一種基于超聲波和紅外的測距定位系統

4.1.1　復位電路設計

　　控制系統的復位電路應具有上電復位和手動復位功能。由于復位電路易受噪聲干擾，故在設計時，一要保證整個系統可靠復位；二要使之具有一定的抗干擾能力，這可通過以下設計加以保障。

　?。?）復位電路RC參數的選擇

　　微控制器的復位脈沖高電平必須大于2個機器周期，若系統選用6MHz晶振，則1個機器周期為2μs,那么復位脈沖寬度最小應為4μs。在實際應用中，考慮到電源穩(wěn)定時間、參數漂移、晶振穩(wěn)定時間以及復位可靠性等因素，必須留有足夠的余量。圖4是利用RC充電原理實現上電復位的電路原理圖。實踐證明，上電瞬間RC電路充電，RESET引腳端出現正脈沖。只要RESET端保持10μs以上的高電平，就能使微控制器有效復位。

圖4　復位電路原理圖

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

　　（2）復位電路的可靠性和抗干擾設計

　　微控制器復位端口的干擾主要來自電源和按鈕傳輸線串入的噪聲。這些噪聲雖然不會完全導致系統復位，但有時會破壞CPU內的程序狀態(tài)字的某些位的狀態(tài)，對控制產生不良影響。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u為階躍擾動。圖5中分別繪出了A點和B點的電壓擾動波形。

圖5　電源階躍擾動示意圖

　　由圖5可以看出，圖5（a）實質上是個低通濾波環(huán)節(jié)（慣性滯后環(huán)節(jié)），對于脈寬小于3τ的干擾信號有很好的抑制作用；圖5（b）實質上是個高通濾波環(huán)節(jié)（微分超前環(huán)節(jié)），對脈沖干擾沒有抑制作用。由此可見，對于圖4所示的兩種復位電路，圖5（a）的抗電源噪聲的能力要優(yōu)于圖5（b）。但為了精簡系統電路，在電路系統設計中，還是采用了圖5（b）所示的復位電路。

　　4.1.2　振蕩器電路設計

　　晶振設計是單片機系統設計的重要環(huán)節(jié)之一，通?？捎脙煞N方式產生單片機所需的時鐘信號。一種為內部方式，主要利用單片機內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動。

　　在晶體振蕩下，電阻RF≈10MΩ。圖中并聯的兩個小電容可在5～30pF之間選擇，起頻率微調的作用，當VDD>415V時，建議C1=C2≈30pF（C1為相位調節(jié)電容；C2為增益調節(jié)電容）；另一種為外部方式，此方式的時鐘源直接來自外部硬件電路（見圖7）。對此電路來說，MCS-51系列單片機可使用已集成在片內的振蕩器，亦可使用由TTL門電路構成的簡單振蕩器電路。由于內部時鐘發(fā)生器是一個二分頻的觸發(fā)器，所以對外部振蕩源要求不嚴，通常是產生112～12MHz的方波。當外接振蕩器時，外部振蕩信號從XTAL1端，即內部三相波形發(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。該電路主要應用晶體的基頻來設計。其中，74AS04反相器用來實現振蕩器所需的180°相移，417kΩ的電阻用來提供負反饋給反相器，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。

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。該電路也是應用晶體的基頻來設計。其中，74AS04反相器用來提供振蕩器所需的180°相移，330Ω的電阻用來提供負反饋，同時偏置電壓。

　　4.1.3　RC振蕩

　　RC振蕩適合于對時間精度要求不高的低成本應用。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。

　　由于工藝參數的差異，對不同芯片而言其振蕩器頻率將有所不同。另外，當外接電容CEXT值較小時，對振蕩器頻率的影響更大。同時，電阻電容本身的容差對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，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。在不接外部電容時，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

　　本系統選取晶體振蕩器作為微控制器的時鐘輸入，并選取6MHz時鐘頻率作為系統時鐘周期，既可以滿足系統頻率的要求，又可以克服阻容振蕩器精度不足的缺點，是一種較為適宜的設計選擇。