超声波驱鸟器设计超声波变频信号发生器部分
随着环境的不断改善，鸟类不断增加，各种驱鸟器也应运而生。超声波驱鸟器利用超声波产生的能量破坏超声波辐射范围内鸟类的正常活动，使它们不能对农作物产生破坏。超声波的方向性很强，穿透能力强，但是衰减很快。本次的设计正是利用超声波的这一特性。本人负责的是超声波变频信号发生器部分，产生频率可以持续不断来回变化的超声波，已应对不同鸟类对不同频率超声波的敏感性，并且可以针对不同要求方便的改变参数，实现不同的频率，运行时间等。因此针对基于超声波技术进行了学习，包括超声波和超声波传感器的概念，超声波测量的基本原理和测量中的主要参数。在比较论证了设计方案后，基于89C51单片机设计了超声波驱鸟器，整个系统包括C51主控电路、电源供电电路、晶振时钟电路、按键复位电路、串口通信电路、超声波发生扫频电路、放大跟随电路、液晶显示电路。关键词 超声波，驱鸟器，单片机，89C51
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题的研究背景 1
1.2 研究内容和研究方法 1
2 系统的总体结构研究 2
2.1 方案可行性研究 2
2.2 系统的总体结构 2
3 超声波变频信号发生器的硬件设计 3
3.1 主控制部分AT89C51 3
3.2 波形产生与扫频部分 6
3.3 放大跟随电路 8
3.4 USB串口模块 9
3.5 液晶显示模块 11
3.6 超声波驱动模块 15
4 超声波信号发生器软件设计 15
4.1 系统主程序设计 15
4.2 信号产生与扫频主程序 16
4.3 液晶显示子程序 17
5 软件与硬件的调试 17
5.1 软件调试 17
5.2 硬件调试 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
电路设计原理图 23
1 绪论
1.1 本课题的研究背景
随着人们保护坏境意识的不断加强，鸟类的数量也逐渐增多。它们对人们正常的生 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
产和生活都带来了影响，各种驱鸟设备也就应运而生。本课题采用超声波来实现驱鸟，本设计主要负责变频超声波信号的产生。超声波作为一种新型的驱鸟技术，在机场、高压电线及国外的一些果园得到了普遍应用，在国内应用较少。超声波驱鸟器[1]利用超声波产生的能量破坏超声波辐射范围内鸟类的正常活动，使它们不能对农作物产生破坏。超声波的方向性很强，穿透能力强，但是衰减很快。本设计正是利用了超声波的这些特性。
1.2 研究内容和研究方法
1.2.1 设计要求
本次针对超声波技术进行了学习，包括超声波和超声波传感器的概念，超声波测量的基本原理和测量中的主要参数。在比较论证了设计方案后，基于89C51单片机设计了变频超声波信号发生器，整个系统包括：C51主控电路、电源供电电路、晶振时钟电路、按键复位电路、超声波发生扫频电路、液晶显示电路。主要设计要求有以下几个方面：
产生频率大于20khz的超声波。
频率能在20khz到25khz之间不断改变。
输出波形为占空比可调方波，输出功率大于5w。
1.2.2 设计方法及思路
产生变频超声波信号的方法有很多，各有优缺点。本课题采用PWM技术也就是脉冲宽度调制技术的大功率超声波信号发生器，采用单片机模拟输出的三角波PWM信号，用单片机来控制产生不同频率。本文将从以下几个方面展开研究：
对基于超声波驱鸟技术中的超声波驱鸟器的信号发生器进行学习，主要是三角波PWM算法。
2、设计变频信号发生器的硬件电路图，以AT89C51单片机为核心，绘制硬件电路和介绍各个模块功能。
3、系统主程序和各个子程序的控制流程，撰写相关程序，在Proteus中进行仿真。
2 系统的总体结构研究
2.1 方案可行性研究
方案一：用555定时器接成多谐振荡器。这是一种自激振荡器，在开通了电源以后，不需要外加的激励信号，便能自动地产生矩形脉冲。因为矩形波中含有丰富的高次谐波，所以习惯上将矩形波振荡器称为多谐振荡器。555定时器能产生方波，要产生三角波和正弦波需接上积分电路和差分放大电路达到效果。要转换不同波形需要不同硬件电路，比较复杂，所以此方案不使用。
方案二：使用MAX038，是一种高频精密函数信号发生器IC，能精密地产生矩形波信号。频率范围从0.1Hz～20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V。占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是10%～90%。波形失真小，正弦波失真度小于0.75%，占空比调节时非线性度低于2%。此模块很容易发热，加上5V电压并且超声波发生器需要长时间的运作，发热量比较大，所以此方案不使用。
方案三：利用基于脉冲宽度调制技术来利用单片机模拟输出三角波PWM信号，实现想要的波形。PWM是一种对模拟信号的电平进行数字化编码的方法。通过对高分辨率的计数器，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码[2]。本设计将采用方案三：也就是单片机模拟三角波PWM来输出相对应的波形，单片机操作相对方便灵活。
2.2 系统的总体结构
这个设计包括了单片机控制模块、超声波信号产生模块、显示模块、运算放大模块。综合比较了上面的各种方案最终确定了以下的设计方法：利用AT89C51作为单片机控制系统并负责波形发生和扫频控制，LCD液晶显示用作显示模块，LM358作为放大跟随模块，超声波喇叭作为超声波发射部分。
图2.1 系统设计框图
3 超声波变频信号发生器的硬件设计
3.1 主控制部分AT89C51
AT89C51是由低电压控制，拥有高性能的CMOS 8位单片机，由美国ATMEL公司生产，是单片机中最经典之一。本单片机內的只读存储器容量是4KB，可重复擦除，随机存储数据存储器的容量是128B。器件采用了密度高、存储技术非易失性的生产技术来生产了这款单片机，这款单片机兼容了标准的MCS51指令系统，片内放置了通用的容量为8位的中央处理器和FLASH存储单元，功能十分的强大。AT89C51单片机可以在很多场合提供高性价比的使用。
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题的研究背景 1
1.2 研究内容和研究方法 1
2 系统的总体结构研究 2
2.1 方案可行性研究 2
2.2 系统的总体结构 2
3 超声波变频信号发生器的硬件设计 3
3.1 主控制部分AT89C51 3
3.2 波形产生与扫频部分 6
3.3 放大跟随电路 8
3.4 USB串口模块 9
3.5 液晶显示模块 11
3.6 超声波驱动模块 15
4 超声波信号发生器软件设计 15
4.1 系统主程序设计 15
4.2 信号产生与扫频主程序 16
4.3 液晶显示子程序 17
5 软件与硬件的调试 17
5.1 软件调试 17
5.2 硬件调试 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
电路设计原理图 23
1 绪论
1.1 本课题的研究背景
随着人们保护坏境意识的不断加强，鸟类的数量也逐渐增多。它们对人们正常的生 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
产和生活都带来了影响，各种驱鸟设备也就应运而生。本课题采用超声波来实现驱鸟，本设计主要负责变频超声波信号的产生。超声波作为一种新型的驱鸟技术，在机场、高压电线及国外的一些果园得到了普遍应用，在国内应用较少。超声波驱鸟器[1]利用超声波产生的能量破坏超声波辐射范围内鸟类的正常活动，使它们不能对农作物产生破坏。超声波的方向性很强，穿透能力强，但是衰减很快。本设计正是利用了超声波的这些特性。
1.2 研究内容和研究方法
1.2.1 设计要求
本次针对超声波技术进行了学习，包括超声波和超声波传感器的概念，超声波测量的基本原理和测量中的主要参数。在比较论证了设计方案后，基于89C51单片机设计了变频超声波信号发生器，整个系统包括：C51主控电路、电源供电电路、晶振时钟电路、按键复位电路、超声波发生扫频电路、液晶显示电路。主要设计要求有以下几个方面：
产生频率大于20khz的超声波。
频率能在20khz到25khz之间不断改变。
输出波形为占空比可调方波，输出功率大于5w。
1.2.2 设计方法及思路
产生变频超声波信号的方法有很多，各有优缺点。本课题采用PWM技术也就是脉冲宽度调制技术的大功率超声波信号发生器，采用单片机模拟输出的三角波PWM信号，用单片机来控制产生不同频率。本文将从以下几个方面展开研究：
对基于超声波驱鸟技术中的超声波驱鸟器的信号发生器进行学习，主要是三角波PWM算法。
2、设计变频信号发生器的硬件电路图，以AT89C51单片机为核心，绘制硬件电路和介绍各个模块功能。
3、系统主程序和各个子程序的控制流程，撰写相关程序，在Proteus中进行仿真。
2 系统的总体结构研究
2.1 方案可行性研究
方案一：用555定时器接成多谐振荡器。这是一种自激振荡器，在开通了电源以后，不需要外加的激励信号，便能自动地产生矩形脉冲。因为矩形波中含有丰富的高次谐波，所以习惯上将矩形波振荡器称为多谐振荡器。555定时器能产生方波，要产生三角波和正弦波需接上积分电路和差分放大电路达到效果。要转换不同波形需要不同硬件电路，比较复杂，所以此方案不使用。
方案二：使用MAX038，是一种高频精密函数信号发生器IC，能精密地产生矩形波信号。频率范围从0.1Hz～20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V。占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是10%～90%。波形失真小，正弦波失真度小于0.75%，占空比调节时非线性度低于2%。此模块很容易发热，加上5V电压并且超声波发生器需要长时间的运作，发热量比较大，所以此方案不使用。
方案三：利用基于脉冲宽度调制技术来利用单片机模拟输出三角波PWM信号，实现想要的波形。PWM是一种对模拟信号的电平进行数字化编码的方法。通过对高分辨率的计数器，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码[2]。本设计将采用方案三：也就是单片机模拟三角波PWM来输出相对应的波形，单片机操作相对方便灵活。
2.2 系统的总体结构
这个设计包括了单片机控制模块、超声波信号产生模块、显示模块、运算放大模块。综合比较了上面的各种方案最终确定了以下的设计方法：利用AT89C51作为单片机控制系统并负责波形发生和扫频控制，LCD液晶显示用作显示模块，LM358作为放大跟随模块，超声波喇叭作为超声波发射部分。
图2.1 系统设计框图
3 超声波变频信号发生器的硬件设计
3.1 主控制部分AT89C51
AT89C51是由低电压控制，拥有高性能的CMOS 8位单片机，由美国ATMEL公司生产，是单片机中最经典之一。本单片机內的只读存储器容量是4KB，可重复擦除，随机存储数据存储器的容量是128B。器件采用了密度高、存储技术非易失性的生产技术来生产了这款单片机，这款单片机兼容了标准的MCS51指令系统，片内放置了通用的容量为8位的中央处理器和FLASH存储单元，功能十分的强大。AT89C51单片机可以在很多场合提供高性价比的使用。
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