基于C8051F300的超声测距仪设计

　　引言

　　超声波受环境影响小、指向性好,能广泛应用于物位测量和倒车雷达等场合[1]。近年来,超声测距克服了测量距离短、精度有限等约束,通过算法改进和抗干扰措施的采用,逐步向大量程、高精度方向发展。这就要求控制器具有高运算速度、低响应时间和较高的集成度。

　　C8051F300(简称/F3000)在这些方面具有杰出的性能。它具备高速8051微控制器内核(最高可达25MIPS)、8位ADC、温度传感器和UART,在很少外围电路的情况下即可构成超声测距系统,成为优选控制器。超声测距仪的实物示意图如图1所示。其中,探头部分采用本教研室自主研发的超声传感器,内嵌换能器和发射接收电路,可及时传回回波数据。经调理滤波的回波信号频率为24.4 kHz,幅值为±4V,通过测距仪器执行算法和上传数据。

　　1 结构与接口

　　如上所述,回波信号幅值集中在±4V之间,这个数值大小适中,也便于观察,但却不符合F300的I/O口对工作电压0~3.3V的要求,所以在信号接入单片机前,必须先进行预处理,调整幅值。本系统采取了取绝对值再作小幅衰减的方法来实现预处理。

　　预处理电路如图2所示。该电路由1个负电压截止正电压导通的滤波电路和1个基本加法电路组成。

　　(1)滤波电路

　　由模拟电路的知识可知(R2/R1=1):

　　经D1、D2的阻止作用,原正弦信号的负半周截止,正半周导通,再经反向得到的V2是一个只有下半周的正弦图像。

　　(2)基本加法电路

　　V1经R3,V2经R4连接到反馈电阻R5上,构成加法器,输出信号:

　　两相抵消后,V1、V2、V3的波形依次如图3所示。

　　V3的幅值应该保持在0~3V之间。但在实际转换过程中,很容易出现过高或过低的尖峰脉冲,而这些尖峰脉冲幅值必须控制在F300I/O脚的耐压范围-0.3~+4.2V以内;所以,在电路的后端连接了锗二极管D3以形成0.3V左右的压降,充分滤除低电压成分。稳压管D4的引入也是为了保证高压不超过3.6V,以免烧毁单片机。考虑到电阻阻值的容许误差、半波整流的非线性工作、放大器间的相互影响等因素,PCB布线过程中放置了正负电源附近的去耦电阻,放大器引脚沿线也安排了去耦电容,以减小两片放大器之间的相互影响。

　　此时,信号幅值已达到要求,可以直接送入单片机的P0.1脚。图4为单片机的电路结构框图。P0.6接LED(D1),指示采样状态,单片机工作在采样状态时D1亮;P0.7和复位脚则连接在JTAG口上,用于在线调试。复位电路接在F300的复位引脚,控制系统工作状态;另一支路连到JTAG,从而实现两接口的同时复位。

　　P0.4、P0.5负责数据的发送和接收,这部分电路是以3223EEY芯片为主体的。由于RS232规定高电平为3~15V、低电平为-15~-3V,DB9上最高可以承受?30V的信号电平,所以RS232不能直接与TTL电平相连,使用时必须转换电平。3223EEY是继MAX232后一款优秀的电平转换芯片,具备一些显著优点:带有Lp监控系统;可工作在低电源(3.3V)状态以适应部分手提电脑;同时,为了在不传送时节约电源,它还含有自动关断功能(shutdown)。从功耗和便携使用角度看,该芯片非常适合本测距仪的指标要求。