【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （33）即 S=17N/1000=N(cm) （34） 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)發(fā)射電路是為了驅(qū)動(dòng)傳感器探頭內(nèi)的壓電晶片，使之振動(dòng)并發(fā)出超聲波，而且要使發(fā)射出的超聲波有足夠的能量，盡量傳播較遠(yuǎn)的距離，能更好的達(dá)到測(cè)量的目的。當(dāng)畢業(yè)設(shè)計(jì)9施加在探頭上脈沖的頻率與探頭中心頻率一致并且足夠大的能量即可完成探頭的驅(qū)動(dòng)。發(fā)射端所需的一串脈沖可以由單片機(jī)提供。本系統(tǒng)采用的是由單片機(jī)的 40kHz的脈沖波，一路脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)反向器后被送到傳感器的一個(gè)電極。另一路脈沖信號(hào)經(jīng)兩級(jí)反向器后被送到傳感器的另一個(gè)電極。用這種推挽方式將脈沖信號(hào)加到超聲波傳感器兩端，可以提高超聲波信號(hào)的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端通過(guò)采用兩個(gè)反向器的并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)的能力。圖中的上拉電阻有兩個(gè)作用：一方面能夠增強(qiáng)超聲波換能器的阻尼效果，縮短換能器自由振蕩所需的時(shí)間，另一個(gè)方面能夠增強(qiáng)反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，原理圖如圖 。圖 發(fā)射電路原理圖 1實(shí)際中采用的 74HC04是內(nèi)含 6組相同的反相器，電路圖如圖 。畢業(yè)設(shè)計(jì)10圖 發(fā)射電路原理圖 2 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也較小，為此要求將信號(hào)放大。集成電路 CX20226A是一款常用于紅外線的檢波接收專用芯片，其靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，由于紅外遙控常用的頻率為 38 kHz和發(fā)射出的超聲波頻率 40 kHz很接近，所以可以使用它來(lái)制作超聲波的檢波接收電路。圖 接收電路原理圖如圖 ，1 引腳為檢波信號(hào)的輸入端。2 引腳的 RC串聯(lián)電路與地相連，能夠影響前置放大電路的頻率特性和增益。3 引腳連接檢波電容。5 引腳連接電阻與電源相連，用來(lái)設(shè)置中心頻率，阻值越小，中心頻率越大。6 引腳連接積分電容與地相連，電容的大小能夠影響探測(cè)距離。7 引腳為命令輸出端，需接上拉電阻。工作時(shí)，換能器將所接收到的微弱聲波振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)，送給 CX20226A 的輸入端 1，當(dāng) CX20226A 接收到信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、檢波等一系列的處理后，7 腳就會(huì)輸出一個(gè)低電平，可用于單片機(jī)的中斷信號(hào)源。當(dāng)單片機(jī)接收到中斷信號(hào)時(shí)，說(shuō)明檢測(cè)到了反射回來(lái)的超聲波。單片機(jī)就進(jìn)入中斷處理程序，開(kāi)始進(jìn)行距離計(jì)算。 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)由于超聲波也是一種聲波, 其聲速V跟溫度有關(guān),表1列出了幾種不同溫度下的聲速。畢業(yè)設(shè)計(jì)11在使用時(shí),如果溫度的變化不是很大, 則可以近似認(rèn)為超聲波的傳播速度是不變的。在室溫下聲波在大氣中的傳播速度是334 米/秒,但溫度對(duì)聲波傳播速度的影響很大。如果溫度升高1 ℃, 。采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒苁箿y(cè)量的精度提高,聲速與溫度之間的關(guān)系式如下：V = + （35）表一：聲速與溫度關(guān)系表溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100聲速（m/s）313 319 325 332 338 344 349 386本文采用的是 DSl8b20數(shù)字溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度，提供可選擇的二進(jìn)制 12位溫度讀數(shù)來(lái)表示溫度信息。經(jīng)過(guò)單線接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。DSl8B20 的電源甚至可以由數(shù)據(jù)線本身來(lái)提供從而不需要再接外部電源。溫度傳感器 DSl8B20的測(cè)溫范圍從55 攝 氏度到+125 攝氏度，精度為 ?？稍?l s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字量，因此采用DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。電路連接如圖 ：圖 DS18b20 電路圖 LED數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)LED是發(fā)光二極管的縮寫(xiě)。LED 數(shù)碼管里面有 8 只發(fā)光二極管，分別記作 a、b、c、d、e、f、g、dp，其中 dp為小數(shù)點(diǎn)，每一只發(fā)光二極管都有一根電極引到外部引腳上，而另外一只引腳就連接在一起同樣也引到外部引腳上，記作公共端。畢業(yè)設(shè)計(jì)1251系列單片機(jī)的輸出方式為強(qiáng)下拉/弱上拉，高電平輸出電流很小，所以數(shù)碼管會(huì)很暗。一般陰數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)要加到段選的那一段，共陽(yáng)數(shù)碼管要加到位選的那一端。本文選用的 4位共陽(yáng)數(shù)碼管，使用三極管驅(qū)動(dòng)，顯示電路如圖 。圖 顯示電路圖三極管起到電流放大，開(kāi)關(guān)控制的作用（單片機(jī)的 I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限）。當(dāng)三極管工作在飽和狀態(tài)時(shí)，它的作用就是個(gè)開(kāi)關(guān)了；I/O=0 時(shí)導(dǎo)通。深度飽和時(shí)三極管Uce=0V，此時(shí)集電極電流達(dá)到最大。電阻用來(lái)限流，并確定了三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，即工作在深度飽和狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到便于攜帶問(wèn)題，采用 9V電池供電。由于單片機(jī)的工作壓是5V，采用 78L05三端穩(wěn)壓電源調(diào)整器來(lái)穩(wěn)定的輸出 5V電壓，電路如圖 。畢業(yè)設(shè)計(jì)13圖 電源穩(wěn)壓電路圖 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)根據(jù)超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器 T在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波脈沖信號(hào)，超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，被超聲波接收器 R接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：S=Vt/2 （41）其中的 S為被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離，V 為聲速，t 為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。例如 20℃時(shí)的聲速為 344m/s。所以，只要測(cè)出超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中利用DS18b20測(cè)得環(huán)境的溫度值T，再由公式V = + 計(jì)算得到準(zhǔn)確的聲波速度。 主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化后首先啟動(dòng) DS18b20，檢測(cè)當(dāng)時(shí)溫度值，計(jì)算出實(shí)時(shí)的聲速。然后啟動(dòng)定時(shí)器 T1，進(jìn)行 ，在 T1中斷服務(wù)子程序中將會(huì)在 P1^0產(chǎn)生 40KHz的矩形波。在等待超聲波脈沖串發(fā)送后關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T1，同時(shí)打開(kāi)計(jì)時(shí)器 T0對(duì)聲波傳播的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。為了避免聲波直接從發(fā)射端到接收端，需要延遲 ms后再打開(kāi) INT0中斷允許。INT0 中斷允許打開(kāi)后，若 (INT0)引腳有低電平信號(hào)則代表收到了回波信號(hào)，程序?qū)⑦M(jìn)入 INT0中斷服務(wù)子程序，在 INT0中斷服務(wù)子程序中計(jì)數(shù)器 T0將停止計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)器的值，單片機(jī)再調(diào)用距離計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出傳感器到目標(biāo)物體之間的距離，此后主程序調(diào)用顯示子程序進(jìn)行顯示。主程序的流程圖如圖 所示：畢業(yè)設(shè)計(jì)14在系統(tǒng)初使化的過(guò)程中，主要是設(shè)置定時(shí)器，同時(shí)還要打開(kāi)總中斷等。當(dāng) 出脈沖串后，同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波接收到回波信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平給 INT0，之后進(jìn)入中斷處理程序。在主程序中又會(huì)恢復(fù)定時(shí)器的初值等，依此進(jìn)行循環(huán)。畢業(yè)設(shè)計(jì)15開(kāi)始系統(tǒng)初始化溫度檢測(cè)計(jì)算聲速啟動(dòng) T1，產(chǎn)生 40KHz 矩形脈沖串啟動(dòng) T0，開(kāi)始計(jì)時(shí)，開(kāi)放外部中斷回波接收成功，進(jìn)入外部中斷子程序，得出傳播時(shí)間計(jì)算距離顯示距離圖 主程序設(shè)計(jì)流程圖 定時(shí)器T1中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中 40 kHz方波的產(chǎn)生采用軟件方式實(shí)現(xiàn)：控制 的高電平，再輸出 的低電平，這樣得到一個(gè)周期為 40 kHz的脈沖，再循環(huán)發(fā)送 5次。超聲波發(fā)生子程序用定時(shí)器 T1中斷程序產(chǎn)生超聲波。定時(shí)器 T1中斷服務(wù)程序流程圖如圖 ：畢業(yè)設(shè)計(jì)16連續(xù)發(fā)射 5 個(gè) 40kHz 的超聲波計(jì)數(shù)器 T0 清零并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T0，開(kāi)中斷允許 EA延時(shí) 以避免“虛假發(fā)射波 ”開(kāi)外部中斷 INT0返 回定時(shí)器 T1 中斷服務(wù)子程序入口 圖 T1 中斷服務(wù)子程序流程圖主要程序如下：TR1=1。 // 啟動(dòng)定時(shí)器 1，發(fā)送信號(hào) while(cshu10) 。 // 等待脈沖串 發(fā)送完 TR1=0。 // 定時(shí)器用于發(fā)送脈沖，發(fā)完一次后關(guān)閉TR0=1。 // 啟動(dòng)定時(shí)器 0，脈沖串發(fā)完后，開(kāi)始記時(shí) delay(12)。 // 延時(shí)EX0=1。void CTC1_INT ( ) interrupt 3// 中斷一次 ,用于發(fā)射脈沖{VOLCK=~VOLCK。cshu++。}畢業(yè)設(shè)計(jì)17 外部中斷INT0中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)利用外中斷 0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT0引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)數(shù)器 T0停止計(jì)數(shù)。外部中斷 INT0中斷服務(wù)子程序流程圖如圖 ：關(guān)中斷允許停止計(jì)數(shù)器 T0 計(jì)數(shù)，并讀取 T0 計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)調(diào)用距離計(jì)算子函數(shù)返 回外部中斷 INT0 中斷服務(wù)子程序入口 圖 INT0 中斷服務(wù)子程序主要程序如下： void serve_INT0( ) interrupt 0{ EX0=0。 // 關(guān)中斷TR0=0。 // 關(guān)閉定時(shí)器 0 time=(long)TL0。time+=(long)TH0*256。time=time120。Timetojuli()。TH0=0。TL0=0。} DS18b20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)DS18b20測(cè)溫程序總體上包括兩部分：?jiǎn)?dòng)溫度轉(zhuǎn)換和讀取溫度。啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換有三個(gè)步驟：復(fù)位 18B發(fā)出 Skip ROM命令（CCH ）、發(fā)出 Convert T 命令（44H）。讀取溫度包括五個(gè)步驟：復(fù)位 DS18B發(fā)出 Skip ROM命令(CCH)、發(fā)出 Read命令畢業(yè)設(shè)計(jì)18(BEH)、讀兩字節(jié)的溫度溫、度格式轉(zhuǎn)換。DS18b20采用的單總線數(shù)據(jù)傳輸模式，復(fù)位、寫(xiě)數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)都有不同的時(shí)序。從應(yīng)用手冊(cè)上能找出相應(yīng)的時(shí)序。 圖 18b20 復(fù)位時(shí)序單片機(jī) t0時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為 480us的低電平信號(hào))，接著在 tl時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)，DS18B20 在檢測(cè)到總線的上升沿之后，等待 1560us，接著DS18B20在 t2時(shí)刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù) 60240us)，如圖中虛線所示。 換句話說(shuō)如果 t2~t3之間信號(hào)電平如果為低，則說(shuō)明 DS18B20復(fù)位成功；否則失敗。