導語：如何才能寫好一篇高低頻電路設計與制作，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：波形；幅度；頻率

1 研究背景及意義

波形發生器亦稱函數發生器，作為實驗用信號源，是現今各種電子電路實驗設計應用中不可缺少的儀器設備之一。傳統的信號發生器可由硬件電路搭接而成，但這種電路波形質量差、控制難、可調范圍小、電路復雜且體積大，因此在本設計中，采用AT89C52單片機和DAC0832數模轉換器制作成數字低頻信號發生器，具備價格低、性能高、在低頻范圍穩定性好、操作方便、體積小、耗電少等優點。

2 系統設計

系統以AT89C52單片機為主控芯片，輔以D/A轉換電路、基準電壓電路、電流/電壓轉換電路、按鍵和波形指示電路、電源等電路。當按下四個按鍵中的任一個按鍵，輸出端分別輸出鋸齒波、三角波、正弦波、方波，并且有四個不同顏色的發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計

本設計以鍵盤的數目來選擇鍵盤最適合的接法，鍵盤的數目為4個，因此選擇接口方案為獨立式接法，即每一個I/O口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地，利用單片機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口的電平狀態就可以了解是否有按鍵動作。基于AT89C52單片機的波形輸出控制按鍵電路的設計如圖2所示。

2.2 波形指示電路設計

基于AT89C52單片機的波形指示電路的設計是通過按鍵控制可產生鋸齒波、三角波、正弦波、方波，同時采用四種不同顏色的LED指示其對應的波形。基于AT89C52單片機的波形指示電路的設計如圖3所示。

2.3 D/A轉換電路的設計

本設計中選用DAC0832芯片，DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路構成，為電流輸出型D/A轉換芯片。在單片機應用系統中，通常需要電壓信號，因此在使用時，RFB、IOUT1、IOUT2這3個引腳外接運算放大器LM324，以便將轉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 結論

本設計基于AT89C52單片機，采用數模轉換電路（DAC0832）、運放電路（LM324）、按鍵電路、波形指示電路、晶振電路、復位電路等，產生所需不同信號的低頻信號源，其幅度和頻率可按要求控制。通過按鍵編程實現產生鋸齒波、三角波、正弦波、方波等，同時用LED顯示燈指示對應的波形。本系統設計思路清晰、性能較好，具有一定的實用性。

[參考文獻]

[1]胡漢才，主編.單片機原理及接口技術.北京：清華大學出版社，1996.

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

回憶一下，執筆之時距初次試聽三諾N-50G正好60天。但不知從何時起，已習慣于待每日下班散去忙碌與喧囂之后，留出一些時間與這款箱子獨處，感受它帶來的恬淡和平靜。幾年間，過耳的千元級2.0箱子并不少。這些產品受設計廠家文化底蘊、技術功底、設計實力，以及音樂素養的影響，總是具有各自不同的聲音風格。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。而在外觀方面，三諾N-50G樸實而簡潔，倒也與其聲音風格相配。

了解一款產品，總是需要多角度細細著手。我們還是從它不同方面的特質去剖析吧。

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，因為它很簡潔。灰色的防護網罩、經過黑色高光處理的前障板和深棕色的箱體均偏向深色調，它的整體線條也給L--種傳統而又硬朗的感覺。那么，N-50G在箱體上的用料又如何呢?三諾在這款產品上所用的板材為18mm中密度板，對于一款千元級的2.0音箱來說是相當不錯的。而且在前障板部位還采用了雙層粘合設計，使其強度達到了等效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于聲音的影響，確保聲音的純凈。

就個人而言，我并不贊同2.0音箱在箱體表面上引入高光處理工藝。因為站在2.0音箱用戶的角度來說，在一款產品使用之初，總會不可避免地反復擺位調試。其間手掌和手指接觸箱體是在所難免的，而經過高光處理的箱體，此時也會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備了手套和絨布來應對這種情況。而且擦拭高光處理的箱體表面是一件非常耗時費神的事情，這一點我深有感觸。

獨特內涵――N-50G的內部配置

對于設計側重點完全偏向于音質的2.0音箱來說，其采用的揚聲器單元、分頻方式、內部元器件和電路設計，是決定聲音風格和影響音質的幾大部分。要深入了解這款產品，我們不妨將目光轉向它們。

1　單元配置

高音單元的振膜材質對音質和音色具有非常重要的影響，不同振膜材質有著不同的聲音特點。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的硬球頂高音振膜，以棉布、絲絹、防彈布為材質的軟球頂高音振膜。硬球頂振膜回放高音的頻率范圍最寬，對音樂信號的瞬態反應也最好，但聲音偏硬；而軟球頂振膜的回放頻帶較寬，解析力高，聲音通透細膩。

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

N-50G的低音單元設計比較獨特，采用了一款設計獨特的6.5寸紙漿松壓盆揚聲器，針對低音單元的分隔振動進行了多項特殊的設計。這款紙盆采用特殊紙漿撈制，并在紙漿中不規則地混入碳纖維作為加強筋，以增加紙盆的剛性。由于采用了松壓紙盆并且經過不規則補強，整張紙盆在工作范圍內的分割振動能被降到最低，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出良好的質感。

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勢，因為電子分頻是從功率放大器輸出聲功率，直接驅動揚聲器，中間不介入其它器件。這樣就避免了功率分頻的缺點，減少了功率損耗，使分頻點更加精確，各頻帶間的平衡調整更簡便易行，相位和瞬態特性良好，無調制失真，提高了音質。

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

3　元器件和電路設計

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線設計――音樂信號從上端引入，交流電源從下端進入，內部走線分開，可有效隔絕220V交流電源對音頻信號的干擾。由于其聲音風格調校得比較偏監聽，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立調節功能。

它的控制方式采用了音量+高低音旋鈕的組合，并選擇了帶中點定位的電位器，僅憑手感就能準確的找到中點位置，使用起來還是比較方便。N-50G仍采用傳統的主副箱結構，為了便于區分，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的接線柱，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，電源變壓器設置在背板上。功放部分采用雙板設計，音調部分和功率放大各占一塊電路板，兩者完全分開，互不干擾。其音調部分采用了NE5532運放，雖然不是什么發燒元件，但性能對于多媒體音頻已經足夠了。對于一些喜歡動手機的用戶來說，還可以自己將其更換為更高級的運放以獲得性能的進一步提升。

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芯片構成，其中一片驅動兩聲道高音單元，另外兩片橋接后分別驅動兩個低音單元，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的各項保護功能較全，除了過熱和短路保護，還有靜音功能，可消除開關機的電流沖擊聲。

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，再好的揚聲器也無法勝任低頻和大功率下面的表現力，整體音質水平將因此大打折扣。在供電部分，N-50G采用了120VA的環形變壓器，為整個系統提供了充沛的供電。

聲如淡茶――N-50G的聽音感受

最初聆聽N-50G，一時還讓我不太適應，因為其追求的是良好的還原性和 平衡感――與純粹的監聽風格不同，它對聲音有輕微的著墨，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聽箱，那么三諾N-50G就如同一盞淡茶，對音樂的詮釋帶著清新之感，既不過于濃厚，也不過于平淡。不會在第一時間給人以強烈的聽覺沖擊，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。

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

在低頻上，它所展現的是一種穩重并富于控制力的低頻。得益于電子分頻不存在傳統分頻器的插入損耗以及阻尼悉數較高的優勢，N-50G在回放《加州旅館》時，其低頻在音調旋鈕置于中間默認位置的狀態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，則需要將音調旋鈕調到2點或3點位置，這時N-50G帶來的則是一種相對兼顧音質和量感的效果。

在中頻方面，N-50G是一種中性且略帶潤澤的風格。在古璇所演唱的《城里的片光》一曲中，N-50G對人聲拿捏有度，厚而不老。值得一提的是，與以前聽過的一些級別相近但風格不同的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的高頻清晰細膩，解析力較高。雖然不是那種能在瞬間抓住耳朵的風格，但細聽之后卻讓人感到舒適耐聽。特別是在回放弦樂時，對于樂器的質感和細節表現得比較透徹。必須提到的是，在測試搭配中，我不僅選擇了TempoTecHiFier幻想曲這款素質出色的聲卡，還分別挑選了TerraTec Fire6 LT和創新SBLive!聲卡作為音源。經過對比，我們發現N-50G比較容易暴露音源的弱點，因此搭配一塊較高素質的聲卡是很有必要的，檔次至少應該高于SB Livel級別。

在聲場和聲像定位測試上，N-50G由于采用了“點音源”和電子分頻設計，聲場鮮明，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感，對臨場感有很大幫助。

由于電子分頻有效提升了功放對揚聲器的控制力，因此N-50G的解析力在整個頻段上都表現得比較好：這與僅靠提升中高頻來獲得解析力的錯覺和假相不同，在所有的頻段上對聲場的刻畫都細致入微，在播放一些錄音優秀的曲目時，N-50G的聲場寬廣定位感良好，形體感也比較強烈，這是很難得的。

注：所謂“點音源”設計，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―點的設計。“點音源”是理論上最理想的狀態，但音箱一般采用高低音分頻設計，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人耳時就會產生時間差，這會嚴重影響聲場定位和聲音的自然感，是臨場感的重要破壞因素。傳統家用音箱聽音距離較遠，因此高低音的時間差較小，不至于產生重要的影響。但多媒體近場聆聽卻不同，一般聽音距離都在1米以內，在這樣短的使用距離下，高低音之間的距離就變得無法忽略，因此盡可能的縮短高低音之間的距離對多媒體音箱而言非常重要。

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【關鍵詞】STM32；紅外線發射管；紅外線接收頭；LM386

此外我們的語音信號放大采用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現音頻放大功能，頻率范圍控制在題目要求的30HZ至3400HZ之間，采集音頻信號通過電能，光能等能量的轉化實現音頻信息的還原，實現了基本要求和發揮部分。我們組的特色是實現功能的同時，所選都是通用而價格低廉的元件，各種功能均已實現。

1.方案論證與選擇

1.1 產生方波方案

方案一：555發生器產生方波，選用LM555CM利用芯片的自身結構并配合電路：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化為方波

方案二：用比較器產生方波，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F為：F=R3/（R3+R4）相較于常用的LM324和741可以產生較好的方波波形，但也是局限于低頻區域。

方案三：用調制管實現產生180K方波的電路，并集成在發射電路部分，具有體積小，功能強，干擾小的特點，并且可以便于將180K的載波與信號相疊加。

經過實踐和論證我們最終確定用方案三來實現產生180K基波的功能。

1.2 紅外發射電路方案

方案一：由555時基電路構成，電路簡單，抗干擾能力強。適合家用電器和小型儀器用途和開關。

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

方案三：采用與門將180K的基準信號和要傳播的信號通過74LS08與門，180K的基準信號通過調制器產生并加在電阻的前級，就會產生周期相與的高低電平脈沖信號。

通過論證，并搭建實物進行比較，我們最終確定了用方案三，并達到了理想的效果。

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，經過三極管Q1通過第一級放大的信號傳輸到三極管Q2的第二級。但距離比較近時阻擋了接收管接收紅外線的強度，產生了一個低電平的脈沖信號，使得信號傳輸的效果失真。

方案二：用接收管來接收信號并將光信號轉換為弱電流信號用以驅動三極管9013的工作。三極管把電流信號放大產生的電流信號用在音頻信號的輸入。

經過論證和比較我們，并且搭建出實物，我們最終確定采用方案三來實現接收功能。

2.總體方案設計

2.1 原理分析

紅外線傳輸需要180K的載波，這個頻率是固定的，我們用555電路搭建了出來，在傳輸的信號中表頭必須有10倍的載波周期輔助，結尾必須有77.8us的高電平信號，因而固定地占有了160us的時間，中間的信息傳輸中，需要將音頻信息添加在載波中，音頻的傳輸實質就是辨別不同的頻率，從而傳輸的時間不同，占空比不同。在頻率調制的過程中用180K的基波和300HZ到3.4KHZ進行調制，將信號呈周期不同的狀態進行疊加傳輸。

2.2 方案對比

方案一：我們之前用的方案是用單片機用AD轉換采8位信號，并用DA模擬出來，采樣的頻率是6.8K，傳輸一個數據的頻率是1K，因而難以達到要求。后來我們想把信號減小為4位傳輸但傳輸的頻率是2K，因為我們的采樣點就相應的增加，而且音頻信號由于適量地丟失，造成我們的音頻信號有很大的傳輸缺陷，從而使得還原的信號失真明顯而且會丟失一些重要的數據。

方案二：我們想利用傳輸的數據差來模擬信號，這樣可以把部分傳輸的頻率由原來的8位減少到4位，但是一小部分高頻的信號還是傳輸了8位。與此思想類似的是用數據去除個固定值如1000，可以將數據整體減小為4位，但是數據會大幅度的減小，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現電路。音頻信號大多是正弦波，利用比較器可以將其轉換為方波，用此信號來驅動三極管的開斷，在之前的調試中，由于紅外

3.硬件設計之單元電路設計

3.1 紅外發送模塊

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

3.2 紅外接收電路模塊

紅外線接收管是在LED行業中命名的，是專門用來接收和感應紅外線發射管發出的紅外線光線的。

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通過放大選通電路，后級接入了低通濾波器，用喇叭將原來的聲音信號真實地還原出來。

4.軟件

因為發揮部分要求增加數溫度字通道，我們采用程序編碼解碼來傳送數字信號。我們用8位二進制數表示溫度，然后再在這個字節前加一個表頭。我們用50us的高電平加120us的低電平表示表頭表示一個數的開始。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.制作和測試

我們組剛開始開始討論方案，并走了一些彎路，但經過不懈的努力，仿真，繪制PCB版，調試，最終得到了較為理想的結果。

5.1 測試條件和儀器

檢查多次，仿真電路和硬件電路與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器使用的儀器表，高精度的數字毫伏表，模擬示波器。

5.2 測試結論

經過我們的測試和較為嚴密的分析，我們的電路將信號盡最大的可能通過紅外線傳輸到了我們的接收裝置上。在規定的無差范圍內，而且語音沒有明顯的失真。

6.結論

由于系統架構設計合理，功能電路實現較好，系統性能優良、穩定，較好地達到了題目要求的各項指標。

參考文獻

[1]ALAN V.OPPENHEIM.信號與系統[M].西安：西安交通大學出版社，1997.

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關鍵詞：心電放大電路；波形仿真；低噪聲；濾波器；數據采集

中圖分類號：TP212.9文獻標識碼：B

文章編號：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

監護儀是一種用以測量和監控病人生理參數，并可與已知設定值進行比較，如果出現超差可發出報警的裝置或系統。便攜式監護儀小型方便，結構簡單，性能穩定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于非監護室及外出搶救病人的監護。心血管疾病是人類生命的最主要威脅之一，而心電(Electrocardiogram,ECG)信號是診斷心血管疾病的主要依據，因此實時監測病人心電活動，設計自動采集病人心電信號的便攜式系統具有重要意義。

傳統的導聯系統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動電極。這種聯接方式有效實用，有利于便攜使用。便攜式監護儀分析處理系統可以分為兩大部分，一是攜帶在被檢查者身上的袖珍監護儀，二是由微機系統組成的心電圖處理診斷系統。被檢查者將某一時段的動態心電信號由監護儀記錄下來，通過GPRS通信方式將數據傳送到醫院的心電圖處理診斷系統中。心電信號是由人體心臟發出相當復雜的微弱信號，為了獲得含有較小噪聲的心電信號，需要對采集到的心電信號做降噪處理。

本設計的特點：

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

(2) 與以往雙T型50 Hz陷波器不同的是，該設計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,設計了導聯電極脫落檢測電路，防止運動輸入電極脫落。

1 心電信號的特點及整體系統結構

心電信號屬醫學生物信號，它一般具有以下特點：隨機性較強，即信號無法用確定的函數描述，而只能用統計的方法，從大量測量結果中看其規律；噪聲背景強，即要測的有用信號往往淹沒在許多無用信號中。常規心電信號的頻帶范圍是0.05～100 Hz，在此頻帶范圍內包含了心電信號90%的能量成分。由于心電信號是mV級的信號，因此對于干擾環境而言，它是非常微弱的信號。

心電信號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。它淹沒在許多較強的干擾和噪聲之中。這些干擾主要包括肌電信號、呼吸波信號等體內干擾信號和以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干擾信號的影響。信號源阻抗大約100 kΩ，信號為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；為保持信號的穩定，還要求輸入失調電壓和偏置電流小、溫漂小；為了便于隨身攜帶，還要求體積小、電源電壓低、耗電少等。

對心電信號進行精確測量，必須設計出性能優良的放大器。放大器的核心和關鍵是前置級的設計。整個前置級電路由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構成。從體表獲得的心電信號經導聯輸入后,ECG信號經運放構成的前置放大器放大,濾波器濾除其中的高頻干擾后,再經一個50 Hz陷波器進一步抑制電源干擾,然后通過電平位移進入A/D轉換,從而得到數字化的心電信號。

2 電路結構描述，心電信號的傳感、放大及濾波

2.1 電路結構描述和仿真

整個監護儀是由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構成。醫學傳感器獲得體表的心電信號濾除其他頻段干擾后經過放大調理和A/D轉換之后傳給計算機以供數據分析。其中便攜性方面設計了電極脫落檢測電路，擺脫電纜羈絆，使使用者能隨身攜帶。硬件電路用Workbench軟件進行仿真能實現其功能,采用的濾波函數用Matlab和Filterlab軟件仿真之后能達到設計要求。濾波方法采用50 Hz陷波之后，再經過高低通兩級濾波，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

電極對動態心電圖采集記錄心電信號的質量至關重要，采用電極應貼附力強、透氣性好、吸汗、電極導電性能好、極化電壓低的優質電極，此外還應該具有對皮膚刺激小、佩帶舒適、拆卸方便等優點。通常采用表面鍍有AgCl的可拆卸的一次性軟電極，并在電極上涂有優質導電膏。

2.3 前置放大器

便攜機前置放大電路是對心電功能進行自動檢測的關鍵部分，要求該系統能在強的噪聲背景下，通過體表傳感器不失真地將心電信號檢測出來，放大至合適的幅度，送入A/D 變成數字信號，供計算機分析處理。

對心電信號等生物醫學信號的采集采用模塊化的方式，主要由前端醫學傳感器、信號濾波放大調理電路和A/D采樣電路組成。其中調理電路根據不同生物醫學信號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ECG信號進行放大，此部分包括右腿驅動以抑制共模干擾、屏蔽線驅動以消除引線干擾，增益設成10倍左右。設計前置放大采用美國模擬器件公司生產的醫用放大器AD620。放大后的信號經濾波、50 Hz陷波處理后再進一步放大，后級增益設成100倍左右。由于心電信號幅度最大為幾個mV，而A/D轉換中輸入信號的幅度要求在1 V以上，所以總增益設成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，工頻中的其余高次諧波也可被濾除掉。同時，采用有源雙T帶阻濾波電路進一步抑制50 Hz工頻干擾。

2.4 心電信號的放大

心電信號屬于高強噪聲下的低頻微弱信號,且電極與體表的接觸電阻一般高達幾兆歐,所以要求前置放大級應具有高輸入阻抗、高共摸抑制比、低噪聲、高增益且可調、低功耗和抗干擾能力強的特點。經過比較,選用Analog Device公司的低價儀表放大器AD620。

心電信號的放大具體實現電路見圖1。心電信號前置放大級的增益不易設定太高，以免在干擾較強時信號引起嚴重失真。為更好地消除共模電壓，設計了自舉屏蔽驅動電路如圖1所示。采用緩沖放大器將連接點的共模電位驅動到屏蔽線，在輸入共模信號時使屏蔽線與芯線等電位，在差模信號輸入時沒有影響。為了進一步提高電路的抗干擾能力，采用右腿驅動電路從根本上降低空間電場在人體上產生的干擾。此右腿驅動不是實際意義上的右腿驅動，因為由于此系統的側重點在于便攜操作，選用腹部右下側設置電極。

圖1 心電信號放大電路示意圖

2.5 電極脫落檢測

由于此系統應用于人體日常生活中，人常常處于活動狀態，這樣輸入電極很可能脫落，從而使系統不能正常工作。為此，設計了導聯電極脫落檢測電路如圖2所示。

圖2 電極脫落檢測電路

正常情況下，正負電極對人體皮膚形成的極化電壓可以互相抵消。當一側電極脫落時，將有較大的極化電壓輸入，通過一個比較器，當比較電壓超出范圍時，認為電極導聯脫落，Vo輸出電平由正常時的高電平變為低電平，下級三極管導通，蜂鳴器發聲指示。

2.6 心電信號的濾波

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、人為運動肌電干擾(EMG)、基線漂移等。其中50 Hz的工頻干擾最為嚴重，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先要經過前置放大電路，被處理后的信號具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時候的心電信號主要受到工頻、肌電等信號的干擾。心電信號需經過兩次陷波和兩次濾波以實現消噪的目的，兩次陷波分別濾掉50 Hz的工頻信號和100 Hz的倍頻諧波信號，兩個濾波器分別是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網絡的有源濾波器，其傳遞函數：

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。品質因數Q可以通過變阻器Rw來調節。R和C的值可由中心頻率f0確定。

f0=12ΠRC(3)

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

圖4為式(1)傳遞函數的Filterlab 2.0的仿真結果。由此可以看出陷波電路設計符合要求。

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：

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

低通濾波器的傳遞函數：

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

各電阻電容值的選取，除了能夠濾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的濾波仿真結果，從圖中可以看出，信號在50 Hz處被很好地抑制了，濾波的效果非常理想，完全可以達到臨床實用的要求。

濾波器對最終信號的質量尤為重要，由于濾波器的性能對元器件的誤差相當靈敏，因此在這一級的設計中需要選用穩定而精密的阻容原件，可串聯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 語

電路中各濾波器的性能與濾波器的參數有直接關系，需經過正確計算。陷波器雙T型網絡中的電阻和電容需要精確匹配，以保證雙T網絡的對稱，否則陷波深度會受影響。變阻器如何調節將會影響波形的好壞，可在實驗中調試得出。

圖7是實際電路測試的結果(縱坐標為μV)，可以看到該電路較好地完成了對心電的降噪。當然，在降噪過程中還可以增加屏蔽技術，以進一步減少外部信號的干擾。帶通濾波器還可以設計成只帶一個放大器的濾波器，使電路更為簡單，但是精確率可能會降低。

圖7 實測心電信號圖

要想獲得清晰穩定的心電信號，心電放大器中前置放大器與濾波器的設計很關鍵,特別是50 Hz的帶阻濾

波器尤其重要。本文設計的以AD620型運放構成的心

電放大器可實現輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度,保證心電信號清晰穩定,按上述設計制作出的監護儀體積小、耗電少、攜帶方便、工作正常。經實測輸出心電波形基本無失真,P波、T波都能得到真實顯示。特別是該電路抗50 Hz陷波性能好,信號中基本看不到寄生工頻干擾。電路穩定性好,即使電極脫落,基線亦無明顯漂移。滿足家居監護以及病理分析的要求。

作為便攜式監護儀器,硬件結構簡單、體積便于攜帶是其自身固有的特點。本文針對這些特點,心電信號采集存儲和數據處理從節省電能和成本方面考慮采用MSP430單片機。為使濾波函數得以更好地實現，可采用具有運算速度快和浮點運算優點的DSP芯片進行改進，使采集的信號失真更小,保真度更高,對ECG信號的采集準確率大大提高，但DSP昂貴的價格會使成本提高。

參考文獻

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作者簡介

董偉超 男，1982年出生，河北保定人，碩士研究生。主要研究方向為微系統集成技術。

篇5

1.1 選題研究背景、目的及意義

1.1.1 課題研究背景

本課題屬于設計性課題。21世紀人類已進入信息社會，汽車及交通也已邁入信息時代。當前信息技術在汽車及交通領域中的應用項目相當多，發展速度可以說是“日新月異”,各種媒體多有報道。

可大致歸納為4個方面，即車輛安全系統，網絡、通訊及導航系統，智能交通系統和移動多媒體系統。隨著汽車的日益普及, 停車場越來越擁擠, 車輛常常需要在停車場穿行、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有發生, 在夜間時則更顯突出。車輛安全系統通過應用電子信息技術，使車輛實現高智能化，極大地改善車輛人機系統的安全性，以避免事故的發生和減少傷害程度。

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的結合起來，完成汽車倒車報警系統的設計，能夠了解單片機技術的現狀，而且通過對電路系統的設計，學習掌握了數字電路從原理圖到PCB版的全部過程，形成完善的設計思路以及思想，并通過對汽車倒車超聲波報警器的軟件設計的過程，鍛煉應用C以及相關匯編語言等軟件設計電路程序的能力為以后參與實際工作奠定良好的設計基礎。

本課題要求使用現在應用非常廣泛的計算機軟件PROTEL，隨著計算機技術的發展，計算機軟件在電路設計中的應用越來越廣泛， Protel是人們熟悉的常用EDA軟件。作為電路設計自動化（EDA）的一種工具，Protel應用于電路原理圖設計、電路板設計等，它基于Windows環境，功能強大，人機界面友好，能讓人們在具有最完整的功能環境下，提升設計上的品質和效率。本課題將要求Protel在電路設計中的應用，包括電路原理圖設計和印刷電路板設計以及設計過程中遇到的問題和解決方法。這樣使學生也能將所學與所用有機結合起來，在步入工作崗位之前得到全方位的工程設計訓練。

通過對汽車倒車報警電路的設計能初步具有用PROTEL軟件設計電路原理圖以及電路版圖的能力。與實際電路相結合，通過理論聯系實際的方法，使所學的知識通過自己設計思考真正應用到實踐中。

微波探測技術在軍用和民用領域里的廣泛使用，使得通過這次畢業設計所學到的此方面的知識將會有很強的實用性。本設計要求對汽車倒車超聲波報警器進行硬件設計，可以通過完成本次設計，練習PROTEL軟件的使用，增加硬件設計的經驗。

隨著社會進步，經濟發展，人民生活水平的不斷提高，擁有汽車的家庭逐漸增多，交通問題也同時出現了：交通擁擠，各種不同的場合停車、倒車困難。許多非職業汽車駕駛員更是希望能有一種汽車倒車報警器，在倒車時不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離，并隨時顯示其距離，在不同的距離范圍內發出不同的報警信號，以提高汽車倒車時的安全性。

汽車倒車超聲波報警器設計就是為了確保駕駛員和汽車的安全，使駕駛員在倒車時能明確與后面車輛、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。

1.2 超聲波測距系統研究現狀以及存在的問題

1.2.1 超聲波測距系統研究現狀

隨著電子技術的發展，出現了微波雷達測距、激光測距及超聲波測距。前2種方法由于技術難度大，成本高，一般僅用于軍事工業，而超聲波測距則由于其技術難度相對較低，且成本低廉，適于民用推廣。這項技術也可用于工業測量領域。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。隨著自動測量和微機技術的發展，超聲波測距的理論已經成熟，超聲波測距的應用也非常廣泛。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環境下有一定的適應能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設計也是利用超聲波來測量距離。

1.2.2 探測盲區問題

超聲波從發射到接收的時間間隔是由控制器內部的定時器來完成的。由于發射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經被測物就直接繞射到接收器上，造成發送部分與接受部分的直接串擾問題。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射開始到"虛假反射波"結束的時間段里的信號。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區”。此“盲區”很小，對本系統沒有影響。

1.3 論文的主要內容

論文將介紹超聲波測距系統設計的方案選擇與硬件的設計與調試。全文共分為五章，本章介紹了超聲波測距系統設計的研究現狀和本課題的選題目的與意義；第二章介紹超聲波測距系統的總體設計方案，并對每個模塊進行了方案論證與選擇；第三章介紹了超聲波測距系統的原理；第四章介紹了各單元模塊的硬件電路設計與實現；第五章介紹了系統的調試過程和調試結果，最后總結了整個設計中有待改進的地方。

 

第二章 超聲波測距系統的原理

2.1 超聲波的測距原理

2.1.1 測距的電路原理框圖

構成超聲測距系統的電路功能模塊包括發射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路。

采取收發分離方式有兩個好處：一是收發信號不會混疊，接收探頭所接收到的純為反射信號；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造成的各種損失和干擾，提高系統的可靠性。

根據設計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距傳感器TCT40－16T/R（T表示發射傳感器，R表示接收傳感器），最大探測距離為6m，發射擴散角為60度。同時，采用單片機作 為主控制器，用動態掃描法實現LED數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統框圖如下圖2-1所示。

圖2-1 測距的電路原理框圖

通過單片機的I/O口控制超聲波發射電路發出40kHz的超聲波，與此同時單片機內計數器開始計時；經過延遲后開啟超聲波接收電路，當接收電路收到經障礙物反射的回波后，計數器計時結束。通過單片機計算出即時距離，在顯示電路顯示出來，若低于警戒距離則開啟報警。

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生物（如蝙蝠、海豚）才能感覺的機械波，其頻率在20kHz以上，波長短，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。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。

本設計采用的超聲波是40kHz。超聲波的縱向分辨率較高，對色彩和光照度不敏感，對外界光線和電磁場不敏感，可以用于測量較近目標的距離。本設計采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強磁場干擾、有毒等各種環境下都能穩定工作。

超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應用要求復雜。在這里使用脈沖反射式。超聲波測距原理是通過超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時。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時。超聲波在空氣中的傳播速度為C，而根據計時器記錄的測出發射和接收回波的時間差 就可以計算出發射點距障礙物的距離L。超聲波測距的算法原理如圖2-2所示：

 

圖2-2  超聲波測距的算法原理圖

計算公式為：

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

式中：C為超聲波在空氣中傳播速度；T為環境溫度。

        L=                     （2-2）

式中：C為被測距離； 為發射超聲脈沖與接收其回波的時間差； 為超聲回波接收時刻； 為超聲脈沖發射時刻。用單片機可以很方便地測量 時刻和 時刻，根據以上公式，用軟件編程即可得到被測距離L。

這就是所謂的時間差測距法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關，表2-1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。

表2-1  聲速與溫度關系表

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，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距系統的機理。本設計認為在實際使用中的環境溫度變化不大，對距離檢測精度要求也不高，將超聲波波速C認為是不變的常數。

另一種補償方法就是用查表法，查上面溫度與聲速的對應表，再適當插值補償。這種方法精確度較高。在這里考慮到設計上的簡易性，沒有進行補償，能達到簡單應用的基本要求。

該系統的工作原理：由微機編程送出40kHz頻率的方波信號至信號處理器，信號處理器通過兩級放大，再經過壓電換能器將信號發射出去，該信號遇到障礙物反射回來在此稱為回波。同時，壓電換能器將接收的回波，通過信號處理的檢波放大、積分整形及一系列常見電路的處理，送至微機處理。顯示器的聲音告警頻率、發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控制。

2.1.3 超聲波測距的工作方式

利用超聲波測距的工作，就可以根據測量發射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法：

•相位檢測法，相位檢測法雖然精度高,但檢測范圍有限。

•聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響。

•渡越時間檢測法，渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現。其原理為：檢測從發射傳感器發射超聲波，經氣體介質傳播到接收傳感器的時間，這個時間就是渡越時間。

本設計的超聲波測距就是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發射的超聲波反射信號，根據超聲波發出及回波接收的時間差和傳播速度，計算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。

2.1.4 信號處理技術

測量過程是由單片機部分和超聲波信號處理電路共同完成的，一次測量的全過程為40ms。發射時，將40kHz的超聲波信號和一個同步脈沖信號加到與門，同步脈沖信號通過與門控制發射超聲波。單片機將同步脈沖的起始時刻定為 ， 超聲波接收電路將接收到的信號加到單片機中，若檢測到信號，則記下該時刻 ，由時間差  =    ，即可算得障礙物與超聲探頭之間的距離。若單片機系統接收不到超聲波回波信號，則到40 ms時重復上述過程開始下一輪的循環。

在超聲波發出后，如果直接進入檢測狀態，則勢必浪費時間，因為此系統有最小測量距離，當距離最小時，即為時間差 最小，記為  ，所以此時間可以用來處理別的數據。本設計中計算子程序就是在此時間里完成的，這樣就節省了一些時間。

2.2 超聲波探頭的主要作用

•探頭是一個電聲換能器，并能將返回來的聲波轉換成電脈沖；

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

•實現波型轉換；

•控制工作頻率，適用于不同的工作條件。

2.3 小結

本章介紹了超聲波測距系統的測距原理、超聲波測距的工作方式以及測距中如何進行信號處理優化，并闡述了超聲波測距的基本概念理論基礎、設計計算的主要方法和內容

第三章 汽車倒車超聲波報警器設計方案比較與選擇

3.1 汽車倒車超聲波報警器的總體方案設計

3.1.1 方案的擬定條件

本設計首先要根據畢業設計任務書中的要求（最大測距6m，最小測距0.20m，顯示分辨率0.02m，實時數字顯示測得的距離；在不同的距離范圍內發出不同的聲光報警信號；駕駛員可根據個人需要調整設置報警距離．本報警器與其它報警器相比具有功能多、電路簡單、操作簡便、工作穩定可靠等優點）來進行器件選擇，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、驅動電壓、功率是多少才能達到設計要求，在什么樣的 環境特性下才能正常工作，市場上是否容易找到，便宜且應用較廣否，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，設計才能順利展開。

3.1.2 模型的建立

汽車倒車雷達是利用超聲波測距原理，不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離，在一定距離范圍內給駕駛者以警示，同時由高亮度數碼管顯示出所測的距離值，提高汽車在倒車時的安全性。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，可由單片機測出從發射到接收到回波的時間，計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境溫度有關，但汽車倒車雷達在實際使用中的環境溫度變化不大，對距離檢測精度要求也不高，將超聲波波速C認為是不變的常數。

測距系統模型應如圖3-1所示。

3.2 超聲波測距系統的器件選擇

3.2.1 微控制器的選擇

單片機是本檢測系統的核心，它完成系統的功能設定、測量對象選擇、信號處理存儲、驅動LED顯示等功能。起初對于是選擇AT89S51芯片，還是AT89C51芯片舉棋不定，覺得二者區別不大，后來查閱相關資料發現AT89S51相對于AT89C51增加了很多新功能，性能有了較大提升，價格卻基本不變，甚至比89C51更低。

     圖3-1 測距模型

•AT89S51支持ISP在線編程功能，串行寫入、速度更快、穩定性更好，燒寫電壓也僅僅需要4～5V 即可。這個功能的優勢在于改寫單片機存儲器內的程序不需要把芯片從工作環境中剝離，是一個強大易用的功能。而AT89C51只支持并行寫入，同時需要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算速度。

•燒寫壽命更長：89S5*標稱的1000次，實際最少是1000次～10000次，這樣更有利初學者反復燒寫，減低學習成本。綜合上面的一些區別，個人認為89C51的停止使用只是時間問題而已，就象當年的8031。

•內部集成看門狗計時器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計時器單元電路。

•雙數據指示器。

•電源關閉標識及電源范圍：89S5*電源范圍寬達4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的時候則無法正常工作。

•全新的加密算法，這使得對于89S51的解密變為不可能，程序的保密性大大加強，這樣就可以有效的保護知識產權不被侵犯。

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

此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。

比較結果：就如同INTEL的P3向P4升級一樣，雖然都可以跑Windows98，不過速度是不同的。從AT89C51升級到AT89S51，也是同理。和S51比起來，C51就要遜色一些，實際應用市場方面技術的進步是永遠向前的。

3.2.2 顯示模塊器件的選擇

在單片機小系統中，顯示模塊可以反映系統工作和運行結果，在系統中占有相當重要地位。常用的顯示有：LED顯示和LCD顯示。

•LED顯示的硬件電路設計簡單、價格便宜，缺點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，越來越多地應用于以單片機為核心的便攜式儀表和測試儀中。采用LCD來顯示檢測到的溫濕度參數，降低系統功耗。

本設計顯示部分采用簡單的4位共陽LED數碼管，段碼驅動用74LS245集成電路，位碼用S8550（也可用9012）三極管驅動。

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。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。

    以超聲波作為檢測手段，必須產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，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，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（一個探頭反射、一個探頭接收）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，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：

•工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，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一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫療用的超聲波探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。

•靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、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生器。

本次設計就選用壓電式超聲波發生器，壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖3-2所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會 發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。

圖3-2  超聲波換能器內部結構

超聲波發射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志（一般器件上有標明是T還是R，T：發射換能器，R：接受換能器）。超聲波換能器外部結構如圖3-3所示。

 

圖3-3  超聲波換能器外部結構

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

 

圖3-4  發散角與耗散性

3.3 小結

本章介紹了超聲波測距系統的工作原理和超聲波測距系統微控制器的特點，提出了超聲波測距設計的總體方案，對各功能模塊的方案進行了比較，分析了常用的傳感器，選定了超聲波測距系統設計所需的器件。

第四章 超聲波測距系統的硬件設計

4.1 硬件設計工具平臺簡介

電路及PCB設計是EDA技術中的一個重要內容，而EDA技術是現代電子工程領域的一門新技術，它提供了基于計算機和信息技術的電路系統設計方法。Protel是其中比較杰出的一個軟件，在國內流行最早、應用面最寬。Protel DXP是Altium（Protel Technology前身）公司在2002年8月推出的一套最新Protel DXP電路板設計軟件平臺。該平臺運行與Windows XP/2000操作系統。Protel DXP不僅繼承了Protel系列產品的優點，更重要的是將所有設計工具集成于設計系統一身。通過把設計輸入仿真、PCB繪制仿真、拓撲自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為用戶提供了全程的設計解決方案，使用戶可以輕松的進行各種復雜的電路板設計。

使用Protel DXP設計印刷電路板的第一步就是要設計電路原理圖，只有正確設計電路原理圖，生成相應的網絡表之后才能生成PCB文件。在設計時，先分析系統，在進行模塊化的設計，將各部分電路分別設計，得到個模塊電路，在通過融合，實現整體電路的設計，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計電路圖，這樣在設計過程中思維比較清晰，設計過程比較簡單，而且更容易檢查錯誤。原理圖的設計相對簡單，在設計完成后要先通過編譯無誤后才生成網絡表，原理圖常見錯誤有：

•管腳沒有接入信號；

•放置導線時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；

•創建的工程文件網絡表只能部分調入PCB：生成netlist時沒有選擇為global；

在設計好原理圖，通過編譯檢查，生成了網絡表之后的工作就是繪制PCB板圖了。在導入網絡表之前，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庫中是沒有封裝的，那就要求自己按照器件的技術手冊封裝所需元件了。在封裝PCB元件是應注意以下幾點：

•原理圖中所填元件的封裝要與PCB元件庫中的名稱一致。

•原理圖中元件的引腳名稱要與PCB元件庫中的引腳名稱一致。

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

完成以上幾步后，將網絡表導入到PCB文件中，生成PCB板圖。在導入網絡表的時候通常會出現以下的錯誤：

•原理圖中的元件使用了PCB庫中沒有的封裝。

•原理圖中的元件使用了PCB庫中名稱不一致的封裝。

•原理圖中的元件使用了PCB庫中pin number不一致的封裝。

網絡表成功導入PCB文件之后對器件進行布局，元件的布局有自動布局和手工布局兩中方式，由于自動布局的效果往往不能令人滿意，所以一般都需要進行手工調整。良好的布局可以降低PCB布線的難度。布局應遵循以下一般原則：

首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，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，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。

在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則：

①盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數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，輸入和輸出元件應盡量遠離。

②某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應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盡量布置在調試時手不易觸及的地方。

③重量超過15g的元器件、應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題，熱敏元件應遠離發熱元件。

④對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局應考慮整機的結構要求。若是機內調節，應放在印制板上方便于調節的地方；若是機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。

⑤應留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：

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

②以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應均勻、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。一般電路應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。

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，長寬比為3：2或4：3。電路板面尺寸大于200×150mm時，應考慮電路板所受的機械強度。

布線的方式也有兩種：自動布線及手工布線，自動布線效率高，但有時布線的結果不盡如人意，這是因為自動布線的功能主要是實現電氣網絡之間的連接。在自動布線的實施過程中，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行調整，使電路板既能實現正確的電氣連接，又能滿足用戶的設計要求。手工調整布線的最簡便的方法是對不合 理的布線，采取先拆線，后手工布線。在布線的過程中應注意的問題有：

•輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產生反射干擾。

•盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的寬度關系是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,最經細寬度可達0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5 mm。對數字電路的PCB可用寬的地導線組成一個回路, 即構成一個地網來使用(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，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。對高密度的數字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。

此外，還應注意以下兩點：

•在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時，操作它們時均會產生較大火花放電，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，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。

4.2 超聲波測距系統的硬件設計

51系列單片機中典型芯片(如AT89S51) 采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時/計數器T0和T1，4個8b的I/O端口P0、P1、P2、P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內的Flash可編程、可擦除只讀存儲器( PROM )，使其在實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中更為有用。該系列單片機引腳圖如圖4-1所示，同時也為了對下面超聲波測距系統的硬件設計進行更清楚的敘述，對其引腳標了號。

51系列單片機提供以下功能: 4kB存儲器；256BRAM；32條I/O 線；2個16b定時/計數器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。

空閑方式: CPU 停止工作，而讓RAM、定時/計數器、串行口和中斷系統繼續工作。

掉電方式: 保存RAM的內容, 振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。

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

 

圖4-1  AT89S51引腳圖

4.2.1 超聲波發射電路的設計

超聲波發射電路原理圖如圖4-2所示。

設計原理：發射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器T構成，AT89S51單片機P1.0端口輸出的40kHz方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發射強度。

輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上拉電阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，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間。

在實驗制作和電路改進中，為了增加測量效果，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，結果反而不好，其實可以從增加發射功率方面著手，只要在發射頭兩端加個線圈。線圈可以用0.01mm的銅絲在小磁環繞成大致初級10匝，次級40匝左右。

  

圖4-2  超聲波發射電路

4.2.2 超聲波檢測接收電路的設計

本超聲波測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幅度在3.5-5V以內。超聲接收換能器UCM-40R接收到的信號經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，當其容量減小時，瞬態響應，靈敏度會有所提高，但檢波輸出脈沖寬度變動也較大。帶通濾波特性，可由5腳R15電阻決定其值在210K-220K間調整，本設計R15定為200K。用金屬膜電阻調試，若其阻值偏差過大，中心頻率也將相對偏移。所以當信號經過帶通濾波器時，增益將大大降低，6腳C6電容為比較積分電容，7腳R16為輸出負載電阻，104pF電容C11為電源濾波元件，當電容容量減小或失效時，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節，范圍30－60kHz。配套使用型號為M50462AP。

 

圖4-3  超聲波接收電路

4.2.3 超聲波蜂鳴報警電路的設計

蜂鳴報警電路是采用揚聲器來對所設置的報警距離實施報警，以向駕駛員提出警示。

本系統可以設定距離值，當大于或小于設定值時將發出控制信號。當小于設定值時，進入蜂鳴報警狀態，通過一個NPN晶體管來驅動蜂鳴器，不需要復雜的濾波和放大電路，具有自動平滑功能，蜂鳴器鳴響。

超聲波蜂鳴報警電路如圖4-4所示。

 

圖4-4  超聲波蜂鳴報警電路

4.2.4 超聲波系統鍵盤電路的設計

鍵盤電路是用來對最大測距、最小測距以及有關參數進行設置。

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

 

圖4-5  超聲波系統鍵盤電路

4.2.5 超聲波濾波整流電路的設計

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轉換為標準電平信號，通過整形把檢波后得到的不標準的脈沖波整形為標準脈沖波。

信號整形電路：當接收到的信號從信號篩選電路中出來之后是一個很不規則的方波信號，希望最好得到一脈沖信號，經過此部分電路處理過后再送進單片機中進行處理運算。

因為多諧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。本信號篩選電路在整個電路中可以說起到非常重要的作用，通過對它的適當調整，可以有效地濾除由于外界干擾帶來的非超聲波信號進入超聲波接收系統，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 時鐘和復位電路設計

（1）復位電路的設計

在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現在此引腿時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環復位。復位后P0－P3口均置1引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變為低電平時，芯片為ROM的00H處開始運行程序。復位操作不會對內部RAM有所影響。

（2）時鐘電路的設計

時鐘振蕩器：

AT89S51中有一個用于構成內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成并聯諧振電路。對外接電容C20，C25雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩定性，起振的難易程序及溫度穩定性，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。

可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘接到XTAL1端，即內部時鐘發生器的輸入端，XTAL2則懸空。

由于外部時鐘信號是通過一個二分頻觸發器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊的要求，但最小高電平持續時間和最大的低電平持續時間應符合產品技術條件的要求。時鐘復位電路如圖4-7所示：

 

圖4-7  時鐘和復位電路

4.2.7 擴展顯示電路的設計

回波經過AT89S51對接收到的信息進行處理后，被測的距離在LED上顯示。

顯示電路采用簡單實用的四位一體共陽極LED數碼管顯示所測距離值，顯示電平使用低電平有效。段碼用74LS245驅動，外接升壓電阻。位碼用PNP三極管8550（可用9012替代）驅動。顯示電路如圖4-8所示。

數碼管采用動態掃描顯示，動態掃描顯示的好處是對CPU的I/O口要求較少，但對電路的干擾較大，注意PCB板的布線和對接收放大電源的穩定性要進行補償處理，否則對其影響很大。

74LS245雙向總線接收器簡要說明：74LS245為三態輸出的八組總線收發器，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：A     A總線端

B     B總線端

      三態允許端(低電平有效)

DIR   方向控制端

極限值：電源電壓 …………………………………………. 7V

輸入電壓 …………………………………………. 7V

輸出高阻態時高電平電壓 ……………………… 5.5V

工作環境溫度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃

存儲溫度 ………………………………………-65~150℃

 

圖4-8  顯示電路

4.3 小結

本章首先介紹了做設計的硬件設計工具Protel DXP，然后對超聲波測距系統的硬件各電路功能模塊包括發射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路進行了詳細的敘述，給出了詳細的原理圖。

本系統利用AT89S51產生40kHz的頻率驅動超聲波換能器的發射頭，接收頭收到信號后，經CX20106A芯片進行放大、限幅、濾波、整形、比較后輸出低電平送到單片機的外部中斷0申請中斷，單片機響應中斷請求，取得定時器內的時間進行距離計算，用四位一體的數碼管顯示測出的距離，并可根據設定報警距離進行報警。

 

第五章 超聲波測距系統聯機調試與結論

5.1 系統硬件電路調試與分析

5.1.1 調試儀器和內容

（1）測試試驗方法：可通過顯示電路實驗、超聲波發射接收以及測距試驗進行調試。

測試儀器：示波器，多功能穩壓電源，電壓表，秒表。

（2）調試內容

超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，安裝時探頭時應保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。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。根據測量范圍要求不同，可適當調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。

系統調試完后對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。

5.1.2 調試過程

系統采用模塊化電路設計, 采用較低的外部晶振和中周電路固化的超聲波探頭，數字和模擬部分電路分開供電，以提高系統抗干擾能力，但由于實際應用中仍存在較多電磁干擾，而回波信號為小信號輸入, 系統調試中通過硬件補償的方式對電路進行了優化和調整，使系統達到了較高的可靠性。

測距系統經過檢波等硬件處理后的波形如圖5-1所示：

在檢測時，發送完檢測脈沖后立刻進行判斷負脈沖的長短，從而確定是否有障礙物存在。無障礙物時負脈沖寬度固定為t1，有障礙物時負脈沖固定為t1+t2，t3為超聲波回波檢測負脈沖。t1、t2的寬度與發送的脈沖周期數有關。周波數越多，t1越寬，檢測距離越遠，反之亦然。T3與T4之間的長度會隨障礙物的距離而先行變化。因此，只要檢測出t1、t2及T3與T4之間的長度即可判斷障礙物距離。

（1）7段數碼管的測試

LED數碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數碼管了。

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

（2）發射器探頭對接收器探頭的影響

超聲波從發射到接收的時間 間隔是由控制器內部的定時器來完成的。由于發射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經被測物就直接繞射到接收器上，造成發送部分與接受部分的直接串擾問題。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射開始到"虛假反射波"結束的時間段里的信號。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區”。此“盲區”很小，對本系統沒有影響。

（3）調試注意事項

•超聲波探頭表面嚴禁用手及其它物體觸摸以免產生信號滯后性及損壞。

•在測距中應保證測距儀與被測物體距離為定值，要和被測物體成一條直線，使測得距離讀數的準確性。

5.1.3 測試數據及測試結果分析計算

傳感器工作電壓：超聲波傳感器5V

試驗數據：簡單搭建電路板并調試后，對一500mm寬的距離測試，所測數據如表5-1所示（單位:mm）。

表5-1  500mm寬的距離測試數據

次數 1 2 3 4 5 平均

測值 500.3 499.8 499.9 500.1 500.0 500.03

該測距系統使用方便、精度高，在一些惡劣環境，如極易被腐蝕、電解，失去靈敏性等工礦業現場將大有用武之地。

（1）測試結果與分析

超聲波測距系統調試完成后，對系統進行了測試。在超聲波換能器與較大平面(如墻壁面)法線方向一致時，量程為0.07~5.50m，測距盲區控制在20cm內，分辨率為0.01m，實驗中對測量范圍0.07~2.50m內的平面物體做了多次測試，測距器的最大誤差不超過1cm，重復一致性很好。因為超聲波具有一定發散角，所以當在正前方和斜前方都有物體時，會以距發射器最近的物體作為探測目標。目前此設計可提交于應用于一些動機器人、安全線提示，銀行及取款機的一米線提示等場合。

（2）誤差分析

對系統進行實驗測試，結果發現在5米范圍內，最大誤差在5cm以內，且距離越近，誤差越小，限制該系統最大可測距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。

測距誤差主要來源于以下幾個方面：

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，傳播速度v的變化范圍為313米/秒-356米/秒，由測距公式可計算出距離值有一定影響，采用聲速預置和傳播介質溫度測量結合的方法對聲速進行修正，可有效地降低溫度變化產生的誤差。

②發射與脈沖計數由于響應快慢差異開啟不同步引起的誤差，對此在調試中通過脈沖計數值補償進行修正。

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致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠產生的誤差越大，可適當增大超聲波的發射功率等來改善。

④發射和接受前置電路延遲的時間誤差等，發射前置電路和接收前置電路中采用集成芯片都有時間延遲。對此采取時間增益控制，來減少誤差，由于本裝置對于厘米級的精度已經足夠，電路延遲都是納秒數量級，記數頻率是40kHz，所以減少一個記數單位完全可以矯正。針對誤差原因在程序設計及系統調試中做了相應處理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

⑤超聲波波束對探測目標的入射角的影響。

⑥超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關系。

⑦超聲波傳播速度對測距是有影響的。穩定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，傳播媒質的特性，如溫度、壓力、密度對聲速都將產生影響。因此，為了準確地計算距離，應對聲速加以修正，系統程序中采用了軟件補償措施。

（3）誤差改進

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，有待于進一步提高：

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

•可在裝置中增加一個語音芯片，將蜂鳴報警改為語音說明指示，根據探測結果直接報出距離、方位，更便于使用。

•由于受發射功率及回波檢測靈敏度的限制，探測范圍較小，可增加發射功率調節等電路，以便增大探測范圍，可用于夜間探路、井下探索等。

（4）溫度的補償

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。

所以，在超聲波的兩個探頭旁邊可放置溫度傳感器，測出環境溫度T，由單片機控制器進行軟件修正。

5.2 系統源程序的調試過程

5.2.1 軟件仿真驗證

本設計采用51匯編語言編寫，用Keil C51編譯和調試。這里采用光電二極管和光電三極管來代替超聲波發送探頭和超聲波接收探頭，且空中傳播過程略去仿真。聯調仿真后，可見數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, 為避免余震產生的“虛假反射波”超聲測距數據的采集與處理錯誤申請中斷，超聲波脈沖發射后軟件中設置了一段時間的延時，稱為“死區”時間，“死區”形成了距離測量中的“盲區”，由于探頭的性能誤差，運行后要不斷調整探頭的“死區”。經過應用過程的調試，本系統的測量“盲區”控制在20cm內，“死區”時間為115ms，測量誤差為±1cm。

結  論

本文所設計的倒車雷達系統是保障汽車倒車安全的輔助系統，通過超聲波探頭發出超聲波，使用高速單片機計算距離，還可加入了溫度補償電路，提高了距離計算的精度。系統安裝的LED可以直觀的顯示溫度和距離，給駕駛員提供了方便。倒車時當汽車與障礙物的距離小于所設定的安全距離時，系統發出報警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強的實用性。

整個報警器系統由汽車倒車擋控制，當汽車置于倒車擋時，報警器工作；置于其它擋時，報警器不工作。在環境溫度為-20～50℃的范圍內，測量誤差為幾個厘米，這個誤差能滿足正常倒車的需要。因為本設計所采用的超聲波傳感器的輻射范圍是   60°，所以在安裝時，需在車尾裝3～4個超聲波傳感器，這樣才能覆蓋整個范圍。

利用51系列單片機設計的測距儀便于操作、讀數直觀。經實際測試證明, 該類測距儀工作穩定, 能滿足一般近距離測距的要求, 且成本較低、有良好的性價比。

本超聲波測距系統可應用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業現場的位置監 控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合，覺得這次的設計實用性極強。

通過一學期的努力，完成了超聲波測距系統的設計。設計滿足了任務書中的基本要求和擴展要求，軟、硬件設計已達到預期效果。主要完成的工作有：

①學會了使用Protel軟件繪制原理圖和PCB板圖。

②完成了超聲波測距系統的各個功能模塊的硬件設計與調試。

③已經通過系統的軟硬件聯合調試，距離通過LED顯示出來。

由于時間和能力有限，本次設計還有一些不足之處，主要有以下幾方面：

①由于經驗不足，在設計超聲波測距系統的時候，設計原理圖與PCB板圖的時候出現了一些問題。

②在調試時，顯示的延遲性較大，超聲波探頭太敏感。

本文創新點：

①測試結果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設計制作，且誤差較小，完全滿足汽車倒車的指引作用，具有較高的性價比。

②裝置結構簡單、體積小、性能穩定，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，如導盲眼鏡、位移儀、深度儀等，具有一定推廣應用價值。

致  謝

感謝西南科技大學。在這里，我開闊了見識，增長了知識，鍛煉了能力。大學四年的親身體驗讓我更增加了對學校的熱愛。

感謝我的指導老師曾毅對我的辛勤培育。從論文的立題到實驗的設計以及論文的撰寫整個過程無不浸透著老師的心血。他廣博的學識，嚴肅的科學態度，嚴謹的治學精神，靈活的思維方式，耐心細致的言傳身教深深感染激勵著我，將使我終身受益。導師不但在學習上給予我耐心細致的指導，在生活中也給了我莫大的關懷，在這里向曾老師表示衷心的感謝。

    感謝大學四年所有指導過的老師。在學習的過程中給了我很多的指導，讓我在理論知識和動手能力上都有很大的提高。

在完成畢業設計和畢業論文的過程中，我們寢室的同學給了我很大的幫助，在此向他們表示深深的感謝。

感謝父母二十多年來的養育之恩，讓我順利的完成了四年的大學學業，并讓我獲取了一定的知識并最終走向社會，為社會貢獻自己!

最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進行審閱、評議和參加本人論文答辯的各位老師表示感謝

參考文獻

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附  錄

附錄1：系統總原理圖

 

附錄2：AT89S51引腳功能

Vcc：電源電壓；GND：地

RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現機器周期以上高電平將使單片機復位。

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對斷口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。

在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。

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

P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸出口使用時，因為存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ ）。

Flash編程和程序校驗期間，P1口接受低8位地址。

P2口：P2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸出口使用時，因為存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ ）。

在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器P2口送出高8位地址數據。在訪問八位地址的外部數據存儲器，P2口線上的內容（也即特殊功能存儲器（SFR）區中R2寄存器）。在整個訪問期間不改變。

FLASH編程或校驗時，P2亦接受地址和其它控制信號

P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的八位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）四個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時。它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，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閃速存儲器和程序校驗的控制信號。

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/計數器0）

P3.5  （定時/計數器1）

P3.6  （外部數據存儲器寫選通）

P3.7  （外部數據存儲器讀選通）

ALE：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低八位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出 固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ ）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的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ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE無效。

 ：程序儲存允許（ ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次 有效，即輸出兩個脈沖。在次期間，當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 信號不出現。

EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（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，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp。當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部時鐘發生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端