基于AT89C2051的超聲波測距系統

3 硬件電路設計

3.1 超聲波發射單元

超聲波發射單元包括振蕩電路和驅動電路。振蕩電路是由反相器CD4069組成的非對稱式多諧振蕩器，它產生40 kHz的方波脈沖電路如圖3所示。

圖3 振蕩電路

電路中G2輸出的電壓由于 ,的調節，可以改變輸入到G1輸入端的相位。當相位達到同相時，G1和G2實現正反饋，G1和G2就成了穩定的振蕩器。振蕩周期公式為T=2.2×Rf×C.因為CD4069為CMOS結構，所以邏輯門前的電阻RP為G1的保護電阻。當RP足夠大時，G1的輸入電流可忽略不計。

由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以Pf采用電位計，可以調節到最佳諧振點，這也是不用單片機產生方波的原因。電路中Z1,Z2同時得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅動電路。

驅動控制電路如圖4所示。它采用了L293型直流電機PWM調速芯片，它內部的H橋電路可以產生相位相反的兩路脈沖。驅動電路的直流電源電壓可以改變，以適應不同傳感器對電壓的要求。振蕩電路中產生方波的Z1、Z2端，分別接到驅動電路1N1,IN2端。控制輸出電路中EN端為輸出使能端，它接到單片機的P1.7端口，該端口精確輸出高電平時問來控制發射方波的個數。這在設計上使得控制和方波產生相對獨立，從而使得電路簡單、控制精確、易于調試。

圖4 驅動電路。

3.2 超聲波接收單元

超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉換電路，如圖5所示。模擬放大器選用高精度儀用放大器LM318作為信號放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為15 MHz,超出音頻范圍能夠滿足40 kHz的要求。在放大電路的負反饋回路中接入電容C1構成低通濾波器。電容的選擇可由公式。f=1/2πRfC求出，式中f0為采用的超聲波頻率，Rf為第一級的反饋電阻。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。經過2極放大后，通過電容耦合，信號與參考電壓比較產生高低電平，提供給單片機產生中斷。參考電壓設定為1 V左右，以提高靈敏度。第2個比較器僅起反相作用 .

圖5 接收電路