【正文】 7279脈沖信號(hào)控制口 DQ_7279 BIT 。 本系統(tǒng)能不同溫度和氣體的環(huán)境對(duì)兩點(diǎn)的距離進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也可以作于汽車(chē)的避障系統(tǒng)，具有的功能有： ① 測(cè)量范圍： 6cm～ 3m；② 測(cè)量誤差較??；③具有實(shí)時(shí)測(cè)溫和溫度補(bǔ)償功能；④ 能夠?qū)嚯x進(jìn)行多次測(cè)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(cè)量距離的最大誤差比設(shè)計(jì)要求要大，不過(guò)基本滿足了設(shè)計(jì)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(jī)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(xiě)了一個(gè)使用單片機(jī)的 口來(lái)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(cè)溫和聲速的溫度補(bǔ)償?shù)某绦蛟O(shè)計(jì)過(guò)程中，都采用先畫(huà)程序流程圖，然后編寫(xiě)程序的模式。 由 于每次的計(jì)數(shù)值需要 2 個(gè)字節(jié)來(lái)存放，因此濾波子程序須設(shè)計(jì)為 6 個(gè)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(zhǔn)電壓為 1V，同樣觀察信 號(hào)經(jīng)過(guò)比較器后的波形為 +12V，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，此時(shí) 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(pán)代碼的定義，請(qǐng)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(hào)即鍵盤(pán)代碼，圖中代碼以 10 進(jìn)制表示。數(shù)碼管的尺寸，亦不宜選得過(guò)大，一般字符高度不宜超過(guò) 1 英寸，如使用大型的數(shù)碼管，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路。應(yīng)用中，無(wú)需用到的鍵盤(pán)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(huì)影響鍵盤(pán)的使用。在此期間，如果 HD7279A 接收到‘讀鍵盤(pán)數(shù)據(jù)指令’，則輸出當(dāng)前按鍵的鍵盤(pán)代碼；如果在收 到‘讀鍵盤(pán)指令’時(shí)沒(méi)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(gè)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(jìn)制碼，并同時(shí)具有兩種譯碼方式。系統(tǒng)對(duì) DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。 DS18B20的測(cè)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(hào)送給計(jì)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(hào)作為計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入 ， 圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén) 。單總線適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng) ， 能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。為了得到較為精確的測(cè)量結(jié)果 ， 必須對(duì)波速進(jìn)行溫度補(bǔ)償。因此可以通過(guò)采用三極管的截止與飽和兩種狀態(tài)將 177。同時(shí)因?yàn)楸容^器不需要相位補(bǔ)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(hào)經(jīng)過(guò)了接收放大模塊電路后，其輸出信號(hào) V2 為 40KHz 的交流信號(hào)。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(hào)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(shí) 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(hù)超聲波發(fā)射器的作用。其振蕩周期與充電時(shí)間 tPH和放電時(shí)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(lái)確定 [12]。 溫度補(bǔ)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(hào)能夠通過(guò)傳感器，其它頻率信號(hào)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(jī)的 I/O口來(lái)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(shí)將無(wú)法即時(shí)開(kāi)啟計(jì)數(shù)器來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間，這樣將會(huì)帶來(lái)較大的誤差。在放大電路的設(shè)計(jì)中，為了避免由于增益過(guò)大造成運(yùn)放的自激振蕩，而采用兩級(jí)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(dòng)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(cè)電路。前置放大前置放大、自動(dòng)增益控制 (AGC)電路把微弱回波信號(hào)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(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的距離時(shí)，對(duì)近距離測(cè)量要求高，因此盲區(qū)處理更為關(guān)鍵。對(duì)超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量可以歸結(jié)到對(duì)超聲波回波前沿的檢測(cè)。 本文的硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為 :檢測(cè)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(shí)間即往返時(shí)間。 型號(hào) T/R4016 中心頻率 40177。實(shí)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(jī)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(dòng)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(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來(lái)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(guò)實(shí)驗(yàn)分析，效果良好。通過(guò)這兩種方法都能夠有效地躲過(guò)串繞信號(hào)，但同時(shí)也會(huì)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(cè)方法計(jì)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(zhǔn)確的聲波傳輸時(shí)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(zhǎng)度過(guò)短將使得發(fā)射換能器激振達(dá)不到最大值或不能被激振。對(duì)超聲波測(cè)距的精度主要取決于所測(cè)的超聲波傳輸時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時(shí)間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來(lái)提高測(cè)距精度。比如要測(cè)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(chē)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(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和需改進(jìn)的地方 .............................. 1 第二章 超聲波測(cè)距原理 ............................... 4 超聲波簡(jiǎn)介 ................................................ 4 超聲波傳感器 .............................................. 5 超聲測(cè)距原理 .............................................. 6 盲區(qū)處理 .................................................. 8 第三章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路及調(diào)試 ............. 12 設(shè)計(jì)要求 ................................................. 12 超聲波測(cè)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(dòng)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(cè)量模塊 ....................................... 19 鍵盤(pán)顯示電路 ....................................... 21 超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件調(diào)試 ................................... 25 第五章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試 ................ 27 超聲波測(cè)距系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程 ............................... 27 主程序設(shè)計(jì)流程 ..................................... 27 距離計(jì)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(cè)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(jìn)的地方 ............................... 32 參考 文獻(xiàn) .......................................... 33 致謝 ................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 目前基于超聲 波精確測(cè)距的需求也越來(lái)越大，如油庫(kù)和水箱液面的精確測(cè)量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測(cè)和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測(cè)等。目前相位探測(cè)法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來(lái)的方法是主要的降低探測(cè)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(shí)，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(jì)算回波時(shí)間點(diǎn)，過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，有效性不清楚。對(duì)于本系統(tǒng)并不適用。為了進(jìn)一步提高超聲波測(cè)距儀的測(cè)量精度和分辨力，又進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測(cè)量相結(jié)合的辦法對(duì)聲速進(jìn)行修正 ，可有效地消除溫度變化對(duì)精度的影響，從而提高了超聲波往返時(shí)間的測(cè)量可靠性。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)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(shí)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(cè)脈沖計(jì)數(shù)法 : 脈沖檢測(cè)法是對(duì)有回波信號(hào)經(jīng)檢測(cè)電路產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行檢測(cè)的方法。盲區(qū)的形成是為解決超聲波自身繞射問(wèn)題而延伸出的另一問(wèn)題。由于超聲波回波信號(hào)隨著被測(cè)距離大小的變化，其幅值變化也很大， 必須經(jīng)過(guò)增益控制， 以滿足整形電路的要求。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí) [11]。然后經(jīng)過(guò)峰值檢波后轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，在經(jīng)過(guò)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(lái)獲取所需要的電平送至單片機(jī)處理。另外采用變壓器的方式來(lái)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(dòng)增益的方式，這樣可以利用超聲波來(lái)近距離測(cè)量以及測(cè)量較遠(yuǎn)的距離。在信號(hào)放大模塊的電路中，考慮到傳感器所接收到的信號(hào)幅度為毫伏級(jí)以及運(yùn)放在增益過(guò)大時(shí)容易造成自激振蕩的特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩級(jí)放大的模式，最終放大 400多倍，而且直接通過(guò)硬件就可以實(shí)現(xiàn)，使得在設(shè)計(jì)上比方案二較為簡(jiǎn)單。 實(shí)時(shí)顯示實(shí)測(cè) 距離、 溫度。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，先確定 C2,R2 的取值，即 C2=33