基于STC12C5202控制的超声波物位系统设计

　　0　引　言

　　超声波测量是一种应用广泛的先进技术。本系统通过计算超声波的回波时间,完成对有害环境下物体位置的精确测量,并将测量结果通过LCD液晶屏显示出来,同时输出模拟电流信号。系统测量范围为0~999 mm,最小单位为1 mm[1]。

　　1　系统总体设计

　　系统设计以STC12C5202单片机作为超声波物位系统的控制核心[2]。主要包括超声波发射电路设计、接收电路设计、模拟信号输出、数码管显示等几个部分,总体设计如图1所示。

　　2　STC12C5202单片机控制系统

　　STC12C5202的P3.4脚用来产生脉冲信号,通过发射电路驱动超声波换能器发出超声波;P3.3(INT)脚用来接收超声波返回产生的下降沿信号,从而引发中断;单片机的P2口向DAC传输8位并行数据,进行信号传输。

　　P1、P3.7、P3.5、P3.2、P3.0、P3.1引脚用来显示[2]。其控制电路如图2所示。

　　3　发射电路

　　发射电路如图3所示,采用NE555构成多谐振荡电路产生高频脉冲串构成发射级[3]。NE555的输入是来自单片机的外加脉冲信号,通过调节电阻RW11的阻值可以改变NE555输出脉冲的振荡频率。本设计应调节输出电压脉冲为200 kHz。由于换能器为高阻抗元件,要驱动它,需经过功率匹配和阻抗匹配才能实现,所以采用功率V11和V12和变压器T1组成换能器驱动级。NE555的发射脉冲经过V11与V12的两级功率放大和脉冲变压器T1升压后,才能激发换能器中的压电元件产生超声波信号[4]。

　　4　接收电路

　　由于超声信号工作在脉冲方式,原始信号强度很弱,而脉冲方式的各种干扰和噪声比较强,所以设计合理有效的信号滤波电路是超声信号放大系统的关键点之一。接收电路共由3部分组成:1)隔离电路,起到隔离高压发射脉冲的作用;2)信号放大电路;3)门限电路,产生送往单片机的中断信号[5]。

　　4.1　隔离电路设计

　　隔离电路设计如图4所示。当换能器的交变电压较小(小于±0.5 V)时,信号将通过电容器CO耦合到后续放大器;当换能器上的交变电压较大时,通过电容器C51的交变电压将使两个开关二极管VD51、VD52导通。在交变电压的正半周,二极管导通时将使电容器C51快速充电而形成很大压降;在交变电压的负半周,二极管导通时将使电容器C51快速放电,并进行反向充电而形成很大的负荷压降。这样,换能器上很大的交变电压将由于二极管的导通而使电压降到较小容量的电容器上,而隔离级电路的输出只有±0.7 V左右,达到了该电路的预期效果[6]。

　　4.2　信号放大电路设计