井涛-脉冲超声发射电路设计综述

1、课程设计报告专 业：测捽技术与仪器学 生：井涛(100401318)课题名称：脉冲超声发射电路设计起讫日期：2013年12月15日 2014年1月9日设计地点：信息楼指导教师：姚丽完成日期：2014年1月6日脉冲超声发射电路设计摘要： 随着科学技术的快速发展， 超声波在科学技术中的应用越来越广， 本设计主要对超声波的发送与接收电路进行了理论分析设计。 由于超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点， 因而它可以广泛应用于工业生产、 医学检查、日常生活、 无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车及机器人等。关键字： 方波发生器、定时器、8253、单片机、超

2、声波、电路设计1、绪论1.1、 课程设计背景11.2、 课题设计的目的 11.3、 课题要求 22、实验方案22.1 、设计思路22.2 、方案选择32.3 、方案可行性研究 73、课题方案阐述83.1、 硬件设计 83.2、 各个部件功能描述 123.3、 程序设计流程图 213.4、 程序设计224、调试与仿真234.1 、Proteus环境下的仿真调试 234.2 、仿真结果235、设计中的问题265.1、 硬件连接的若干问题 265.2、 软件调试的若干问题 266、总结 276.1、 设计心得体会276.2、 致谢 287、参考文献291、绪论1 1、课程设计的背景超声波是一种振动频

3、率高于声波的机械波， 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大， 尤其是在阳光不透明的固体中， 它可穿透几十米的深度。 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波， 碰到活动物体能产生多普勒效应。 因此超声波检测广泛应用在工业、 国 防、生物医学等方面。由于单片机系统的本身限制， 要实现一些功能的扩展， 才可以满足生产生活的需要，所以， 单片机系统的扩展，成为单片机系统的一个重要的研究方向。我们在日常的学习中， 为了能更好的运用以及巩固所学的硬件知识，运用那个课程中所学的理论

4、知识与实践紧密结合，同时，培养我们独立地解决实际问题的能力， 和锻炼运用硬件与软件结合的综合能力，学院开设此次课程设计，来满足课程的需要。1.2 、课程设计的目的（ 1）熟练掌握单片机和 8253 的原理及应用（ 2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法；（ 3）掌握超声波发射电路的设计；（ 4）掌握超声波接收电路的设计；（ 5）熟悉定时器生成方波的设计与制作。1.3 、课题要求1、使用8253 芯片实现方波输出；2、输出的方波频率范围较宽，能达到MHZZ上，在此频率范围内，可以实现频率可调；3、运用单片机，实现对定时器/ 计数器 8253芯片的控制，来实现方波发生器的功能；4、设计出超声波的发射和

5、接收电路。2、实验方案2.1 、方波生成设计思路单片机可以实现方波输出， 根据此课题要求则需要利用单片机对8253 芯片的控制，使芯片工作在特定的工作方式，来实现方波的发生，因此，总结课题的要求，有如下方案可以讨论：1 、利用 8086 微处理器，控制 8253芯片，是芯片工作在工作方式 3， 来实现方波的输出。 利用键盘， 来实现对输出方波频率的调节，同时，还要加数码管，用以显示按键输入的新的频率数值。2、使用 51 系列单片机，控制 8253 芯片，同样使8253 芯片工作在方式3，使8253芯片实现方波的输出，配以数码管和键盘来实现对方波的输出频率调节。3、使用 51 系列单片机，控制

6、8253芯片使之工作在方式 3，实现方波输出。使用AD转换芯片ADC0809与可变电阻器，给单片机输入频率信号，用以调节频率。4、使用 51 系列单片机，控制 8253芯片，工作在方波发生器方式，使用按钮，对频率实现等步长调节。2.2 、方案选择1 、对于方案1，使用 8086微处理器实现对8253芯片的控制，对 8253芯片的初始化程序如下：MOV DX,04A6HMOV AX,36HOUT DX,AX MOV DX,04A0H MOV AX,7CH OUT DX,AX MOV AX,92HOUT DX,AXMOV DX,04A6HMOV AX,76HOUT DX,AX MOV DX,04A

7、2H MOV AX,32H OUT DX,AXMOV AX,0OUT DX,AX MOV DX,04A6HMOV AX,0B6HOUT DX,AX MOV DX,04A4H MOV AX,04H OUT DX,AXMOV AX,0; 控制寄存器; 计数器0 ，方式3; 计数值927CH; 计数器1 ，方式3; 计数值32H; 计数器2 ，方式3; 计数值04HOUT DX,AX8086微处理器在生产生活中并不是最为常见的，所以此方案实现起来并不十分方便，因此不采取此方案。2、方案2的原理图如图1下:29图1方案2原理图原理图中，利4x4矩阵键盘用以输入调节的频率。从而实现频率可调，程序如下：O

8、RG 0BB0HAJMP MAINMAIN:CLR P1.0MOV DPTR,#0FF2BHMOV A,#36HMOVX DPTR,A;使GATE为低电平，禁止计数;送控制寄存器地址到数据指针寄存器;送工作方式字到累加器00110111;工作方式字送到控制寄存器MOV DPTR,#0FF28HMOV A,#16HMOVX DPTR,ASETB P1.0LOOP: JNB P1.5,SUBFUNCJNB P1.6,SUBFUNCJNB P1.7,SUBFUNCAJMP LOOPSUBFUNC:LCALL SCANAJMP LOOPSCAN: JNB P1.7,MAINJNB P1.6,FADDJ

9、NB P1.5,FSUBFADD: MOV R0,#100LOOP1: DJNZ R0,LOOP1MOV SP,#60HSUBB A,#1PUSH ACCAJMP INITFSUB:MOV R0,#100LOOP2: DJNZ R0,LOOP2MOV SP,#60HADD A,#1PUSH ACCAJMP INITINIT:CLR P1.0MOV DPTR,#0FF2BH; 送通道 0 地址; 计数器 / 定时器初始值; 初始值送入通道0 寄存器；使GATE为高电平，允许计数; 查询按键是否被按下; 返回子程序，继续扫描按键; 按键被按下，调用子程序; 复位键按下，执行复位操作; 频率加操作;

10、 频率减操作; 频率加步长; 中断处理; 频率减步长; 中断处理; 中断处理程序MOV A,#36HMOVX DPTR,AMOV DPTR,#0FF28HPOP ACCMOVX DPTR,ASETB P1.0 RET END方案2原理图中数码管部分未画出。由于使用此方案，系统组成 复杂，不利于实验的调试。因此不使用此方案。3、方案3中的方波实现部分与方案2相同，区别在于频率调节部分，方案2是利用键盘直接键入新的频率值， 而本方案是利用模拟 信号输入来控制频率的改变，由于模拟信号连续，因此可以实现在要求的频率范围内连续调节。其原理图如图2所示：RP1图2方案3原理图在本方案中，加入了 A都专换环

11、节，是系统的复杂性大大提高， 不利于实际的实现，因此，也不采用此方案。4、方案4的方波实现与前者相同，区别是频率调节环节的变化。此方案中，只用了三个按钮来实现频率的调节。原理图如图3所示图3方案4原理图在此方案中，使用按钮来控制频率的改变，这样的设计，使系统得到 了大大的简化，同时，硬件软件的实现十分简便，因此，在此课程设 计中，选用方案4来完成课题的设计。2.3 、方案可行性研究相比之下，方案4有着比较明显的优势。因为方案4的硬件设计 简单，频率的调节是用按钮实现，同时，8253芯片与单片机的接口 使用的是74HC373tfe址锁存器，可以在送地址的时候保持地址有效电 平，使地址与数据的传输

12、分开。而且对于方案 4的软件的设计，只需 要有初始化8253芯片，以及对按键的处理程序即可，因此可行性最 高。3、课题方案阐述3.1、 硬件设计方波生成部分硬件的设计方框图如图4.1所示图4.1 硬件设计框图硬件设计方案原理如下：1、时钟发生电路由C1、C2和X1 （晶振）产生脉冲给XLAT1 XLAT2 作为外部振荡信号，复位信号由开关和 RC电路构成；由于系统要对 外部接口送数据，所以EA端始终为高电平；单片机P0 口接8253的 数据端口，由于单片机内部无上拉电阻，当作为输入或者输出时应在 外部接上拉电阻，因此P0 口需要外接上拉电阻。系统的设计需要使 用P0 口的高2位作为地址线，同时

13、P0 口作为数据线使用，因此，需 要加地址锁存器；频率调节电路是用按钮组成的，当按钮按下时，可 以对频率进行等步长的递增或者递减，从而实现输出频率可调的方 波。2、硬件设计原理图如方案4原理图所示。超声波发射和接收部分硬件的方框图设计如图4.2所示控制处理电路（单片机、FPGA等）超声波传感器 电路内部图4.2 硬件设计框图 超声波发射电路设计发射电路主要有反相器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0 端口输出的40KHz方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器 的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电 极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声

14、波发射强度。输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。上拉 电阻R1、R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力。J4CX20106LS459P32GND3.2、 各个部件功能描述1、8253芯片的引脚图及功能8253芯片的引脚图如图5好07124 VCC223WRD5 -322 RDD4421 CSD3520 A18 2 5 3D2619A0D1718 CLK2DO817 0UT2CLKO916 GATE2OUTO1 015 1 CLK1GATED1 114 GATElGND1 2130UT1(1)图5 8253芯片引脚图（2） 8253芯片内部组成部分：1）数据总线缓冲器（

15、8位、三态、双向）。数据中线缓冲器是8253与系统数据总线相连接时用的接口电 路，它由8位双向三态缓冲器构成。2）读/写控制逻辑。读/写控制逻辑接收系统控制总线送来的输入信号，经组合后形 成控制信号，对各部分操作进行控制。可接收的控制信号有：CS：片选信号，低电平有效；RD：读信号，低电平有效；WR：写信号，低电平信号；AoA：端口选择信号。AA=00时，选中0通道；AA=01时，选 中1通道；AA=10时，选中2通道；4A=11时，选中控制寄存器。8253的输入信号组合功能表如表1所示。表1 8253输入信号组合的功能表CSRDWRA0 A功能0100 0写计数器00100 1写计数器101

16、01 0写计数器20101 1写入控制字寄存器0010 0读计数器00010 1读计数器10011 0读计数器20011 1无操作1XXX X禁止使用011X X无操作3）计数器02。三个完全相同的16位减计数器。每个通各有3个引脚，它们是:CLK0CLK2计数器02的输入时钟脉冲此引脚输入；OUT0OUT2计数器02的输出端；GATE0GATE2计数器02的门控脉冲输入端。4）控制字寄存器。控制字寄存器是一种只写寄存器， 在对8253编程时，由CPU用输出指令向它写入控制字，来选定计数器通道，规定各计数器的工作 方式，读写格式和数制。其格式如图 6所示:D710 选择通道211 无效图6 8

17、253控制字格式控制字的位值及意义如上图。5) 8253芯片的工作方式：工作方式0:计数结束中断方式；工作方式1:可编程单稳态输出方式;工作方式2:比率发生器；工作方式3:方波发生器；工作方式4:软件触发选通；工作方式5:硬件触发选通；其中，本课程设计用到的是方式 3, 方波发生器。工作在方式3的8253芯片的工作过程参看相关文献。2、AT89C51的引脚及功能（1） AT89C51单片机的弓I脚图如图7所示P141相MOCPL1239PUOP1.2 338PHIPL3437Pft2P1.4536-国3PL5635Pft4PL6734Ptt5PL7S33PU6RST/VPD932H171WP1

18、11011AT89c513130EVVPPALMHDG1WF121229函B基PZ71427R16n侬5I15MP151625P2,4RD/P171724F23XTAL2IIS23P2L2XTAL11922Fil的nPIO图7 AT89C51的引脚图（2）各引脚的功能：1）、主电源引脚Vcc和VssVcc （40脚）：主电源接+ 5VVss （20脚）：接地2）、时钟电路引脚 XTAL1和XTAL2XTAL2 （18脚）：接外部晶体振荡器的一端。片内是一个振荡电路反相放大器的输出端XTAL1 （19脚）：接外部晶体振荡器的另一端。片内是一个振荡 电路反相放大器的输入端3）、控制信号 RST/V

19、PD ALE/PROG、PSEN和 EA / VPPRST/Vpd （9 脚）复位端。高电平有效，宽度在 24个时钟周期宽度以上，使单片 机复位。该引脚有复用功能，Vpd为备用电源输入端，防止主电源掉 电。ALE/PROG （30 脚）地址锁存信号端。访问片外存贮器时， ALE作低八位地址的锁存 控制信号。平时不访问片外存贮器时，该端以六分之一的时钟振荡频 率固定输出脉冲。ALE端负载驱动能力为8个TTL门电路。该引脚有 复用功能，为片内程序存贮器编程（固化）的编程脉冲输入 。PSEN （29脚）片外程序存贮器读选通信号端。负载能力为8个TTL门电路。EA / VPP （31 脚）EA端接高电

20、平时，CPLB指令从片内程序存贮器自动顺延至片外 程序存贮器。EA端接低电平时，CPLR从片外程序存贮器取指令。 该引脚有复用功能，Vpp为片内程序存贮器编程时的编程电压。4）输入/输出引脚P0、P1、P2和P3 口P0.0P0.7 （3932脚）：访问片外存贮器时作为低八位地址线 和八位数据线（复用）。负载能力为8个LSTTL门。P1.0P1.7 （18脚）：8位准双向I/O 口。负载能力为3个LSTTL门P2.0P2.7 （2128脚）：访问片外存贮器时作为高八位地址线P3.0P3.7 （1017脚）：8位准双向I/O 口。负载能力为3个LSTTL门。另外还有专门的第二功能P3 口的第二功

21、能P3.0（10脚）：RXD （串行口输入端）P3.1 （11脚）：TXD （串行口输出端）P3.2 （12脚） ： /INT0 （外部中断0 输入端）P3.3 （13脚） ： /INT1 （外部中断1 输入端）P3.4 （14脚） ： T0 （定时器/计数器0 外部输入端）P3.5 （15脚） ： T1 （定时器/计数器1 外部输入端）P3.6 （16脚）：/WR （片外数据存贮器写选通信号输出端）P3.7 （17脚） ： /RD （片外数据存贮器读选通信号输出端）3、 74HC373!勺弓I脚及功能1) ） 74HC37期弓I脚图（图8）0B120VCC0021907DO318D7D141

22、7D601516* 067 4 H C 3 7 30261505D2?14D503813D4Q3912-04CND1。11LE图8 74HC373引脚图2) ) 74HC37期功能1)输出使能引脚OE和锁存控制引脚LE1脚是输出使能(OE),是低电平有效，当1脚是高电平时，不管输 入3、4、7、8、13、14、17、18如何，也不管11脚(锁存控制端，G) 如何，输出 2(00)、5(01)、6(02)、9(03)、12(04)、15(05)、16(06)、 19(07)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态)；当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端，G)上出现一个下降沿， 输出 2(00)、5(

23、01)、6(02)、9(03)、12(04)、15(05)、16(06)、19(07) 立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再 次有效。当三态门使能信号 0E为低电平时，三态门导通，允许 00- 07输出，0E为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时， 应使0E为低电平，止匕日t锁存使能端LE为高电平时，输出0A07状 态与输入端D卜D7状态相同；当LE发生负的跳变时，输入端 D0D7 数据锁入O0- O7 51单片机的ALE信号可以直接与74HC373H勺LE连 接。3) 74HC373W单片机接口D

24、0D7为8个输入端。卜O7为8个输出端。G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当 G 由“ 1”变为“0”时，数据输入锁存器中。OE为输出允许端；当OE=0”时，三态门打开；当OE=1”时， 三态门关闭，输出呈高阻状态。在MCS-51单片机系统中，常采用74HC373乍为地址锁存器使用， 其连接方法如上图所示。其中输入端 1D8雌至单片机的P0 口，输 出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号 ALE 输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。4、 CX20106A勺弓I脚注释红外信号 增益 检测端 地带通值波 积分端 信号 电源端输入端 诩节端器漏整端输出端

25、l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40kQo2脚：该脚与GNE间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的 一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特 性。增大电阻R或减小C,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之 则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中 不必改动，推荐选用参数为 R=4.7Q, C=3.3pF。3脚：该脚与GNa间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间 相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检 波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3 pF。4脚:接地端。5脚：该脚与电源端VCC入一个电阻，用以设

26、置带通滤波器的中心 频率f0 ,阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kQ时，fn =42kHz, 若取R=220kQ ,则中心频率f0 =38kHz。6脚：该脚与GNa间接入一个积分电容，标准值为 330pF,如果该 电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必 须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为 22kQ,没有接收 信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。8脚： 电源正极，4.5V5V3.3、程序设计流程图程序设计流程图如图9所示图9程序设计流程图3.4 、程序设计根据程序设计的流程图，可以编写如下程序代码：ORG 0000H

27、MAIN: MOV R1,#09HINIT:CLR P1.0MOV DPTR,#0FF2BHMOV A,#36HMOVX DPTR,AMOV DPTR,#0FF28HMOV A,R1MOVX DPTR,ASETB P1.0LOOP: JNB P1.7,MAINJNB P1.6,FADDJNB P1.5,FSUBAJMP LOOPFADD: MOV A,R1SUBB A,#01HMOV R1,A LCALL DELAYAJMP INITFSUB: MOV A,R1ADD A,#01HMOV R1,A LCALL DELAYAJMP INIT;使GATE为低电平，禁止计数; 送控制寄存器地址器中;

28、 送工作方式字; 工作方式字送到控制寄存器; 送通道 0 地址计数器 / 定时器初始值; 初始值送入通道0 寄存器;使GATE为高电平，允许计数; 返回子程序，继续扫描按键; 频率加步长; 中断处理; 频率减步长; 处理DELAY: NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPMOV R0,#1DJNZ R0,DELAYNOPRETEND4、仿真与调试4.1、 Proteus环境下的仿真调试根据设计的原理图，在Proteus环境中，绘制出仿真电路图，如图10所示图10仿真电路图口， I , IC7 M:;:-1: unnnMM g飞工XTALiTMI1STTFl ALEI工船由ZJTAH PI

29、JHFE3TAI3 FEVAIe FEWAI3P3BH：-：B F3.im-!i MOTTO PaMTT IEpjwT ra?iWF4.2、 仿真结果正确连接各部件线路，将源程序代码加入 Keil编译环境中，编译调试程序，然后将正确编译、连接后生成的HE双件，加入Proteus环境下的单片机中，是单片机可以仿真实际电路工作。仿真的结果如图11、图12所示Cltdiiiifil CTl-.ll.l_ _一 I 一*cK HChannel B Channel DSaurce 6 C D nr 一图11输出波形图VSM Counter TimerREST POLAftfirMANUAL RESETG

30、ATE MXJUMTY.人 TJTM01X JIMf fftm).CCHWT图12输出方波的频率超声波发射电路仿真结果如图13、图14所示图13发射波形图图14振荡衰减回波5、设计中的问题5.1 、硬件连接的若干问题在硬件连接过程中，遇到了一些问题，现做阐述如下：1、 由于 P0 口内部没有上拉电阻， 所以在外接数据时要外加上拉电阻，用来保护电路不被损坏；2、地址锁存器74HC37提连接单片机和8253芯片之间的用以锁存地址。这样的设计是由于数据线和地址线使用同样的P0端口，在输出地址时，由于需要对地址保持，从而需要对地址锁存，确保数据的正确传送。3、 由于仿真软件中，可以对8253芯片设置时

31、钟频率，故无需外加时钟电路。而在实际电路中，则需要正确接入时钟电路。 8253芯片对输入时钟脉冲有着固定的要求，因此，在实际电路中，需要根据手册，正确选择输入时钟信号。5.2 、软件调试的若干问题程序设计的流程图列出来以后， 就可以按照流程图的思路来编写程序。当源程序编写好了之后，可以进行编译。在编译的时候，遇到一些问题，现做阐述如下：1、由于程序的编写是根据硬件的设计对应而来的，因此，在写程序的时候，要特别注意对各个引脚的操作一定要正确，否则，将会出现不能实现功能的问题。如在对8253芯片写入初始化控制字和通道初值后，需要给8253芯片所选通道的门控信号一个上升沿脉冲，则对应的程序里，就要根据硬件的接法来给相应引脚送出上升沿脉冲。2、由于硬件电路中，调节频率的电路是由按钮组成的，因此， 在实现功能的时候，需要对电路加上去抖动环节。在程序编写的时候， 可以考虑使用软件去抖动。在加入的去抖动的延时程序中，要注意延 时时间选择要适当，保证功能实现的可靠性。3、仿真环境中，需要使用HE双件，因此，在