【正文】 7279脈沖信號控制口 DQ_7279 BIT 。 本系統(tǒng)能不同溫度和氣體的環(huán)境對兩點的距離進行測量，同時也可以作于汽車的避障系統(tǒng)，具有的功能有： ① 測量范圍： 6cm～ 3m；② 測量誤差較?。虎劬哂袑崟r測溫和溫度補償功能；④ 能夠?qū)嚯x進行多次測量顯示。從表南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 7 可知其測量距離的最大誤差比設(shè)計要求要大，不過基本滿足了設(shè)計的要求。 在調(diào)好發(fā)射接收模塊電路后，再次將總程序下載到單片機內(nèi)通電工作，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管能夠亮滅亮滅的閃爍，但數(shù)碼管始終顯示為 0000。為了方便檢查故障的原因，又重新編寫了一個使用單片機的 口來控制 555 多諧振蕩器的工作情況的程序。 在二字節(jié)乘二字節(jié)、四字節(jié)除于二字節(jié)、測溫和聲速的溫度補償?shù)某绦蛟O(shè)計過程中，都采用先畫程序流程圖，然后編寫程序的模式。 由 于每次的計數(shù)值需要 2 個字節(jié)來存放，因此濾波子程序須設(shè)計為 6 個二字節(jié)數(shù)的處理程序。本軟件程序在 keil 181。再調(diào)整 R13 的電阻值，使得比較器的基準電壓為 1V，同樣觀察信 號經(jīng)過比較器后的波形為 +12V，發(fā)光二極管點亮，此時 端輸出的電壓為低電平。首先將 555 芯片的復(fù)位端 4 腳接高電平，用示波器觀察其輸出端 3 腳的波形，發(fā)現(xiàn)其輸出波形的尖峰很大。鍵盤代碼的定義，請參閱圖 2南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 及典型應(yīng)用電路圖，圖中的鍵號即鍵盤代碼，圖中代碼以 10 進制表示。數(shù)碼管的尺寸，亦不宜選得過大，一般字符高度不宜超過 1 英寸，如使用大型的數(shù)碼管，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路。應(yīng)用中，無需用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連接，省去數(shù)碼管或?qū)?shù)碼管設(shè)置消隱屬性均不會影響鍵盤的使用。在此期間，如果 HD7279A 接收到‘讀鍵盤數(shù)據(jù)指令’，則輸出當(dāng)前按鍵的鍵盤代碼；如果在收 到‘讀鍵盤指令’時沒有有效按鍵， HD7279A 將輸出FFH(11111111B)。 3．閃爍控制 88H （如表 5 所示） 表 5 閃爍控制字的存放 此命令控制各個數(shù)碼竹的閃爍屬性。 HD7279 內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受 BCD 碼或 16 進制碼，并同時具有兩種譯碼方式。系統(tǒng)對 DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。 DS18B20的測溫原理如圖 ， 圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小 ， 用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1， 高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 振蕩頻率明顯改變 ， 所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入 ， 圖中還隱含著計數(shù)門 。單總線適用于單個主機系統(tǒng) ， 能夠控制一個或多個從機設(shè)備。為了得到較為精確的測量結(jié)果 ， 必須對波速進行溫度補償。因此可以通過采用三極管的截止與飽和兩種狀態(tài)將 177。同時因為比較器不需要相位補償，故適用于高速工作。 圖 接收放大電路 峰值檢波模塊 當(dāng)信號經(jīng)過了接收放大模塊電路后，其輸出信號 V2 為 40KHz 的交流信號。在此電路中，為了防止在超聲波接收器上始終加有一直流信號讓其工作導(dǎo)致傳感器的壽命縮短，從而加上一隔值電容 C4，同時 C4和 R5也構(gòu)成了一濾波電路。 在暫停發(fā)送期間，電容 C3 用于阻塞輸人電流中的直流成分， 起到保護超聲波發(fā)射器的作用。其振蕩周期與充電時間 tPH和放電時間 tPL有關(guān)，振蕩周期為： ? ?P H P L 3 2 2T = t + t 0. 7 R + 2R C? （ ） （ ） 由公式 可知， 555 多諧振蕩器的振蕩頻率由 R2,R3,C2 來確定 [12]。 溫度補償范圍： 20 500C。在此方案中，考慮到超聲波傳感器的一些特性（即只有在 40KHz左右的信號能夠通過傳感器，其它頻率信號其衰減較快），因此在濾波電路中，只是采用 RC電路構(gòu)成濾波電路。 在方案一中，采用單片機的 I/O口來做超聲波的產(chǎn)生電路，在發(fā)射超聲波的同南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 時將無法即時開啟計數(shù)器來準確計算超聲波從發(fā)射到接收所用的時間，這樣將會帶來較大的誤差。在放大電路的設(shè)計中，為了避免由于增益過大造成運放的自激振蕩，而采用兩級放大的方式，放大倍數(shù)為 400多倍。內(nèi)部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、 限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成，可以利用它作為超聲波檢測電路。前置放大前置放大、自動增益控制 (AGC)電路把微弱回波信號放大了 200倍以上，足夠滿足后面整形電路的需要；帶通濾波電路為濾波效果比較理想的高 Q值、窄寬帶的二階帶通濾波器。在利用超聲波測量兩點間的距離時，對近距離測量要求高，因此盲區(qū)處理更為關(guān)鍵。對超聲波傳播時間的測量可以歸結(jié)到對超聲波回波前沿的檢測。 本文的硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為 :檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波 (假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體 )，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間即往返時間。 型號 T/R4016 中心頻率 40177。實質(zhì)上是一種可逆的換能器，即將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振蕩，形成超聲波；或者由超聲波能量轉(zhuǎn)換為電振蕩。在空氣里， a= 13102 ?? s2/cm，當(dāng)振動的聲波頻率 f= 40kHz(超聲波 )代入式 ()，可得 a= ?? /cm，即 1/α =31m；它的物理 意義是 :在 (1/a)長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的 e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。經(jīng)過實驗分析，效果良好。通過這兩種方法都能夠有效地躲過串繞信號，但同時也會形成盲區(qū)，系統(tǒng)的盲區(qū)約為 lOOmm左右。處理步驟為： 1．用一定的檢測方法計算出方程中的起伏參數(shù)： 2．根據(jù)包絡(luò)方程推算出回波的理想前沿； 3．得到準確的聲波傳輸時間； 4．乘聲速除 2即得距離。這些措施也有一定限度，例如：發(fā)射波串的長度過短將使得發(fā)射換能器激振達不到最大值或不能被激振。對超聲波測距的精度主要取決于所測的超聲波傳輸時間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時間的精度影響較大，所以大部分文獻采用降低傳輸時間的不確定度來提高測距精度。比如要測量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 目 錄 第一章 緒論 ........................................ 1 課題背景及意義 ............................................ 1 國內(nèi)外發(fā)展狀況和需改進的地方 .............................. 1 第二章 超聲波測距原理 ............................... 4 超聲波簡介 ................................................ 4 超聲波傳感器 .............................................. 5 超聲測距原理 .............................................. 6 盲區(qū)處理 .................................................. 8 第三章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計方案論證 .............. 9 方案一 .................................................... 9 方案二 .................................................... 9 方案三 ................................................... 10 方案確定 ................................................. 10 第四章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計思路及調(diào)試 ............. 12 設(shè)計要求 ................................................. 12 超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 ................................. 12 各功能模塊電路介紹 ....................................... 13 超聲波產(chǎn)生電路 ..................................... 13 驅(qū)動電路模塊 ....................................... 14 接收放大電路模塊 ................................... 15 峰值檢波模塊 ....................................... 16 電壓比較器模塊 ..................................... 17 電平轉(zhuǎn)換模塊 ....................................... 18 溫度測量模塊 ....................................... 19 鍵盤顯示電路 ....................................... 21 超聲波測距系統(tǒng)硬件調(diào)試 ................................... 25 第五章 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試 ................ 27 超聲波測距系統(tǒng)程序設(shè)計流程 ............................... 27 主程序設(shè)計流程 ..................................... 27 距離計算流程 ...................................... 28 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 軟件調(diào)試 ................................................. 29 第六章 超聲波測距系統(tǒng)最終調(diào)試 ...................... 30 第七章 總結(jié) ....................................... 32 研究結(jié)論 ................................................. 32 本系統(tǒng)的不足和需改進的地方 ............................... 32 參考 文獻 .......................................... 33 致謝 ................................ 錯誤 !未定義書簽。 目前基于超聲 波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機械內(nèi)部損傷的檢測等。目前相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法。 發(fā)射波頻率加高受到換能器特性限制，同時，發(fā)射波頻率加高使超聲波在媒介中的衰減大幅度加劇，使作用距離下降。 這種方法從軟件算法上計算回波時間點，過程過于復(fù)雜，有效性不清楚。對于本系統(tǒng)并不適用。為了進一步提高超聲波測距儀的測量精度和分辨力，又進行了設(shè)計改進，采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量相結(jié)合的辦法對聲速進行修正 ，可有效地消除溫度變化對精度的影響，從而提高了超聲波往返時間的測量可靠性。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。常用的傳感器有 T40XX和 R40XX系列，UCM40T， UCM40R等，其中 T代表發(fā)射傳感器， R代表接收傳感器， 40為中心頻率 40KHz。 1KHz 發(fā) 射電壓 大于 115DB 接收靈敏度 大于 64DB/V/ubar 6DB指向 50deg 電容 2400177。往返時間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。檢測脈沖計數(shù)法 : 脈沖檢測法是對有回波信號經(jīng)檢測電路產(chǎn)生的脈沖進行檢測的方法。盲區(qū)的形成是為解決超聲波自身繞射問題而延伸出的另一問題。由于超聲波回波信號隨著被測距離大小的變化，其幅值變化也很大， 必須經(jīng)過增益控制， 以滿足整形電路的要求。接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 路輸出到鎖相環(huán)路，實現(xiàn)準確的計時 [11]。然后經(jīng)過峰值檢波后轉(zhuǎn)化為直流信號，在經(jīng)過電壓跟隨器、電壓比較電路和利用三極管的截止與飽和狀態(tài)來獲取所需要的電平送至單片機處理。另外采用變壓器的方式來增大發(fā)射功率，使得加載在超聲波傳感器的電壓為 100V，而且在超聲波接收電路中采用自動增益的方式，這樣可以利用超聲波來近距離測量以及測量較遠的距離。在信號放大模塊的電路中，考慮到傳感器所接收到的信號幅度為毫伏級以及運放在增益過大時容易造成自激振蕩的特點，所以在設(shè)計時采用了兩級放大的模式，最終放大 400多倍，而且直接通過硬件就可以實現(xiàn)，使得在設(shè)計上比方案二較為簡單。 實時顯示實測 距離、 溫度。在電路設(shè)計時，先確定 C2,R2 的取值，即 C2=33