【正文】 式的選擇等，這些都是設(shè)計(jì)階段的軟件體系結(jié)構(gòu)。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 38 解釋機(jī)型 用軟件產(chǎn)生的一個(gè)虛擬機(jī)，模仿其他機(jī)器，解釋并執(zhí)行特定的指令序列。在采用體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按信息流來劃分邊界，信息流內(nèi)部再劃分子系統(tǒng)。 從軟件角度，姿軌控軟件主要完成以下功能：設(shè)置系統(tǒng)工作模式、部件工作狀態(tài)；接收星務(wù)總線傳來的軌道參數(shù)、在軌編程信息等；實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；根據(jù)控制律，計(jì)算控制指令，對(duì)太陽或地球跟蹤定向；在軌檢測(cè)、系統(tǒng)重構(gòu)等。因此在姿軌控軟件的設(shè)計(jì)中，要充分考慮到嵌入式軟件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，合理利用它的特性。 針對(duì)衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的需求，應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用縱橫結(jié)超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 41 合型層次體系結(jié)構(gòu)。 我所寫的系統(tǒng)主要根據(jù)目前節(jié)智能化電風(fēng)扇技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)實(shí)際的應(yīng)用特點(diǎn)和要求，采用了自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。還有待改進(jìn)。在技術(shù)或是論文設(shè)計(jì)的說明論文中他都以非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度給了我許多寶貴的意見。 雖然中間有著不完美 ，但卻是我自己不斷地查閱資料、思考和動(dòng)手的結(jié) 果。操作界面可擴(kuò)展性強(qiáng)，只要稍加改變，即可增加其它按鍵的使用功能。 根據(jù)衛(wèi)星的工作模式，采用二維結(jié)構(gòu)體數(shù)組 Table[][]來定義任務(wù)模塊調(diào)度表。 在姿軌控軟件系統(tǒng)中，所有的任務(wù)都被設(shè)置成可以被中斷的工作方式，以充分發(fā)揮硬件中斷的作用，在一定程度上提高了程序運(yùn)行的并行度。程序和數(shù)據(jù)注入模塊通過數(shù)據(jù)總線獲得地面的程序或者數(shù)據(jù)注入到應(yīng)用軟件；遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)管理模塊通過數(shù)據(jù)總線與地面測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 縱橫結(jié)合型體系結(jié)構(gòu)中，一個(gè)組件不僅在垂直方向與其他組件發(fā)生關(guān)系，同時(shí)在水平方向也與其他組件發(fā)生作用。 層次型 一個(gè)分層系統(tǒng)中，每一層向它的上一層提供服務(wù)，同時(shí)使用它的下一層提供的服務(wù) 。組件就是過濾器，在組件之間傳送數(shù)據(jù)的接口即管道。由于電解電容的纏繞式結(jié)構(gòu)，其分布電感較大，對(duì)濾 除高頻干擾信號(hào)幾乎不起作用。在選用單片機(jī)時(shí)，要檢查一下這些性能是否都有，以求設(shè)計(jì)出可靠性高的系統(tǒng)。以施密特電路對(duì)其整形時(shí)，這種毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘信號(hào)。只能使用其中之一。改進(jìn)的技術(shù)將電源、地安排在兩個(gè)相鄰的引腳上，這樣一方面降低了穿過整個(gè)硅片的電流，一方面使外部去耦電容在 pcb 設(shè)計(jì)上更容易安排，以降低系統(tǒng)噪聲。在對(duì)系統(tǒng)可靠性要求很高的應(yīng)用系統(tǒng)中，選用頻率低的單片機(jī)是降低系統(tǒng)噪聲的原則之一。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后 ,增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。是由于分布電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的耦合。比如干擾信號(hào)通過電源線侵入系統(tǒng)。如： A/D、 D/A 變換器 ,單片機(jī) ,數(shù)字 IC,弱信號(hào)放大器等。 形成干擾的基本要素有三個(gè)： （ 1）干擾源。 動(dòng)態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低， LED將出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 31 ② CPU、 RAM、 ROM 等主芯片 ,VCC 和 GND之間接電解電容及瓷片電容 ,去掉高、低頻干擾信號(hào)。 （ 4） I/O 口采用光電、磁電、繼電器隔離 ,同時(shí)去掉公共地。其它 IC 的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。一般 IC耐壓是指負(fù)載和電源 ,沒有注明激勵(lì)電壓請(qǐng)不要大于5V設(shè)計(jì)。 采用精度較高的 IC 做恒流參考源 ,R 可以設(shè)定 IC 輸出電流 ,一經(jīng)確定 R阻值可以使用固定電阻代替。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。32 可編程 I/O 線 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 TLE2072 是低噪聲高速 JFET 輸入運(yùn)算放大器，他的單位增益帶寬可達(dá) 10 MHz，能滿足信號(hào)放大帶寬的要求，電路中起到前置放大及阻抗變換的作用。AD9850 的 WCLK， FQUD 和 RESET 均通過 74HC574 連在 DSP 的 GPIOA 上，他們的時(shí)序是通過寫入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。目前使用最廣泛的一種 DDS 方式是利用高速存儲(chǔ)器作查尋表，然后通過高速 DAC產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存人的正弦波。發(fā)射電路將接收到的方波脈沖信號(hào)送入乙類推挽放大電路，用其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng) CMOS 管，接著將其脈沖信號(hào)加到高頻脈沖變壓器進(jìn)行功率放大，使幅值增加到 100 多伏，最后將放大的脈沖方波信號(hào)加到超聲波換能器上產(chǎn)生頻率為 125 kHz 的超聲波并將其發(fā)射出去。接收模塊主要接收回波信號(hào)和關(guān)閉計(jì)數(shù)器，當(dāng)接收模塊接收到信號(hào)以后，便啟動(dòng)計(jì)數(shù)，達(dá)到計(jì)數(shù)值，就輸出高電平，用來關(guān)閉計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 20 FPGA 內(nèi)部各組成模塊設(shè)計(jì) FPGA 主要實(shí)現(xiàn) 125 kHz 的超聲波的發(fā)射與接收以及六路超聲波從發(fā)射到接收之間時(shí)間的測(cè)量。 圖 63 系統(tǒng)組成框圖 本系統(tǒng)中。單片機(jī) C8051F236 通過 SPI從 DSP中讀出流速的數(shù)據(jù)，再根據(jù)輸入的儀表參數(shù)進(jìn)行流量、累計(jì)流量等所需要的數(shù)據(jù)量的計(jì)算，并通過液晶顯示器顯示。 諧振頻率高于 20 kHz 的聲波被稱為超聲波。 ＊共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 ＊直流電壓增益高 (約 100dB) 。反映累加器 ACC 內(nèi)容的奇偶性，如果 ACC 中的運(yùn)算結(jié)果有偶數(shù)個(gè) 1（如 11001100B，其中有 4個(gè) 1），則 P 為 0，否則， P=1。 a、進(jìn)位標(biāo)志 CY（ ）。單片機(jī)8051 的 CPU 由運(yùn)算器和控制器組成。因此，在單片機(jī)中就設(shè)置有定時(shí)器兼計(jì)數(shù)器。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā) 生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板 。 超聲波發(fā)射電路 超聲波 發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器 T構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨” 或“笛” 。 OCM2X16 顯示兩行字符，每行可以顯示 16個(gè)字符 。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖時(shí)隙；寫 “0” 、讀 “1” 時(shí)隙，讀 “0” 、讀 “1” 時(shí)隙。接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的超聲波接收器R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)。同時(shí)，由溫度傳感器 DS18B20 測(cè)得當(dāng)前的環(huán)境溫度，讀入單片機(jī)，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的測(cè)量值以及當(dāng)前溫度。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。在測(cè)距時(shí)由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測(cè)量精確度。由于超聲傳播不易受干 擾 , 能量消耗緩慢 , 在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn) , 因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量 . 本文以超聲波理論為依據(jù)，給出日常生活中可以方便 使用的非接觸式超聲波測(cè)距裝置的設(shè)計(jì)過程。 關(guān)鍵詞 ： 超聲波； 8051 單片機(jī)；測(cè)距 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 2 目錄 1 引 言 ........................................................... 3 2 微控制器 MC9S12DG128B ............................................ 7 3 DS18B20 溫度補(bǔ)償電路 ............................................ 9 4 超聲波傳感器 ................................................... 11 5 集成電路 CX20206A 簡(jiǎn)介 .......................................... 13 6 超聲波傳感器測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì) ................................ 17 硬件電路設(shè)計(jì)方法 ........................................... 18 多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng) ..................................... 19 FPGA 內(nèi)部各組成模塊設(shè)計(jì) ............................... 20 發(fā)射電路 .............................................. 22 接收電路 .............................................. 22 超聲波的產(chǎn)生與功率放大 ...................................... 23 接收模塊 .................................................... 25 7 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 .............................................. 26 8 LED 動(dòng)態(tài)掃描顯示電路 ............................................ 28 9 提高敏感器件抗干擾性能 ......................................... 30 系統(tǒng)硬件干擾 ..................................................... 33 降低外時(shí)鐘頻率 ................................................... 35 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................ 36 多任務(wù)調(diào)度管理的仿真實(shí)現(xiàn) ....................................... 40 結(jié)論 ............................................................................................................................. 42 致謝 ............................................................................................................................. 43 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 44 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 3 1 引 言 近年來，隨著單片機(jī)在我國(guó)的推廣，以其簡(jiǎn)單實(shí)用、功能強(qiáng)、體積小而日益廣泛的被廣大設(shè)計(jì)師采用，尤其在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用更為突出。由此提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。然后簡(jiǎn)要介紹了利用 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)距儀的原理 :單片機(jī)發(fā)出的超聲波，通過換能器發(fā)射出去，遇到被測(cè)物體后反射回來，計(jì)算此超聲波從發(fā)射出到接受的時(shí)間差從而得出被測(cè)物體到測(cè)距儀的距離。本文論述了采用單片機(jī)技術(shù)研制成功的智能距離提示器的原理與方法。 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C為超聲波波速。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返 的時(shí)間，即可求得距離。 壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 7 2 微控制器 MC9S12DG128B MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的 S12控制器中的一款 16位微控制器。為了進(jìn)行信號(hào)的整形，在設(shè)計(jì)中的CMOS 電平的 6 非門芯片 CD4069，可以減少電路的復(fù)雜程度，提高電路的帶負(fù)載能力。初始化后，傳感器輸出兩個(gè)字節(jié)的溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到實(shí)際溫度的值，利用式（ 2）可計(jì)算補(bǔ)償聲速。本設(shè)計(jì)采用 OCM2X16，顯超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 10 示兩行字符，一行顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度，一行顯示所測(cè)距離。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。用這種推挽形式將方波信 號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 13 5 集成電路 CX20206A 簡(jiǎn)介 集成電路 CX20206A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的基本組成，