高低频电路设计与制作范文

导语：如何才能写好一篇高低频电路设计与制作，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：波形；幅度；频率

1 研究背景及意义

波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中不可缺少的仪器设备之一。传统的信号发生器可由硬件电路搭接而成，但这种电路波形质量差、控制难、可调范围小、电路复杂且体积大，因此在本设计中，采用AT89C52单片机和DAC0832数模转换器制作成数字低频信号发生器，具备价格低、性能高、在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等优点。

2 系统设计

系统以AT89C52单片机为主控芯片，辅以D/A转换电路、基准电压电路、电流/电压转换电路、按键和波形指示电路、电源等电路。当按下四个按键中的任一个按键，输出端分别输出锯齿波、三角波、正弦波、方波，并且有四个不同颜色的发光二极管分别作为不同波形的指示灯。

2.1 波形输出控制按键电路设计

本设计以键盘的数目来选择键盘最适合的接法，键盘的数目为4个，因此选择接口方案为独立式接法，即每一个I/O口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地，利用单片机读取口的电平高低来判断是否有键按下。在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解是否有按键动作。基于AT89C52单片机的波形输出控制按键电路的设计如图2所示。

2.2 波形指示电路设计

基于AT89C52单片机的波形指示电路的设计是通过按键控制可产生锯齿波、三角波、正弦波、方波，同时采用四种不同颜色的LED指示其对应的波形。基于AT89C52单片机的波形指示电路的设计如图3所示。

2.3 D/A转换电路的设计

本设计中选用DAC0832芯片，DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路构成，为电流输出型D/A转换芯片。在单片机应用系统中，通常需要电压信号，因此在使用时，RFB、IOUT1、IOUT2这3个引脚外接运算放大器LM324，以便将转换后的电流量变换成电压量输出。DAC0832的电压输出电路原理图如图4所示。

3 结论

本设计基于AT89C52单片机，采用数模转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、按键电路、波形指示电路、晶振电路、复位电路等，产生所需不同信号的低频信号源，其幅度和频率可按要求控制。通过按键编程实现产生锯齿波、三角波、正弦波、方波等，同时用LED显示灯指示对应的波形。本系统设计思路清晰、性能较好，具有一定的实用性。

[参考文献]

[1]胡汉才，主编.单片机原理及接口技术.北京：清华大学出版社，1996.

篇2

印象中，已有相当多的品牌先于三诺推出千元级2.0音箱，其中不乏优秀的产品。不管从抢占市场先机，还是从产品认知度来说，之前的那些产品都占了起手。那么，N-50G究竟具有什么特质，让三诺如此信心满满地杀入这一领域?N-50G又凭什么与那些早已进人市场的同类产品一较高一下?这是获知三诺将要这款产品时，我迫切想了解的事情。

回忆一下，执笔之时距初次试听三诺N-50G正好60天。但不知从何时起，已习惯于待每日下班散去忙碌与喧嚣之后，留出一些时间与这款箱子独处，感受它带来的恬淡和平静。几年间，过耳的千元级2.0箱子并不少。这些产品受设计厂家文化底蕴、技术功底、设计实力，以及音乐素养的影响，总是具有各自不同的声音风格。有的是突出品位，如美酒般醇香；有的是迎合特殊偏好，在某些位置浓墨重彩；但三诺N-50G却截然不同，它给人的感觉恰似一盏清茶，淡雅而又回味悠长。而在外观方面，三诺N-50G朴实而简洁，倒也与其声音风格相配。

了解一款产品，总是需要多角度细细着手。我们还是从它不同方面的特质去剖析吧。

形似素衣――N-50G的外观印象

三诺N-50G并不具吸引眼球的特质，因为它很简洁。灰色的防护网罩、经过黑色高光处理的前障板和深棕色的箱体均偏向深色调，它的整体线条也给L--种传统而又硬朗的感觉。那么，N-50G在箱体上的用料又如何呢?三诺在这款产品上所用的板材为18mm中密度板，对于一款千元级的2.0音箱来说是相当不错的。而且在前障板部位还采用了双层粘合设计，使其强度达到了等效36mm板材的水平，保证了箱体的刚性，这有利于缓解箱体谐振对于声音的影响，确保声音的纯净。

就个人而言，我并不赞同2.0音箱在箱体表面上引入高光处理工艺。因为站在2.0音箱用户的角度来说，在一款产品使用之初，总会不可避免地反复摆位调试。其间手掌和手指接触箱体是在所难免的，而经过高光处理的箱体，此时也会不可避免地沾上手上的油脂形成难看的印记。要知道，并不是所有用户都在家准备了手套和绒布来应对这种情况。而且擦拭高光处理的箱体表面是一件非常耗时费神的事情，这一点我深有感触。

独特内涵――N-50G的内部配置

对于设计侧重点完全偏向于音质的2.0音箱来说，其采用的扬声器单元、分频方式、内部元器件和电路设计，是决定声音风格和影响音质的几大部分。要深入了解这款产品，我们不妨将目光转向它们。

1　单元配置

高音单元的振膜材质对音质和音色具有非常重要的影响，不同振膜材质有着不同的声音特点。在高端多媒体音箱上所见的通常有两大类――以铝合金、钛合金或镀合金为材质的硬球顶高音振膜，以棉布、丝绢、防弹布为材质的软球顶高音振膜。硬球顶振膜回放高音的频率范围最宽，对音乐信号的瞬态反应也最好，但声音偏硬；而软球顶振膜的回放频带较宽，解析力高，声音通透细腻。

N-50G的高音单元为1英寸丝膜软球顶扬声器，拥有良好的内阻尼特性，高频亮丽而不刺耳，听感上细腻柔和，延伸极佳，不易引起听觉疲劳，非常适合多媒体近场聆听。

N-50G的低音单元设计比较独特，采用了一款设计独特的6.5寸纸浆松压盆扬声器，针对低音单元的分隔振动进行了多项特殊的设计。这款纸盆采用特殊纸浆捞制，并在纸浆中不规则地混入碳纤维作为加强筋，以增加纸盆的刚性。由于采用了松压纸盆并且经过不规则补强，整张纸盆在工作范围内的分割振动能被降到最低，因此失真极低，不仅在低频重放上有很好的力度，而且能使中频段表现出良好的质感。

2　分频方式

分频器可以说是音箱的心脏和灵魂，直接决定着回放质量的好坏，在音箱中起着举足轻重的作用。分频器分为电子分频和功率分频两种，电子分频比功率分频更具优势，因为电子分频是从功率放大器输出声功率，直接驱动扬声器，中间不介入其它器件。这样就避免了功率分频的缺点，减少了功率损耗，使分频点更加精确，各频带间的平衡调整更简便易行，相位和瞬态特性良好，无调制失真，提高了音质。

N-50G采用的是电子／功率混合式分频方式，在电子分频的基础上，为避免用户错误接线而导致高音单元发生故障，在高音通道加入了一个品质较高的MKP聚丙烯薄膜电容作为分频电容。

3　元器件和电路设计

N-50G的所有控制旋钮都位于背板左上角，交流电源采用隔离式进线设计――音乐信号从上端引入，交流电源从下端进入，内部走线分开，可有效隔绝220V交流电源对音频信号的干扰。由于其声音风格调校得比较偏监听，因此为满足不同用户的听音偏好，N-50G还是加入了高低音的独立调节功能。

它的控制方式采用了音量+高低音旋钮的组合，并选择了带中点定位的电位器，仅凭手感就能准确的找到中点位置，使用起来还是比较方便。N-50G仍采用传统的主副箱结构，为了便于区分，高低音通道采用了不同的接口，低音通道采用了理论上更适合大电流传输的接线柱，而高音通道则使用了普通的弹簧线夹。

N-50G采用一体化背板，电源变压器设置在背板上。功放部分采用双板设计，音调部分和功率放大各占一块电路板，两者完全分开，互不干扰。其音调部分采用了NE5532运放，虽然不是什么发烧元件，但性能对于多媒体音频已经足够了。对于一些喜欢动手机的用户来说，还可以自己将其更换为更高级的运放以获得性能的进一步提升。

在主功放电路板上，滤波电容选用两颗10000uF／35V电容，功放由3片ST公司的TDA7265芯片构成，其中一片驱动两声道高音单元，另外两片桥接后分别驱动两个低音单元，以提供更大的输出功率。TDA7265是中等功率的双通道音频功放芯片，有效输出功率可达25W×2，最大输出电流为4.5A，桥接后每片可输出50W以上的功率。TDA7265的各项保护功能较全，除了过热和短路保护，还有静音功能，可消除开关机的电流冲击声。

电源决定着有源音箱的输出功率。倘若没有足够的功率支持，再好的扬声器也无法胜任低频和大功率下面的表现力，整体音质水平将因此大打折扣。在供电部分，N-50G采用了120VA的环形变压器，为整个系统提供了充沛的供电。

声如淡茶――N-50G的听音感受

最初聆听N-50G，一时还让我不太适应，因为其追求的是良好的还原性和 平衡感――与纯粹的监听风格不同，它对声音有轻微的着墨，但并不浓重；与以往接触的Hi-Fi箱有别，它相比之下却更显清淡。如果用香浓的咖啡和醇厚的美酒来形容以往接触的Hi-Fi箱，用清澈的泉水去比喻纯粹的监听箱，那么三诺N-50G就如同一盏淡茶，对音乐的诠释带着清新之感，既不过于浓厚，也不过于平淡。不会在第一时间给人以强烈的听觉冲击，却能让音乐的韵味慢慢渗入心间，这也是我逐渐喜欢上这种声音的原因。

在长时间的静心感受过程中，我选择了很多平时早已听熟的曲子，没想到N-50G带来的却是全新感受。

在低频上，它所展现的是一种稳重并富于控制力的低频。得益于电子分频不存在传统分频器的插入损耗以及阻尼悉数较高的优势，N-50G在回放《加州旅馆》时，其低频在音调旋钮置于中间默认位置的状态下显得速度快而有力，下潜较深，只是量感并不十分突出。如果希望获得更富于量感的低频，则需要将音调旋钮调到2点或3点位置，这时N-50G带来的则是一种相对兼顾音质和量感的效果。

在中频方面，N-50G是一种中性且略带润泽的风格。在古璇所演唱的《城里的片光》一曲中，N-50G对人声拿捏有度，厚而不老。值得一提的是，与以前听过的一些级别相近但风格不同的2.0音箱不同，N-50G的中频拥有良好的密度感，但浓而不软，具有极高的还原性和平衡感。

N-50G的高频清晰细腻，解析力较高。虽然不是那种能在瞬间抓住耳朵的风格，但细听之后却让人感到舒适耐听。特别是在回放弦乐时，对于乐器的质感和细节表现得比较透彻。必须提到的是，在测试搭配中，我不仅选择了TempoTecHiFier幻想曲这款素质出色的声卡，还分别挑选了TerraTec Fire6 LT和创新SBLive!声卡作为音源。经过对比，我们发现N-50G比较容易暴露音源的弱点，因此搭配一块较高素质的声卡是很有必要的，档次至少应该高于SB Livel级别。

在声场和声像定位测试上，N-50G由于采用了“点音源”和电子分频设计，声场鲜明，解析力出众，声像定位清晰明确。播放一些声效制作精良的电影片段，N-50G能很容易地感受到声像配合画面的移动感，对临场感有很大帮助。

由于电子分频有效提升了功放对扬声器的控制力，因此N-50G的解析力在整个频段上都表现得比较好：这与仅靠提升中高频来获得解析力的错觉和假相不同，在所有的频段上对声场的刻画都细致入微，在播放一些录音优秀的曲目时，N-50G的声场宽广定位感良好，形体感也比较强烈，这是很难得的。

注：所谓“点音源”设计，是指音箱的高音和低音单元尽量接近，使所有频率的声音都尽可能来源于―点的设计。“点音源”是理论上最理想的状态，但音箱一般采用高低音分频设计，高音和低音单元不在同一位置，因此不同频率的声音在到达人耳时就会产生时间差，这会严重影响声场定位和声音的自然感，是临场感的重要破坏因素。传统家用音箱听音距离较远，因此高低音的时间差较小，不至于产生重要的影响。但多媒体近场聆听却不同，一般听音距离都在1米以内，在这样短的使用距离下，高低音之间的距离就变得无法忽略，因此尽可能的缩短高低音之间的距离对多媒体音箱而言非常重要。

篇3

【关键词】STM32；红外线发射管；红外线接收头；LM386

此外我们的语音信号放大采用OP07，它是一款常用的放大器芯片，用它搭建的电路来采集音频信息实现音频放大功能，频率范围控制在题目要求的30HZ至3400HZ之间，采集音频信号通过电能，光能等能量的转化实现音频信息的还原，实现了基本要求和发挥部分。我们组的特色是实现功能的同时，所选都是通用而价格低廉的元件，各种功能均已实现。

1.方案论证与选择

1.1 产生方波方案

方案一：555发生器产生方波，选用LM555CM利用芯片的自身结构并配合电路：4脚和8脚接电源，6脚和2脚短接，5脚接电容和1脚接地即可以将正弦波转化为方波

方案二：用比较器产生方波，该模块由迟滞比较器电路组成，选用的集成放大器为TL082。由图知电路的正反馈系数F为：F=R3/（R3+R4）相较于常用的LM324和741可以产生较好的方波波形，但也是局限于低频区域。

方案三：用调制管实现产生180K方波的电路，并集成在发射电路部分，具有体积小，功能强，干扰小的特点，并且可以便于将180K的载波与信号相叠加。

经过实践和论证我们最终确定用方案三来实现产生180K基波的功能。

1.2 红外发射电路方案

方案一：由555时基电路构成，电路简单，抗干扰能力强。适合家用电器和小型仪器用途和开关。

方案二：采用专用芯片，采用LC7461专用发射芯片CX20106芯片LC7461是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路。

方案三：采用与门将180K的基准信号和要传播的信号通过74LS08与门，180K的基准信号通过调制器产生并加在电阻的前级，就会产生周期相与的高低电平脉冲信号。

通过论证，并搭建实物进行比较，我们最终确定了用方案三，并达到了理想的效果。

1.3 红外接收电路方案

方案一：由红外接收管和放大电路组成，经过三极管Q1通过第一级放大的信号传输到三极管Q2的第二级。但距离比较近时阻挡了接收管接收红外线的强度，产生了一个低电平的脉冲信号，使得信号传输的效果失真。

方案二：用接收管来接收信号并将光信号转换为弱电流信号用以驱动三极管9013的工作。三极管把电流信号放大产生的电流信号用在音频信号的输入。

经过论证和比较我们，并且搭建出实物，我们最终确定采用方案三来实现接收功能。

2.总体方案设计

2.1 原理分析

红外线传输需要180K的载波，这个频率是固定的，我们用555电路搭建了出来，在传输的信号中表头必须有10倍的载波周期辅助，结尾必须有77.8us的高电平信号，因而固定地占有了160us的时间，中间的信息传输中，需要将音频信息添加在载波中，音频的传输实质就是辨别不同的频率，从而传输的时间不同，占空比不同。在频率调制的过程中用180K的基波和300HZ到3.4KHZ进行调制，将信号呈周期不同的状态进行叠加传输。

2.2 方案对比

方案一：我们之前用的方案是用单片机用AD转换采8位信号，并用DA模拟出来，采样的频率是6.8K，传输一个数据的频率是1K，因而难以达到要求。后来我们想把信号减小为4位传输但传输的频率是2K，因为我们的采样点就相应的增加，而且音频信号由于适量地丢失，造成我们的音频信号有很大的传输缺陷，从而使得还原的信号失真明显而且会丢失一些重要的数据。

方案二：我们想利用传输的数据差来模拟信号，这样可以把部分传输的频率由原来的8位减少到4位，但是一小部分高频的信号还是传输了8位。与此思想类似的是用数据去除个固定值如1000，可以将数据整体减小为4位，但是数据会大幅度的减小，从而带来不必要的失真。

方案三：我们主要用硬件来搭建并实现电路。音频信号大多是正弦波，利用比较器可以将其转换为方波，用此信号来驱动三极管的开断，在之前的调试中，由于红外

3.硬件设计之单元电路设计

3.1 红外发送模块

红外线发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。

3.2 红外接收电路模块

红外线接收管是在LED行业中命名的，是专门用来接收和感应红外线发射管发出的红外线光线的。

3.3 音频放大电路

我们采用OP07制作的音频放大电路可以流畅地播放音频信息，采用咪头采集音频信号通过放大选通电路，后级接入了低通滤波器，用喇叭将原来的声音信号真实地还原出来。

4.软件

因为发挥部分要求增加数温度字通道，我们采用程序编码解码来传送数字信号。我们用8位二进制数表示温度，然后再在这个字节前加一个表头。我们用50us的高电平加120us的低电平表示表头表示一个数的开始。然后用50us的高电平加50us的低电平表示1，用50us的高电平加50us的低电平表示0。

5.制作和测试

我们组刚开始开始讨论方案，并走了一些弯路，但经过不懈的努力，仿真，绘制PCB版，调试，最终得到了较为理想的结果。

5.1 测试条件和仪器

检查多次，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器使用的仪器表，高精度的数字毫伏表，模拟示波器。

5.2 测试结论

经过我们的测试和较为严密的分析，我们的电路将信号尽最大的可能通过红外线传输到了我们的接收装置上。在规定的无差范围内，而且语音没有明显的失真。

6.结论

由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。

参考文献

[1]ALAN V.OPPENHEIM.信号与系统[M].西安：西安交通大学出版社，1997.

篇4

关键词：心电放大电路；波形仿真；低噪声；滤波器；数据采集

中图分类号：TP212.9文献标识码：B

文章编号：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

监护仪是一种用以测量和监控病人生理参数，并可与已知设定值进行比较，如果出现超差可发出报警的装置或系统。便携式监护仪小型方便，结构简单，性能稳定，可以随身携带，可由电池供电，一般用于非监护室及外出抢救病人的监护。心血管疾病是人类生命的最主要威胁之一，而心电(Electrocardiogram,ECG)信号是诊断心血管疾病的主要依据，因此实时监测病人心电活动，设计自动采集病人心电信号的便携式系统具有重要意义。

传统的导联系统采用通用的三电极方式，右胸上电极及左腹下电极为心电采样电极，右腹下电极为右腿驱动电极。这种联接方式有效实用，有利于便携使用。便携式监护仪分析处理系统可以分为两大部分，一是携带在被检查者身上的袖珍监护仪，二是由微机系统组成的心电图处理诊断系统。被检查者将某一时段的动态心电信号由监护仪记录下来，通过GPRS通信方式将数据传送到医院的心电图处理诊断系统中。心电信号是由人体心脏发出相当复杂的微弱信号，为了获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。

本设计的特点：

(1) 目前对心电信号的降噪有多种方法，这里主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离。滤波采用高通和低通两级滤波，滤波电路经Workbench仿真效果明显。

(2) 与以往双T型50 Hz陷波器不同的是，该设计电路引入放大器形成正反馈，以减小阻带宽度。

(3) 本文为人体日常生活方便,设计了导联电极脱落检测电路，防止运动输入电极脱落。

1 心电信号的特点及整体系统结构

心电信号属医学生物信号，它一般具有以下特点：随机性较强，即信号无法用确定的函数描述，而只能用统计的方法，从大量测量结果中看其规律；噪声背景强，即要测的有用信号往往淹没在许多无用信号中。常规心电信号的频带范围是0.05～100 Hz，在此频带范围内包含了心电信号90%的能量成分。由于心电信号是mV级的信号，因此对于干扰环境而言，它是非常微弱的信号。

心电信号由皮肤电极取自于人体表面，是一种低频率的微弱双极性信号。它淹没在许多较强的干扰和噪声之中。这些干扰主要包括肌电信号、呼吸波信号等体内干扰信号和以50 Hz工频干扰、电极与皮肤界面之间的噪声为主的体外电磁场干扰信号的影响。信号源阻抗大约100 kΩ，信号为10 μV～5 mV，典型值为1 mV，加上周围的电磁干扰(特别是50 Hz的工频干扰)比较大，要求放大电路具有高增益、高输入阻抗和高共模抑制比；为保持信号的稳定，还要求输入失调电压和偏置电流小、温漂小；为了便于随身携带，还要求体积小、电源电压低、耗电少等。

对心电信号进行精确测量，必须设计出性能优良的放大器。放大器的核心和关键是前置级的设计。整个前置级电路由前置放大电路，陷波电路和滤波电路构成。从体表获得的心电信号经导联输入后,ECG信号经运放构成的前置放大器放大,滤波器滤除其中的高频干扰后,再经一个50 Hz陷波器进一步抑制电源干扰,然后通过电平位移进入A/D转换,从而得到数字化的心电信号。

2 电路结构描述，心电信号的传感、放大及滤波

2.1 电路结构描述和仿真

整个监护仪是由前置放大电路，陷波电路和滤波电路构成。医学传感器获得体表的心电信号滤除其他频段干扰后经过放大调理和A/D转换之后传给计算机以供数据分析。其中便携性方面设计了电极脱落检测电路，摆脱电缆羁绊，使使用者能随身携带。硬件电路用Workbench软件进行仿真能实现其功能,采用的滤波函数用Matlab和Filterlab软件仿真之后能达到设计要求。滤波方法采用50 Hz陷波之后，再经过高低通两级滤波，引入放大器形成正反馈，以减小阻带宽度。

2.2 心电输入电极

电极对动态心电图采集记录心电信号的质量至关重要，采用电极应贴附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极，此外还应该具有对皮肤刺激小、佩带舒适、拆卸方便等优点。通常采用表面镀有AgCl的可拆卸的一次性软电极，并在电极上涂有优质导电膏。

2.3 前置放大器

便携机前置放大电路是对心电功能进行自动检测的关键部分，要求该系统能在强的噪声背景下，通过体表传感器不失真地将心电信号检测出来，放大至合适的幅度，送入A/D 变成数字信号，供计算机分析处理。

对心电信号等生物医学信号的采集采用模块化的方式，主要由前端医学传感器、信号滤波放大调理电路和A/D采样电路组成。其中调理电路根据不同生物医学信号的频谱和幅度范围的不同选择不同的滤波器和放大电路。通过前置放大部分对ECG信号进行放大，此部分包括右腿驱动以抑制共模干扰、屏蔽线驱动以消除引线干扰，增益设成10倍左右。设计前置放大采用美国模拟器件公司生产的医用放大器AD620。放大后的信号经滤波、50 Hz陷波处理后再进一步放大，后级增益设成100倍左右。由于心电信号幅度最大为几个mV，而A/D转换中输入信号的幅度要求在1 V以上，所以总增益设成1 000倍左右。其中，滤波采用二阶高(低)通滤波电路，用于消除0.05～100 Hz频带以外的肌电等干扰信号，工频中的其余高次谐波也可被滤除掉。同时，采用有源双T带阻滤波电路进一步抑制50 Hz工频干扰。

2.4 心电信号的放大

心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号,且电极与体表的接触电阻一般高达几兆欧,所以要求前置放大级应具有高输入阻抗、高共摸抑制比、低噪声、高增益且可调、低功耗和抗干扰能力强的特点。经过比较,选用Analog Device公司的低价仪表放大器AD620。

心电信号的放大具体实现电路见图1。心电信号前置放大级的增益不易设定太高，以免在干扰较强时信号引起严重失真。为更好地消除共模电压，设计了自举屏蔽驱动电路如图1所示。采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线，在输入共模信号时使屏蔽线与芯线等电位，在差模信号输入时没有影响。为了进一步提高电路的抗干扰能力，采用右腿驱动电路从根本上降低空间电场在人体上产生的干扰。此右腿驱动不是实际意义上的右腿驱动，因为由于此系统的侧重点在于便携操作，选用腹部右下侧设置电极。

图1 心电信号放大电路示意图

2.5 电极脱落检测

由于此系统应用于人体日常生活中，人常常处于活动状态，这样输入电极很可能脱落，从而使系统不能正常工作。为此，设计了导联电极脱落检测电路如图2所示。

图2 电极脱落检测电路

正常情况下，正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以互相抵消。当一侧电极脱落时，将有较大的极化电压输入，通过一个比较器，当比较电压超出范围时，认为电极导联脱落，Vo输出电平由正常时的高电平变为低电平，下级三极管导通，蜂鸣器发声指示。

2.6 心电信号的滤波

BT3受到各种噪声的干扰，噪声来源通常有下面几种:工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰(EMG)、基线漂移等。其中50 Hz的工频干扰最为严重，也是最难消除的。其他的各种噪声通过高截低通、高通低截滤波方法可以很好地消除。

从心电电极得到的心电信号先要经过前置放大电路，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。这时候的心电信号主要受到工频、肌电等信号的干扰。心电信号需经过两次陷波和两次滤波以实现消噪的目的，两次陷波分别滤掉50 Hz的工频信号和100 Hz的倍频谐波信号，两个滤波器分别是0.05 Hz高通滤波器和100 Hz的低通滤波器。这样可得到较为光滑的波形。

2.6.1 陷波电路

陷波器的电路如图3所示，该电路是带双T网络的有源滤波器，其传递函数：

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

其中： AV=R1+R2R2(2)

图3 陷波器电路图

与以往双T型陷波器不同的是，该电路引入放大器A2形成正反馈，以减小阻带宽度，使得阻带中心频率附近两边的幅值增大。品质因数Q可以通过变阻器Rw来调节。R和C的值可由中心频率f0确定。

f0=12ΠRC(3)

当f0=50 Hz时，C和R分别取0.068 μF和47 kΩ；f0=100 Hz时，C和R分别取0.068 μF和24 kΩ。

图4为式(1)传递函数的Filterlab 2.0的仿真结果。由此可以看出陷波电路设计符合要求。

图4 陷波电路的幅频和相频特性

2.6.2 带通滤波电路

带通滤波器电路如图5所示，采用的是带反馈的有源滤波器。该电路前半部分是0.05 Hz的高通滤波器，后半部分为100 Hz的低通滤波器。

图5 带通滤波器电路图

高通滤波器的传递函数：

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

低通滤波器的传递函数：

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

各电阻电容值的选取，除了能够滤波以外还具有放大作用。以上全部电路所用的放大器均是TI公司的OPA2137。

图6是Matlab的滤波仿真结果，从图中可以看出，信号在50 Hz处被很好地抑制了，滤波的效果非常理想，完全可以达到临床实用的要求。

滤波器对最终信号的质量尤为重要，由于滤波器的性能对元器件的误差相当灵敏，因此在这一级的设计中需要选用稳定而精密的阻容原件，可串联精密电位器以获得较好的效果。

图6 滤波前后的ECG频谱比较

3 结 语

电路中各滤波器的性能与滤波器的参数有直接关系，需经过正确计算。陷波器双T型网络中的电阻和电容需要精确匹配，以保证双T网络的对称，否则陷波深度会受影响。变阻器如何调节将会影响波形的好坏，可在实验中调试得出。

图7是实际电路测试的结果(纵坐标为μV)，可以看到该电路较好地完成了对心电的降噪。当然，在降噪过程中还可以增加屏蔽技术，以进一步减少外部信号的干扰。带通滤波器还可以设计成只带一个放大器的滤波器，使电路更为简单，但是精确率可能会降低。

图7 实测心电信号图

要想获得清晰稳定的心电信号，心电放大器中前置放大器与滤波器的设计很关键,特别是50 Hz的带阻滤

波器尤其重要。本文设计的以AD620型运放构成的心

电放大器可实现输出电压高增益、低噪声、高灵敏度,保证心电信号清晰稳定,按上述设计制作出的监护仪体积小、耗电少、携带方便、工作正常。经实测输出心电波形基本无失真,P波、T波都能得到真实显示。特别是该电路抗50 Hz陷波性能好,信号中基本看不到寄生工频干扰。电路稳定性好,即使电极脱落,基线亦无明显漂移。满足家居监护以及病理分析的要求。

作为便携式监护仪器,硬件结构简单、体积便于携带是其自身固有的特点。本文针对这些特点,心电信号采集存储和数据处理从节省电能和成本方面考虑采用MSP430单片机。为使滤波函数得以更好地实现，可采用具有运算速度快和浮点运算优点的DSP芯片进行改进，使采集的信号失真更小,保真度更高,对ECG信号的采集准确率大大提高，但DSP昂贵的价格会使成本提高。

参考文献

［1］郭继鸿.心电学进展［M］.北京:北京医科大学出版社,2002.

［2］安源,方克仁,任世超.动态心电监护系统的设计［J］.中国心血管杂志,2006,5(4):239-241.

［3］邹理和.数字滤波器［M］.北京:国防工业出版社,2003.

［4］Joseph J Carr.Introduction to Biomedical Equipment Technology［M］.New York:Prentice Hall,2007.

［5］张唯真.生物放大器前置级的设计［J］.医疗器械,2005,12(1):35-40.

［6］杨福生.生物医学信号的处理和识别［M］.天津:天津科技翻译出版公司,2005.

［7］邓亲恺.现代医学仪器设计原理［M］.北京:科学出版社,2004.

［8］廖德春,廖新浩.几种常用滤波方法端部效应的比较［J］.中国科学院上海天文台年刊,2003:22-50.

作者简介

董伟超 男，1982年出生，河北保定人，硕士研究生。主要研究方向为微系统集成技术。

篇5

1.1 选题研究背景、目的及意义

1.1.1 课题研究背景

本课题属于设计性课题。21世纪人类已进入信息社会，汽车及交通也已迈入信息时代。当前信息技术在汽车及交通领域中的应用项目相当多，发展速度可以说是“日新月异”,各种媒体多有报道。

可大致归纳为4个方面，即车辆安全系统，网络、通讯及导航系统，智能交通系统和移动多媒体系统。随着汽车的日益普及, 停车场越来越拥挤, 车辆常常需要在停车场穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近, 驾驶员的视野颇受限制, 碰撞和拖挂的事故时有发生, 在夜间时则更显突出。车辆安全系统通过应用电子信息技术，使车辆实现高智能化，极大地改善车辆人机系统的安全性，以避免事故的发生和减少伤害程度。

1.1.2 选题的目的及意义

本课题把硬件电路和电路软件有机的结合起来，完成汽车倒车报警系统的设计，能够了解单片机技术的现状，而且通过对电路系统的设计，学习掌握了数字电路从原理图到PCB版的全部过程，形成完善的设计思路以及思想，并通过对汽车倒车超声波报警器的软件设计的过程，锻炼应用C以及相关汇编语言等软件设计电路程序的能力为以后参与实际工作奠定良好的设计基础。

本课题要求使用现在应用非常广泛的计算机软件PROTEL，随着计算机技术的发展，计算机软件在电路设计中的应用越来越广泛， Protel是人们熟悉的常用EDA软件。作为电路设计自动化（EDA）的一种工具，Protel应用于电路原理图设计、电路板设计等，它基于Windows环境，功能强大，人机界面友好，能让人们在具有最完整的功能环境下，提升设计上的品质和效率。本课题将要求Protel在电路设计中的应用，包括电路原理图设计和印刷电路板设计以及设计过程中遇到的问题和解决方法。这样使学生也能将所学与所用有机结合起来，在步入工作岗位之前得到全方位的工程设计训练。

通过对汽车倒车报警电路的设计能初步具有用PROTEL软件设计电路原理图以及电路版图的能力。与实际电路相结合，通过理论联系实际的方法，使所学的知识通过自己设计思考真正应用到实践中。

微波探测技术在军用和民用领域里的广泛使用，使得通过这次毕业设计所学到的此方面的知识将会有很强的实用性。本设计要求对汽车倒车超声波报警器进行硬件设计，可以通过完成本次设计，练习PROTEL软件的使用，增加硬件设计的经验。

随着社会进步，经济发展，人民生活水平的不断提高，拥有汽车的家庭逐渐增多，交通问题也同时出现了：交通拥挤，各种不同的场合停车、倒车困难。许多非职业汽车驾驶员更是希望能有一种汽车倒车报警器，在倒车时不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，以提高汽车倒车时的安全性。

汽车倒车超声波报警器设计就是为了确保驾驶员和汽车的安全，使驾驶员在倒车时能明确与后面车辆、建筑的距离，确保倒车的安全。它具有显示功能，能够客观显示车后物体与车尾之间的距离。它可望成为新手驾驶员，以及后视不良车辆如大货车、公共汽车、集装箱车等车辆驾驶员倒车的好帮手，也可用于夜间辅助倒车及倒车入库。

1.2 超声波测距系统研究现状以及存在的问题

1.2.1 超声波测距系统研究现状

随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离。

1.2.2 探测盲区问题

超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。

1.3 论文的主要内容

论文将介绍超声波测距系统设计的方案选择与硬件的设计与调试。全文共分为五章，本章介绍了超声波测距系统设计的研究现状和本课题的选题目的与意义；第二章介绍超声波测距系统的总体设计方案，并对每个模块进行了方案论证与选择；第三章介绍了超声波测距系统的原理；第四章介绍了各单元模块的硬件电路设计与实现；第五章介绍了系统的调试过程和调试结果，最后总结了整个设计中有待改进的地方。

 

第二章 超声波测距系统的原理

2.1 超声波的测距原理

2.1.1 测距的电路原理框图

构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。

采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。

根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距传感器TCT40－16T/R（T表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为6m，发射扩散角为60度。同时，采用单片机作 为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图2-1所示。

图2-1 测距的电路原理框图

通过单片机的I/O口控制超声波发射电路发出40kHz的超声波，与此同时单片机内计数器开始计时；经过延迟后开启超声波接收电路，当接收电路收到经障碍物反射的回波后，计数器计时结束。通过单片机计算出即时距离，在显示电路显示出来，若低于警戒距离则开启报警。

2.1.2 工作原理

人能听到的声音频率为：20Hz~20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在20kHz以上，波长短，绕射小、能定向传播。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。

本设计采用的超声波是40kHz。超声波的纵向分辨率较高，对色彩和光照度不敏感，对外界光线和电磁场不敏感，可以用于测量较近目标的距离。本设计采用的超声波传感器往返距离为15m，在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作。

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂。在这里使用脉冲反射式。超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为C，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差 就可以计算出发射点距障碍物的距离L。超声波测距的算法原理如图2-2所示：

 

图2-2  超声波测距的算法原理图

计算公式为：

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

式中：C为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。

        L=                     （2-2）

式中：C为被测距离； 为发射超声脉冲与接收其回波的时间差； 为超声回波接收时刻； 为超声脉冲发射时刻。用单片机可以很方便地测量 时刻和 时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离L。

这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表2-1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表2-1  声速与温度关系表

温度(℃)  30

 20

 10

0 10 20 30 100

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

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距系统的机理。本设计认为在实际使用中的环境温度变化不大，对距离检测精度要求也不高，将超声波波速C认为是不变的常数。

另一种补偿方法就是用查表法，查上面温度与声速的对应表，再适当插值补偿。这种方法精确度较高。在这里考虑到设计上的简易性，没有进行补偿，能达到简单应用的基本要求。

该系统的工作原理：由微机编程送出40kHz频率的方波信号至信号处理器，信号处理器通过两级放大，再经过压电换能器将信号发射出去，该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时，压电换能器将接收的回波，通过信号处理的检波放大、积分整形及一系列常见电路的处理，送至微机处理。显示器的声音告警频率、发光二极管方位指示及障碍物距超声波探头的距离显示均由单片机控制。

2.1.3 超声波测距的工作方式

利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：

•相位检测法，相位检测法虽然精度高,但检测范围有限。

•声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响。

•渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。

本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。

2.1.4 信号处理技术

测量过程是由单片机部分和超声波信号处理电路共同完成的，一次测量的全过程为40ms。发射时，将40kHz的超声波信号和一个同步脉冲信号加到与门，同步脉冲信号通过与门控制发射超声波。单片机将同步脉冲的起始时刻定为 ， 超声波接收电路将接收到的信号加到单片机中，若检测到信号，则记下该时刻 ，由时间差  =    ，即可算得障碍物与超声探头之间的距离。若单片机系统接收不到超声波回波信号，则到40 ms时重复上述过程开始下一轮的循环。

在超声波发出后，如果直接进入检测状态，则势必浪费时间，因为此系统有最小测量距离，当距离最小时，即为时间差 最小，记为  ，所以此时间可以用来处理别的数据。本设计中计算子程序就是在此时间里完成的，这样就节省了一些时间。

2.2 超声波探头的主要作用

•探头是一个电声换能器，并能将返回来的声波转换成电脉冲；

•控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率；

•实现波型转换；

•控制工作频率，适用于不同的工作条件。

2.3 小结

本章介绍了超声波测距系统的测距原理、超声波测距的工作方式以及测距中如何进行信号处理优化，并阐述了超声波测距的基本概念理论基础、设计计算的主要方法和内容

第三章 汽车倒车超声波报警器设计方案比较与选择

3.1 汽车倒车超声波报警器的总体方案设计

3.1.1 方案的拟定条件

本设计首先要根据毕业设计任务书中的要求（最大测距6m，最小测距0.20m，显示分辨率0.02m，实时数字显示测得的距离；在不同的距离范围内发出不同的声光报警信号；驾驶员可根据个人需要调整设置报警距离．本报警器与其它报警器相比具有功能多、电路简单、操作简便、工作稳定可靠等优点）来进行器件选择，如谐振频率是多少，带宽为多少，Q值、声压输出、波束指向性、电容、驱动电压、功率是多少才能达到设计要求，在什么样的 环境特性下才能正常工作，市场上是否容易找到，便宜且应用较广否，这些都是需要考虑的问题。只有在这样的条件下，方案才能顺利确定，设计才能顺利展开。

3.1.2 模型的建立

汽车倒车雷达是利用超声波测距原理，不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，在一定距离范围内给驾驶者以警示，同时由高亮度数码管显示出所测的距离值，提高汽车在倒车时的安全性。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，可由单片机测出从发射到接收到回波的时间，计算出障碍物到汽车尾部的距离S=CT/2，式中C为超声波波速。尽管超声波波速与环境温度有关，但汽车倒车雷达在实际使用中的环境温度变化不大，对距离检测精度要求也不高，将超声波波速C认为是不变的常数。

测距系统模型应如图3-1所示。

3.2 超声波测距系统的器件选择

3.2.1 微控制器的选择

单片机是本检测系统的核心，它完成系统的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、驱动LED显示等功能。起初对于是选择AT89S51芯片，还是AT89C51芯片举棋不定，觉得二者区别不大，后来查阅相关资料发现AT89S51相对于AT89C51增加了很多新功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低。

     图3-1 测距模型

•AT89S51支持ISP在线编程功能，串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要4～5V 即可。这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。而AT89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。

•最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

•烧写寿命更长：89S5*标称的1000次，实际最少是1000次～10000次，这样更有利初学者反复烧写，减低学习成本。综合上面的一些区别，个人认为89C51的停止使用只是时间问题而已，就象当年的8031。

•内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

•双数据指示器。

•电源关闭标识及电源范围：89S5*电源范围宽达4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的时候则无法正常工作。

•全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

•兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

比较结果：就如同INTEL的P3向P4升级一样，虽然都可以跑Windows98，不过速度是不同的。从AT89C51升级到AT89S51，也是同理。和S51比起来，C51就要逊色一些，实际应用市场方面技术的进步是永远向前的。

3.2.2 显示模块器件的选择

在单片机小系统中，显示模块可以反映系统工作和运行结果，在系统中占有相当重要地位。常用的显示有：LED显示和LCD显示。

•LED显示的硬件电路设计简单、价格便宜，缺点是显示消耗的电流较高，体积大，在低功耗手持式仪器中很少使用。

•LCD显示具有低功耗、体积小特点，越来越多地应用于以单片机为核心的便携式仪表和测试仪中。采用LCD来显示检测到的温湿度参数，降低系统功耗。

本设计显示部分采用简单的4位共阳LED数码管，段码驱动用74LS245集成电路，位码用S8550（也可用9012）三极管驱动。

3.2.3 超声波传感器的选择

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频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。

    以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。

    超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

    超声波探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：

•工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

•工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声波探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

•灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

本次设计就选用压电式超声波发生器，压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图3-2所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会 发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

图3-2  超声波换能器内部结构

超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志（一般器件上有标明是T还是R，T：发射换能器，R：接受换能器）。超声波换能器外部结构如图3-3所示。

 

图3-3  超声波换能器外部结构

每个传感器的中心频率都存在一定的误差，在40kHz左右波动。而且超声波传感器发射波束时存在发散角问题，一般发散角都比较大，从而导致了方向性较差。同时，随着传播距离的增大，在不同的发散角上信号衰减的程度也有变化。它在空气中的发散角及耗散性如图3-4所示。

 

图3-4  发散角与耗散性

3.3 小结

本章介绍了超声波测距系统的工作原理和超声波测距系统微控制器的特点，提出了超声波测距设计的总体方案，对各功能模块的方案进行了比较，分析了常用的传感器，选定了超声波测距系统设计所需的器件。

第四章 超声波测距系统的硬件设计

4.1 硬件设计工具平台简介

电路及PCB设计是EDA技术中的一个重要内容，而EDA技术是现代电子工程领域的一门新技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。Protel是其中比较杰出的一个软件，在国内流行最早、应用面最宽。Protel DXP是Altium（Protel Technology前身）公司在2002年8月推出的一套最新Protel DXP电路板设计软件平台。该平台运行与Windows XP/2000操作系统。Protel DXP不仅继承了Protel系列产品的优点，更重要的是将所有设计工具集成于设计系统一身。通过把设计输入仿真、PCB绘制仿真、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为用户提供了全程的设计解决方案，使用户可以轻松的进行各种复杂的电路板设计。

使用Protel DXP设计印刷电路板的第一步就是要设计电路原理图，只有正确设计电路原理图，生成相应的网络表之后才能生成PCB文件。在设计时，先分析系统，在进行模块化的设计，将各部分电路分别设计，得到个模块电路，在通过融合，实现整体电路的设计，还可以将所有模块在一张比较大的图纸上全部画出来，但在同一张纸以模块的形式分别设计电路图，这样在设计过程中思维比较清晰，设计过程比较简单，而且更容易检查错误。原理图的设计相对简单，在设计完成后要先通过编译无误后才生成网络表，原理图常见错误有：

•管脚没有接入信号；

•放置导线时Wire与绘图工具中Line混用，Wire具有电气特性而Line不具有；

•元件放到图纸界外；

•创建的工程文件网络表只能部分调入PCB：生成netlist时没有选择为global；

在设计好原理图，通过编译检查，生成了网络表之后的工作就是绘制PCB板图了。在导入网络表之前，要确定原理图中的元件都有PCB封装。如果使用的器件在Protel DXP软件的PCB库中是没有封装的，那就要求自己按照器件的技术手册封装所需元件了。在封装PCB元件是应注意以下几点：

•原理图中所填元件的封装要与PCB元件库中的名称一致。

•原理图中元件的引脚名称要与PCB元件库中的引脚名称一致。

•直插式元件封装的孔要比元件的实际尺寸稍微大些，贴片元件的引脚封装应在条件允许的范围内尽量加宽、加长，这样才有利于焊接。

完成以上几步后，将网络表导入到PCB文件中，生成PCB板图。在导入网络表的时候通常会出现以下的错误：

•原理图中的元件使用了PCB库中没有的封装。

•原理图中的元件使用了PCB库中名称不一致的封装。

•原理图中的元件使用了PCB库中pin number不一致的封装。

网络表成功导入PCB文件之后对器件进行布局，元件的布局有自动布局和手工布局两中方式，由于自动布局的效果往往不能令人满意，所以一般都需要进行手工调整。良好的布局可以降低PCB布线的难度。布局应遵循以下一般原则：

首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：

①尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

③重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题，热敏元件应远离发热元件。

④对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

⑤应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：

①按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

②以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

③在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样，不但美观，而且装焊容易，也易于批量生产。

④位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3。电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

布线的方式也有两种：自动布线及手工布线，自动布线效率高，但有时布线的结果不尽如人意，这是因为自动布线的功能主要是实现电气网络之间的连接。在自动布线的实施过程中，很少考虑到特殊的电气、物理和散热等要求，因此必须通过手工来进行调整，使电路板既能实现正确的电气连接，又能满足用户的设计要求。手工调整布线的最简便的方法是对不合 理的布线，采取先拆线，后手工布线。在布线的过程中应注意的问题有：

•输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。

•尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的宽度关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5 mm。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用) 用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。

焊盘时，焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2)mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。

此外，还应注意以下两点：

•在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流，一般R取1~2K，C取2.2~47uF。

•CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

4.2 超声波测距系统的硬件设计

51系列单片机中典型芯片(如AT89S51) 采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时/计数器T0和T1，4个8b的I/O端口P0、P1、P2、P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器( PROM )，使其在实际中有着十分广泛的用途, 在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚图如图4-1所示，同时也为了对下面超声波测距系统的硬件设计进行更清楚的叙述，对其引脚标了号。

51系列单片机提供以下功能: 4kB存储器；256BRAM；32条I/O 线；2个16b定时/计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式: CPU 停止工作，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式: 保存RAM的内容, 振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

51系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

 

图4-1  AT89S51引脚图

4.2.1 超声波发射电路的设计

超声波发射电路原理图如图4-2所示。

设计原理：发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器T构成，AT89S51单片机P1.0端口输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向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，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

在实验制作和电路改进中，为了增加测量效果，可以考虑提高接收的灵敏度，但是灵敏度也并不是越高就越好。接收灵敏度过高，容易引起自激，结果反而不好，其实可以从增加发射功率方面着手，只要在发射头两端加个线圈。线圈可以用0.01mm的铜丝在小磁环绕成大致初级10匝，次级40匝左右。

  

图4-2  超声波发射电路

4.2.2 超声波检测接收电路的设计

本超声波测距仪的接收电路采用集成块CX20106A，其总放大增益为80db 以保证7脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5-5V以内。超声接收换能器UCM-40R接收到的信号经C9电容耦合至输入端1脚，总增益大小由2脚接收器R、C决定。R越小，C越大增益越高，C9选值过大将造成频率响应变差，为了兼顾总增益和频率特性R14取4.7 ，C17取3.3μF，3 脚C为检波电容，选3.3μF，当其容量减小时，瞬态响应，灵敏度会有所提高，但检波输出脉冲宽度变动也较大。带通滤波特性，可由5脚R15电阻决定其值在210K-220K间调整，本设计R15定为200K。用金属膜电阻调试，若其阻值偏差过大，中心频率也将相对偏移。所以当信号经过带通滤波器时，增益将大大降低，6脚C6电容为比较积分电容，7脚R16为输出负载电阻，104pF电容C11为电源滤波元件，当电容容量减小或失效时，将造成滤波不良，可能干扰接收输入端。超声波接收电路如图4-3所示。

CX20106是红外遥控接收前置放大双极性电路，引脚意义如下：

1 IN    遥控信号输入端(此脚与地之间接红外线接收二极管

2      前置放大器频率特性和增益设定(此脚与地之间接RC串连电路)

3     接检波电容

4 GND   接地

5      设定带通滤波器的中心频率(此脚与电源间接电阻)

6      外接积分电容

7 OUT   遥控指令输出端

8      外接电源

典型电压5V，典型功耗9mW。带通滤波器的中心频率可由电阻调节，范围30－60kHz。配套使用型号为M50462AP。

 

图4-3  超声波接收电路

4.2.3 超声波蜂鸣报警电路的设计

蜂鸣报警电路是采用扬声器来对所设置的报警距离实施报警，以向驾驶员提出警示。

本系统可以设定距离值，当大于或小于设定值时将发出控制信号。当小于设定值时，进入蜂鸣报警状态，通过一个NPN晶体管来驱动蜂鸣器，不需要复杂的滤波和放大电路，具有自动平滑功能，蜂鸣器鸣响。

超声波蜂鸣报警电路如图4-4所示。

 

图4-4  超声波蜂鸣报警电路

4.2.4 超声波系统键盘电路的设计

键盘电路是用来对最大测距、最小测距以及有关参数进行设置。

键盘输入：开启值30-1000厘米，关闭值30-1000厘米（在该范围内任意设置）。本系统由一个按键 启动/停止系统，由三个按键设定距离值： 的作用是进入和退出设定， 和 ：分别是向上加值和向下减值，每按一次加或减一厘米，由数码管输出显示。超声波系统键盘电路如图4-5示。

 

图4-5  超声波系统键盘电路

4.2.5 超声波滤波整流电路的设计

超声波滤波整流电路如图4-6所示。该电路是用来把反射信号转换为标准电平信号，通过整形把检波后得到的不标准的脉冲波整形为标准脉冲波。

信号整形电路：当接收到的信号从信号筛选电路中出来之后是一个很不规则的方波信号，希望最好得到一脉冲信号，经过此部分电路处理过后再送进单片机中进行处理运算。

因为多谐振荡器中有高频分量噪声，所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉。本信号筛选电路在整个电路中可以说起到非常重要的作用，通过对它的适当调整，可以有效地滤除由于外界干扰带来的非超声波信号进入超声波接收系统，从而大 大提高了本电路的抗干扰性。

 

图4-6  超声波滤波整流电路

4.2.6 时钟和复位电路设计

（1）复位电路的设计

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。

（2）时钟电路的设计

时钟振荡器：

AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。对外接电容C20，C25虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF 10pF ,而使用陶瓷谐振器建议选择40pF 10pF。

可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个二分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊的要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。时钟复位电路如图4-7所示：

 

图4-7  时钟和复位电路

4.2.7 扩展显示电路的设计

回波经过AT89S51对接收到的信息进行处理后，被测的距离在LED上显示。

显示电路采用简单实用的四位一体共阳极LED数码管显示所测距离值，显示电平使用低电平有效。段码用74LS245驱动，外接升压电阻。位码用PNP三极管8550（可用9012替代）驱动。显示电路如图4-8所示。

数码管采用动态扫描显示，动态扫描显示的好处是对CPU的I/O口要求较少，但对电路的干扰较大，注意PCB板的布线和对接收放大电源的稳定性要进行补偿处理，否则对其影响很大。

74LS245双向总线接收器简要说明：74LS245为三态输出的八组总线收发器，其主要电器特性的典型值如表4-1所示(不同厂家具体值有差别)。

表4-1  74LS245电器特性

 

 

 

 

74LS245 8ns 8ns 275mW

引出端符号：A     A总线端

B     B总线端

      三态允许端(低电平有效)

DIR   方向控制端

极限值：电源电压 …………………………………………. 7V

输入电压 …………………………………………. 7V

输出高阻态时高电平电压 ……………………… 5.5V

工作环境温度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃

存储温度 ………………………………………-65~150℃

 

图4-8  显示电路

4.3 小结

本章首先介绍了做设计的硬件设计工具Protel DXP，然后对超声波测距系统的硬件各电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路进行了详细的叙述，给出了详细的原理图。

本系统利用AT89S51产生40kHz的频率驱动超声波换能器的发射头，接收头收到信号后，经CX20106A芯片进行放大、限幅、滤波、整形、比较后输出低电平送到单片机的外部中断0申请中断，单片机响应中断请求，取得定时器内的时间进行距离计算，用四位一体的数码管显示测出的距离，并可根据设定报警距离进行报警。

 

第五章 超声波测距系统联机调试与结论

5.1 系统硬件电路调试与分析

5.1.1 调试仪器和内容

（1）测试试验方法：可通过显示电路实验、超声波发射接收以及测距试验进行调试。

测试仪器：示波器，多功能稳压电源，电压表，秒表。

（2）调试内容

超声波测距仪的制作和调试都比较简单，安装时探头时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

系统调试完后对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

5.1.2 调试过程

系统采用模块化电路设计, 采用较低的外部晶振和中周电路固化的超声波探头，数字和模拟部分电路分开供电，以提高系统抗干扰能力，但由于实际应用中仍存在较多电磁干扰，而回波信号为小信号输入, 系统调试中通过硬件补偿的方式对电路进行了优化和调整，使系统达到了较高的可靠性。

测距系统经过检波等硬件处理后的波形如图5-1所示：

在检测时，发送完检测脉冲后立刻进行判断负脉冲的长短，从而确定是否有障碍物存在。无障碍物时负脉冲宽度固定为t1，有障碍物时负脉冲固定为t1+t2，t3为超声波回波检测负脉冲。t1、t2的宽度与发送的脉冲周期数有关。周波数越多，t1越宽，检测距离越远，反之亦然。T3与T4之间的长度会随障碍物的距离而先行变化。因此，只要检测出t1、t2及T3与T4之间的长度即可判断障碍物距离。

（1）7段数码管的测试

LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。

    首先，找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那就是共阳的了。

（2）发射器探头对接收器探头的影响

超声波从发射到接收的时间 间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。

（3）调试注意事项

•超声波探头表面严禁用手及其它物体触摸以免产生信号滞后性及损坏。

•在测距中应保证测距仪与被测物体距离为定值，要和被测物体成一条直线，使测得距离读数的准确性。

5.1.3 测试数据及测试结果分析计算

传感器工作电压：超声波传感器5V

试验数据：简单搭建电路板并调试后，对一500mm宽的距离测试，所测数据如表5-1所示（单位:mm）。

表5-1  500mm宽的距离测试数据

次数 1 2 3 4 5 平均

测值 500.3 499.8 499.9 500.1 500.0 500.03

该测距系统使用方便、精度高，在一些恶劣环境，如极易被腐蚀、电解，失去灵敏性等工矿业现场将大有用武之地。

（1）测试结果与分析

超声波测距系统调试完成后，对系统进行了测试。在超声波换能器与较大平面(如墙壁面)法线方向一致时，量程为0.07~5.50m，测距盲区控制在20cm内，分辨率为0.01m，实验中对测量范围0.07~2.50m内的平面物体做了多次测试，测距器的最大误差不超过1cm，重复一致性很好。因为超声波具有一定发散角，所以当在正前方和斜前方都有物体时，会以距发射器最近的物体作为探测目标。目前此设计可提交于应用于一些动机器人、安全线提示，银行及取款机的一米线提示等场合。

（2）误差分析

对系统进行实验测试，结果发现在5米范围内，最大误差在5cm以内，且距离越近，误差越小，限制该系统最大可测距离的因素包括：超声波的幅度、反射面的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

测距误差主要来源于以下几个方面：

①气温度变化等引起的声速变化造成的误差，温度在-30℃-40℃范围变化时，传播速度v的变化范围为313米/秒-356米/秒，由测距公式可计算出距离值有一定影响，采用声速预置和传播介质温度测量结合的方法对声速进行修正，可有效地降低温度变化产生的误差。

②发射与脉冲计数由于响应快慢差异开启不同步引起的误差，对此在调试中通过脉冲计数值补偿进行修正。

③超声波在传播过程由于受衍射、散射和吸收等影响衰减导致的误差，近距离误差不明显，距离越远产生的误差越大，可适当增大超声波的发射功率等来改善。

④发射和接受前置电路延迟的时间误差等，发射前置电路和接收前置电路中采用集成芯片都有时间延迟。对此采取时间增益控制，来减少误差，由于本装置对于厘米级的精度已经足够，电路延迟都是纳秒数量级，记数频率是40kHz，所以减少一个记数单位完全可以矫正。针对误差原因在程序设计及系统调试中做了相应处理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

⑤超声波波束对探测目标的入射角的影响。

⑥超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系。

⑦超声波传播速度对测距是有影响的。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，传播媒质的特性，如温度、压力、密度对声速都将产生影响。因此，为了准确地计算距离，应对声速加以修正，系统程序中采用了软件补偿措施。

（3）误差改进

由于考虑到体积、成本等因素，本装置在性能上、功能上还存在不足，有待于进一步提高：

•增加几路不同方向的超声波探测或红外探测器以及温度补偿电路等，可以提高装置的灵敏度和精度,同时提高可靠性。

•可在装置中增加一个语音芯片，将蜂鸣报警改为语音说明指示，根据探测结果直接报出距离、方位，更便于使用。

•由于受发射功率及回波检测灵敏度的限制，探测范围较小，可增加发射功率调节等电路，以便增大探测范围，可用于夜间探路、井下探索等。

（4）温度的补偿

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

所以，在超声波的两个探头旁边可放置温度传感器，测出环境温度T，由单片机控制器进行软件修正。

5.2 系统源程序的调试过程

5.2.1 软件仿真验证

本设计采用51汇编语言编写，用Keil C51编译和调试。这里采用光电二极管和光电三极管来代替超声波发送探头和超声波接收探头，且空中传播过程略去仿真。联调仿真后，可见数字电路的延迟效果比较明显，所以需要软件矫正。

由于超声波探头存在余震效应, 为避免余震产生的“虚假反射波”超声测距数据的采集与处理错误申请中断，超声波脉冲发射后软件中设置了一段时间的延时，称为“死区”时间，“死区”形成了距离测量中的“盲区”，由于探头的性能误差，运行后要不断调整探头的“死区”。经过应用过程的调试，本系统的测量“盲区”控制在20cm内，“死区”时间为115ms，测量误差为±1cm。

结  论

本文所设计的倒车雷达系统是保障汽车倒车安全的辅助系统，通过超声波探头发出超声波，使用高速单片机计算距离，还可加入了温度补偿电路，提高了距离计算的精度。系统安装的LED可以直观的显示温度和距离，给驾驶员提供了方便。倒车时当汽车与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，系统发出报警，提醒驾驶员，防止汽车的碰撞或擦伤，具有很强的实用性。

整个报警器系统由汽车倒车挡控制，当汽车置于倒车挡时，报警器工作；置于其它挡时，报警器不工作。在环境温度为-20～50℃的范围内，测量误差为几个厘米，这个误差能满足正常倒车的需要。因为本设计所采用的超声波传感器的辐射范围是   60°，所以在安装时，需在车尾装3～4个超声波传感器，这样才能覆盖整个范围。

利用51系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观。经实际测试证明, 该类测距仪工作稳定, 能满足一般近距离测距的要求, 且成本较低、有良好的性价比。

本超声波测距系统可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监 控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合，觉得这次的设计实用性极强。

通过一学期的努力，完成了超声波测距系统的设计。设计满足了任务书中的基本要求和扩展要求，软、硬件设计已达到预期效果。主要完成的工作有：

①学会了使用Protel软件绘制原理图和PCB板图。

②完成了超声波测距系统的各个功能模块的硬件设计与调试。

③已经通过系统的软硬件联合调试，距离通过LED显示出来。

由于时间和能力有限，本次设计还有一些不足之处，主要有以下几方面：

①由于经验不足，在设计超声波测距系统的时候，设计原理图与PCB板图的时候出现了一些问题。

②在调试时，显示的延迟性较大，超声波探头太敏感。

本文创新点：

①测试结果分析可知，本装置采用较低成本的器件设计制作，且误差较小，完全满足汽车倒车的指引作用，具有较高的性价比。

②装置结构简单、体积小、性能稳定，操作容易、使用方便，可以安装在不同的载体上，制作成不同的用具，如导盲眼镜、位移仪、深度仪等，具有一定推广应用价值。

致  谢

感谢西南科技大学。在这里，我开阔了见识，增长了知识，锻炼了能力。大学四年的亲身体验让我更增加了对学校的热爱。

感谢我的指导老师曾毅对我的辛勤培育。从论文的立题到实验的设计以及论文的撰写整个过程无不浸透着老师的心血。他广博的学识，严肃的科学态度，严谨的治学精神，灵活的思维方式，耐心细致的言传身教深深感染激励着我，将使我终身受益。导师不但在学习上给予我耐心细致的指导，在生活中也给了我莫大的关怀，在这里向曾老师表示衷心的感谢。

    感谢大学四年所有指导过的老师。在学习的过程中给了我很多的指导，让我在理论知识和动手能力上都有很大的提高。

在完成毕业设计和毕业论文的过程中，我们寝室的同学给了我很大的帮助，在此向他们表示深深的感谢。

感谢父母二十多年来的养育之恩，让我顺利的完成了四年的大学学业，并让我获取了一定的知识并最终走向社会，为社会贡献自己!

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢

参考文献

[1] 戴曰章.基于超声波测距的汽车倒车报警器设计[J] .自动化与仪器仪表，2006，3.

[2] 赵文龙，苑鸿骥，熊丽云.汽车倒车测距仪中信号处理技术的研究[J] .厦门大学学报，2001，40(4)：106 110.

[3] 李建法等.超声波测距的电路设计与单片机编程[N] .河南：安阳师范学院院报，2003.

[4] 姜志海，黄玉清等.单片机原理及应用[M] .北京：电子工业出版社，2005.

[5] 王福瑞.单片机微机测控系统大全[M] .北京：北京航天航空大学出版社，1998.

[6] 房晓翠，王金风.单片机实用系统设计技术[M] .北京：国防工业出版社，1999.

[7] 宋明耀.提高超声测距精度的设计[Z] .电子产品设计，2004.7.

[8] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M] .清华大学出版社，1996.

[9] 刘乐善.微型计算机接口技术及其应用[M] .华中科技大学出版社，2001.

[10] 张明友,吕幼新.信号与系统分析[M] .电子科技大学出版社，1999.

[11] Analog Devices. 3V/5V, 450mA 16-Bit , Sigma-Delta ADC AD7715[J].2000.

[12] Texas Instruments Incorporated. MAX3221 3V to 5.5V multichannelRS-232 line driver/ receiver[J].2000.

[13] Alessio Carullo and Marco Pavis. "An Ultrasonic Sensor for Distance Measurement in Automotive Application[J] ". IEEE SENSOR JOURNAL, 2001,1(2).

[14] Huelaman.l.p.Basic circuit Theory (2nd dition)[Z]. Prentice-Hall, Inc, 1984.

[15] Rabiner L R and Gold B. Theory and Application of Digital signal Processing [M].Prentice-Hill Inc, 1975.

附  录

附录1：系统总原理图

 

附录2：AT89S51引脚功能

Vcc：电源电压；GND：地

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现机器周期以上高电平将使单片机复位。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节。而在程序检验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输出口使用时，因为存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ ）。

Flash编程和程序校验期间，P1口接受低8位地址。

P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输出口使用时，因为存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ ）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器P2口送出高8位地址数据。在访问八位地址的外部数据存储器，P2口线上的内容（也即特殊功能存储器（SFR）区中R2寄存器）。在整个访问期间不改变。

FLASH编程或校验时，P2亦接受地址和其它控制信号

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的八位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）四个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时。它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I ）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表③-2所示。P3口还接受一些用于FLASH闪速存储器和程序校验的控制信号。

表1  P3口的分配

端口引脚 第二功能

P3.0 RXD（串性输入口）

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2  （外中段0）

P3.3  （外中段1）

P3.4  （定时/计数器0）

P3.5  （定时/计数器1）

P3.6  （外部数据存储器写选通）

P3.7  （外部数据存储器读选通）

ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低八位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出 固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ ）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

 ：程序储存允许（ ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，即输出两个脉冲。在次期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号不出现。

EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp。当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端