畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文目 錄第一章 緒論11.1 課題背景及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和需改進(jìn)的地方1第二章 超聲波測距原理42.1 超聲波簡介42.2 超聲波傳感器52.3 超聲測距原理62.4 盲區(qū)處理8第三章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案論證93.1 方案一93.2 方案二93.3 方案三103.4 方案確定10第四章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路及調(diào)試124.1 設(shè)計(jì)要求124.2 超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖124.3 各功能模塊電路介紹134.3.1 超聲波產(chǎn)生電路134.3.2 驅(qū)動電路模塊144.3.3 接收放大電路模塊154.3.4 峰值檢波模塊164.3.5 電壓比較器模塊17

2、4.3.6 電平轉(zhuǎn)換模塊184.3.7 溫度測量模塊194.3.8 鍵盤顯示電路214.4 超聲波測距系統(tǒng)硬件調(diào)試25第五章 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試275.1 超聲波測距系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程275.1.1 主程序設(shè)計(jì)流程275.1.2 距離計(jì)算流程285.2 軟件調(diào)試29第六章 超聲波測距系統(tǒng)最終調(diào)試30第七章 總結(jié)327.1 研究結(jié)論327.2 本系統(tǒng)的不足和需改進(jìn)的地方32參考文獻(xiàn)33致謝34附錄a 超聲波測距系統(tǒng)硬件電路圖35附錄b 超聲波測距系統(tǒng)軟件程序3655第一章 緒論1.1 課題背景及意義利用超聲波測量己知基準(zhǔn)位置和目標(biāo)物體表面之間距離的方法，稱為超聲波測距法。利用超聲波作為定

3、位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波(20khz以上的機(jī)械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。它在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機(jī)器人檢測和定位、以及流體液面高度測量等。超聲波測距在某些場合有著顯著

4、的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@種方法是利用計(jì)算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，因此它是一種非接觸式的測量所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。比如要測量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。目前基于超聲波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測等。本文結(jié)合超聲波精確測距的需要，分析了影響超聲波測距精確的多種因素，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，來有效提高超聲波測距系統(tǒng)的精度。1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和需改進(jìn)的地方一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年f.galton的氣哨實(shí)驗(yàn)。這

5、些年來 ，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)一些學(xué)者也作了相關(guān)的研究。對超聲波測距的精度主要取決于所測的超聲波傳輸時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時(shí)間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來提高測距精度。目前相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法。超聲波測距精度的探討1一文中提到測量回

6、波用到門限值的方法來測量回波的真實(shí)時(shí)間。選取一定的門限值，接收回波的包絡(luò)線大于門限值時(shí)確定為回波到達(dá)的時(shí)間?；夭ǖ牡谝粋€(gè)周期的峰值作為測量標(biāo)準(zhǔn)，以該值的75作為門限值，測出時(shí)間，由此計(jì)算出超聲波真實(shí)的到達(dá)時(shí)間。此方法對第3個(gè)波近似計(jì)算為波峰的75，所以對精度要求較高的測量并不足夠。超聲波測距誤差分析2認(rèn)為收發(fā)換能器分離比一體化更減少盲區(qū)距離。提出減小盲區(qū)的改善措施可以減少發(fā)射波串的長度，發(fā)射波頻率增高，波長減小，可以減少繞射，還可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。這些措施也有一定限度，例如：發(fā)射波串的長度過短將使得發(fā)射換能器激振達(dá)不到最大值或不能被激振。發(fā)射波頻率加高受到換能器特性限制，同時(shí)，發(fā)

7、射波頻率加高使超聲波在媒介中的衰減大幅度加劇，使作用距離下降。高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動機(jī)器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用3提出一種比較有效的測量回波方法。它對回波包絡(luò)線進(jìn)行峰值檢測作為回波時(shí)間點(diǎn)。傳統(tǒng)的測量方法，以接收信號的幅值超過系統(tǒng)所規(guī)定的閾值時(shí)的時(shí)刻作為停止計(jì)時(shí)信號。時(shí)間檢出點(diǎn)是隨距離變化而變化的，這種“時(shí)間檢出點(diǎn)”的變化就產(chǎn)生了距離測量的誤差。針對回波信號的特點(diǎn)，采用峰值時(shí)間點(diǎn)檢出方法，首先回波將經(jīng)過放大、濾波后的回波信號進(jìn)行線性包絡(luò)檢波，然后對檢波的輸出信號進(jìn)行微分處理，最后對微分電路的輸出進(jìn)行零點(diǎn)交叉檢測，即可得到回波信號的峰值時(shí)間，此時(shí)無論被測距離遠(yuǎn)近，即在回波信號包絡(luò)線的峰值點(diǎn)。一種高精

8、度超聲波測距處理方法4提出一種基于歸一化包絡(luò)曲線方程的抗起伏信號處理方法。處理步驟為：1用一定的檢測方法計(jì)算出方程中的起伏參數(shù)：2根據(jù)包絡(luò)方程推算出回波的理想前沿；3得到準(zhǔn)確的聲波傳輸時(shí)間；4乘聲速除2即得距離。這種方法從軟件算法上計(jì)算回波時(shí)間點(diǎn)，過程過于復(fù)雜，有效性不清楚。不如高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動機(jī)器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用的方法簡潔。且對于本系統(tǒng)指令響應(yīng)要求高，單片機(jī)存儲空間有限，較復(fù)雜的算法并不適用于本系統(tǒng)。用于微地形探測的超聲波測距系統(tǒng)5通過軟件編程和硬件方法，在繞射波有效階段封閉cpu中斷申請，躲避有效干擾。此方法能解決超聲波繞射問題，但是會增加盲區(qū)范圍。此文論述到處理這種串繞信號一

9、般有兩種方法：(1)通過軟件編程從開始發(fā)射到虛假反射波結(jié)束時(shí)清零，從而使其不會向cpu發(fā)出中斷申請，即可有效躲避干擾。(2)采用74ls74a構(gòu)成雙d觸發(fā)器，使比較后的信號僅在超聲波反射時(shí)間內(nèi)輸出為高電平，在從發(fā)射到接收到虛假反射波這段時(shí)間內(nèi)置0，從而在接收到串繞信號時(shí)也不會發(fā)出中斷請求。通過這兩種方法都能夠有效地躲過串繞信號，但同時(shí)也會形成盲區(qū)，系統(tǒng)的盲區(qū)約為loomm左右。對于本系統(tǒng)并不適用。自動增益電路在超聲波測距系統(tǒng)中的應(yīng)用研究6提出自動增益補(bǔ)償電路使誤差控制在02mm至05mm之間，并減少測距盲區(qū)，盲區(qū)范喇為6-7cm。此方法對提高精度和減少盲區(qū)都較有效。在軟件編寫的動態(tài)改變發(fā)射功率

10、時(shí)可以作參考。簡而言之，綜述研究現(xiàn)狀，雖然某些研究方法仍存在不足和困難的地方，但也可看到一些優(yōu)秀的測量方法，應(yīng)取其精華，去其糟粕。但總的來說，論文中系統(tǒng)的盲區(qū)范圍較大，一般有l(wèi)ocm左右距離，個(gè)別較好的有4-6cm距離。根據(jù)超聲波測距的原理，設(shè)計(jì)了以51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)，考慮到單片機(jī)測量精度受到內(nèi)部主振頻率或參考頻率的限制，從硬件電路設(shè)計(jì)角度出發(fā)，采用了一種單片機(jī)外部硬件擴(kuò)展計(jì)數(shù)電路，通過升高計(jì)數(shù)的參考頻率來提高了測距系統(tǒng)的計(jì)時(shí)精度，以最終提高了系統(tǒng)的計(jì)時(shí)精度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，效果良好。為了進(jìn)一步提高超聲波測距儀的測量精度和分辨力，又進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，采取

11、聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量相結(jié)合的辦法對聲速進(jìn)行修正，可有效地消除溫度變化對精度的影響，從而提高了超聲波往返時(shí)間的測量可靠性。第二章 超聲波測距原理2.1 超聲波簡介超聲波7簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍。一般而言是指聲音超過了20khz時(shí)稱之為超聲波。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。因?yàn)殡姶挪ǖ膫鞑ニ俣葹閙/ s，而超聲波在空氣中的傳播速度為340m / s，其速度相對電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播媒體里(如大氣條件)傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動的傳播方向與振動方向一致，是縱向振動的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播

12、介質(zhì)的分子運(yùn)動而傳播的，波動方程描述方法與電磁波是類似的: (2.1) (2.2)在公式中，a(x)為振幅，ao為常數(shù)，w為圓頻率，t為時(shí)間，x為傳播距離，k=2/為波數(shù)，a為波長，a為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為: (2.3)式中，a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣里，a= s2/cm，當(dāng)振動的聲波頻率f= 40khz(超聲波)代入式(2.3)，可得a= /cm，即1/=31m；它的物理意義是:在(1/a)長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動摩擦等原因，能量被吸收損耗。考慮實(shí)

13、際工程測量要求，在設(shè)計(jì)超聲波測距儀時(shí)，選用頻率f=40khz的超聲波。二 超聲波的傳播速度縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)以及介質(zhì)的密度。1. 液體中的縱波聲速： （2.4） 2.氣體中的縱波聲速： （2.5）式中： k-體積彈性模量 - 熱容比 p-靜態(tài)壓力 -密度例：t=0 c，超聲波在空氣中的傳播速度 c1=331.45m/s, c=331.45+0.61t (m/s) （2.6）式中 t:c 2.2 超聲波傳感器超聲波傳感器是近年來出現(xiàn)的用于超聲控制元件，它分為發(fā)射器和接收器。發(fā)射器將電磁振蕩轉(zhuǎn)換為超聲波向空間發(fā)射，接收器將接收的超聲波進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娒}沖信號。實(shí)質(zhì)上

14、是一種可逆的換能器，即將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振蕩，形成超聲波；或者由超聲波能量轉(zhuǎn)換為電振蕩。常用的傳感器有t40-xx和r40-xx系列，ucm-40t，ucm-40r等，其中t代表發(fā)射傳感器，r代表接收傳感器，40為中心頻率40khz。t/r40的特征參數(shù)如表1所示。表1 t/r40的特征參數(shù)圖型號t/r40-16中心頻率401khz發(fā)射電壓大于115db接收靈敏度大于-64db/v/ubar-6db指向50deg電容240025%允許輸入電壓20v總體上講超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：1）使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；2）是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式

15、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、功率和聲波特性各有不同，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，其又可分為兩類： （1）順壓電效應(yīng)： 某些電介物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱順壓電效應(yīng)（超聲波接收器的工作原理）。（2）逆壓電效應(yīng)： 在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)（超聲波發(fā)射器的工作原理）。 2、 工作原理 當(dāng)40khz的脈沖電信號加在超聲波

16、發(fā)射器上，由壓電陶瓷激勵(lì)器和諧振片轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，經(jīng)錐形輻射器將超聲振動信號以疏密波的形式向外發(fā)射出去。（錐形輻射器控制超聲波的發(fā)射角度） 接收器在收到由發(fā)射器傳來的超聲波后，使內(nèi)部的諧振片諧振，通過聲電轉(zhuǎn)換作用將電能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，由于該電脈沖的信號幅度很?。╲級）經(jīng)信號放大器放大，最后驅(qū)動執(zhí)行器使電路工作。常用的超聲波傳感器的諧振頻率（即中心頻率）為23khz，40khz,75khz,200khz,400khz等，諧振頻率高，在相同發(fā)射功率的前提下檢測距離短，但分辨力提高。2.3 超聲測距原理測距是立足于聲速在既定的均勻媒介傳播速度有一恒定數(shù)值，不隨聲波頻率變化的特點(diǎn)。超聲波測距的關(guān)鍵是

17、把聲源由反射到返回的傳播時(shí)間計(jì)量出來，若要求測距誤差小于0.01 米，那么測量時(shí)間的誤差必須小于30 微秒。因此，實(shí)現(xiàn)聲波測距須避開直接測量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測長精度。本文的硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測法，其原理為:檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波(假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體)，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間即往返時(shí)間。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。根據(jù)選擇的超聲波傳感器的不同，其工作原理也相應(yīng)有所不同。如收發(fā)一體的傳感器，其工作原理圖如圖2.1所示；收發(fā)分體超聲波傳感器，其工作原理圖如圖2.2所示。根據(jù)圖2.2通過測量發(fā)射與接受裝置之間的距離 h 利用直角三角形可求得：

18、 （2.7） 而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即:(1) （2.8）圖2.1 收發(fā)一體式換能器工作原理圖圖 2.2 超聲波測距原理在上式中，l 為待測距離，v 為超聲波的聲速，t 為往返時(shí)間（其中所測量的t為超聲波走過2s路程所需的時(shí)間。但由于超聲波的速度比較快，在測短距離的時(shí)候，將其作為超聲波走過2l路程的時(shí)間）。若要求測距誤差小于1cm，已知聲速v=344m/s(20時(shí))，顯然，直接用秒表測時(shí)間是不現(xiàn)實(shí)的。因此，實(shí)現(xiàn)超聲波測距必須避開直接測量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測長精度。對超聲波傳播時(shí)間的測量可以歸結(jié)到對超聲波回波前沿的檢測。檢測脈沖計(jì)數(shù)法: 脈沖檢測法是對有回波信號經(jīng)檢測電路產(chǎn)生的

19、脈沖進(jìn)行檢測的方法。本文采用的是脈沖檢測計(jì)數(shù)法。這種方法實(shí)現(xiàn)起來較包絡(luò)檢測方便，電路實(shí)現(xiàn)簡單，精度也較高9。實(shí)現(xiàn)的方法是當(dāng)回波信號經(jīng)放大處理后，進(jìn)入比較器，調(diào)整好合適的閾值在比較器的輸出端就會產(chǎn)生正負(fù)電平的變化，再通過三極管的截止和飽和的兩種狀態(tài)來產(chǎn)生高低電平的變化。利用查詢或者中斷的方法便可以檢測出這些脈沖，便于測量出發(fā)射到接收到脈沖的時(shí)間。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，采用的是查詢方式來檢測是否接收到了回波信號。2.4 盲區(qū)處理盲區(qū)處理是超聲波測距的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，盲區(qū)范圍大小是衡量測距系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在利用超聲波測量兩點(diǎn)間的距離時(shí)，對近距離測量要求高，因此盲區(qū)處理更為關(guān)鍵。盲區(qū)的形成是為解

20、決超聲波自身繞射問題而延伸出的另一問題。雖然增大超聲波換能器之間的距離能減少盲區(qū)范圍，但是由于受整個(gè)系統(tǒng)體積所限，而且增大超聲波換能器之問的距離使回波容易發(fā)散，所以本系統(tǒng)超聲波換能器的之間距離要盡量縮小，有部分波未經(jīng)反射物就直接進(jìn)入到接收換能器，形成繞射現(xiàn)象。第三章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案論證3.1 方案一本方案使用的單片機(jī)是stc89c52，它經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有8k的rom，便于編程。在超聲波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)中，首先通過軟件編程的方式由單片機(jī)的p0.0口來產(chǎn)生40khz的脈沖信號，再經(jīng)過三極管8050和變壓器進(jìn)行功率放大。在變壓器副線圈上將電壓10倍放大，這時(shí)在超聲波傳感器發(fā)射端上加載的正

21、弦電壓幅值約為100v來驅(qū)動超聲波發(fā)射端ucm40t，發(fā)出40khz的脈沖波信號，且持續(xù)發(fā)射200us。接收端采用與發(fā)射端配對的ucm40r，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?。在接收電路中設(shè)計(jì)了前置放大、帶通濾波（中心頻率f0=40khz）、自動增益控制（agc）電路和整形電路。前置放大前置放大、自動增益控制(agc)電路把微弱回波信號放大了200倍以上，足夠滿足后面整形電路的需要；帶通濾波電路為濾波效果比較理想的高q值、窄寬帶的二階帶通濾波器。由于超聲波回波信號隨著被測距離大小的變化，其幅值變化也很大， 必須經(jīng)過增益控制， 以滿足整形電路的要求。實(shí)現(xiàn)增益隨時(shí)間呈指數(shù)變化的agc電路有多種,設(shè)

22、計(jì)了通過軟、硬件結(jié)合的agc電路,它是由可編程放大器ad620an 、數(shù)字電位器max5400 結(jié)合單片機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)9。3.2 方案二在此方案中，仍然采用stc89c52作為超聲波測距系統(tǒng)的中心。但是采用555芯片來產(chǎn)生40khz的超聲波信號，并且通過單片機(jī)的一個(gè)i/o口來控制555芯片是否振蕩。然而要想利用超聲波測得的距離越遠(yuǎn)其發(fā)射功率也就需要更大，增大功率的方式有增大電流或是增大電壓的方式。在驅(qū)動電路中采用的是非門cd4069構(gòu)成推挽式的電流放大電路 ，通過提高cd4069的工作電壓的方式來將電壓增大，進(jìn)而增大發(fā)射功率。在超聲波接收放大模塊中，采用的是專用集成芯片cx20106a，這是一款紅

23、外線檢波接收的專用芯片。內(nèi)部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、 限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成，可以利用它作為超聲波檢測電路。接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)11。3.3 方案三在此方案中，采用stc989c52單片機(jī)作為超聲波測距的核心部分。在超聲波產(chǎn)生電路中，主要是利用單片的i/o口p0.4來控制555芯片的4腳。當(dāng)p0.4為低電平時(shí)，555芯片不工作；當(dāng)p0.4為高電平時(shí)，555芯片構(gòu)成了多諧振蕩器從而在3腳輸出40khz

24、的脈沖信號。在超聲波發(fā)射電路中采用的是cmos系列的與非門cd4069構(gòu)成推挽式的反向放大電路，同時(shí)也可以通過加大cd4069的工作電壓的方式來進(jìn)一步增大發(fā)射功率。在超聲波接收放大部分，采用的一階rc濾波電路和運(yùn)放tl084構(gòu)成的放大電路。由于超聲波接收器接收的信號幅度為毫伏級，因此采用將接收到的信號先濾波后放大的處理方式。在放大電路的設(shè)計(jì)中，為了避免由于增益過大造成運(yùn)放的自激振蕩，而采用兩級放大的方式，放大倍數(shù)為400多倍。然后經(jīng)過峰值檢波后轉(zhuǎn)化為直流信號，在經(jīng)過電壓跟隨器、電壓比較電路和利用三極管的截止與飽和狀態(tài)來獲取所需要的電平送至單片機(jī)處理。在超聲波發(fā)射的同時(shí)，啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器t

25、0用作計(jì)數(shù)方式，利用定時(shí)器t0的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波從開始發(fā)射到接收到信號的時(shí)間。當(dāng)接收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路的輸出端就會產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，即在p0.1口將由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而來停止t1計(jì)數(shù)，然后通過相應(yīng)的計(jì)算來算出所測距離并顯示。3.4 方案確定超聲波測距系統(tǒng)從理論上說是發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷ν恢话l(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計(jì)就相對簡單一些。但是，每一只實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個(gè)極限值之后，會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，

26、但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。在方案一中，采用單片機(jī)的i/o口來做超聲波的產(chǎn)生電路，在發(fā)射超聲波的同時(shí)將無法即時(shí)開啟計(jì)數(shù)器來準(zhǔn)確計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間，這樣將會帶來較大的誤差。另外采用變壓器的方式來增大發(fā)射功率，使得加載在超聲波傳感器的電壓為100v，而且在超聲波接收電路中采用自動增益的方式，這樣可以利用超聲波來近距離測量以及測量較遠(yuǎn)的距離。但是在本課題的技術(shù)指標(biāo)中要求的距離為4cm-4m，當(dāng)采用此方案時(shí)，其發(fā)射的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所需

27、要的功率，造成性價(jià)比下降，而且u=100v可能超過了超聲波傳感器工作電壓的極限值，將對傳感器內(nèi)部造成損傷。同時(shí)也可能會給使用者帶來造成觸電的危險(xiǎn)，而且變壓器的體積比較大，在使用時(shí)也會帶來許多不便。在方案二中，通過使用單片機(jī)的i/o口來控制555芯片工作與否的方式來發(fā)射超聲波，這就使得在計(jì)數(shù)時(shí)能夠獲得比方案一更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。另外還使用了專用集成芯片cx20106a和鎖相環(huán)電路，使得在頻率上能夠很好的鎖定f0=40khz的信號，抗干擾的能力較強(qiáng)，但是在采用這種方案將會大大提高設(shè)計(jì)成本。而且使得設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)更加的復(fù)雜。方案三在超聲波發(fā)射電路中采用了和方案二相同的電路，只是在超聲波接收部分的電路上有很

28、大的不同。在此方案中，考慮到超聲波傳感器的一些特性（即只有在40khz左右的信號能夠通過傳感器，其它頻率信號其衰減較快），因此在濾波電路中，只是采用rc電路構(gòu)成濾波電路。在信號放大模塊的電路中，考慮到傳感器所接收到的信號幅度為毫伏級以及運(yùn)放在增益過大時(shí)容易造成自激振蕩的特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩級放大的模式，最終放大400多倍，而且直接通過硬件就可以實(shí)現(xiàn)，使得在設(shè)計(jì)上比方案二較為簡單。另外，通過由二極管和電容構(gòu)成峰值檢波電路以及運(yùn)放和三極管構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，其實(shí)現(xiàn)上較為簡單，成本也較低。在此方案中要求在峰值檢波時(shí)要考慮延時(shí)時(shí)間的合理取值，而且在運(yùn)放選擇時(shí)一定要使用高速型運(yùn)放，這樣當(dāng)接收到回波信

29、號時(shí)，就能很快轉(zhuǎn)換好，使得測量的時(shí)間較為準(zhǔn)確。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過綜合考慮和比較后，最終采用了方案三來實(shí)現(xiàn)超聲波測距硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第四章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路及調(diào)試4.1 設(shè)計(jì)要求利用超聲波換能器和單片機(jī)設(shè)計(jì)一種非接觸式測距儀，該裝置的測量距離為4cm-4m，并且具有溫度補(bǔ)償、測量準(zhǔn)確、性能可靠性等優(yōu)點(diǎn)。1、掌握超聲波傳感器的工作原理并設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射器與接收器的工作電路。2、測量距離為4cm-4m，測量誤差1cm。3、溫度補(bǔ)償范圍：-20 - 500c。4、實(shí)時(shí)顯示實(shí)測距離、溫度。4.2 超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖通過對方案的比較和論證及設(shè)計(jì)要求的領(lǐng)會，將超聲波測距儀硬件設(shè)計(jì)電路分

30、成了：超聲波產(chǎn)生電路模塊、驅(qū)動電路模塊、超聲波接收放大電路模塊、峰值檢波模塊、電壓比較模塊、電平轉(zhuǎn)換、溫度補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制模塊和數(shù)碼顯示這九個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)。最后制訂了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)超聲波測距系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖4.1所示： 圖4.1 超聲波測距系統(tǒng)的基本組成計(jì)時(shí)驅(qū)動發(fā)射電路信號接收及放大電路峰值檢波及電平變換單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制超聲波發(fā)射器超聲波接收器溫度測量電路數(shù)碼顯示 接收 渡越 時(shí)間 按鍵控制發(fā)射 溫度 補(bǔ)償4.3 各功能模塊電路介紹 4.3.1 超聲波產(chǎn)生電路在本系統(tǒng)中利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生40khz的超聲波。圖4.2為555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，復(fù)位端4由單

31、片機(jī)的p0.4口控制，當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，電路停振；當(dāng)單片機(jī)給高電平時(shí)電路起振。接通電源后，電容c2來不及充電，6腳電壓uc=0，則u1=1,555芯片內(nèi)部的三極管vt處于截止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)vcc經(jīng)過r3和r2向c2充電，當(dāng)充至uc=2/3vcc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)u1 =0，vt導(dǎo)通；這時(shí)電容c2經(jīng)r2和vt放電，當(dāng)降至uc=1/3vcc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)u1=1。c2放電終止、又重新開始充電，周而復(fù)始，形成振蕩。其振蕩周期與充電時(shí)間tph和放電時(shí)間tpl有關(guān)，振蕩周期為： （4.1） （4.2） 由公式4.2可知，555多諧振蕩器的振蕩頻率由r2,r3,c2來確定12。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，先確定c2,r2的取值，

32、即c2=3300pf，r2=2.7 k。再將c2和r2的值帶入公式4.2中可知：為了方便在實(shí)驗(yàn)過程中使得555芯片的3腳輸出40khz的信號，在這里將其用10 k的電位器代替。為了增大u1的輸出功率，將555芯片的8腳接+12v的電壓，同時(shí)將其復(fù)位端4接高電平，使用示波器觀察555芯片3腳的輸出波形，如圖4.3所示。通過調(diào)節(jié)電位器r3的阻值，使其輸出波形的頻率為40khz，這樣就完成了超聲波產(chǎn)生電路。圖4.2 555構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖4.3 555芯片3腳的輸出波形 4.3.2 驅(qū)動電路模塊超聲波驅(qū)動電路是由門電路組成的傳感器振蕩發(fā)射電路， 其輸人信號由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器提供。超

33、聲波發(fā)射器由5個(gè)成對的cmos反相器cd4069 驅(qū)動。輸出級實(shí)際上屬于全橋式接法， 使發(fā)射器有效電壓增倍，電路圖如圖4.4所示。 在暫停發(fā)送期間，電容c3用于阻塞輸人電流中的直流成分， 起到保護(hù)超聲波發(fā)射器的作用。 為使發(fā)送器得到最大的能量，cd4069采用了12v電壓驅(qū)動。加在超聲波發(fā)射器上的信號應(yīng)為0+12v 的脈沖信號。每路信號經(jīng)過兩個(gè)并聯(lián)的非門是為了增加電流驅(qū)動能力。非門采用cmos產(chǎn)品，因?yàn)槠涔男。垢蓴_能力強(qiáng)， 驅(qū)動能力強(qiáng) 。該電路原理簡單， 連線方便，價(jià)格又相對便宜13。同時(shí)通過在輸入端加一上拉電阻r4來增大40khz方波信號的電流，從而也增大了發(fā)射功率。上拉電流的大小為：

34、圖4.4 超聲波驅(qū)動電路4.3.3 接收放大電路模塊超聲波接收傳感器通過壓電轉(zhuǎn)換的原理，將由障礙物返回的回波信號轉(zhuǎn)換成電信號，由于該信號幅度較小(幾到幾十毫伏)，因此須由低噪聲放大、40khz帶通濾波電路將回波信號放大到一定幅度，使得干擾成分較少，其電路圖如圖4.5所示。在此電路中，為了防止在超聲波接收器上始終加有一直流信號讓其工作導(dǎo)致傳感器的壽命縮短，從而加上一隔值電容c4，同時(shí)c4和r5也構(gòu)成了一濾波電路。在此電路中，放大部分采用的是高速型運(yùn)放tl084。在綜合考慮了反相放大器、同相放大器和測量放大器的優(yōu)缺點(diǎn)后，最終選擇了同相放大電路。因?yàn)橥喾糯箅娐返睦硐胼斎胱杩箁in=，理想輸出阻抗r

35、out=0，其帶負(fù)載能力較強(qiáng)等諸多因素，所以選擇此電路。在此電路中，根據(jù)同相放大器的閉環(huán)增益公式： (4.3)因?yàn)榻邮盏降男盘柗葹閹椎綆资练?，所以需要將其放?00多倍使得其接收到的40khz信號不會被干擾信號給掩蓋。為了防止引起運(yùn)算放大器的自激振蕩，在第一級放大電路中，r7取值為470k,r8取值為10 k,其增益放大:在第二級放大電路中，r11和r12的取值分別為100 k、10 k，其放大增益：其兩級增益：。同時(shí)根據(jù)公式4.4，計(jì)算出同相放大器的平衡電阻r6和r10，在這里r6和r10的取值均為10 k。同相放大器平衡電阻公式為： （4.4）由公式4.4可知，在圖4.5中,c5和電阻

36、r9構(gòu)成了一階濾波電路。圖 4.5 接收放大電路4.3.4 峰值檢波模塊當(dāng)信號經(jīng)過了接收放大模塊電路后，其輸出信號v2為40khz的交流信號。因?yàn)榻涣餍盘枱o法由單片機(jī)來處理，所以應(yīng)將交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號。在硬件的設(shè)計(jì)中，主要是通過電解電容c7的充放電來將40khz的交流信號轉(zhuǎn)為直流信號，在本系統(tǒng)中采用的是由檢波二極管in60和1uf的電容來實(shí)現(xiàn)該功能。通過公式4.5和4.6來分別計(jì)算其充電時(shí)間1和放電時(shí)間2 。同時(shí)要求其放電時(shí)間2 25us，這樣才能保證峰值檢波電路將40khz的交流信號轉(zhuǎn)化成直流信號。 其峰值檢波電路如圖4.6所示。 (4.5) (4.6)滿足設(shè)計(jì)要求。（其中rd1,rd2

37、分別為二極管的正向?qū)娮柚禐?20）圖4.6 峰值檢波電路 4.3.5 電壓比較器模塊 超聲波傳感器所接收到的信號經(jīng)過放大和峰值檢波后變?yōu)橹绷餍盘?，為了判斷其是否接收到的回波信號。同時(shí)因?yàn)楸容^器不需要相位補(bǔ)償，故適用于高速工作。為了判斷超聲回波信號前沿以進(jìn)行渡越時(shí)間t 的測定而設(shè)置一定的門限電壓，但由于每次測距的回波信號的峰值不同，當(dāng)選取一定的門限電壓時(shí)，如果門限值設(shè)置過高，會造成信號的漏觸發(fā)，但也不能設(shè)置過低，否則會造成噪聲信號的誤觸發(fā)。由于超聲波在空氣中傳輸時(shí)不可避免引入干擾，則比較基準(zhǔn)電平時(shí)利用電位器調(diào)節(jié)電壓，消除干擾。經(jīng)過多次測量并使用示波器觀察峰值檢波電路的輸出電平，最終將門限電壓

38、設(shè)置為1v，其實(shí)驗(yàn)電路如圖4.7所示。在此電路中，采用tl084中的其他兩個(gè)運(yùn)算放大器。當(dāng)超聲波接收到信號時(shí)其比較器的輸出電壓v4為+12v；當(dāng)沒有接收到信號時(shí)，其比較器的輸出電壓v4為-12v。圖4.7 電壓比較電路4.3.6 電平轉(zhuǎn)換模塊當(dāng)超聲波傳感器接收端接收到信號時(shí)，其比較器的輸出電壓為+12v；當(dāng)沒有接收到信號時(shí)，其比較其的輸出電壓為-12v。因?yàn)閱纹瑱C(jī)stc89c52的高低電平為06v左右，所以比較器輸出的電壓不能直接送給單片機(jī)去處理。因此可以通過采用三極管的截止與飽和兩種狀態(tài)將12v的電壓信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠處理的信號，其設(shè)計(jì)電路如圖4.8所示，在此電路中vcc接5v電源。當(dāng)超聲

39、波傳感器的接收端接收到回波信號時(shí)，其v3的電壓為+12v，這時(shí)三極管9013處于飽和狀態(tài)，p0.1口的電壓為低電平（0.3v左右），發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)沒有接收到回波信號時(shí)，其v3的電壓為-12v，這時(shí)因?yàn)槿龢O管的ube=-12v，所以三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)p0.1口為高電平（3.7v左右），發(fā)光二極管熄滅。其中電阻r15和r16均為限流電阻，其電流值為：。圖4.8 電平轉(zhuǎn)換電路4.3.7 溫度測量模塊在常溫下，超聲波的傳播速度為340m / s，但其傳播速度v易受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中溫度的影響最大。由式子2.6可知溫度每升高1，聲速增加約為0.61m / s。表2為超聲

40、波在不同溫度下的波速值。表2波速與溫度關(guān)系表溫度（）-30-20-10010203040波速（m/s）313319325332338344350388由表2可見溫度對于超聲波測距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了得到較為精確的測量結(jié)果，必須對波速進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本文采用ds18b20檢測現(xiàn)場溫度，用以實(shí)現(xiàn)實(shí)際波速的校準(zhǔn)。目前，大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進(jìn)行溫度測量時(shí)，通常采用模擬式溫度敏感元件：如熱電阻、熱電偶、紅外測溫儀等，將溫度轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大電路放大到合適的范圍，再由a /d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。此種形式的溫度測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試繁鎖，測量精度易受元器件參數(shù)影響。ds18b20是dallas公司

41、開發(fā)的12w ire (單總線)高精度數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器。它具有節(jié)省系統(tǒng)i/o口線資源，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，精確度高，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。12w ire (單總線)是dallas半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)。他將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為1根信號線。單總線適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。ds18b20抗干擾能力強(qiáng),轉(zhuǎn)換精度高，使用時(shí)無需標(biāo)定或調(diào)試，與微處理器的接口電路簡單，可方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)測溫，給硬件設(shè)計(jì)工作帶來了極大的方便。另外采用ds18b20能縮短開發(fā)周期，有效地降低成本，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，擴(kuò)展方便、占用系統(tǒng)i/o資源少，在多點(diǎn)溫度檢測中具有極為廣泛的應(yīng)用前景

42、。ds18b20提供912位精度的溫度測量，溫度測量范圍為- 55 + 125，在- 1085范圍內(nèi)，測量分辨率為0.5，增量值最小可為0.625，電源供電范圍3.05.5v。將測量溫度轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量最大需要750ms，而且ds18b20有2種供電方式：外部供電方式和寄生電源方式。采用信號線寄生供電，不需額外的外部供電，在需要遠(yuǎn)程溫度探測和空間受限的場合特別有用。每個(gè)ds18b20有唯一的64位序列號，這使得可以有多個(gè)ds18b20同時(shí)在一條單總線上工作。ds18b20的測溫原理如圖4.9所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1，高溫度系

43、數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將- 55 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在- 55 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄

44、存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖4.9中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中振蕩器溫度特性的非線性，以產(chǎn)生高分辨率的溫度測量。其輸出用于修正計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，這就是ds18b20的測溫原理。另外，由于ds18b20單總線通信功能是分時(shí)完成的，因此他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化ds18b20 (發(fā)復(fù)位脈沖) 發(fā)rom功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。預(yù)置計(jì)數(shù)器1減到0斜率累加器低溫度系數(shù)振蕩器溫度寄存器計(jì)數(shù)比較器減到0停止高溫系數(shù)振蕩器預(yù)置計(jì)數(shù)器2圖4.9 ds1

45、8b20測溫原理圖 增 加超聲波測距系統(tǒng)采用stc89s52作為控制核心，其測溫系統(tǒng)采用的是ds18b20芯片通過p1.7口將現(xiàn)場溫度及測量結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。p1.7接數(shù)據(jù)總線，控制ds18b20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)總線上還要接4.7k左右的上拉電阻。本系統(tǒng)對ds18b20采用外部供電，從vdd引腳接入一個(gè)外部電源。其優(yōu)點(diǎn)在于i/o線不需要強(qiáng)上拉，而且總線控制器無需在溫度轉(zhuǎn)換期間一直保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)傳輸，硬件電路如圖4.10所示。圖4.10 溫度測量電路4.3.8 鍵盤顯示電路hd7279 是一片具有串行接口的，可同時(shí)驅(qū)動并連接64個(gè)矩陣

46、按鍵的智能顯示驅(qū)動芯片。hd7279 內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受bcd 碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)具有兩種譯碼方式。此外，hd7279a 還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等，并且具有片選信號，可方便地實(shí)現(xiàn)多于8 位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口，hd7279的引腳說明如表3所示。hd7279a的控制指令分為二大類：純指令和帶有數(shù)據(jù)的指令。1復(fù)位(清除)指令a4h當(dāng)hd7279a收到該指令后，將所有的顯小清除，所有設(shè)置的字符消隱、閃爍等屬性也被一起清除。執(zhí)行該指令后，芯片所處的狀態(tài)與系統(tǒng)上電后所處的狀態(tài)一樣。 表3 hd7279引腳說明引腳名稱說明1,2vdd正電源3,5nc無連接

47、，必須懸空4vss接地6cs片選輸入端，此引腳為低電平時(shí)，可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)7clk同步時(shí)鐘輸入端，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8data串行數(shù)據(jù)輸入輸出端，當(dāng)芯片接收指令時(shí)，此引腳為輸入端；當(dāng)讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳在讀指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?key按鍵有效輸出端，平時(shí)為高電平，當(dāng)檢測到有效按鍵時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖?0-16sg-sa段g-段a驅(qū)動輸出17dp小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動輸出18-25dig0-dig7數(shù)字0-數(shù)字7驅(qū)動輸出26clko振蕩輸出端27rcrc振蕩器連接端28reset復(fù)位端2下載數(shù)據(jù)但不譯碼（如表4所示）表4 下載數(shù)據(jù)的控制

48、字和數(shù)據(jù)存放其中，a2 , a 1 , a0為位地址(參見下載數(shù)據(jù)a譯碼指令)，a-g和dp為顯小數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)7段led數(shù)碼竹的各段。數(shù)碼竹各段的定義見下圖。當(dāng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)位為1時(shí)，該段點(diǎn)亮，否則不亮。3閃爍控制88h （如表5所示）表5 閃爍控制字的存放此命令控制各個(gè)數(shù)碼竹的閃爍屬性。d1- d8分別對應(yīng)數(shù)碼竹1-8，0=閃爍，1=不閃爍。開機(jī)后，缺省的狀態(tài)為各位均不閃爍。4讀鍵盤數(shù)據(jù)指令15h（如表6所示）表6 鍵盤數(shù)據(jù)指令存放該指令從hd7279a讀出當(dāng)前的按鍵代碼。與其它指令不同，此命令的前一個(gè)字節(jié)00010101b為微控制器傳送到hd7279a的指令，而后一個(gè)字節(jié)d0-d7則為hd7

49、279a返回的按鍵代碼，其范圍是0-3fh(無鍵按下時(shí)為oxff)。此指令的前半段，hd7279a的data引腳處于高阻輸入狀態(tài)，以接受來自微處理器的指令；在指令的后半段，data引腳從輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)為輸出狀態(tài)，輸出鍵盤代碼的值。故微處理器連接到data引腳的i/o 口應(yīng)有一從輸出態(tài)到輸入態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)hd7279a檢測到有效的按鍵時(shí)，key引腳從高電平變?yōu)榈碗娖?，并一直保持到按鍵結(jié)束。在此期間，如果hd7279a接收到讀鍵盤數(shù)據(jù)指令，則輸出當(dāng)前按鍵的鍵盤代碼；如果在收到讀鍵盤指令時(shí)沒有有效按鍵，hd7279a將輸出ffh(11111111b)。hd7279a采用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)

50、從data引腳送入芯片，并由clk端同步。當(dāng)片選信號變?yōu)榈碗娖胶?，data引腳上的數(shù)據(jù)在clk引腳的上升沿被寫入hd7279a的緩沖寄存器。hd7279a的指令結(jié)構(gòu)有二種類型：1、不帶數(shù)據(jù)的純指令，指令的寬度為8個(gè)b it，即微處理器需發(fā)送8個(gè)clk脈沖。2、帶有數(shù)據(jù)的指令，寬度為16個(gè)bit，即微處理器需發(fā)送16個(gè)clk脈沖。3、讀取鍵盤數(shù)據(jù)指令，寬度為16個(gè)b it，前8個(gè)為微處理器發(fā)送到hd7279a的指令，后8個(gè)bit為hd7279a返回的鍵盤代碼。執(zhí)行此指令時(shí)，hd7279a的data端在第9個(gè)clk脈沖的上升沿變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，并與第16個(gè)脈沖的下降沿恢復(fù)為輸入狀態(tài)，等待接收下一個(gè)指令

51、，其串行接口的時(shí)序如圖4.11所示。hd7279a應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管。應(yīng)用中，無需用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連接，省去數(shù)碼管或?qū)?shù)碼管設(shè)置消隱屬性均不會影響鍵盤的使用。 如果不用鍵盤，則典型電路圖中連接到鍵盤的8只10k電阻和8只100k下拉電阻均可以省去。如果使用了鍵盤，則電路中的8只100k下拉電阻均不得省略。除非不接入數(shù)碼管，否則串入dp及sa-sg連線的8只200。電阻均不能省去。圖4.11 串行接口的時(shí)序圖實(shí)際應(yīng)用中8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線digo-dig7的8只電阻(以下簡稱位選電阻)，應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍;下拉電阻

52、的取值范圍是10k-100k，位選電阻的取值范圍是1k-10k在不影響顯小的前提下，下拉電阻應(yīng)盡可能地取較小的值，這樣可以提高鍵盤部分的抗干擾能力。因?yàn)椴捎醚h(huán)掃描的工作方式，如果采用普通的數(shù)碼管，亮度有可能不夠，采用高亮或超高亮的型號，可以解決這個(gè)問題。數(shù)碼管的尺寸，亦不宜選得過大，一般字符高度不宜超過1英寸，如使用大型的數(shù)碼管，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路。hd7279a需要一外接的rc振蕩電路以供系統(tǒng)上作，其典型位分別為r=1.5k，c=15pf。如果芯片無法正常上作，請首先檢查此振蕩電路。在印刷電路板布線時(shí)，所有元件，尤其是振蕩電路的元件應(yīng)盡量靠近hd7279a，并盡量使電路連線最短。hd7279a的reset復(fù)位端在一般應(yīng)用情況下，可以直接與正電源連接，在需要較高可靠性的情況下，可以連接一外部的復(fù)位電路，或直接由mcu(單片機(jī))控制。在上電或reset端由低電平變?yōu)楦唠娖胶?，hd7279a大約需要經(jīng)過18-25ms的時(shí)間才會進(jìn)入正常工作狀態(tài)。上電后，所有的顯示均為空，所有顯示位的顯示屬性均為顯示