【文章內(nèi)容簡介】 ，以便單片機更好的檢測回波信號。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60 kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成。圖413超聲波回波信號整形電路 圖414 40KHz超聲波接收電路 顯示電路設計在單片機應用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I／O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時,再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡單與便利?？梢蕴峁﹩为氭i存的I／O接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴展并行的I／O口。需要幾個數(shù)碼管就擴展幾個并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機通過串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應的數(shù)字。在顯示電路的設計上，利用單片機的P0～P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費管腳資源，但是對單片機的理論知識要求相對比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陽極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到低電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動電路的原理圖見圖415。圖415 數(shù)碼管顯示電路 穩(wěn)壓電源設計因為本次設計的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來驅(qū)動，所以我制作了一個穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來設計。通過變壓器的直流電通過由二極管組成的橋式整流電路進入三端穩(wěn)壓元件，CW7812和CW7805分別為電路提供穩(wěn)定的12V和5V直流電源。極性電容起濾波電容的作用，非極性電容則可以改善負載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。如圖416所示：圖416穩(wěn)壓電源 圖417 單片機電路 提高測距的范圍由于空氣對超聲波的吸收與超聲波頻率成正比，因此用來測距的超聲波的頻率不能很高。另一方面，頻率越低，波長越長，測量的絕對誤差就越大。所以，40Kz的超聲波單頻測距的范圍只有5～6米，無法滿足我們的要求。為了解決測量范圍和測量精度之間的矛盾，我們采用雙頻測距的方法。其測距原理是：控制器現(xiàn)發(fā)出一串頻率為fH的超聲波，串長度可以有10～16個完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。這種在時域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標反射后，形成回波，回波經(jīng)由接收器形成回波脈沖EchoH和EchoL。由于高頻聲波先發(fā)出，對于同一個目標，其回波EchoH先到達CPU，因此，對于較近的目標，首先用高頻超聲波探測。當目標較遠時，高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，接收器接收到的回波中只有低頻超聲波EchoL。由于該裝置在距離較遠時對精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測。如圖417所示：圖417 雙頻超聲波測距工作時序圖 t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開始時間，tt3為高、低超聲波回波到達的時間，所測得的距離分別為：D1=c(t2t0)/2 (41) D2=c(t3t1)/2 (42) 經(jīng)試驗可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可達到25m。 發(fā)射探頭和接收探頭間的影響 超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔是由控制器內(nèi)部的定時器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串擾問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到虛假反射波結(jié)束的時間段里的信號。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm左右的“盲區(qū)”。 超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有： （1）擴散衰減:超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （2）散射衰減:當聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋? （3）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時，由于介質(zhì)的熱傳導，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴重。另一種是理論上定量計算的表示方法，即用衰減系數(shù)來表示聲波的衰減。 系統(tǒng)干擾因素測量裝置的干擾來自多方面。機械振動或沖擊會對傳感器產(chǎn)生嚴重的干擾。光線對測量裝置中的半導體器件會產(chǎn)生干擾。溫度的變化會導致電路參數(shù)的變動，產(chǎn)生干擾:以及電磁干擾等等。干擾竄入測量裝置有三條主要途徑，如圖418： 圖418 產(chǎn)生誤差的途徑（1）電磁干擾干擾以電磁波輻射的方式經(jīng)空間竄入測量裝置。信道干擾。信號在傳播過程中，通道中各元器件產(chǎn)生的噪聲或非線性畸變所造成的干擾。（2）電源干擾這是由于電源波動、市電電網(wǎng)干擾信號的竄入以及裝置供電電源電內(nèi)阻引起各單元電路相互禍合造成的干擾。一般情況下，電磁感應和靜電感應干擾主要由發(fā)電機、電動機、大功率繼電器、電臺等的感應引起，其強度遠小于電源接地系統(tǒng)和U0系統(tǒng)的干擾，這種干擾可采用良好的屏蔽與正確的接地、高頻濾波加以抑制。因此，在微機系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)與v0通道的干擾是問題的主要方面。（3）供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾由于供電電網(wǎng)面對各種用戶，電網(wǎng)上并聯(lián)著各種各樣的用電器。用電器在開關機時都會給電網(wǎng)帶來強度不一的電壓跳變。這種跳變的持續(xù)時間很短，人們稱之為尖峰電壓。它會影響測量裝置的正常工作。（4）電網(wǎng)電源噪聲把供電電壓跳變的持續(xù)時間At ls者稱為過壓和欠壓噪聲。供電電網(wǎng)內(nèi)阻過大或網(wǎng)內(nèi)用電器過多會造欠壓器聲。供電電壓跳變的持續(xù)時間lmsAtls ，稱為浪涌和下陷噪聲。它主要產(chǎn)生于感性用電器(如電機)在開關機時所產(chǎn)生的感應電動勢。供電電壓跳變時間的持續(xù)時間At lm s的被稱為尖峰噪聲。（5）供電系統(tǒng)的抗干擾供電系統(tǒng)常采用下列幾種抗干擾措施:① 交流穩(wěn)壓器。它可消除過壓、欠壓所造的影響，保證供電的穩(wěn)定。② 隔離穩(wěn)壓器。由于浪涌和尖峰噪聲主要成份是高頻分量，它們不通過變壓器級線圈之間的互感禍合，而是通過線圈寄生電容禍合。隔離穩(wěn)壓器初次級間用屏蔽層隔離，減少級間禍合電容，從而減少高頻噪聲的竄入。③ 低通濾波器。它可濾去大于50Hz市電基波的高頻干擾。對于50HZ市電基波 ， 則通過整流濾波后也能夠完全濾除。④ 獨立功能塊單獨供電。在電路設計時，有意識地把各種不同功能塊的電路單獨設置供電系統(tǒng)電源。接地系統(tǒng)的設計測量裝置中的地線是所有電路公共的零電平參考點。理論上，地線上所有的位置的電平應該相同。然而，由于各個地點之間必須用具有一定電阻的導線連接，一量有地電流流過時，就有可能使各個地點的電位產(chǎn)生差異。同時，地線是所有信號的公共點所有信號電流都要經(jīng)過地線。這就可能產(chǎn)生公共地電阻的禍合干擾。所以，認真設計地線和接地點對于系統(tǒng)的穩(wěn)定是十分重要的。 溫度對超聲波測距的影響在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。下面公式是超聲波傳播速度與空氣溫度的關系。V = 331．4 + 0．607T 　　式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。 表 41 超聲波波速與溫度的關系表溫度（℃）3020100102030100聲速（m／s）313319325323338344349386由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補償功能。這里采用的主要元器件是是美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。，就可以實現(xiàn)溫度測量，如圖53 圖419 溫度測量芯片5 軟件設計本設計的軟件設計部分十分的重要，距離的換算與顯示，就連部分硬件電路不能完成的濾波也要靠程序來完成。而且程序的設計也是本設計的難點。 程序完成的功能本次設計的程序需要完成的功能有：（1）超聲波的發(fā)射和接受控制（2）消除余振（3）對回波信號的檢測（4）測距時間到距離的換算（5）距離的顯示（6）對距離進行判斷 編程語言的選擇在編程語言的選擇上，我主要考慮使用我所學過的匯編語言和C語言。下面將對匯編語言與C語言的特點進行比較。匯編語言是一種面向機器的低級的程序設計語言。它直接利用機器提供的指令系統(tǒng)編寫程序，該類程序的可執(zhí)行指令是與機器語言程序的指令一一對應的。匯編語言由于是面向機器的程序設計語言，與具體的計算機硬件有著密切的關系，因此，可移植性差。但由于匯編指令與機器語言指令一一對應，即一條匯編語言的可執(zhí)行指令對應著一條機器語言指令，反之亦然。因此，匯編語言可直接利用機器硬件系統(tǒng)的許多特性，如寄存器、標志位以及一些特殊指令等，具有執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存少等優(yōu)點。匯編語言的缺點是程序的通用性和可移植性差；程序比較繁瑣，調(diào)試困難；目標程序比較龐大，運行速度慢。C語言是一種編譯型的程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)，運算速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構化設計語言，支持支持由頂向下結(jié)構化程序設計技術。C語言的模塊化程序結(jié)構可以使程序模塊實現(xiàn)共享。在C語言的可讀性方面更容易借鑒前人的開發(fā)經(jīng)驗，提高程序的開發(fā)水平。C語言應用于單片機編程出了上述特點外，還有以下突出特點：編譯器可以自動完成變量存儲單元的分配，省去了分配和紀錄存儲單元的繁瑣；不必對單片機和硬件接口的結(jié)構有很深入的了解，省去了單片機漫長的學習時間；具有良好的可移植性，只要將程序略加改動就可以將其應用與其他類型的單片機，省去了更改單片機型號時重新編寫程序的無奈。因此利用C語言編寫程序可以大大縮短目標系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期，程序的可讀性明顯增加，便于改進、擴充、研制規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。C語言的缺點是生成目標代碼比較大，但隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，片內(nèi)ROM的空間做到16/32 KB的已經(jīng)很多，所以代碼較大已經(jīng)不是重要的問題了。目前，支持硬斷點的單片機仿真器已能很好的進行C語言程序調(diào)試，為使用C語言進行單片機編程提供了便利條件。因此，利用C語言進行程序設計已成為單片機開發(fā)、應用的必然趨勢。綜合以上對兩種編程語言特點的比較，并考慮到單片機之間采用串行數(shù)據(jù)傳送，采用C語言編寫的話又可以簡化許多使用匯編語言時進行浮點運算的不便。再加上本人對C語言程序更加熟悉一點，所以最終決定使用C語言為本次設計的編程語言。 主要部分程序流程圖 如圖51所示 實現(xiàn)重要功能的程序的分析uint Read_Temperature(void) //讀取溫度,返回整數(shù)值{ uint c。 reset()。 //復位18b20芯片 tu=0。 //先置位溫度正負標示為正if(r) { write(0xCC)。 // 跳過多傳感器識別skio rom write(0xBE)。 //發(fā)讀內(nèi)部9字節(jié)內(nèi)容指令 c=read()。 //讀兩個字 reset()。 //讀完兩個字節(jié)后復位 write(0xCC)。 // 跳過多傳感器識別skio rom write(0x44)。 // 發(fā)啟動溫度變換指令 圖51 程序流程框圖 if(c0x1000){c=c+1。tu=1。} //若溫度小于0,tu=1 c=4。 //去掉低四位即為整數(shù)溫度值，無需* return c。 }else{r