【正文】 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。當 P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 可編程串行通道 128*8 位內(nèi)部 RAM 超聲 波測距系統(tǒng) 27 與 MCS51 兼容 該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。含有差頻信息的高頻信號通過 CD4053 模擬開關與發(fā)射信號的本振方波 (CP1 或 CP2)進行乘積運算，經(jīng) TLE2072 阻抗變換后利用阻容濾波器進行低通濾波得到差頻信號。接收探頭接收到的信號分別通過中心頻率為 1 MHz 和 640 kHz 的窄帶帶通波器，濾去其中的低頻雜散噪聲，放大以后送入解調(diào)器，輸出含有流速信息的低頻多普勒頻偏信號，然后送入TMS320F2812 的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。具體電路如圖 4所示。 如圖 69： 圖 69 74HC574 是 8D 鎖存器，可將寫入的數(shù)據(jù)保存在輸出端直到下次時鐘到來。 AD9850 有兩種裝載頻率調(diào)節(jié)字的方式，無優(yōu)劣之分。 DDS技術是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過 DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式信號超聲 波測距系統(tǒng) 24 的合成 技術。 超聲 波測距系統(tǒng) 23 圖 68 另外考慮到本系統(tǒng)要適應各種復雜的工作環(huán)境，因此設計了由 TL082 構成的高精度帶通濾波電路，以供回波信號放大后進行進一步濾波，將濾波后的信號輸入到 LM393 構成的比較器反相輸入端，與基準電壓相比較，并且對其比較輸出電壓進行限幅，將其電壓接至 D觸發(fā)器，比較器將經(jīng)過放大后的交流信號整形出方波信號，將其接至 FPGA，啟動接收模塊計數(shù)，達到脈沖串設定值時，關閉計時計數(shù)器停止計數(shù)。 圖 67 發(fā)射電路 發(fā)射電路如圖 68（ a） 所示。 (2)采用 125 kHz 的頻率，同時采用多路超聲波精確同步測距。 計時計數(shù)器模塊主要完成測量脈沖發(fā)出去到接收到的時間間隔和脈沖的計數(shù)，主要由啟動與關閉計數(shù)器控制、 12分頻器、 16 位計時計數(shù)器、二選一數(shù)據(jù)選擇器及 8位數(shù)據(jù)鎖存器組成。其中：發(fā)射模塊完成脈沖串的發(fā)射與計數(shù)器的啟動，主要由96分頻器、發(fā)射脈沖串計數(shù)器和發(fā)射脈沖串的控制器三部分組成?？刂苹蝻@示模塊用于調(diào)整平衡或輸出顯示測量距離的目的。 FPGA 單元主要用來產(chǎn)生超聲波的發(fā)射脈沖頻率 125 kHz 與計時計數(shù)器的頻率 (170 kHz)，通過微控制器 MCU 來啟動超聲波的發(fā)射， FPGA 發(fā)射一定數(shù)量 (這里選擇 8至 10)的脈沖串之后，停止發(fā)射同時啟動計時計數(shù)器計數(shù)，超聲波途經(jīng)障礙物返回。系統(tǒng)組成框圖如圖 63。 圖 62 超聲波測距系統(tǒng)的基本結構 超聲 波測距系統(tǒng) 19 系統(tǒng)常采用頻率為 40 kHz 的方波信號由單片機內(nèi)部產(chǎn)生。 TMS320F2812 內(nèi)部定時中斷子程序進行數(shù) 據(jù)采樣，采集的數(shù)據(jù)送人環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，然后TMS320F2812 對采樣數(shù)據(jù)進行加窗處理、 FFT 變換求其功率譜、功率譜的延伸、疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。 雙頻超聲波多普勒流量計能夠產(chǎn)生兩組異頻、相互獨立的超聲波信號，兩種頻率用于識別和排除一系列的錯誤信號，他能有效去除噪聲信號，并將準確識別出的多普勒信 號進行平方放大。超聲波流量計結構簡單，壓力損失小，而且使用方便，因而得到了廣泛的應用。 參數(shù) ： 輸入偏置電流 45 nA； 輸入失調(diào)電流 50 nA； 輸入失調(diào)電壓 ； 輸入共模電壓最大值 VCC~ V； 共模抑制比 80dB； 電源抑制比 100dB 。 ＊低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 一 177。 特性 (Features)： ＊內(nèi)部頻率補償。運算器中還有一個按位（ bit）進行邏輯運算的邏輯處理機（又稱布爾處理機）。 d、奇偶標志 P。 b、輔助進位標志 AC。 PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P 對用戶來講，最關心的是以下四位。在進行算術、邏輯運算時，累加器 ACC 往往在運算前暫存一個操作數(shù)（如被加數(shù)），而運算后又保存其結果超聲 波測距系統(tǒng) 14 （如代數(shù)和）。 MCU51 CPU 和存儲器。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)有“傳達室”的作用，當單片機控制對象的參數(shù)到達某個需要加以干預的狀態(tài)時，就可經(jīng)此“傳達室”通報給 CPU，使 CPU 根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當?shù)膽洞胧Ｋ噪x不開計數(shù)和定時。適當更改電容 C4 的大小，可以改變接收 電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波換能器內(nèi)部結構如圖所示，它有兩個 壓電晶片和一個共振板。上拉電阻 R R11 一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。主程序包括初始化和各個子程序的調(diào)用，最后把測量結果用液晶顯示屏 顯示出來。提供內(nèi)部上電自動復位電路，當外加電源電壓超過 + 時，自動對模塊進行初始化操作，將模塊設置為默認的顯示工作狀態(tài)。分 4 位和 8位數(shù)據(jù)傳輸方式。因此掌握 DS18B20 的通信協(xié)議是使用該器件的關鍵。 圖 22超聲波的接收電路 超聲 波測距系統(tǒng) 9 3 DS18B20 溫度補償電路 根據(jù)上文中式可知，溫度對聲速的影響較大，若不進行補償，將會帶來測量誤差，為了提高系統(tǒng)的測量精度，設計了溫度補償電路。 超聲波的接收電路 超聲波接 收電路如圖 22 所示。 MC9S12DG128B 微控制器采用增強型 16 位 S12 CPU，片內(nèi)總線時鐘頻率最高可達 25MHz；片內(nèi)資源包括 8kB RAM、 128kB FLASH、 2kB EEPROM、 SCI、 SPI及PWM串行接口模塊； PWM模塊可設置成 4 路 8 位或 2路 16位，可寬范圍選擇時鐘頻率；它還提供 2個 8路 10 位精度 A/D 轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng) CAN 和增強型捕捉定時器，并支持背景調(diào)試模式（ BDM）。同時，計數(shù)MC9S12DG128B 內(nèi)部的定時器，測量超聲波信號從發(fā)出到接收所花的時間，并把經(jīng)超聲波換能器 R接收到的超聲波信號放大、濾波、整形，并作為接收信號來啟動定時器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測距的時間操作。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩 頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。只要計算出超聲波信號從發(fā)射到接收到回波信號的時間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計算出距被測物體的距離： 超聲 波測距系統(tǒng) 5 d=s/2=(vt)/2 （ 1） 其中 d為被測物到測距儀之間的距離， s為超聲波往返通過的路程， v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度， t 為超聲波從發(fā)射到接收所用的時間。所以列出了幾種不同溫度下的波速 ,請看表 1 所示。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可 測距離。 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩 ,傳播速度僅為光波的百萬分之一 ,縱向分辨率較高 .超聲波對色彩、光照度、外界光線和電磁場不敏感 ,因此超聲測距對于被測物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力 ,在液位測量、機器人避障和定位、倒車雷達、物體識別等方面有著廣泛的運用。工作時，超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機提供一個短脈沖。測試結果表明，該設計滿足設計要求，具有一定的實用價值。 設計了一種基于 8051 單片機的超聲波測距系統(tǒng)。在介紹了單片機性能和特點的基礎上，分析了超聲波測距的發(fā)展及基本原理，介紹了傳感器的原理及特性。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件 ,利用反射超聲波測量待測距離。針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設計方案做 了論證。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，且在測量精度方面也能達到要求。該智能距離提示器主要是利用超聲波探測傳感器發(fā)送超聲波來測試相對應的距離。該超聲波智能距離提示器具有測距原理簡單，成本低，制作 方便 易于實時控制，并且在精度方面也能達到工業(yè)實用的要求 等 特點。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。 圖 11 超聲波測距電路 表 1 溫度與波速的關系表 溫度/℃ 20 10 0 10 20 30 100 波速/m/s 319 325 323 338 344 349 386 由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C與溫度有關。 超聲波發(fā)生器在某一時刻發(fā)出超聲波信號，遇到被測物體后反射回來，被超聲波接收器接收到。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板。 超聲 波測距系統(tǒng) 6 圖 12 本超聲波測距儀的具體工作過程如下，在單片機產(chǎn)生復位信號后，MC9S12DG128B 產(chǎn)生一個控制信號，控制外圍電路產(chǎn)生 40kHz 的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為 40kHz 的超聲波。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括 SPI、 SCI、 I2C、 A/D、 PWM等，在FLASH 存儲控制及加密方面有較強的功能。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設計利用了單運放 LM386，發(fā)射距離可達 4m。整形后的信號由 C1 耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊 LM567 的輸入端 3 腳，當輸入信號的幅度落在其中心頻率上時， LM567 的邏輯輸出端 8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖健? 數(shù)字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區(qū)別是：將溫度信號直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后通過串行通信的方式輸出。 液晶顯示電路 字符點陣系列模塊是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點 陣型顯示模塊。它提供了豐富的指令設置：清顯示，光標回原點，顯示開 /關，光標開 /關，顯示字符閃爍，光標移位，顯示移位等。 圖 31液晶顯示電路 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、定時器計時子程序、計算子程序、液晶顯示子程序等。電聲型主要有： 1 壓電傳感 器； 2 磁致伸縮傳感器； 3 靜電傳感器。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應變，從而產(chǎn)生超聲振動。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。 超聲 波測距系統(tǒng) 12 超聲波檢測接收電路 超聲波 檢測接收電路 是利用壓電晶體的諧振來工作的。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38kHZ 與測距的超聲波頻率 40kHZ較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。單片機除了進行運算外，還要完成控制功能。實際上單片機里面還有一個時鐘電路，使單片機在進行運算和控制時，都能有節(jié)奏地進行。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進行。累加器 ACC 是一個八位寄存器，它是 CPU 中工作最頻繁的寄存器。其每位的具體含意如下所示。如果操作結果在最高位有進位（加法）或者借位（減法），則該位為 1，否則為 0。 MCS－ 51反映帶符號數(shù)的運算結果是否有溢出，有溢出時，此位為 1，否則為 0。由于 PSW存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字。 LM358 的封裝形式有塑封 8引線雙列直插式和貼片式。 ＊電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V)；雙電源 (177。 ＊低輸入偏流。 ＊輸出電壓擺幅大（ 0至 ) 。上世紀 70 年代以后，由于集成電路技術的迅猛發(fā)展，高性能、高穩(wěn)定性的鎖相技術的出現(xiàn)與應用，才使實用的超聲波流量計得以迅速發(fā)展。 如圖 61： 圖 61 根據(jù)超聲波聲道結構類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計；根據(jù)超聲波流量計適用的流道不同可分為管道流量計、管渠流量計和河流流量計；根據(jù)對信超聲 波測距系統(tǒng) 18 號的檢測原理，超聲波流量計非接觸測量方法分為：傳播時差法、多普勒法、波束偏移法及流動超聲法等不同類型，其中傳播時差法又分為直接時差法、相位差法和頻差法。接收到的超聲波分別被前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器及低通濾波器處理獲得含有流體流速信息的低頻模擬多普勒信號，再送到數(shù)字系統(tǒng)部分的DSP(TMS320F2812)的模／數(shù) (A／ D)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 超聲波測距系統(tǒng)的一般結構 一般情況下，超聲波測距系統(tǒng)的基本結構如圖 62 所示。 多路同步超聲波測距系統(tǒng) 系統(tǒng)由單片機、 FPGA 模塊、 6 對收發(fā) 同體的超聲波換能器、功率放大電路、回波高增益放大電路、帶通濾波電路以及比較整形電路等組成。單片機控制器單元主要是啟動超聲波發(fā)射與計時計數(shù)器開始計數(shù)的同 步以及接收到回波后對其計時計數(shù)器的值進行處理等運算。第六路超聲波換能