全球主流8位MCU芯片詳細(xì)解剖No.3:微芯 PIC16F877 - 全文

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　　PIC16F877簡介

　　PIC16F877是由Microchip公司所生產(chǎn)開發(fā)的8位MCU，屬于PICmicro系列單片微機(jī)，具有Flash program程序內(nèi)存功能，可以重復(fù)燒錄程序，適合教學(xué)、開發(fā)新產(chǎn)品等用途；而其內(nèi)建ICD（In Circuit Debug）功能，可以讓使用者直接在單片機(jī)電路或產(chǎn)品上，進(jìn)行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進(jìn)行程序除錯(cuò)與開發(fā)。

　　如圖為PIC16F877的40根引腳圖，PDIP是指一般最常見的DIP（Dual In Line Package）包裝，而PIC單片機(jī)也有PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）與QFP（Quad Flat Package）兩種形式的包裝，依照不同的需求，尋找不同的包裝形式。如圖所示，每根接腳都有其特定功能，例如Pin11與Pin32（VDD）為正電源接腳，Pin12與Pin31（VSS）為地線接腳；而有些接腳有兩種甚至三種以上功能，例如Pin2（RA0/AN0）代表PORTA的第一支接腳，在系統(tǒng)重置（Reset）后，可自動(dòng)成為模擬輸入接腳，接收模擬訊號(hào)，也可經(jīng)由程序規(guī)劃為數(shù)字輸出輸入接腳。

　　圖1. PDIP40引腳PIC16F877接腳說明

　　圖2. PDIP28和SOIC28引腳PIC16F877接腳圖說明

　　圖3. PLCC44引腳PIC16F877腳位圖說明

　　圖4. QFP44引腳PIC16F877引腳圖說明

　　PIC16F877屬于閃控式（Flash）單片機(jī)，可以重復(fù)燒錄，其ROM的容量總共是8K words，以2K為一個(gè)page，區(qū)分為4個(gè)pages；內(nèi)部RAM總共有512個(gè)字節(jié)（00f~1FFh），以128個(gè)字節(jié)為一個(gè)Bank，共區(qū)分為4個(gè)Bank，如圖5所示，每個(gè)Bank的前半段都有其特殊用途，分別連接到其特殊功能模塊，例如I/O、CCP、Timer、USART、MSSP等。

　　圖5. PIC16F877的RAM配置

　　特殊內(nèi)嵌功能

　　PIC16F877屬于內(nèi)嵌功能較多的單片機(jī)，除了CPU、POM、RAM、I/O等基本構(gòu)造外，還包括以下各種功能，簡介如下：

　　A/D converter：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，最多可以讀取8組模擬輸入訊號(hào)。

　　CCP：Capture、Compare、PWM，用于控制直流馬達(dá)。

　　Timer，內(nèi)部定時(shí)器，有Timer0、Timer1、Timer2等。

　　USART：Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，同步/異步串行傳輸，如RS232、RS485等。

　　MSSP；Master Synchronous Serial Port，兩線式（I2C）與三線式（SPI）標(biāo)準(zhǔn)同步串行傳輸協(xié)定，常用于EEPROM內(nèi)存資料的燒錄與讀取，或是與其它集成電路溝通與聯(lián)系，形成多芯片網(wǎng)絡(luò)。

　　PIC16F877基本電路

　　PIC振蕩頻率電路

　　單片機(jī)振蕩電路與整體系統(tǒng)工作速度有直接的關(guān)系，例如同步∕異步串行傳輸、定時(shí)器等，都與振蕩頻率有關(guān)，不同系列單片機(jī)有不同振蕩頻率，根據(jù)產(chǎn)品資料手冊(cè)，PIC16F877振蕩頻率最高可到20MHz；在圖1中，振蕩電路接于Pin13（OSC1/CLKIN）與Pin14（OSC2/CLKOUT），而振蕩電路有以下四種形式：

　　LP：使用低功率振蕩晶體（Low Power Crystal）

　　XT：使用振蕩器∕諧振器（Crystal/Resonator）

　　HS：使用高速振蕩器（High Speed Crystal/Resonator）

　　RC：使用電阻∕電容（Resister/Capacitor）

　　一般常用振蕩晶體或是諧振器作為單片機(jī)振蕩源，外接電路及PIC內(nèi)部電路說明如圖6所示。圖中電容C1與C2規(guī)格大小是根據(jù)Crystal或Resonator而有所不同，表1列出電容建議值，使用其它振蕩源的電路說明請(qǐng)參考產(chǎn)品資料手冊(cè)。

　　圖6. 振蕩源電路圖

　　表1. 建議電容值

　　外加電源與重置電路

　　PIC16F877的工作電壓為5V，連接Pin11與Pin32，Pin12與Pin31為地線接腳；重置電路連接Pin1，按下Reset后，內(nèi)部指令重頭開始執(zhí)行，系統(tǒng)重新運(yùn)作。

　　圖7. 電源與重置電路

　　輸入輸出接口

　　PIC16F877除了上述基本電路所占用的7支接腳外，其余的33支接腳都可當(dāng)成輸出、輸入接腳，輸入輸出端口是單片機(jī)基本界面，可以與周邊電路進(jìn)行電路控制和信號(hào)傳輸與檢測(cè)。PIC是8位的單片機(jī)，以接腳特性分組，每組盡量湊滿8支接腳，并將I/O命名為PORTA（RA0~RA5）、PORTB（RB0~RB7）、PORTC（RC0~RC7）、PORTD（RD0~RD7）和PORTE（RE0~RE2）等，各分組接口特性說明如下：

　　PORTA

　　PIC16F877的PORTA總共有6個(gè)位（RA0~RA5），PORTA的接腳可作為數(shù)字輸出輸入端口，而系統(tǒng)重置后，PORTA自動(dòng)成為模擬輸入狀態(tài)，可讀取模擬輸入訊號(hào)。

　　PORTB

　　PORTB總共有8個(gè)位（RB0~RB7），可以撰寫程序規(guī)劃輸入輸出方向、狀態(tài)，其中，要進(jìn)行燒錄時(shí)，使用到三支接腳，分別是Pin36（RB3/PGM）、Pin39（RB6/PGC）與Pin40（RB7/PGD）。

　　PORTC

　　PORTC總共有8個(gè)位（RC0~RC7），除了可作為數(shù)位I/O外，還和一些特殊功能的周邊電路共享接腳，例如CCP（直流馬達(dá)控制）、I2C、SPI（同步串行通訊電路）、UART（異步串行傳輸電路）等等。

　　PORTD

　　PORTD總共有8個(gè)位（RD0~RD7），可作一般數(shù)字I/O，并與PSP（Parallel Slave Port）并列傳輸接口共享。當(dāng)整體系統(tǒng)需要多單片機(jī)時(shí)，彼此可以經(jīng)由并列傳輸接口來快速傳輸資料。

　　PORTE

　　PORTE總共有3個(gè)位（RE0~RE2），PORTE的Pin8、9、10有三種功能，除了基本I/O功能，也有模擬輸入功能，而上述PORTD的并列傳輸接口設(shè)定所需的控制接腳，如/RD、/WR、/CS等，也是屬于PORTE接腳。

　　PIC16F877指令簡介

　　PIC16F877常用的語言有匯編語言與C語言兩種，匯編語言是將每一個(gè)機(jī)器碼使用一個(gè)文字代號(hào)代表，比較接近處理器真正動(dòng)作模式；而C語言是比較符合人們的使用習(xí)慣，事先將匯編語言組合成C語言形式，使用較為方便，但是C語言所組譯的機(jī)器碼程序通常比較大，且組譯軟件通常需要額外購買。以下簡介匯編語言相關(guān)指令與一套C語言組譯軟件。

　　PIC16F877指令摘要

　　PIC是采用RISC（Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集），與8051系列采用的CISC（Complicated Instruction Set Computing，復(fù)雜指令集）不同，PIC16F877所有指令指有35個(gè)，8051高達(dá)111個(gè)指令。

　　汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　1 引言

　　隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展及其在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering， 簡稱EPS）越來越成為目前汽車電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩(wěn)定性，能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)汽車行駛狀況的變化，在操縱舒適性、安全性、環(huán)保、節(jié)能、易于維修等方面也充分顯示了其優(yōu)越性［1］。目前， 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已部分取代液壓助力轉(zhuǎn)向并獲得廣泛應(yīng)用，如日本的大發(fā)、三菱、本田汽車公司，美國的Delphi汽車系統(tǒng)公司，德國的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國內(nèi)對(duì)EPS 系統(tǒng)的研究起步較晚，僅有清華、華中科大、吉林大學(xué)、合肥工大等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模和動(dòng)力學(xué)分析等研究，但處在理論探索、實(shí)驗(yàn)研究階段。國內(nèi)部分汽車廠商如重慶長安、南昌昌河、東風(fēng)、一汽等與高校聯(lián)合研究，也都處在研制的初級(jí)階段，未達(dá)到實(shí)用程度［2］。

　　2 EPS系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

　　2.1 EPS的硬件組成

　　EPS是一種直接依靠電力提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它由電子控制單元（ECU）控制電機(jī)提供助力，系統(tǒng)主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器（可與其他系統(tǒng)共用）、直流電機(jī)、離合器、電磁繼電器、減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。

　　圖2-1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.2 EPS的工作原理

　　當(dāng)汽車點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí)，ECU上電開始對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統(tǒng)便開始工作，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器把測(cè)得方向盤上的角位移和作用于其上的力矩傳遞給ECU，ECU根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)并結(jié)合車速等信息，控制電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的助力，實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)最佳控制：在低速行駛時(shí)，減輕轉(zhuǎn)向力，保證汽車轉(zhuǎn)向靈活、輕便，在高速行駛時(shí)，適當(dāng)增加阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向盤操作穩(wěn)重、可靠。

　　3 基于PIC單片機(jī)的ECU系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖3-1 ECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

　　3.1 ECU工作原理

　　系統(tǒng)的控制核心為PIC16F877單片機(jī)，控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個(gè)系統(tǒng)由車載 12V蓄電池供電，ECU工作時(shí)，扭矩、轉(zhuǎn)角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號(hào)經(jīng)過輸入接口電路處理后送至單片機(jī)的相應(yīng)端口， 單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理，以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機(jī)的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過驅(qū)動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機(jī)工作。在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際工作電流通過電流探測(cè)電路反饋到單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)斷開繼電器、離合器，退出電動(dòng)助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式［3］。

　　3.2 PIC16F877單片機(jī)簡介

　　該款機(jī)型是美國Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有高速數(shù)據(jù)處理的特性（執(zhí)行速度可達(dá) 120ns），PIC16F877內(nèi)部自帶看門狗定時(shí)器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲(chǔ)器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2 個(gè)脈寬調(diào)制CCP模塊、在線燒錄調(diào)試（ISP）功能，寬電壓工作，可靠性高。PIC16F877有8級(jí)深度的硬件堆棧，RAM區(qū)的每個(gè)Byte位都可以尋址，有4條專用的位操作指令和2條移位指令。

　　3.3 直流電動(dòng)機(jī)的選擇

　　無刷直流電機(jī)在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目采用永磁式無刷直流電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)源。

　　3.4 扭矩、轉(zhuǎn)角傳感器的選擇

　　本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復(fù)合傳感器，該傳感器除了提供扭矩信號(hào)外，還提供方向盤位置信號(hào)，為回正和阻尼邏輯的開發(fā)提供了便利。

　　3.5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

　　電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿足EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本項(xiàng)目中后向通道的核心控制采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路。直流電機(jī)PWM控制方式有多種，根據(jù)電機(jī)工作的實(shí)際需要和系統(tǒng)的整體要求，本項(xiàng)目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點(diǎn)在于可以避免開關(guān)管同臂導(dǎo)通，運(yùn)行可靠性高、不需附加延時(shí)電路、開關(guān)頻率相對(duì)較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電機(jī)控制的場(chǎng)合。

　　3.5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路上的電流傳感器和繼電器構(gòu)成。

　　FET橋式電路主要由四個(gè)大功率MOSFET功率管組成，要求功率管具有良好的開關(guān)特性、能承受較大的驅(qū)動(dòng)電流、且具有較長的使用壽命，根據(jù)電機(jī)的功率參數(shù)及功率管的極限參數(shù)和電特性，我們采用四個(gè)相同的N溝道IRFP250功率管來構(gòu)成H橋電路。

　　FET 基極驅(qū)動(dòng)電路選用MOSFET專用柵極集成電路IR2109作為核心模塊，該芯片是一種單通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件，采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目大大減少，控制了電路板的體積，降低了成本，提高了系統(tǒng)可靠性 ［4］。

　　驅(qū)動(dòng)電路如圖3-2所示，兩個(gè)IR2109的IN端為驅(qū)動(dòng)H橋同臂上下兩個(gè)功率管的信號(hào)脈沖輸入端，分別通過具有高速性能的6N137光電耦合器接至PIC16F877單片機(jī)的兩個(gè)PWM脈沖輸出端口；兩個(gè)SD端分別與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連，控制電機(jī)停車操作；每個(gè)芯片的HO和LO端分別與同橋臂的功率管相連，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；VB端通過自舉二極管UF1005與+12V 電源相連，為了阻斷特殊電路中所承受的全部電壓，此處選用具有超快恢復(fù)特性的二極管UF1005。

　　圖3-2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　3.5.2 電機(jī)電流采樣電路

　　系統(tǒng)進(jìn)行電流采樣有兩方面用途，一是為電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)；二是通過電流傳感器反饋電樞電流的信號(hào)，以便對(duì)電樞電流進(jìn)行閉環(huán)控制。標(biāo)準(zhǔn)電阻是一種常用的電流傳感器，由于其簡單可靠、阻值穩(wěn)定、精度高、頻響好、輸出電壓直接比例于所流過的電流，在 PWM 系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。標(biāo)準(zhǔn)電阻一般采用錳銅或硅錳銅制成。在采樣電路中，選用AD626把采樣信號(hào)放大10的n倍送至單片機(jī)相應(yīng)端口，具體電路如圖 3-3。

　　圖3-3 電機(jī)電流采樣電路

　　3.6 繼電器控制電路

　　如下圖3-4所示，CPU控制信號(hào)經(jīng)CPU端口PSP0輸出后，開關(guān)管 Q1導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)功率三極管 Q12，使繼電器通電并閉合節(jié)點(diǎn)，繼電器節(jié)點(diǎn)閉合后可給電機(jī)、離合器供電。CPU輸出的高低電平信號(hào)分別控制繼電器的合開操作。

　　圖3-4 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

　　4 結(jié)論

　　本文在對(duì)EPS系統(tǒng)的原理和助力控制過程的分析基礎(chǔ)上，對(duì) EPS 控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機(jī)；探索了在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，低壓、低速、大電流永磁式無刷直流電機(jī)的控制方法。采用精密電阻進(jìn)行電機(jī)電流采樣的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)輸出扭矩的閉環(huán)控制。在完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程后，按照預(yù)定的助力特性曲線，對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：電子控制單元信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性較高，對(duì)電機(jī)閉環(huán)控制的跟隨性較好，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的電動(dòng)助力特性，硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。

　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　在自主行走機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走，必須實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，以實(shí)現(xiàn)避障和導(dǎo)航，這必須依靠能實(shí)現(xiàn)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。由于超聲波測(cè)距方法設(shè)備簡單、價(jià)格便宜、體積小、設(shè)計(jì)簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量距離、測(cè)量精度等方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本文所介紹的機(jī)器人采用三方超聲波測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為機(jī)器人識(shí)別其運(yùn)動(dòng)的前方、左方和右方環(huán)境而提供關(guān)于運(yùn)動(dòng)距離的信息。

　　1　超聲波測(cè)距原理

　　超聲波發(fā)生器內(nèi)部由兩個(gè)壓電片和一個(gè)共振板組成。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，就成為超聲波接收器。超聲波測(cè)距一般有兩種方法：①取輸出脈沖的平均電壓值，該電壓與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)量距離；②測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，根據(jù)被測(cè)距離s=vt？2來得到測(cè)量距離，由于超聲波速度v與溫度有關(guān)，所以如果溫度變化比較大，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

　　本測(cè)量系統(tǒng)采用第二種方法，由于測(cè)量精度要求不是特別高，所以可以認(rèn)為溫度基本不變。

　　本系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為核心，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)其對(duì)外圍電路的實(shí)時(shí)控制，并提供給外圍電路所需的信號(hào)，包括頻率振動(dòng)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)等，從而簡化了外圍電路，且移植性好。系統(tǒng)硬件電路方框圖見圖1。

　　由于本系統(tǒng)只需要清楚機(jī)器人前方、左方、右方是否有障礙物，并不需要知道障礙物與機(jī)器人的具體距離，因此不需要顯示電路，只需要設(shè)定一距離閥值，使障礙物與機(jī)器人的距離達(dá)到某一值時(shí)，單片機(jī)控制機(jī)器人電機(jī)停轉(zhuǎn)，這可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。

　　2　超聲波發(fā)射電路

　　超聲波的中心頻率為40kHz，該頻率可以通過以下程序產(chǎn)生（部分源程序）：

　　2.1　超聲波發(fā)射電路

　　超聲波發(fā)射電路以PIC16F877為核心，當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，單片機(jī)從RA0口產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，但是此時(shí)該信號(hào)無法通過與非門進(jìn)入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，只有閉合開關(guān)S1時(shí)，從RA1口發(fā)射出一門控信號(hào)，該信號(hào)的頻率為4kHz，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器TMR1，開始計(jì)數(shù)。該門控信號(hào)每發(fā)射一個(gè)周期的波形，超聲波就會(huì)發(fā)射10個(gè)完整的波形，這可由它們的頻率得出。超聲波的周期為1（40kHz）=01025ms，而門控信號(hào)的周期為1（4kHz）=0125ms。最后根據(jù)s=vt2求出障礙物與移動(dòng)機(jī)器人的距離。當(dāng)超聲波接收頭收到反射回來的超聲波時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，時(shí)間t可以根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)與門控信號(hào)的周期求出。RA2口接RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器可以自動(dòng)控制超聲波的發(fā)射和停止。本系統(tǒng)的電路還包括人工復(fù)位電路，由單片機(jī)的MCLR引腳接S2來控制，超聲波發(fā)射電路圖見圖2。

　　2.2　門控電路（RS觸發(fā)器）

　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，須在電路中加一門控電路，該門控信號(hào)頻率為4kHz，如把輸出脈沖作為閘門信號(hào)，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過閘門，那么t=NTc，其中，Tc為已知脈沖的周期，N為脈沖的個(gè)數(shù)。

　　門控電路由RS觸發(fā)器組成，當(dāng)輸入端R=1（S=0）時(shí)復(fù)位，即輸出端Q=0;當(dāng)R=0（S=1）時(shí)置位，即Q=1。RS觸發(fā)器與單片機(jī)的RA2口相連。

　　2.3　超聲波放大電路

　　超聲波放大電路由三極管等組成，由于單片機(jī)RA口最多只有20mA～25mA上拉電流，而超聲波發(fā)射器最小需要60mA的電流，所以在與非門后加一級(jí)放大電路來放大電流，以完成超聲波的發(fā)射。超聲波放大發(fā)射電路見圖3。

　　3　超聲波接收電路

　　3.1　超聲波接收放大電路

　　由于超聲波接收頭接收到的超聲波信號(hào)很微弱，所以在其后需加一超聲波接收放大電路。該電路采用兩個(gè)集成運(yùn)放，設(shè)計(jì)為兩級(jí)，兩級(jí)都為同相輸入，因?yàn)橥噍斎氲碾妷悍糯蟊稊?shù)為1+RfR，所以每一級(jí)的放大倍數(shù)為10，兩級(jí)放大倍數(shù)接近100倍，這樣后續(xù)電路就可以很容易地檢測(cè)到輸入的信號(hào)。集成運(yùn)放采用雙電源供電，超聲波接收放大電路見圖4。

　　3.2　信號(hào)濾波電路

　　從信號(hào)放大電路出來的聲波帶有一定的干擾，為了去除干擾信號(hào)，需要一濾波電路，信號(hào)濾波電路選用帶通濾波器電路，使其中心頻率為40kHz、帶寬為2kHz，外加一過零比較器，使輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)。信號(hào)濾波電路見圖5。

　　3.3　信號(hào)整形電路

　　從信號(hào)濾波電路出來的方波信號(hào)很不規(guī)則，故其后加一整形電路，整形電路由兩級(jí)非門串聯(lián)，并聯(lián)一電阻組成，整形后再送單片機(jī)進(jìn)行處理，信號(hào)整形電路見圖6。

　　4　軟件程序設(shè)計(jì)

　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序等組成，軟件程序框圖見圖7。

　　5　結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)采用了單片機(jī)編程技術(shù)，配合硬件完成了系統(tǒng)的要求，其精度能滿足大部分的工程需要。與傳統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、移植性好等特點(diǎn)。
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