【文章內(nèi)容簡介】 況與運行結(jié)果，以便于現(xiàn)場工作人員的正確操作。常用的顯示器件有顯示記錄儀、發(fā)光二極管顯示器LED、液晶顯示器LCD、大屏幕顯示器和圖形顯示器終端CRT。LED數(shù)碼管由于具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、配置靈活、顯示清晰、可靠性高等優(yōu)點，目前已被微型計算機控制系統(tǒng)及智能化儀表廣泛采用。LED（發(fā)光二極管Light Emitting Diode的英文縮寫）是利用PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，根據(jù)制造材料的不同可以發(fā)出紅、黃、綠、白等不同色彩的可見光來。LED的伏安特性類似于普通二極管，正向壓降約為2伏左右，工作電流一般在10 20 mA之間較為合適。LED顯示器有多種結(jié)構(gòu)形式，單段的圓形或方形LED常用來顯示設(shè)備的運行狀態(tài)，8段LED可以顯示各種數(shù)字和字符，所以也稱為LED數(shù)碼管，其外形如下圖所示。8段LED在控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，其接口電路也具有普遍借鑒性。因此，我們介紹8段LED數(shù)碼管顯示器。在計算機控制系統(tǒng)中，常利用n個LED顯示器構(gòu)成n位顯示。通常把點亮LED某一段的控制稱為段選，而把點亮LED某一位的控制稱為位選或片選。根據(jù)LED顯示器的段選線、位選線與控制端口的連接方式不同，LED顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式，本次課程設(shè)計中，我們采用了動態(tài)顯示這種方式，下面4位共陰極LED為例，說明動態(tài)顯示3456數(shù)字的工作過程. LED動態(tài)顯示方式首先由I/O口（1）送出數(shù)字3的段選碼4FH即數(shù)據(jù)01001111到4個LED共同的段選線上，接著由I/O口（2）送出位選碼0111到位選線上，其中數(shù)據(jù)的高4位為無效的，唯有送入左邊第一個LED的COM端D3為低電平“0”，因此只有該LED的發(fā)光管因陽極接受到高電平“1”的g、d、c、b、a段有電流流過而被點亮，也就是顯示出數(shù)字3，而其余3個LED因其COM端均為高電平“1”而無法點亮；顯示一定時間后，再由I/O口（1）送出數(shù)字4的段選碼66H即 01100110到段選線上，接著由I/O口（2）送出點亮左邊第二個LED的位選碼1011到位選線上，此時只有該LED的發(fā)光管因陽極接受到高電平“1”的g、f、c、b段有電流流過因而被點亮，也就是顯示出數(shù)字4，而其余3位LED不亮；如此再依次送出第三個LED、第四個LED的段選與位選的掃描代碼，就能一一分別點亮各個LED，使4個LED從左至右依次顯示6。 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖22所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。圖22 超聲波發(fā)射驅(qū)動電路原理 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲波檢測接收電路集成高速運算放大電路TL082是一款性能優(yōu)良的芯片，運用它對所接收到的微弱信號進行放大，使信號幅值達(dá)到后面的檢波電路所要求的最低幅值。本接收電路靈敏度高，所需要元器件少，電路連接簡單，成本低，很適合大批量生產(chǎn)。電路原理圖如下：圖23 超聲波檢測接收電路目前,溫度測量方法很多，溫度傳感器也非常普遍。實驗采用DS18B20芯片的“一線式”溫度傳感器。該傳感器只需占用微處理器的一個普通端口，并且多個傳感器可以并聯(lián)在一起使用,適用于多點溫度檢測系統(tǒng),節(jié)約了大量系統(tǒng)資源。 美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 一線總線接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ONBOARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活?？梢猿浞职l(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點。目前DS18B20批量采購價格僅10元左右。 DS18B20的外形及管腳排列如下圖 ： DS18B20引腳定義： (1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；(2)GND為電源地； (3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。DS1820具有以下特性：（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：～，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（3）DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。（5）測溫范圍－55℃～＋125℃，在10～+85℃時精度為177?！妫?）可編程的分辨率為9～12位，℃、℃、℃℃，可實現(xiàn)高精度測溫。（7），12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。（8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力（9）負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用AT89C52，經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有8K的ROM，便于編程。電路原理圖如圖24所示。 圖24 超聲波測距電路原理圖3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計超聲波測距器的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波程序發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。由于C語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精確計算程序運行的時間，而超聲波測距器的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精確計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。下面對超聲波測距器的算法。 超聲波測距儀的算法設(shè)計 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：d=s/2=(vt)/2 其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。 主程序算法設(shè)計 主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器工作模式為16位定時、計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對顯示端口P0和P2清0；然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，接收返回的超聲波信號。由于采用12MHZ晶振，計數(shù)器每記一個數(shù)就是1us，計算當(dāng)20℃時的超聲波傳輸速度v=344m/s,則：d=(vt)/2=344t/2=(172T0/106)m=(172T0 /10000)cm，其中T0為中斷T0的計數(shù)值。測出距離后，然后再發(fā)出超聲波脈沖重復(fù)測量。開始系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波計算距離顯示結(jié)果 圖 32 主程序流程圖 （頻率約40KHZ的方波），脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行時間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言程序編程。 超聲波測距主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回的超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入超聲波接收中斷程序。進入該中斷后，就立即關(guān)閉計時器T0，停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦1。 如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2，表示本次測距不成功。 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器TCT4010F1（T發(fā)射）和TCT4010S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，～，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。軟件的調(diào)試程序見附錄三總 結(jié)此次課程設(shè)計不但做出實物，且對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計