【文章內(nèi)容簡介】 遠離回波信號頻率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機的內(nèi)部噪聲決定，其功率譜寬度遠大于接收機的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識，輸入為已知信號加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大 。匹配濾波器具有以下特點： (1) 輸出最大信噪比與信號波形無關(guān) (2) 匹配濾波器對信號的幅度和時延具有適應(yīng)性，即對只有幅度和出現(xiàn)時間不同 的信號，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。 實際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個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，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為第一級的 反饋電阻 。 因為多諧振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉 。 經(jīng)過 2極放大后，通過電容耦合，信號與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平，提供給單片機產(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方波的具有一定時間間隔的矩形波脈沖號 ,其發(fā)射 與 接收脈沖工作時序圖如圖 : 由單片機 AT89S51的 H橋電路的使能端 EN，送出 40KHz的超聲波脈沖信號，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，即在一個調(diào) 制脈沖內(nèi)包含 5到 8個 40KHz的方波 .脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離 . 若在有效測距范圍內(nèi)有被測物體，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，否則認為前方無被測物 體 . 因 此，按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間 . 圖 發(fā)射 與 接收脈沖工作時序圖 15 5 測溫芯 AD590 5． 1 AD590 簡介 （ 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)用于自動化和過程檢測控制系統(tǒng)。溫度傳感器的種類很多，根據(jù)現(xiàn)場使用條件，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測量的準確可靠，并同時達到增加使用壽命和降低成本的目的。 AD590 溫度傳感器不但實現(xiàn)了溫度轉(zhuǎn)換為線性化電量測量，而且精確度高、互換性好、應(yīng)用簡單方便，因此，可把輸出的電信號經(jīng) AD 卡轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號，由計算機采集 Vit的數(shù)據(jù)，以發(fā)揮其實時和準確的特點。把 AD590用于改進一部分物理實驗，如空氣比熱容比的測量、金屬比熱容的測量及液氮汽化熱的測量等，都取得了良好的效果?？傊c水銀溫度計、銅 康熱電偶溫度計及半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計相比， AD590 具有線性好、測溫不需參考點及消除電源波動等優(yōu)點，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 和通過發(fā)射極電流 I 的下述關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測： 式中， K— 波爾茲常數(shù)； q— 電子電荷絕對值。 （ 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，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℃ 時輸出為 0，溫度 25℃ 時輸出。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，通過對電流的測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 在被測溫度一定時， AD590 相當(dāng)于一個恒流源，把它和 5～ 30V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個 1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 1mV／ K的電壓信號。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，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3實質(zhì)上是由 n個晶體管并聯(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，因而在基準溫度下可得到 1μ A／ K的I值。 17 5． 3 測溫電路的設(shè)計 在設(shè)計測溫電路時，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 的電流通過一個 10kΩ的電阻時，這個電阻上的壓降為 10mV，即轉(zhuǎn)換成 10mV／ K，為了使此電阻精確（ 0． 1％），可用一個 9． 6kΩ的電阻與一個 1kΩ電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得精確的 10kΩ。圖 5 所示是一個電流／電壓和絕對／攝氏溫標的轉(zhuǎn)換電路，其中運算放大器 A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放 A2的作用是把絕對溫標轉(zhuǎn)換成攝氏溫 標，給 A2 的同相輸入端輸入一個恒定的電壓（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。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即對應(yīng)于 0℃。 18 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能主要是針對 系統(tǒng)功能的實現(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)計和所完成功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能： （ 1） 信號控制 在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、遠近檔開關(guān)、程控增益放大、檢波及峰值 采樣、門限檢測的設(shè)計。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號、門控信號、發(fā)射脈沖信號、峰值采集信號、遠近控制信號的時序及輸出。 （ 2） 數(shù)據(jù)存儲 為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數(shù)器的計數(shù)值，然后存 儲在 RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。 主程序結(jié)構(gòu) 主程序是單片機程序的主體，整個單片機端系統(tǒng) 軟件的功能的實現(xiàn)都是在其中完 成的，在此過程中主程序調(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程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號的過程，即先調(diào)用近距發(fā)射子程序十遍，再調(diào)用遠距發(fā)射子程序十遍。而且每次發(fā)射周期