【文章內(nèi)容簡介】 端出現(xiàn)一段時(shí)間的高電平，經(jīng)過74LS14的一次反相整形，提供給單片機(jī)復(fù)位端。再經(jīng)過一次反相整形，通過I/ORST端口提供給外部接口電路。外接12M晶振和兩個(gè)20P電容組成系統(tǒng)的時(shí)鐘電路。 超聲波測距模塊電路超聲波測距的作用距離和分辨能力，不僅需要性能良好的傳感器，也需要合理的驅(qū)動(dòng)電路以及回波探測電路。只有這樣才能保證發(fā)射時(shí)的聲功率和波形的重復(fù)性以及接收時(shí)的靈敏性。對(duì)發(fā)射來說，為了要使電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效益最大，最佳的工作點(diǎn)必須取在反共振頻率處，在傳感器系統(tǒng)中，發(fā)射部分的共振頻率要與接收部分的反共振頻率相匹配。驅(qū)動(dòng)電路和回波探測電路的性能對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)有重要的作用。發(fā)射部分： 左右的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，為使測量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)，故在此電路上加功率放大電路。 接收部分：從接收傳感器探頭傳來的超聲回波很微弱(幾十個(gè)mV級(jí))，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。超聲波回波經(jīng)超聲波接收傳感器，電容隔直濾波，一級(jí)放大；由于超聲波回波信號(hào)隨著被測距離的變化，其幅值變化也很大，必須經(jīng)過增益控制，以滿足整形電路的要求。所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二級(jí)增益可調(diào)放大電路，最后回波信號(hào)進(jìn)入比較器LMV331，這樣在比較器的輸出端將得到40KHz的方波進(jìn)入單片機(jī)以產(chǎn)生中斷用于計(jì)時(shí)。一級(jí)放大倍數(shù)為25左右，二級(jí)放大倍數(shù)范圍大約為5～1175。溫度部分測量溫度，對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，來減小溫度變化對(duì)測量距離精度的影響。 發(fā)射電路發(fā)射波形的重復(fù)性：為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波波形良好的重復(fù)性；發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個(gè)振動(dòng)應(yīng)近似為同一頻率的振動(dòng)，以便接收時(shí)采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個(gè)振動(dòng)波峰。通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為：單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測試距離太近；本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。發(fā)射波形電壓及功率：傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失；另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20vpp，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓5V，傳感器發(fā)射信號(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。1. 功率放大電路功率放大電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：（1）要求輸出功率盡可能大為獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。（2）效率 η由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用功率Po與電源供給晶體管功率PE的比值，用η表示。 （5）直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號(hào)功率以外，剩余部分變成晶體管的管耗Pc(Pc=PEPo)。如果放大器的效率較低，不僅使直流電源的供給功率增加，而且使晶體管的管耗增大，使功率管發(fā)熱損壞。所以，對(duì)于功率放大器，提高效率也是一個(gè)重要問題。（3）非線性失真要小功率放大電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，而且同一功放管輸出功率越大，非線性失真往往越嚴(yán)重，這就使輸出功率和非線性失真成為一對(duì)主要矛盾。在工業(yè)控制系統(tǒng)等場合中，則以輸出功率為主要目的，對(duì)線性失真的要求就降為次要問題。（4）BJT的散熱問題在功率放大電路中，有相當(dāng)大的功率消耗在管子的集電結(jié)上，使結(jié)溫和管殼溫度升高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個(gè)重要問題。2. 單電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路雙電源互補(bǔ)推挽電路有時(shí)使用不便，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用單電源供電的互補(bǔ)推挽電路。如圖8所示，當(dāng)有信號(hào)Vi輸入時(shí)，在信號(hào)的負(fù)半周，T1導(dǎo)通，有電流通過負(fù)載RL，同時(shí)向C 充電；在信號(hào)的正半周，T2導(dǎo)通，則己充電的電容C 起著電源Vcc 的作用，通過負(fù)載RL 放電。只要選擇時(shí)間常數(shù)RLC足夠大(比信號(hào)的最長周期還大得多)，就可以認(rèn)為用電容C和一個(gè)電源Vcc可代替原來的+Vcc 和Vcc兩個(gè)電源的作用。采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路，由于每個(gè)管子的工作電壓不是原來的Vcc，而是Vcc/2(輸出電壓最大也只能達(dá)到約Vcc/2)，所有前面導(dǎo)出的計(jì)算公式，只要用Vcc/2 代替其中的Vcc 即可。 圖8 單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路本系統(tǒng)采用CD4096的4個(gè)反向器夠成推挽放大電路。發(fā)射電路圖如圖9所示： 圖9 超聲波發(fā)射電路圖 接收電路的設(shè)計(jì)（1） 溫度測量電路聲波在空氣中傳播時(shí)，空氣的溫度、大氣壓力、濕度等影響超聲波的聲速，其中空氣的溫度對(duì)超聲波聲速影響最大。所以，為了減小誤差，避免因環(huán)境溫度而帶來的偏差，必須對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，并通過計(jì)算消除環(huán)境溫度所引起的偏差。測量環(huán)境溫度時(shí)，直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，可以大大提高系統(tǒng)的抗干擾性。為此，我們采用了DS18B20溫度傳感器芯片檢測環(huán)境溫度。DS18B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板(ONBOARD)專利技術(shù)，可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。它的RMO中存有其芯片的唯一標(biāo)識(shí)碼，即任意兩個(gè)DS18B20的標(biāo)識(shí)碼是不同的。管腳即示意圖10所示：圖10 管腳示意圖引腳說明：GND： 地DQ： 數(shù)據(jù)I/OVDD： 可選VDDNC： 懸空DS18B20具有以下特性：(1) 獨(dú)特的單線接口方式僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊；(2) 在使用中不需要任何外圍元件；(3) 測溫范圍：55℃～+125℃，℃(℃)；(4) 轉(zhuǎn)換溫度時(shí)間小于200ms（典型值）；(5) 測量結(jié)果以9 位數(shù)字量方式串行傳送。內(nèi)部組成：DS18B20 有3 個(gè)主要數(shù)字部件：64位光刻RMO，溫度傳感器，非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器HT 和TL。如圖11所示： 圖11 DS18B20 方框圖工作原理： 圖12 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖12用一個(gè)高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個(gè)門限周期，內(nèi)部計(jì)數(shù)器在這個(gè)門周期內(nèi)對(duì)一個(gè)低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來得到溫度值。計(jì)數(shù)器被預(yù)置到對(duì)應(yīng)于55℃的一個(gè)值。如果計(jì)數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá)0，則溫度寄存器（同樣被預(yù)置到對(duì)應(yīng)于55℃）的置增加，表明所測溫度大于55℃。同時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位到一個(gè)值，這個(gè)值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計(jì)數(shù)器又開始計(jì)數(shù)直到0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過程。斜坡式累加器用來補(bǔ)償感溫振蕩器的非線性，以期在測溫時(shí)獲得比較高的分辨力。這是通過改變計(jì)數(shù)器對(duì)溫度每增加一度所需計(jì)數(shù)的值來實(shí)現(xiàn)的。因此，要想獲得所需的分辯力，必須同時(shí)知道在給定溫度下計(jì)數(shù)器的值和每一度的計(jì)數(shù)值。溫度以16bit帶符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，下表1給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。數(shù)據(jù)通過單線接口以串行方式傳輸。暫存存儲(chǔ)器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是HT、TL 的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟:每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM 指令，這樣才對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待16~60ms 左右，后發(fā)出60~240ms的存在低脈沖，主CPU 收到此信號(hào)表示復(fù)位。用戶可自設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限值TH 和TL(掉電后依然存在)，DS18B20 在完成溫度變換后，所測溫度值將自動(dòng)與貯存在TH和TL內(nèi)的報(bào)警值相比較，如果高于TH 或低于TL，DS18B20內(nèi)部的告警標(biāo)志就會(huì)被置位。DS18B20與單片機(jī)的接口極其簡單，只需將DS18B20的信號(hào)線與單片機(jī)的一位雙向端口相連即可。應(yīng)注意將三