí)施過程中，很少考慮到特殊的電氣、物理和散熱等要求，因此必須通過手工來進(jìn)行調(diào)整，使電路板既能實(shí)現(xiàn)正確的電氣連接，又能滿足用戶的設(shè)計(jì)要求。手工調(diào)整布線的最簡(jiǎn)便的方法是對(duì)不合 理的布線，采取先拆線，后手工布線。在布線的過程中應(yīng)注意的問題有：

•輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。

•盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的寬度關(guān)系是：地線＞電源線＞信號(hào)線，通常信號(hào)線寬為：0.2～0.3mm,最經(jīng)細(xì)寬度可達(dá)0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5 mm。對(duì)數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路, 即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來使用(模擬電路的地不能這樣使用) 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。

焊盤時(shí)，焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2)mm，其中d為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。

此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

•在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí)，操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流，一般R取1~2K，C取2.2~47uF。

•CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。

4.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

51系列單片機(jī)中典型芯片(如AT89S51) 采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個(gè)16b的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，4個(gè)8b的I/O端口P0、P1、P2、P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器( PROM )，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途, 在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳圖如圖4-1所示，同時(shí)也為了對(duì)下面超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行更清楚的敘述，對(duì)其引腳標(biāo)了號(hào)。

51系列單片機(jī)提供以下功能: 4kB存儲(chǔ)器；256BRAM；32條I/O 線；2個(gè)16b定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。

空閑方式: CPU 停止工作，而讓RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。

掉電方式: 保存RAM的內(nèi)容, 振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。

51系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。

 

圖4-1  AT89S51引腳圖

4.2.1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4-2所示。

設(shè)計(jì)原理：發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器T構(gòu)成，AT89S51單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。

輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。

在實(shí)驗(yàn)制作和電路改進(jìn)中，為了增加測(cè)量效果，可以考慮提高接收的靈敏度，但是靈敏度也并不是越高就越好。接收靈敏度過高，容易引起自激，結(jié)果反而不好，其實(shí)可以從增加發(fā)射功率方面著手，只要在發(fā)射頭兩端加個(gè)線圈。線圈可以用0.01mm的銅絲在小磁環(huán)繞成大致初級(jí)10匝，次級(jí)40匝左右。

  

圖4-2  超聲波發(fā)射電路

4.2.2 超聲波檢測(cè)接收電路的設(shè)計(jì)

本超聲波測(cè)距儀的接收電路采用集成塊CX20106A，其總放大增益為80db 以保證7腳輸出的控制脈沖序列信號(hào)幅度在3.5-5V以內(nèi)。超聲接收換能器UCM-40R接收到的信號(hào)經(jīng)C9電容耦合至輸入端1腳，總增益大小由2腳接收器R、C決定。R越小，C越大增益越高，C9選值過大將造成頻率響應(yīng)變差，為了兼顧總增益和頻率特性R14取4.7 ，C17取3.3μF，3 腳C為檢波電容，選3.3μF，當(dāng)其容量減小時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)，靈敏度會(huì)有所提高，但檢波輸出脈沖寬度變動(dòng)也較大。帶通濾波特性，可由5腳R15電阻決定其值在210K-220K間調(diào)整，本設(shè)計(jì)R15定為200K。用金屬膜電阻調(diào)試，若其阻值偏差過大，中心頻率也將相對(duì)偏移。所以當(dāng)信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器時(shí)，增益將大大降低，6腳C6電容為比較積分電容，7腳R16為輸出負(fù)載電阻，104pF電容C11為電源濾波元件，當(dāng)電容容量減小或失效時(shí)，將造成濾波不良，可能干擾接收輸入端。超聲波接收電路如圖4-3所示。

CX20106是紅外遙控接收前置放大雙極性電路，引腳意義如下：

1 IN    遙控信號(hào)輸入端(此腳與地之間接紅外線接收二極管

2      前置放大器頻率特性和增益設(shè)定(此腳與地之間接RC串連電路)

3     接檢波電容

4 GND   接地

5      設(shè)定帶通濾波器的中心頻率(此腳與電源間接電阻)

6      外接積分電容

7 OUT   遙控指令輸出端

8      外接電源

典型電壓5V，典型功耗9mW。帶通濾波器的中心頻率可由電阻調(diào)節(jié)，范圍30－60kHz。配套使用型號(hào)為M50462AP。

 

圖4-3  超聲波接收電路

4.2.3 超聲波蜂鳴報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

蜂鳴報(bào)警電路是采用揚(yáng)聲器來對(duì)所設(shè)置的報(bào)警距離實(shí)施報(bào)警，以向駕駛員提出警示。

本系統(tǒng)可以設(shè)定距離值，當(dāng)大于或小于設(shè)定值時(shí)將發(fā)出控制信號(hào)。當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入蜂鳴報(bào)警狀態(tài)，通過一個(gè)NPN晶體管來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，不需要復(fù)雜的濾波和放大電路，具有自動(dòng)平滑功能，蜂鳴器鳴響。

超聲波蜂鳴報(bào)警電路如圖4-4所示。

 

圖4-4  超聲波蜂鳴報(bào)警電路

4.2.4 超聲波系統(tǒng)鍵盤電路的設(shè)計(jì)

鍵盤電路是用來對(duì)最大測(cè)距、最小測(cè)距以及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

鍵盤輸入：開啟值30-1000厘米，關(guān)閉值30-1000厘米（在該范圍內(nèi)任意設(shè)置）。本系統(tǒng)由一個(gè)按鍵 啟動(dòng)/停止系統(tǒng)，由三個(gè)按鍵設(shè)定距離值： 的作用是進(jìn)入和退出設(shè)定， 和 ：分別是向上加值和向下減值，每按一次加或減一厘米，由數(shù)碼管輸出顯示。超聲波系統(tǒng)鍵盤電路如圖4-5示。

 

圖4-5  超聲波系統(tǒng)鍵盤電路

4.2.5 超聲波濾波整流電路的設(shè)計(jì)

超聲波濾波整流電路如圖4-6所示。該電路是用來把反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)，通過整形把檢波后得到的不標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波整形為標(biāo)準(zhǔn)脈沖波。

信號(hào)整形電路：當(dāng)接收到的信號(hào)從信號(hào)篩選電路中出來之后是一個(gè)很不規(guī)則的方波信號(hào)，希望最好得到一脈沖信號(hào)，經(jīng)過此部分電路處理過后再送進(jìn)單片機(jī)中進(jìn)行處理運(yùn)算。

因?yàn)槎嘀C振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉。本信號(hào)篩選電路在整個(gè)電路中可以說起到非常重要的作用，通過對(duì)它的適當(dāng)調(diào)整，可以有效地濾除由于外界干擾帶來的非超聲波信號(hào)進(jìn)入超聲波接收系統(tǒng)，從而大 大提高了本電路的抗干擾性。

 

圖4-6  超聲波濾波整流電路

4.2.6 時(shí)鐘和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

（1）復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腿時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0－P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為ROM的00H處開始運(yùn)行程序。復(fù)位操作不會(huì)對(duì)內(nèi)部RAM有所影響。

（2）時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

時(shí)鐘振蕩器：

AT89S51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。

外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。對(duì)外接電容C20，C25雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30pF 10pF ,而使用陶瓷諧振器建議選擇40pF 10pF。

可以采用外部時(shí)鐘。這種情況下，外部時(shí)鐘接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。

由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒有特殊的要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。時(shí)鐘復(fù)位電路如圖4-7所示：

 

圖4-7  時(shí)鐘和復(fù)位電路

4.2.7 擴(kuò)展顯示電路的設(shè)計(jì)

回波經(jīng)過AT89S51對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理后，被測(cè)的距離在LED上顯示。

顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的四位一體共陽(yáng)極LED數(shù)碼管顯示所測(cè)距離值，顯示電平使用低電平有效。段碼用74LS245驅(qū)動(dòng)，外接升壓電阻。位碼用PNP三極管8550（可用9012替代）驅(qū)動(dòng)。顯示電路如圖4-8所示。

數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，動(dòng)態(tài)掃描顯示的好處是對(duì)CPU的I/O口要求較少，但對(duì)電路的干擾較大，注意PCB板的布線和對(duì)接收放大電源的穩(wěn)定性要進(jìn)行補(bǔ)償處理，否則對(duì)其影響很大。

74LS245雙向總線接收器簡(jiǎn)要說明：74LS245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器，其主要電器特性的典型值如表4-1所示(不同廠家具體值有差別)。

表4-1  74LS245電器特性

 

 

 

 

74LS245 8ns 8ns 275mW

引出端符號(hào)：A     A總線端

B     B總線端

      三態(tài)允許端(低電平有效)

DIR   方向控制端

極限值：電源電壓 …………………………………………. 7V

輸入電壓 …………………………………………. 7V

輸出高阻態(tài)時(shí)高電平電壓 ……………………… 5.5V

工作環(huán)境溫度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃

存儲(chǔ)溫度 ………………………………………-65~150℃

 

圖4-8  顯示電路

4.3 小結(jié)

本章首先介紹了做設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)工具Protel DXP，然后對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件各電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器及一些輔助電路進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，給出了詳細(xì)的原理圖。

本系統(tǒng)利用AT89S51產(chǎn)生40kHz的頻率驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的發(fā)射頭，接收頭收到信號(hào)后，經(jīng)CX20106A芯片進(jìn)行放大、限幅、濾波、整形、比較后輸出低電平送到單片機(jī)的外部中斷0申請(qǐng)中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求，取得定時(shí)器內(nèi)的時(shí)間進(jìn)行距離計(jì)算，用四位一體的數(shù)碼管顯示測(cè)出的距離，并可根據(jù)設(shè)定報(bào)警距離進(jìn)行報(bào)警。

 

第五章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試與結(jié)論

5.1 系統(tǒng)硬件電路調(diào)試與分析

5.1.1 調(diào)試儀器和內(nèi)容

（1）測(cè)試試驗(yàn)方法：可通過顯示電路實(shí)驗(yàn)、超聲波發(fā)射接收以及測(cè)距試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試。

測(cè)試儀器：示波器，多功能穩(wěn)壓電源，電壓表，秒表。

（2）調(diào)試內(nèi)容

超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，安裝時(shí)探頭時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

系統(tǒng)調(diào)試完后對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。

5.1.2 調(diào)試過程

系統(tǒng)采用模塊化電路設(shè)計(jì), 采用較低的外部晶振和中周電路固化的超聲波探頭，數(shù)字和模擬部分電路分開供電，以提高系統(tǒng)抗干擾能力，但由于實(shí)際應(yīng)用中仍存在較多電磁干擾，而回波信號(hào)為小信號(hào)輸入, 系統(tǒng)調(diào)試中通過硬件補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到了較高的可靠性。

測(cè)距系統(tǒng)經(jīng)過檢波等硬件處理后的波形如圖5-1所示：

在檢測(cè)時(shí)，發(fā)送完檢測(cè)脈沖后立刻進(jìn)行判斷負(fù)脈沖的長(zhǎng)短，從而確定是否有障礙物存在。無(wú)障礙物時(shí)負(fù)脈沖寬度固定為t1，有障礙物時(shí)負(fù)脈沖固定為t1+t2，t3為超聲波回波檢測(cè)負(fù)脈沖。t1、t2的寬度與發(fā)送的脈沖周期數(shù)有關(guān)。周波數(shù)越多，t1越寬，檢測(cè)距離越遠(yuǎn)，反之亦然。T3與T4之間的長(zhǎng)度會(huì)隨障礙物的距離而先行變化。因此，只要檢測(cè)出t1、t2及T3與T4之間的長(zhǎng)度即可判斷障礙物距離。

（1）7段數(shù)碼管的測(cè)試

LED數(shù)碼有共陽(yáng)和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個(gè)8字加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)）而作為一個(gè)引腳，就叫共陽(yáng)的，相反的，就叫共陰的，那么應(yīng)用時(shí)這個(gè)腳就分別的接VCC和GND。再把多個(gè)這樣的8字裝在一起就成了多位的數(shù)碼管了。

    首先，找個(gè)電源（3到5伏）和1個(gè)1K（幾百的也歐的也行）的電阻，VCC串接個(gè)電阻后和GND接在任意2個(gè)腳上，組合有很多，但總有一個(gè)LED會(huì)發(fā)光的找到一個(gè)就夠了，然后用GND不動(dòng)，VCC（串電阻）逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那就是共陰的了。相反用VCC不動(dòng)，GND逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那就是共陽(yáng)的了。

（2）發(fā)射器探頭對(duì)接收器探頭的影響

超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間 間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到"虛假反射波"結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對(duì)本系統(tǒng)沒有影響。

（3）調(diào)試注意事項(xiàng)

•超聲波探頭表面嚴(yán)禁用手及其它物體觸摸以免產(chǎn)生信號(hào)滯后性及損壞。

•在測(cè)距中應(yīng)保證測(cè)距儀與被測(cè)物體距離為定值，要和被測(cè)物體成一條直線，使測(cè)得距離讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

5.1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析計(jì)算

傳感器工作電壓：超聲波傳感器5V

試驗(yàn)數(shù)據(jù)：簡(jiǎn)單搭建電路板并調(diào)試后，對(duì)一500mm寬的距離測(cè)試，所測(cè)數(shù)據(jù)如表5-1所示（單位:mm）。

表5-1  500mm寬的距離測(cè)試數(shù)據(jù)

次數(shù) 1 2 3 4 5 平均

測(cè)值 500.3 499.8 499.9 500.1 500.0 500.03

該測(cè)距系統(tǒng)使用方便、精度高，在一些惡劣環(huán)境，如極易被腐蝕、電解，失去靈敏性等工礦業(yè)現(xiàn)場(chǎng)將大有用武之地。

（1）測(cè)試結(jié)果與分析

超聲波測(cè)距系統(tǒng)調(diào)試完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。在超聲波換能器與較大平面(如墻壁面)法線方向一致時(shí)，量程為0.07~5.50m，測(cè)距盲區(qū)控制在20cm內(nèi)，分辨率為0.01m，實(shí)驗(yàn)中對(duì)測(cè)量范圍0.07~2.50m內(nèi)的平面物體做了多次測(cè)試，測(cè)距器的最大誤差不超過1cm，重復(fù)一致性很好。因?yàn)槌暡ň哂幸欢òl(fā)散角，所以當(dāng)在正前方和斜前方都有物體時(shí)，會(huì)以距發(fā)射器最近的物體作為探測(cè)目標(biāo)。目前此設(shè)計(jì)可提交于應(yīng)用于一些動(dòng)機(jī)器人、安全線提示，銀行及取款機(jī)的一米線提示等場(chǎng)合。

（2）誤差分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在5米范圍內(nèi)，最大誤差在5cm以內(nèi)，且距離越近，誤差越小，限制該系統(tǒng)最大可測(cè)距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。

測(cè)距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：

①氣溫度變化等引起的聲速變化造成的誤差，溫度在-30℃-40℃范圍變化時(shí)，傳播速度v的變化范圍為313米/秒-356米/秒，由測(cè)距公式可計(jì)算出距離值有一定影響，采用聲速預(yù)置和傳播介質(zhì)溫度測(cè)量結(jié)合的方法對(duì)聲速進(jìn)行修正，可有效地降低溫度變化產(chǎn)生的誤差。

②發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)由于響應(yīng)快慢差異開啟不同步引起的誤差，對(duì)此在調(diào)試中通過脈沖計(jì)數(shù)值補(bǔ)償進(jìn)行修正。

③超聲波在傳播過程由于受衍射、散射和吸收等影響衰減導(dǎo)致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠(yuǎn)產(chǎn)生的誤差越大，可適當(dāng)增大超聲波的發(fā)射功率等來改善。

④發(fā)射和接受前置電路延遲的時(shí)間誤差等，發(fā)射前置電路和接收前置電路中采用集成芯片都有時(shí)間延遲。對(duì)此采取時(shí)間增益控制，來減少誤差，由于本裝置對(duì)于厘米級(jí)的精度已經(jīng)足夠，電路延遲都是納秒數(shù)量級(jí)，記數(shù)頻率是40kHz，所以減少一個(gè)記數(shù)單位完全可以矯正。針對(duì)誤差原因在程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試中做了相應(yīng)處理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

⑤超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響。

⑥超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系。

⑦超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距是有影響的。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，傳播媒質(zhì)的特性，如溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生影響。因此，為了準(zhǔn)確地計(jì)算距離，應(yīng)對(duì)聲速加以修正，系統(tǒng)程序中采用了軟件補(bǔ)償措施。

（3）誤差改進(jìn)

由于考慮到體積、成本等因素，本裝置在性能上、功能上還存在不足，有待于進(jìn)一步提高：

•增加幾路不同方向的超聲波探測(cè)或紅外探測(cè)器以及溫度補(bǔ)償電路等，可以提高裝置的靈敏度和精度,同時(shí)提高可靠性。

•可在裝置中增加一個(gè)語(yǔ)音芯片，將蜂鳴報(bào)警改為語(yǔ)音說明指示，根據(jù)探測(cè)結(jié)果直接報(bào)出距離、方位，更便于使用。

•由于受發(fā)射功率及回波檢測(cè)靈敏度的限制，探測(cè)范圍較小，可增加發(fā)射功率調(diào)節(jié)等電路，以便增大探測(cè)范圍，可用于夜間探路、井下探索等。

（4）溫度的補(bǔ)償

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。

所以，在超聲波的兩個(gè)探頭旁邊可放置溫度傳感器，測(cè)出環(huán)境溫度T，由單片機(jī)控制器進(jìn)行軟件修正。

5.2 系統(tǒng)源程序的調(diào)試過程

5.2.1 軟件仿真驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)采用51匯編語(yǔ)言編寫，用Keil C51編譯和調(diào)試。這里采用光電二極管和光電三極管來代替超聲波發(fā)送探頭和超聲波接收探頭，且空中傳播過程略去仿真。聯(lián)調(diào)仿真后，可見數(shù)字電路的延遲效果比較明顯，所以需要軟件矯正。

由于超聲波探頭存在余震效應(yīng), 為避免余震產(chǎn)生的“虛假反射波”超聲測(cè)距數(shù)據(jù)的采集與處理錯(cuò)誤申請(qǐng)中斷，超聲波脈沖發(fā)射后軟件中設(shè)置了一段時(shí)間的延時(shí)，稱為“死區(qū)”時(shí)間，“死區(qū)”形成了距離測(cè)量中的“盲區(qū)”，由于探頭的性能誤差，運(yùn)行后要不斷調(diào)整探頭的“死區(qū)”。經(jīng)過應(yīng)用過程的調(diào)試，本系統(tǒng)的測(cè)量“盲區(qū)”控制在20cm內(nèi)，“死區(qū)”時(shí)間為115ms，測(cè)量誤差為±1cm。

結(jié)  論

本文所設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保障汽車倒車安全的輔助系統(tǒng)，通過超聲波探頭發(fā)出超聲波，使用高速單片機(jī)計(jì)算距離，還可加入了溫度補(bǔ)償電路，提高了距離計(jì)算的精度。系統(tǒng)安裝的LED可以直觀的顯示溫度和距離，給駕駛員提供了方便。倒車時(shí)當(dāng)汽車與障礙物的距離小于所設(shè)定的安全距離時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

整個(gè)報(bào)警器系統(tǒng)由汽車倒車擋控制，當(dāng)汽車置于倒車擋時(shí)，報(bào)警器工作；置于其它擋時(shí)，報(bào)警器不工作。在環(huán)境溫度為-20～50℃的范圍內(nèi)，測(cè)量誤差為幾個(gè)厘米，這個(gè)誤差能滿足正常倒車的需要。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所采用的超聲波傳感器的輻射范圍是   60°，所以在安裝時(shí)，需在車尾裝3～4個(gè)超聲波傳感器，這樣才能覆蓋整個(gè)范圍。

利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的測(cè)距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明, 該類測(cè)距儀工作穩(wěn)定, 能滿足一般近距離測(cè)距的要求, 且成本較低、有良好的性價(jià)比。

本超聲波測(cè)距系統(tǒng)可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān) 控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合，覺得這次的設(shè)計(jì)實(shí)用性極強(qiáng)。

通過一學(xué)期的努力，完成了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)滿足了任務(wù)書中的基本要求和擴(kuò)展要求，軟、硬件設(shè)計(jì)已達(dá)到預(yù)期效果。主要完成的工作有：

①學(xué)會(huì)了使用Protel軟件繪制原理圖和PCB板圖。

②完成了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊的硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試。

③已經(jīng)通過系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，距離通過LED顯示出來。

由于時(shí)間和能力有限，本次設(shè)計(jì)還有一些不足之處，主要有以下幾方面：

①由于經(jīng)驗(yàn)不足，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的時(shí)候，設(shè)計(jì)原理圖與PCB板圖的時(shí)候出現(xiàn)了一些問題。

②在調(diào)試時(shí)，顯示的延遲性較大，超聲波探頭太敏感。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：

①測(cè)試結(jié)果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設(shè)計(jì)制作，且誤差較小，完全滿足汽車倒車的指引作用，具有較高的性價(jià)比。

②裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性能穩(wěn)定，操作容易、使用方便，可以安裝在不同的載體上，制作成不同的用具，如導(dǎo)盲眼鏡、位移儀、深度儀等，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

致  謝

感謝西南科技大學(xué)。在這里，我開闊了見識(shí)，增長(zhǎng)了知識(shí)，鍛煉了能力。大學(xué)四年的親身體驗(yàn)讓我更增加了對(duì)學(xué)校的熱愛。

感謝我的指導(dǎo)老師曾毅對(duì)我的辛勤培育。從論文的立題到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及論文的撰寫整個(gè)過程無(wú)不浸透著老師的心血。他廣博的學(xué)識(shí)，嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，靈活的思維方式，耐心細(xì)致的言傳身教深深感染激勵(lì)著我，將使我終身受益。導(dǎo)師不但在學(xué)習(xí)上給予我耐心細(xì)致的指導(dǎo)，在生活中也給了我莫大的關(guān)懷，在這里向曾老師表示衷心的感謝。

    感謝大學(xué)四年所有指導(dǎo)過的老師。在學(xué)習(xí)的過程中給了我很多的指導(dǎo)，讓我在理論知識(shí)和動(dòng)手能力上都有很大的提高。

在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文的過程中，我們寢室的同學(xué)給了我很大的幫助，在此向他們表示深深的感謝。

感謝父母二十多年來的養(yǎng)育之恩，讓我順利的完成了四年的大學(xué)學(xué)業(yè)，并讓我獲取了一定的知識(shí)并最終走向社會(huì)，為社會(huì)貢獻(xiàn)自己!

最后，我要向在百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱、評(píng)議和參加本人論文答辯的各位老師表示感謝

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附  錄

附錄1：系統(tǒng)總原理圖

 

附錄2：AT89S51引腳功能

Vcc：電源電壓；GND：地

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)斷口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。

在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。

在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)。而在程序檢驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸出口使用時(shí)，因?yàn)榇嬖谏侠娮瑁硞€(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ ）。

Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1口接受低8位地址。

P2口：P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸出口使用時(shí)，因?yàn)榇嬖谏侠娮?，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ ）。

在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問八位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能存儲(chǔ)器（SFR）區(qū)中R2寄存器）。在整個(gè)訪問期間不改變。

FLASH編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接受地址和其它控制信號(hào)

P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的八位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）四個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)。它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（I ）。

P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表③-2所示。P3口還接受一些用于FLASH閃速存儲(chǔ)器和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。

表1  P3口的分配

端口引腳 第二功能

P3.0 RXD（串性輸入口）

P3.1 TXD(串行輸出口)

P3.2  （外中段0）

P3.3  （外中段1）

P3.4  （定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）

P3.5  （定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）

P3.6  （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

P3.7  （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

ALE：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低八位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出 固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ ）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。

 ：程序儲(chǔ)存允許（ ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在次期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 信號(hào)不出現(xiàn)。

EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp。當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端