【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 遠(yuǎn)離回波信號(hào)頻率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機(jī)的內(nèi)部噪聲決定，其功率譜寬度遠(yuǎn)大于接收機(jī)的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識(shí)，輸入為已知信號(hào)加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大 。匹配濾波器具有以下特點(diǎn)： (1) 輸出最大信噪比與信號(hào)波形無(wú)關(guān) (2) 匹配濾波器對(duì)信號(hào)的幅度和時(shí)延具有適應(yīng)性，即對(duì)只有幅度和出現(xiàn)時(shí)間不同 的信號(hào)，它們的匹配濾波器是相同的。 (3) 匹配濾波器與相關(guān)接收和相關(guān)器具有等效性。 實(shí)際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個(gè)射頻脈沖的頻譜是連續(xù)的，用普通 的窄帶濾波器就能把其主峰部分濾波出來(lái)，適當(dāng)?shù)倪x擇濾波器的通帶寬度就能取得與匹配濾波器相差不多的效果。 4． 2超聲波接收電路 超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路，如圖 所示 ,模擬放大器選用 高精度儀用放大器 LM318 作為信號(hào)放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為 15MHz，超出音頻范圍能夠滿足 40kHz 的要求。 在放大電路的負(fù)反饋回路中接入電容 C1構(gòu)成低通濾波器 。 電容的選擇可由公式 f=1/2πRfC1求出，式中 f0為采用的超聲波頻率， Rf為第一級(jí)的 反饋電阻 。 因?yàn)槎嘀C振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過(guò)低通濾波器將高頻噪聲濾掉 。 經(jīng)過(guò) 2極放大后，通過(guò)電容耦合，信號(hào)與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平，提供給單片機(jī)產(chǎn)生中斷 。 參考電壓設(shè)定為 1V 左右，以提高靈敏度 , 第 2個(gè)比較器僅起反相作用。 14 圖 接收電路 發(fā)射的超聲波被調(diào)制成包含 .40KHz方波的具有一定時(shí)間間隔的矩形波脈沖號(hào) ,其發(fā)射 與 接收脈沖工作時(shí)序圖如圖 : 由單片機(jī) AT89S51的 H橋電路的使能端 EN，送出 40KHz的超聲波脈沖信號(hào)，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制 .脈沖寬度約為 125到 200us，即在一個(gè)調(diào) 制脈沖內(nèi)包含 5到 8個(gè) 40KHz的方波 .脈沖發(fā)送間隔取決于要求測(cè)量的最大距離 . 若在有效測(cè)距范圍內(nèi)有被測(cè)物體，則在后一次超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一次發(fā)射的反射波，否則認(rèn)為前方無(wú)被測(cè)物 體 . 因 此，按有效測(cè)距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時(shí)間 . 圖 發(fā)射 與 接收脈沖工作時(shí)序圖 15 5 測(cè)溫芯 AD590 5． 1 AD590 簡(jiǎn)介 （ 1） 溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，它不僅廣泛應(yīng)用于日常生活中，而且也大量應(yīng)用于自動(dòng)化和過(guò)程檢測(cè)控制系統(tǒng)。溫度傳感器的種類很多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，并同時(shí)達(dá)到增加使用壽命和降低成本的目的。 AD590 溫度傳感器不但實(shí)現(xiàn)了溫度轉(zhuǎn)換為線性化電量測(cè)量，而且精確度高、互換性好、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，因此，可把輸出的電信號(hào)經(jīng) AD 卡轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)采集 Vit的數(shù)據(jù)，以發(fā)揮其實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。把 AD590用于改進(jìn)一部分物理實(shí)驗(yàn)，如空氣比熱容比的測(cè)量、金屬比熱容的測(cè)量及液氮汽化熱的測(cè)量等，都取得了良好的效果。總之，與水銀溫度計(jì)、銅 康熱電偶溫度計(jì)及半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)相比， AD590 具有線性好、測(cè)溫不需參考點(diǎn)及消除電源波動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在常溫范圍內(nèi)可以取代它們，廣泛的應(yīng)用于科技和工業(yè)領(lǐng)域中。 （ 2） 集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的 be 結(jié)壓降的不飽和值 VBE 與熱力學(xué)溫度 T 和通過(guò)發(fā)射極電流 I 的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： 式中， K— 波爾茲常數(shù)； q— 電子電荷絕對(duì)值。 （ 3） 集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為 10mV/K，溫度 0℃ 時(shí)輸出為 0，溫度 25℃ 時(shí)輸出。電流輸出型的靈敏度一般為 1mA/K。 5． 1． 1 AD590的功能及特性 AD590 是電流型溫度傳感器，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋， AD590 的后綴以 I， J， K， L， M表示。 AD590L， AD590M一般用于精密溫度測(cè)量電路，其電路外形如圖 1 所示，它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 1腳為電源正端 V＋； 2腳為電流輸出端 I0； 3腳為管殼， （ 1） 流過(guò)器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即： mA/K 式中： — 流過(guò)器件（ AD590）的電流，單位為 mA； T— 熱力學(xué)溫度，單位為 K。 16 （ 2） AD590 的測(cè)溫范圍為 55℃ ～ +150℃ 。 （ 3） AD590 的電源電壓范圍為 4V～ 30V。電源電壓可在 4V~6V范圍變化，電流 變化 1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V正向電壓和 20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。 （ 4） 輸出電阻為 710MW。 （ 5） 精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M 五檔，其中 M 檔精度最高，在 55℃ ～+150℃ 范圍內(nèi)，非線性誤差為 177?！? （ 6） AD590 的主特性參數(shù)如下： 工作電壓： 4～ 30V； 工作溫度： － 55～＋ 150℃； 保存溫度：－ 65～＋ 175℃； 正向電壓：＋ 44V； 反向電壓：－ 20V； 焊接溫度（ 10 秒）： 300℃； 靈敏度： 1μ A／ K。 5． 2 AD590 的工作原理 在被測(cè)溫度一定時(shí)， AD590 相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和 5～ 30V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個(gè) 1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過(guò)的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有 1mV／ K的電壓信號(hào)。是利用Δ UBE特性的集成 PN 結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 T T2 起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1和 I2 相等； T T4 是感溫用的晶體管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3實(shí)質(zhì)上是由 n個(gè)晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n倍。 T3和 T4的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3和 UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R上，所以 R 上端電壓為Δ UBE。因此，電流 I1 為： I1＝Δ UBE／ R＝（ KT／ q）（ lnn）／ R 對(duì)于 AD590， n＝ 8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T成正比，將此電流引至負(fù)載電阻 RL上便可得到與 T 成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號(hào)不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖 3中的電阻 R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到 1μ A／ K的I值。 17 5． 3 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓。由于 AD590 為電流輸出元件，它的溫度每升高 1K，電流就增加 1μ A。當(dāng) AD590 的電流通過(guò)一個(gè) 10kΩ的電阻時(shí)，這個(gè)電阻上的壓降為 10mV，即轉(zhuǎn)換成 10mV／ K，為了使此電阻精確（ 0． 1％），可用一個(gè) 9． 6kΩ的電阻與一個(gè) 1kΩ電位器串聯(lián)，然后通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)獲得精確的 10kΩ。圖 5 所示是一個(gè)電流／電壓和絕對(duì)／攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路，其中運(yùn)算放大器 A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號(hào)的輸入阻抗。而運(yùn)放 A2的作用是把絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫 標(biāo)，給 A2 的同相輸入端輸入一個(gè)恒定的電壓（如1． 235V），然后將此電壓放大到 2． 73V。這樣， A1 與 A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo)。將 AD590 放入 0℃的冰水混合溶液中， A1同相輸入端的電壓應(yīng)為 2． 73V，同樣使 A2的輸出電壓也為 2． 73V，因此 A1 與 A2 兩輸出端之間的電壓： 2． 73－ 2． 73＝ 0V即對(duì)應(yīng)于 0℃。 18 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測(cè)距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì) 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用 。根據(jù)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能： （ 1） 信號(hào)控制 在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、遠(yuǎn)近檔開關(guān)、程控增益放大、檢波及峰值 采樣、門限檢測(cè)的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號(hào)、門控信號(hào)、發(fā)射脈沖信號(hào)、峰值采集信號(hào)、遠(yuǎn)近控制信號(hào)的時(shí)序及輸出。 （ 2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存 儲(chǔ)在 RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。 主程序結(jié)構(gòu) 主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng) 軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完 成的，在此過(guò)程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。如圖 所示為系統(tǒng)的主程序流程。程序首先完成初始化過(guò)程，然后是一個(gè)重復(fù)的控制發(fā)射信號(hào)的過(guò)程，即先調(diào)用近距發(fā)射子程序十遍，再調(diào)用遠(yuǎn)距發(fā)射子程序十遍。而且每次發(fā)射周期