【正文】 制作 1) PCB 布局布線； 2) PCB 實(shí)驗(yàn)板的焊接。 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動(dòng) 化技術(shù) 8 第二章 超聲波測(cè)距的原理 超聲波的基本理論 超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。于是超聲波在傳播過(guò)程中有如下的特性和作用： 1 超聲波的傳播速度 超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟ā? 超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與 介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。 超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況： (1)縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度 其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān)。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩 式求得： 圖 聲波反射 11211222coscoscoscosccccR??????????? 11221122c osc os2ccccT???????? 式中： ??, —— 分別為聲波的入射角和反射角； 2211 , cc?? —— 分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中 21,cc 為反射波和折射波的速度。 (2)超聲波的衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。從上式看出，當(dāng) d=0 或 d= ?n （ n 為整數(shù)）時(shí)，合成振幅 r? 達(dá)到最大值；當(dāng) d= ,...)5,3,1(2 ?nn ? 時(shí)，合成振幅 r? 為最小值。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比 的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大。 4 超聲波傳感器 超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙 壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 超聲波外部結(jié)構(gòu) 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理 在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。X2是聲波返回的時(shí)刻， X1 是聲波發(fā)聲的時(shí)刻， X2X1 得出的 是一個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值，假定 X2X1=，則有 340m= 。 (2) 由集成電路構(gòu)成的發(fā)射電路 圖 為由 555 集成芯片構(gòu)成的振蕩、調(diào)制、激勵(lì)電路。圖中把兩個(gè)非門的輸出接到一起的目的是為了提高其吸入電流，電路驅(qū)動(dòng)能力提高。 2）采用同相端輸入方式其輸入阻抗高， 超聲波接收傳感器的輸出信號(hào)接到放大器的同相端，有利于超聲波傳感器充分發(fā)揮接收靈敏度和自生的選頻作用。而集成電路構(gòu)成的發(fā)射和接收電路具有調(diào)試簡(jiǎn)單，可靠 性好，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，所以首先考慮采用集成 路 來(lái) 組成收發(fā)電路。 (3) STC90C52RD+采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，可以節(jié)省電能。 (8) STC90C52RD+具有工業(yè)級(jí)的性能，超強(qiáng)功能，更可靠。 接測(cè)量按鍵。 當(dāng)人按下按鈕 S1 時(shí)，使電容 C1通過(guò) R1 迅速放電，待 S1 彈起后， C再次充電，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。 圖 時(shí)鐘電路 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動(dòng) 化技術(shù) 19 按鍵電路 我們通過(guò) 來(lái)啟動(dòng)測(cè)量，程序中通過(guò)查詢 的電平來(lái)檢測(cè)是否按鍵被按下，電路原理如下： 當(dāng)按下按鍵時(shí) 為低電平，單片機(jī)通過(guò) 查詢到低電平開始測(cè)量距離，當(dāng)松開按鍵， 即為高電平。 通過(guò)單片機(jī)軟件產(chǎn)生 3KHz 的信號(hào)從 口送到三極管 的基極，控制著電壓加到蜂鳴器上，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。由于超聲波接收探頭的信號(hào)非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必須經(jīng)過(guò)波形變換。以下是 CX20216A 的引腳注釋。但 C4 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R4=， C4=1μF。例如，取 R=200kΩ 時(shí)， f0≈42kHz，若取 R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。 溫度采集 DS18B20 電路 超聲波在空氣中的傳播速度為： TC G ??? 3 1 ，由此可見，超聲波的速度和溫度密切關(guān)系，即溫度每增加 1176。C，溫度輸出以 16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制 數(shù) 形式 提供 ， 低位 在先 ， 以176。 DS18B20 引腳判斷方法是：字面朝人，從左到右依次是 1 （ GND）、 2（輸入 /輸出）、 3（ VDD） 。它具有 16 個(gè)引腳，其正面左起為第一腳，如下圖所示： 第一腳 GND：接地。 第四腳 RS:寄存器選擇信號(hào)線。 第十五腳 BLA:背光電源正極輸入端。A’。光標(biāo)減 1)， S=1 且 N=1 (當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示左移 ) s=0 當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示不移動(dòng) 數(shù)據(jù)指針設(shè)置： 數(shù)據(jù)首地址為 80H，所以數(shù)據(jù)地址為 80H+地址碼 (027H， 4067H) 其他設(shè)置： 01H(顯示清屏，數(shù)據(jù)指針 =0，所有顯示 =0)； 02H(顯示回車，數(shù)據(jù)指 針 =0)。如圖 ： 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動(dòng) 化技術(shù) 28 圖 系統(tǒng)軟件方框圖 系統(tǒng)主 程序 本設(shè)計(jì)主程序的思想如下： (1)溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為 mm； (2)溫度每隔 900ms 采樣一次， DS18B20在 12位精度下轉(zhuǎn)換周期為 750ms ,故 900ms 滿足該速度要求；超聲波每隔 60ms 發(fā)送一次。i255。 //延時(shí)，等待系統(tǒng)外圍復(fù)位完成 sys_init()。 for(i=0。 BUZZER=0。 i=100000。 testtemp()。 //停止計(jì)數(shù) jsl=TL1。 //重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 display()。 //標(biāo)志清零 } } } void sys_init(void) { uchar i。} TMOD=0x11。 CNT=0。 } 40KHz 超聲波發(fā)送程序 超聲波的每過(guò) 60ms 發(fā)送一次，通過(guò)定時(shí)器 T0中斷中發(fā)送超聲波，超聲波發(fā)送后延時(shí)一段時(shí)間后返回，防止余波被接收頭接收誤判，程序如下： /***************************************************** 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動(dòng) 化技術(shù) 32 定時(shí)器 0溢出中斷函數(shù)，每 60MS 溢出 *****************************************************/ void timer0(void)interrupt 1 using 0 { TH0=0x15。 sta_flag=1。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 //啟動(dòng)定時(shí)器 1計(jì)數(shù) delay15(50)。其工作時(shí)序包括：初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序。 //DQ 復(fù)位 Delay(10)。 //拉高總線 Delay(10)。 } (2)字節(jié)寫入 DS18B20程序 字節(jié)寫入的時(shí)序是拉低 輸入 /輸出線至少 15 S? 以作為起始信號(hào)，按從低位到高位的順序取出欲寫入字節(jié)中的 1位數(shù)據(jù)，寫入輸入 /輸出線，延時(shí)等待 15 S?后將輸入 /輸出線拉高作為停止信號(hào)，以等待下一位的寫入。 i) { DQ = 0。 DQ = 1。 for (i = 8。 DQ = 1。 } 從上面可以看出， 16位數(shù)據(jù)同樣是從低位到高位被逐一讀取的，而且讀取的溫度為補(bǔ)碼的形式，使用前必須進(jìn)行補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換。 //跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0xBE)。 t = 8。程序如下： /**************************************** 距離計(jì)算函數(shù) 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動(dòng) 化技術(shù) 38 ****************************************/ void puter(void) //距離計(jì)算函數(shù) { float c,d,s。 t=jsh*256+jsl120。 //補(bǔ)償 distance=sqrt(s)。 fuhao=0。 fuhao=1。 //數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后放到顯示數(shù)組里面 if(fuhao) num[12]=num[12]|0x80。 tmp%=1000。 tmp%=10。 //Init_LCD()。a16。(a14)) { d=numcode[num[a]]。 //換行，換到第二行 for(b=16。amp。下面的函數(shù)是判讀 LCD 是否為忙狀態(tài)。 E = 0。 } /*********************寫入指令函數(shù) ****************************/ void Write_Comm(uchar lcdm) { Lcd_Data = lcdm。 Read_Busy()。 RW = 0。 } /**********************LCD 的初始化 ***************************/ void Init_LCD(void) { delay()。//8位 2行 5*8 Write_Comm(0x06)。 基于 Proteus 的軟件仿真 （注：因?yàn)槲艺趯W(xué)習(xí) proteus,所以本文中的 proteus 部分均為熱心網(wǎng)友幫助的仿真結(jié)果） Proteus 是一款功能強(qiáng)大的軟件，其 ISIS 用來(lái)做仿真十分方便，尤其是單片機(jī)系統(tǒng)的仿真， 我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)的開發(fā)初期，用 Proteus 來(lái)仿真我們的設(shè)計(jì)，以便驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì) ，對(duì)設(shè)計(jì)的正確性 做出分析。下面我們?cè)趤?lái)看看 的產(chǎn)生。電源采用 LM7805穩(wěn)壓。首先繪制原理圖。元件的封裝必須按照元件實(shí)務(wù)來(lái)確定其大小，比如焊盤大小、外輪廓的大小等，繪制封 裝過(guò)程中注意焊盤 必須設(shè)置成多層上，元件的外輪廓繪制在 Top OverLay,通常第一焊盤設(shè)置成方形。在PCB 設(shè)計(jì)中基 本的原則如下： 1 抑制干擾源 (1) 繼電器線圈加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)干擾。高頻電容布線盡量靠近電源并且粗短。 （ 3）給電機(jī)加濾波電路，電容電感引線要盡量短。一些典型的元件封裝如下： 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動(dòng) 化技術(shù) 49 圖 典型元件封裝 PCB 的電磁兼容設(shè)計(jì) 電磁兼容是指系統(tǒng)能在規(guī)定的電磁環(huán)境中正常工作而且不對(duì)該環(huán)境中其他設(shè)備產(chǎn)生過(guò)量的電磁干擾。繪制完成后對(duì)所有元件做一個(gè)編號(hào)操作和編譯檢查。 Altium dedsigner6操作更加容易，功能更加完善。軟件仿真說(shuō)明我們的軟件設(shè)計(jì)非常成功。 云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 —— 電氣自動(dòng) 化技術(shù) 45 圖 Proteus 仿真 用 Proteus 繪制好電路圖后導(dǎo)入程序文件（用 Keil編譯過(guò)后的 HEX文件），然后就可以執(zhí)行仿真，我們?cè)诜抡娴臅r(shí)候 得，由于在軟件中沒有 CX20216模型，所以 ， 則程序開始就認(rèn)為返回信號(hào)獲得了，所以顯示了一個(gè)最小測(cè)量值 111mm，而溫度為