【文章內(nèi)容簡介】 ，以便單片機(jī)更好的檢測回波信號。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(shè)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(shè)計(jì)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(gòu)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(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)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(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)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(jī)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(shí),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?dú)鎖存的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(kuò)展并行的I／O口。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機(jī)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(yīng)的數(shù)字。在顯示電路的設(shè)計(jì)上，利用單片機(jī)的P0～P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費(fèi)管腳資源，但是對單片機(jī)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(dòng)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(shè)計(jì)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來驅(qū)動(dòng)，所以我制作了一個(gè)穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來設(shè)計(jì)。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(jìn)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(fù)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(jī)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(gè)完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。這種在時(shí)域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標(biāo)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(gè)目標(biāo)，其回波EchoH先到達(dá)CPU，因此，對于較近的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測。當(dāng)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，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(yuǎn)時(shí)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(shí)序圖 t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開始時(shí)間，tt3為高、低超聲波回波到達(dá)的時(shí)間，所測得的距離分別為：D1=c(t2t0)/2 (41) D2=c(t3t1)/2 (42) 經(jīng)試驗(yàn)可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可達(dá)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(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)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?dāng)_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(shí)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(shí)，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(kuò)散衰減:超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴(kuò)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(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （2）散射衰減:當(dāng)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(shí)，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(fù)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(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)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(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)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(jī)械振動(dòng)或沖擊會對傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。光線對測量裝置中的半導(dǎo)體器件會產(chǎn)生干擾。溫度的變化會導(dǎo)致電路參數(shù)的變動(dòng)，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(dòng)、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(yīng)和靜電感應(yīng)干擾主要由發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、大功率繼電器、電臺等的感應(yīng)引起，其強(qiáng)度遠(yuǎn)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(jī)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(guān)機(jī)時(shí)都會給電網(wǎng)帶來強(qiáng)度不一的電壓跳變。這種跳變的持續(xù)時(shí)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(shí)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(shí)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(jī))在開關(guān)機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢。供電電壓跳變時(shí)間的持續(xù)時(shí)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(dú)立功能塊單獨(dú)供電。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，有意識地把各種不同功能塊的電路單獨(dú)設(shè)置供電系統(tǒng)電源。接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)測量裝置中的地線是所有電路公共的零電平參考點(diǎn)。理論上，地線上所有的位置的電平應(yīng)該相同。然而，由于各個(gè)地點(diǎn)之間必須用具有一定電阻的導(dǎo)線連接，一量有地電流流過時(shí)，就有可能使各個(gè)地點(diǎn)的電位產(chǎn)生差異。同時(shí)，地線是所有信號的公共點(diǎn)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(rèn)真設(shè)計(jì)地線和接地點(diǎn)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(guān)系。V = 331．4 + 0．607T 　　式中，T為實(shí)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(guān)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(bǔ)償功能。這里采用的主要元器件是是美國Dallas半導(dǎo)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(diǎn)。，就可以實(shí)現(xiàn)溫度測量，如圖53 圖419 溫度測量芯片5 軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。 程序完成的功能本次設(shè)計(jì)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(shí)間到距離的換算（5）距離的顯示（6）對距離進(jìn)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(xué)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(diǎn)進(jìn)行比較。匯編語言是一種面向機(jī)器的低級的程序設(shè)計(jì)語言。它直接利用機(jī)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(jī)器語言程序的指令一一對應(yīng)的。匯編語言由于是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，與具體的計(jì)算機(jī)硬件有著密切的關(guān)系，因此，可移植性差。但由于匯編指令與機(jī)器語言指令一一對應(yīng)，即一條匯編語言的可執(zhí)行指令對應(yīng)著一條機(jī)器語言指令，反之亦然。因此，匯編語言可直接利用機(jī)器硬件系統(tǒng)的許多特性，如寄存器、標(biāo)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(diǎn)。匯編語言的缺點(diǎn)是程序的通用性和可移植性差；程序比較繁瑣，調(diào)試?yán)щy；目標(biāo)程序比較龐大，運(yùn)行速度慢。C語言是一種編譯型的程序設(shè)計(jì)語言，它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)，運(yùn)算速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)語言，支持支持由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。C語言的模塊化程序結(jié)構(gòu)可以使程序模塊實(shí)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(yàn)，提高程序的開發(fā)水平。C語言應(yīng)用于單片機(jī)編程出了上述特點(diǎn)外，還有以下突出特點(diǎn)：編譯器可以自動(dòng)完成變量存儲單元的分配，省去了分配和紀(jì)錄存儲單元的繁瑣；不必對單片機(jī)和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，省去了單片機(jī)漫長的學(xué)習(xí)時(shí)間；具有良好的可移植性，只要將程序略加改動(dòng)就可以將其應(yīng)用與其他類型的單片機(jī)，省去了更改單片機(jī)型號時(shí)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(biāo)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(jìn)、擴(kuò)充、研制規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。C語言的缺點(diǎn)是生成目標(biāo)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(diǎn)的單片機(jī)仿真器已能很好的進(jìn)行C語言程序調(diào)試，為使用C語言進(jìn)行單片機(jī)編程提供了便利條件。因此，利用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為單片機(jī)開發(fā)、應(yīng)用的必然趨勢。綜合以上對兩種編程語言特點(diǎn)的比較，并考慮到單片機(jī)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(shí)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的不便。再加上本人對C語言程序更加熟悉一點(diǎn)，所以最終決定使用C語言為本次設(shè)計(jì)的編程語言。 主要部分程序流程圖 如圖51所示 實(shí)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(fù)位18b20芯片 tu=0。 //先置位溫度正負(fù)標(biāo)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(gè)字 reset()。 //讀完兩個(gè)字節(jié)后復(fù)位 write(0xCC)。 // 跳過多傳感器識別skio rom write(0x44)。 // 發(fā)啟動(dòng)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