超声波定位探测系统：
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超声波测距模组PCB
超声波测距模组PCBULTRASONIC V1.3.pcb
超声波测距模组电路原理图
超声波测距模组电路原理图SOUNDSCH.DSN
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本系统是基于单片机AT89S52最小系统核心控制，利用步进电机的方向定位和超声波的测距技术，实现对四周障碍物的距离探测。方向定位是利用步进电机的正转和反转，并控制其速度，准确进行所探测方向的定位，距离探测则是利用超声波传感器的发射和接收，通过单片机对其往返时间的计时，转换成距离输出显示，同时在PC机上画图显示坐标，从而实现系统的定位探测功能。该系统具有准确定位、实时探测和坐标显示等优点。
1.1.1设计思路
本设计是采用模块化的设计思想，以单片机AT89S52最小系统为核心，由步进电机模块、超声波模块和液晶显示模块组成，实现对四周障碍物的定位探测。
步进电机模块的关键问题是：如何对某一点进行方向角度的定位。
超声波测距模块的关键问题是：如何通过超声波对距离进行测量。
液晶显示模块的核心问题是：如何显示角度和距离的极坐标。
1.1.2总体方案
总体方案方框图如1.1.2所示。通过单片机，控制步进电机的转速,以角步长，从而能够在每个定位角度定,另一方面，单片机控制发射超声波传感器发射40kHz的正弦波，接收超声波传感器将接收信号进行放大整形，形成脉冲，从而控制单片机的中断，计算出距离的大小，然后发送至液晶显示，同时也发送到PC机上进行画图输出。
图1.1.2系统方框图
1.2各部分方案论证与比较
1.2.1步进电机驱动模块的设计方案与选择
该设计以单片机的I/O P2.0-P2.3口作为单片机与步进电机的接口。由于I/O口驱动能力有限，而被控制的步进电机要求高电压和大电流，所以在I/O口之后必须加一个步进电机的驱动电路。下面则是对步进电机驱动电路的方案进行分析选择。
方案一：从单片机分别发出A、B、C、D相步进脉冲，经过光耦隔离后，再加至功率放大驱动电路。当某一路为“1”时，光耦不工作，CMOS管IRFP250导通。A相线圈通电，当其为“0”时，光耦工作，CMOS管IRFP250 B极拉至低电平而截止，线圈断电。I/O口的电平,可实现A相～D相的通断电控制。电路图如图1.2.1所示。
图1.2.1步进电机驱动电路方案一原理图
但是CMOS管的理想工作状态是输出矩形波电压,由于绕组线圈中的电流不能突变,接通电源后绕组中的电流按指数规律上升,时间常数
(L为绕组电感,r为绕组电阻)
须经过4t时间才能达到稳态电流,由于绕组电阻很小,而绕组电感却很大,因而时间常数很大,会严重影响了电机的启动频率和平稳运行。
方案二：采用二极管4004、三极管8050、发光二极管、5K可调电阻对电机进行驱动。三极管8050的作用是放大A、B、C、D相电压，二极管的作用是保证各相有一个起始电压，同时保证COM端高电压与各相接头的低电压间截止，从而使线圈两端有足够驱动绕组的电势差。电路原理图如图1.2.2所示。
图1.2.2步进电机驱动电路方案二原理图
但是，单电压驱动电路还是存在对脉冲电压响应速度慢，输出波形差和输出功率低等缺点。
方案三：驱动电路主要由达林顿管，光电耦合器，续流二极管等组成，电路原理图如图1.2.3所示。
图1.2.3步进电机驱动电路方案三原理图
该电路不仅克服了启动频率低，运行不平稳的缺点，还保证了电机的运行精度，提高了电机的工作速度，改善了输出波形。
经上述比较，在本设计中的步进电机驱动电路采用方案三。
1.2.2超声波模块的设计方案与选择
（1）超声波发射电路
方案一：采用单片机控制输出40kHz的方波信号，然后经三极管加以放大发射出去。但是，由于算法的复杂，同时有一定的局限，单片机发出的信号不容易非常准确40kHz的频率，而且占用一定的资源。电路方框图如1.2.4所示。
图1.2.4发射电路方案一方框图
方案二：采用晶体振荡器和三极管放大组成发射电路。从单片机发送一个高电平信号，导通三极管Q2，驱动晶体振荡器起振，产生40kHz频率的方波信号，然后通过三极管Q1放大从JP3口发射出去。该电路简单稳定，发射超声波信号大于10m。电路原理图如1.2.5所示。
图1.2.5发射电路方案二方框图
经上述比较，基于频率的稳定性和发射的距离考虑，选择方案二，采用晶体振荡器产生波形更加有效，而且电路简单，单片机控制方便。
（2）超声波接收电路
方案一：超声波接收传感器将接收到的正弦信号，通过两级放大，再经过LM567音频译码器，输出方波信号，从而发送回给单片机控制其中断。电路方框图如1.2.6所示。但是该方案缺乏滤波电路和整形电路，输出波形容易产生失真。
图1.2.6接收电路方案一方框图
方案二：超声波接收传感器接收到正弦信号，从JP1口输入，然后通过放大电路，电压跟随器，一阶滤波电路和斯密特触发器整形电路，然后将方波送回单片机控制其中断。该方案输出波形稳定，抗干扰能力强。方框图如图1.2.7所示。
