一種基于超聲波和紅外的測(cè)距定位系統(tǒng)

4.1.1　復(fù)位電路設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的復(fù)位電路應(yīng)具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能。由于復(fù)位電路易受噪聲干擾，故在設(shè)計(jì)時(shí)，一要保證整個(gè)系統(tǒng)可靠復(fù)位；二要使之具有一定的抗干擾能力，這可通過以下設(shè)計(jì)加以保障。

　?。?）復(fù)位電路RC參數(shù)的選擇

　　微控制器的復(fù)位脈沖高電平必須大于2個(gè)機(jī)器周期，若系統(tǒng)選用6MHz晶振，則1個(gè)機(jī)器周期為2μs,那么復(fù)位脈沖寬度最小應(yīng)為4μs。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到電源穩(wěn)定時(shí)間、參數(shù)漂移、晶振穩(wěn)定時(shí)間以及復(fù)位可靠性等因素，必須留有足夠的余量。圖4是利用RC充電原理實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位的電路原理圖。實(shí)踐證明，上電瞬間RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖。只要RESET端保持10μs以上的高電平，就能使微控制器有效復(fù)位。

圖4　復(fù)位電路原理圖

　　應(yīng)當(dāng)指出，在圖4（a）所示電路中，非門的最小輸入高電平U′IH=210V,因而當(dāng)充電時(shí)間t=016RC,則充電電壓UC=0145VCC=0145×5V≈2V,其中t為復(fù)位時(shí)間。由于在該電路中，有R=1kΩ和C=22μF,則有t=016×103×22×10-6=13ms。

　?。?）復(fù)位電路的可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)

　　微控制器復(fù)位端口的干擾主要來自電源和按鈕傳輸線串入的噪聲。這些噪聲雖然不會(huì)完全導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，但有時(shí)會(huì)破壞CPU內(nèi)的程序狀態(tài)字的某些位的狀態(tài)，對(duì)控制產(chǎn)生不良影響。以圖4為例，電源噪聲干擾過程如圖5所示，其中u代表噪聲源，為了分析方便起見，設(shè)u為階躍擾動(dòng)。圖5中分別繪出了A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓擾動(dòng)波形。

圖5　電源階躍擾動(dòng)示意圖

　　由圖5可以看出，圖5（a）實(shí)質(zhì)上是個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)（慣性滯后環(huán)節(jié)），對(duì)于脈寬小于3τ的干擾信號(hào)有很好的抑制作用；圖5（b）實(shí)質(zhì)上是個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)（微分超前環(huán)節(jié)），對(duì)脈沖干擾沒有抑制作用。由此可見，對(duì)于圖4所示的兩種復(fù)位電路，圖5（a）的抗電源噪聲的能力要優(yōu)于圖5（b）。但為了精簡(jiǎn)系統(tǒng)電路，在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還是采用了圖5（b）所示的復(fù)位電路。

　　4.1.2　振蕩器電路設(shè)計(jì)

　　晶振設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，通常可用兩種方式產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘信號(hào)。一種為內(nèi)部方式，主要利用單片機(jī)內(nèi)部的反相器作振蕩電路，具體接法如圖6所示。

圖6　晶體振蕩/陶瓷振蕩電路

　　該方式利用外接晶體作定時(shí)單元。晶體的頻率范圍在112～12MHz之間任選。電阻RS用來防止晶振被過分驅(qū)動(dòng)。

　　在晶體振蕩下，電阻RF≈10MΩ。圖中并聯(lián)的兩個(gè)小電容可在5～30pF之間選擇，起頻率微調(diào)的作用，當(dāng)VDD>415V時(shí)，建議C1=C2≈30pF（C1為相位調(diào)節(jié)電容；C2為增益調(diào)節(jié)電容）；另一種為外部方式，此方式的時(shí)鐘源直接來自外部硬件電路（見圖7）。對(duì)此電路來說，MCS-51系列單片機(jī)可使用已集成在片內(nèi)的振蕩器，亦可使用由TTL門電路構(gòu)成的簡(jiǎn)單振蕩器電路。由于內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)二分頻的觸發(fā)器，所以對(duì)外部振蕩源要求不嚴(yán)，通常是產(chǎn)生112～12MHz的方波。當(dāng)外接振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)從XTAL1端，即內(nèi)部三相波形發(fā)生器的輸入端輸入，XTAL2端可浮空。

圖7　外部晶體振蕩電路

　　圖7所示為一種典型的外部并行諧振振蕩電路。該電路主要應(yīng)用晶體的基頻來設(shè)計(jì)。其中，74AS04反相器用來實(shí)現(xiàn)振蕩器所需的180°相移，417kΩ的電阻用來提供負(fù)反饋給反相器，10kΩ的電位器則用來提供偏壓，從而使反相器74AS04工作在線性范圍內(nèi)。

圖8　外部串行諧振振蕩電路

　　圖8所示為一種典型的外部串行諧振振蕩電路。該電路也是應(yīng)用晶體的基頻來設(shè)計(jì)。其中，74AS04反相器用來提供振蕩器所需的180°相移，330Ω的電阻用來提供負(fù)反饋，同時(shí)偏置電壓。

　　4.1.3　RC振蕩

　　RC振蕩適合于對(duì)時(shí)間精度要求不高的低成本應(yīng)用。RC振蕩頻率隨電源電壓VDD、RC值及工作環(huán)境溫度的變化而變化。

　　由于工藝參數(shù)的差異，對(duì)不同芯片而言其振蕩器頻率將有所不同。另外，當(dāng)外接電容CEXT值較小時(shí)，對(duì)振蕩器頻率的影響更大。同時(shí)，電阻電容本身的容差對(duì)振蕩器頻率也有影響。圖9所示為RC振蕩電路，如果REXT低于212kΩ，振蕩器將處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，甚至停振。而REXT大于1MΩ時(shí)，振蕩器又易受噪聲、濕度、漏電流的干擾。因此，電阻REXT取值最好在3～100kΩ范圍內(nèi)。在不接外部電容時(shí)，振蕩器仍可工作，但為了抗干擾及保證穩(wěn)定性，建議接一20pF以上的電容。

圖9　RC振蕩電路

　　本系統(tǒng)選取晶體振蕩器作為微控制器的時(shí)鐘輸入，并選取6MHz時(shí)鐘頻率作為系統(tǒng)時(shí)鐘周期，既可以滿足系統(tǒng)頻率的要求，又可以克服阻容振蕩器精度不足的缺點(diǎn)，是一種較為適宜的設(shè)計(jì)選擇。