【正文】 器安裝在測(cè)距儀的左側(cè)，在測(cè)距儀的右側(cè)安裝一塊標(biāo)準(zhǔn)檔板，較準(zhǔn)確的測(cè)量當(dāng)時(shí)環(huán)境下的聲速，用于溫度補(bǔ)償。 圖 64 FPGA 主要由發(fā)射模塊、順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器與接收模塊五部分組成。數(shù)據(jù)選擇器與順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)的讀取。在工作環(huán)境中，對(duì)聲速影響的因素很多。系統(tǒng)總共有 6 個(gè)模塊，分別是電源模塊 、發(fā)射模塊 (超聲波產(chǎn)生和功率放大 )、接收模塊、 DSP模塊、擴(kuò)展單元模塊和單片機(jī)模超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 22 塊。因本系統(tǒng)頻率較高，回波信號(hào)非常弱，為毫伏級(jí)，因此設(shè)計(jì)成兩級(jí)放大電路，第一級(jí)放大 100 倍，第二級(jí)放大 50 倍，共放大 5 000 倍左右。一般的正弦振蕩電路會(huì)有很多諧波分量，而且頻率漂移較大，一旦調(diào)節(jié)好了頻率又不易修改，使系統(tǒng)適應(yīng)不同頻率傳感器的靈活性減低，但是 DDS 芯片可以解決這些問題。+ V 或 +5 V 供電，極低功耗， 28腳 SSOP 封裝。 RESET 有效時(shí)，清除調(diào)節(jié)字寄存器。由于超聲波的頻率較高 (640 k 和 M)，進(jìn)行功率放大時(shí)超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 25 一般的功率放大集成電路帶寬不夠，因此只好用功率晶體管搭放大電路。 接收模塊 該模塊主要是將探頭接收到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，得到含有流體流速信 息的多普勒頻偏信號(hào)，供后續(xù)數(shù)字系統(tǒng)部分做進(jìn)一步分析處理。 接收信號(hào)放大電路輸出的信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生了頻移，此頻移在 0～ 3 kHz范圍，反映流體的流速大小，由于此頻移相對(duì)于發(fā)射信號(hào)頻率較小，直接進(jìn)行頻率測(cè)量精度難以保證，所以采取混頻措施得到差頻信號(hào)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。 如圖 71： 圖 71 1． 主要特性： 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 5 個(gè)中斷源 P0 口： P0口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。并因此作為輸 入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 如圖 81： 圖 81 LED動(dòng)態(tài)掃描顯示電路 采用集成三極管可以保持每路 LED 電流一致 ,這些三極管在相同溫度環(huán)境下、相同工藝條件生產(chǎn)出來的 β 值一樣 ,可以保證每路電流基本一樣。 線性大功率 LED 恒流輸出可以并聯(lián)使用 ,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中我們往往找不到較大電流的驅(qū)動(dòng) IC,一般 2A以上就很少見 ,標(biāo)稱 2A的 IC也不一定可以極限使用。使能 PWM 控制信號(hào)需要適當(dāng)?shù)母綦x ,避免相互干擾和驅(qū)動(dòng)能力問題。 DCDC 方式是工作在較高的頻率上 ,需要注意的是 PCB 布板時(shí)避免交叉設(shè)計(jì) ,各自濾波、旁路電容要緊靠 IC 附近 ,負(fù)載電流最后會(huì)和即可 。除減小壓降外 ,更重要的是降低耦合噪聲。 （ 5）在速度能滿足要求的前提下 ,盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。次級(jí)加低通濾波器 :吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓。 （ 6）防雷電用光纖隔離最為有效。防止復(fù)位不充分 , CPU 就工作 ,尤其有 EEPROM的器件 ,復(fù)位不充份會(huì)改變 EEPROM 的內(nèi)容。 ④ 集成塊與插座接觸可靠 ,用雙簧插座 ,最好集成塊直接焊在印制板上 ,防止器件接觸不良故障。 此電路中， 74LS273 用于驅(qū)動(dòng) LED 的 8 位段碼， 8 位 LED 相應(yīng)的 a— g段連在一起，它們的公共端分別連至由 74LS138（點(diǎn)擊芯片型號(hào)可瀏覽其詳細(xì)的技術(shù)手冊(cè) ） 譯碼選通后經(jīng) 74LS04 反相驅(qū)動(dòng)的輸出端。在 C51 指令中，延時(shí)子程序是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，并且延時(shí)時(shí)間也很容易更改，可參見程序清單中的 DELAY 延時(shí)子程序。 程序清單 : ORG 0100H MAIN : MOV R3,00H :字形碼初始地址 LOOP: MOV DPTR,TABLE :字形碼送數(shù)據(jù)指針 MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A :送顯示 MOV R4,0E8H :循環(huán)顯示某個(gè)字符 1s DELAY: ACALL DISPLAY :顯示 DJNZ R4,DELAY :延時(shí)時(shí)間未到繼續(xù) INC R3 :顯示下個(gè)字符 CJNE R3,0AH,LOOP :未顯示到“ 9”繼續(xù) ALMP MAIN :返回主程序 DISPLAY: MOV R1,08H :共顯示 8位 LED MOV R5,00H :從第一位開始顯示 DISP: MOV A,R5 MOV P3,A ： 送地址數(shù)據(jù) ACALL DELAY1 :每位顯示 15ms INC R5 ：指向下一位 LED DJNZ R1,DISP :8 位為顯示完繼續(xù) RET DELAY1: MOV R6,10H :延時(shí)子程序 LOOP1: MOV R7,38H LOOP2: DJNZ R7,LOOP2 DJNZ R6,LOOP1 RET TABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H DB 92H,82H,0F8H,80H,90H END :程序結(jié)束 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 33 影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾 ,并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。 （ 3）敏感器件。按產(chǎn)生的原因分： 可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。因此 ,我們有必要看看干擾源和被干擾對(duì)象之間的傳遞方式。 （ 2）公共阻抗耦合： 這也是常見的耦合方式 ,這種形式常常發(fā)生在兩個(gè)電路電流有共同通路的情超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 34 況。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的耦合。 常用抗干擾技術(shù) 針對(duì)形成干擾的三要素 ,采取的抗干擾主要有以下手段。減小干擾源的 di/dt 則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)。 （ 3）給電機(jī)加濾波電路 ,注意電容、電感引線要盡量短。 （ 6）可控硅兩端并接 RC 抑制電路 ,減小可控硅產(chǎn)生的噪聲（這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的）。而同樣速度的 motorola 單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘只需 4mhz，更適合用于工控系統(tǒng)。如左下角是地，右下角是電 源。一些單片機(jī)提供若干個(gè)大電流的輸出引腳，從幾十毫安到數(shù)百毫安。 時(shí)鐘監(jiān)測(cè)電路、看門狗技術(shù)與低 電壓復(fù)位 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘停振時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)以恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘，是單片機(jī)提高系統(tǒng)可靠性的措施之一。低電壓復(fù)位技術(shù)是監(jiān)測(cè)單片機(jī)電源電壓，當(dāng)電壓低于某一值時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 36 eft 技術(shù)新近推出的 motorola m68hc08 系列單片機(jī)采用 eft(electrical fasttransient)技術(shù)進(jìn)一步提高了單片機(jī)的抗干擾能力。隨著 vlsi 技術(shù)的不斷發(fā)展，電路內(nèi)部的抗干擾技術(shù)也在不斷發(fā)展之中。一定是系統(tǒng)受到干擾， cpu 讀指令時(shí)出錯(cuò)了。這里要提醒的是最后對(duì)不用的 rom 要做處理。要選高頻特性好的獨(dú)石電容或瓷片電容作去耦電容。鉭電容則比電解電容效果更好 。經(jīng)過比較，在采用 32 位微處理器的前提下選用 Vxworks 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。對(duì)象要保證內(nèi)部數(shù)據(jù)的正確性和對(duì)外實(shí)現(xiàn)方法的隱藏性。層次是在相同抽象層次的一系列類。層次型又分為橫向型、縱向型與縱橫結(jié)合型。層次是指在相同的抽象層次上的一系列組件，而線索是子系統(tǒng)的特例，指所包含的一系列組件用于完成一個(gè)功能。 在姿軌控軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要力求簡(jiǎn)單，模塊化結(jié)構(gòu)的軟件易于單獨(dú)開發(fā)而后集成，在按照共同的數(shù)據(jù)接口開發(fā)后，便于測(cè)試，若在軌運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，易于查找錯(cuò)誤和排除錯(cuò)誤，從而到達(dá)提高可靠性的目的。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 39 設(shè)計(jì)流程與任務(wù)調(diào)度方式 如圖 92所示 ： 圖 92 設(shè)計(jì)流程圖 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 40 操作系統(tǒng)為應(yīng)用軟件和其它模塊提供運(yùn)行環(huán)境和多任務(wù)管理。 作為多任務(wù)操作系統(tǒng)，為了突出實(shí)時(shí)性，降低系統(tǒng)調(diào)度的開銷，它的任 務(wù)并不是真正的任務(wù)而是線程。工作于系統(tǒng)級(jí)的任務(wù)有更高的權(quán)限且受到操作系統(tǒng)的保護(hù)，這樣可以防止應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)程序的誤操作， Schedule 任務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)其他任務(wù)的管理，工作于系統(tǒng)級(jí)。 多任務(wù)調(diào)度管理的仿真實(shí)現(xiàn) 用開發(fā)工具 Tornado，運(yùn)用系統(tǒng)集成仿真器 VXSIM 來進(jìn)行任務(wù)模塊調(diào)度的仿真。在每執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)后，自動(dòng)讀取任務(wù)模塊調(diào)度表中的下一個(gè)任務(wù)，通過計(jì)算，確定下次任務(wù)開始執(zhí)行的時(shí)間，并開始計(jì)時(shí)，時(shí)間到達(dá)后，據(jù)飛行任務(wù)模式字等內(nèi)容創(chuàng)建并運(yùn)行相應(yīng)的姿軌控應(yīng)用任務(wù)模塊。模塊調(diào)度表定義為維數(shù)組，為系統(tǒng)工作模式數(shù)，為當(dāng)前工作模式下需調(diào)用的最大任務(wù)模塊數(shù)。用 Protel 軟件繪制電路原理圖和 PCB 電路印刷板圖，由Protues 軟件進(jìn)行訪 真測(cè)試，利用 MCS51 匯編語言編制 ,運(yùn)行程序該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是 : 1)適用性強(qiáng)，用戶只需對(duì)界面參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并啟動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行便可滿足不同用戶對(duì)最適合溫度的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)最適溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 本設(shè)計(jì)在模擬檢測(cè)中運(yùn)行較好，但采樣據(jù)不太穩(wěn)定。 超聲波測(cè)距離因其人性化設(shè)計(jì)、成本價(jià)格低廉，且應(yīng)用技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定可靠，具有良好的可移植性和擴(kuò)展性，不僅能夠滿足于普通家庭需要，也十分適用于辦公室工作環(huán)境、特別是針對(duì)于學(xué)生宿舍、工廠員工住宿將會(huì)是不錯(cuò)的選擇，一旦投放市場(chǎng)，相信將會(huì)得到廣大消費(fèi)者的青睞。 首先要特別感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師 李明 老師。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 44 參考文獻(xiàn) [1] 竇敬仁，張弟寧 . 電工與電子技術(shù)基礎(chǔ) . 人民交通出版社， 2020. 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