【文章內(nèi)容簡介】 可構(gòu)成振蕩器，進(jìn)行脈沖整形和小信號的電壓放大等。其中一個非門用來為驅(qū)動器的一側(cè)提供180176。的相移信號，另一側(cè)由相內(nèi)信號驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)使驅(qū)動電壓提高一倍。為提高超聲波探頭的驅(qū)動電壓，采用兩個74LS04并聯(lián)的形式[16]。74LS04是六反向器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖15所示圖15 74LS04內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于超聲波在空氣中傳播，其能量會隨傳輸距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號一般比較弱(接收電壓為mv級)，所以在設(shè)計超聲波接收電路時，要有較大的放大倍數(shù)。為減小環(huán)境噪聲對回波信號的影響，也要考慮選用濾波特性較好的電路，使回波易于檢測[17]。超聲波接收電路使用了集成電路CX20106A。CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路，紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器[18]?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖16)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力CX20106A的內(nèi)電路框圖及信號流向如16圖(a)所示，引腳如16圖（b）所示。 圖16 CX2OIO6的內(nèi)電路框圖及信號流向和引腳其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強(qiáng)時放大器不會過載。其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳5的外接電阻調(diào)節(jié)，不需要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時，使用集成電路也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。本系統(tǒng)所用的接收電路如圖17所示。圖17 超聲波檢測接收電路 顯示電路 單片機(jī)采用89S51 或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。 端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40KHz 方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS245驅(qū)動，位碼用PNP三極管驅(qū)動。單片機(jī)及顯示電路原理圖如圖18所示。圖18 單片機(jī)及顯示電路原理圖74LS245雙向總線發(fā)送器/接收器(3S) 簡要說明: 245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器[19],其封裝如圖19所示。圖19 雙列直插封裝LED顯示器七段LED數(shù)碼顯示器內(nèi)部由七個條形發(fā)光二極管和一個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的極管接線形式，可分為共陰極型和共陽極型。在共陰極接法中，LED數(shù)碼管的g—a七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)如圖20(a)所示。而在共陽極接法中，剛好與共陰極接法向反,LED數(shù)碼管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點[20]。數(shù)碼管管腳原理圖，如圖20（b）、(c)所示。圖20(a) 數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)圖20（b）數(shù)碼管管腳圖（共陰極）圖20（c）數(shù)碼管管腳圖（共陽極） LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。本設(shè)計中采用動態(tài)顯示方式，以實時顯示液位變化。由于LED數(shù)碼管發(fā)光所需平均電流為10—20 mA，單片機(jī)端口線無法直接提供，因此必須外加驅(qū)動器，再與LED引腳相連。驅(qū)動器的選擇與顯示方式有關(guān)，靜態(tài)顯示時只需考慮段的驅(qū)動，動態(tài)顯示時須同時考慮段與位的驅(qū)動。比較簡單的驅(qū)動電路可成由三極管構(gòu)，利用三極管的放大作用驅(qū)動LED顯示。本設(shè)計中正是采用此方法實現(xiàn)驅(qū)動功能。在顯示位數(shù)較多時，直接使用三極管驅(qū)動電路比較復(fù)雜，多采用集成電路驅(qū)動器[21]。本設(shè)計采用電磁式蜂鳴器作為警戒液位報警提示。他與單片機(jī)的連接如圖21所示，單片機(jī)AT89S51的P11口通過PNP型三極管驅(qū)動蜂鳴器。當(dāng)P11輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警聲[22]。圖21 蜂鳴報警器電路合理的布局是布線的前提和根本，在PCB設(shè)計時應(yīng)根據(jù)電路的布局規(guī)則和相關(guān)原理首先對元器件進(jìn)行合理的布局。在實際PCB設(shè)計中，通過分析干擾產(chǎn)生的機(jī)理和可能的干擾途徑，主要采取了以下措施：，合理布局，以減少模塊間的噪聲耦合。，負(fù)載的變化會引起電源干擾，當(dāng)電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲。，以抑制電源線上的電壓波動。模擬地和數(shù)字地只有一個共接點，其接點選在電源輸入處。，走線盡量短，電路板上空余不用的地方都鋪地。若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位會隨電流的變化而變化，使其抗噪性能降低。、控制線要盡量短，以減少對地電容。數(shù)據(jù)線的各線長短、布線方式應(yīng)盡量一致，以免造成各線的阻抗差異過大，使數(shù)據(jù)和地址信號傳輸過程中到達(dá)終端時波形差異過大，同時也避免形成各線上信號的不同步。，易受到干擾而引起誤操作的管腳采用上拉或下拉處理，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)避免誤操作。未用的I/O引腳，如果引腳默認(rèn)為輸入引腳，需要將其上拉或下拉為固定的電平，以降低功耗；如果默認(rèn)狀態(tài)為輸出引腳，則可以懸空不接[23]。 本章小結(jié) 本章基于時差測距原理設(shè)計了89S51 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、LED顯示超聲波液位儀數(shù)據(jù)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計，給出了原理框圖和硬件各部分的功能。4系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件總體設(shè)計 軟件設(shè)計流程圖 單片機(jī)液位儀的軟件功能是控制超聲波的發(fā)射和接收，對超聲波的傳輸時間進(jìn)行測量，結(jié)合超聲波的傳播速度，計算出距離，并把數(shù)字濾波后的結(jié)果顯示出來。要實現(xiàn)上述功能，軟件包含初始化、參數(shù)讀入、超聲波發(fā)射、超聲波傳輸計時、聲速計算、超聲波傳輸距離計算、計算結(jié)果顯示等功能模塊。軟件總體流程圖,如圖22所示。圖22 軟件總體框圖軟件設(shè)計運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。 按照液位測量儀的需要，超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊主要任務(wù)是用單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的脈沖，驅(qū)動超聲波探頭器發(fā)射超聲波，同時采用計數(shù)器計時；當(dāng)超聲波接收器接收到回波信號時停止計時，由此得出超聲波的傳輸時間T,再利用第二章所介紹的公式，可求出待測距離h，由此算出液體的高度[24]。 主程序結(jié)構(gòu)流程圖 主程序是單片機(jī)程序的主體，它負(fù)責(zé)調(diào)用系統(tǒng)的子程序，中斷程序等各個功能轉(zhuǎn)換。如圖所示為系統(tǒng)的主程序流程。程序首先完成初始化過程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都會判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即回波是否到達(dá)。 由于采用了單片機(jī)89S51并考慮整個系統(tǒng)的控制流程，整個系統(tǒng)軟件都由89S51 系列單片機(jī) 匯編語言實現(xiàn)。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。如圖23。 圖23 主程序結(jié)構(gòu)框圖 回波接收流程圖圖24 回波接收結(jié)構(gòu) 中斷程序流程圖中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的40KHz 脈沖信號遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機(jī)。在中斷服務(wù)程序中，要從把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計數(shù)值讀出并保存在RAM 中，再對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后顯示輸出。如圖 25和圖26。 圖25 定時中斷子程序框圖 圖26外部中斷結(jié)構(gòu)框圖 報警系統(tǒng)子程序流程如圖27所示。當(dāng)系統(tǒng)顯示完所測的液位后，單片機(jī)判斷當(dāng)前位置是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值，如果達(dá)到，報警，否則返回。圖27 報警系統(tǒng)子程序流程 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的超聲波流量計的軟件設(shè)計。分析設(shè)計出超聲波流量計的各種程序模塊的設(shè)計流程。5 實驗結(jié)果分析及改進(jìn) 實驗結(jié)果分析為了驗證系統(tǒng)的測量精度，在實驗進(jìn)行了實地測驗。正對光滑硬質(zhì)表面進(jìn)行測量，探頭間的距離為4cm?！?m?！煌瑫r刻在同一點測3個值[26]。表28所示實際距離是卷尺測量得到的。 圖28 超聲測液位儀(a)圖3 超聲波液位儀測距系統(tǒng)測量值與實際值 單位cm實際值27406080120140180200測量值次數(shù)128416182121142182201227426181122141181201328416181122140182202從表3中數(shù)據(jù)可以看出，最大測距誤差不超過2cm,數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，具有一定的可重復(fù)性。但數(shù)據(jù)不能全吻合，主要有以下幾個原因：(1)每次測量時，探頭的位置，方向有微小變動。而且環(huán)境條件不同也會得到不同的結(jié)果。(2)盲區(qū)的出現(xiàn)是因為發(fā)射信號必須有一個上升時間，當(dāng)距離太近時計算機(jī)系統(tǒng)已不能處理迅速返回的反射波信號。遠(yuǎn)距離時，回波信號微弱，混有大量的噪聲，對門限判定造成很大干擾，易產(chǎn)生誤判。(3)由于反射物而引起的偶然誤差，這可能是測量中最大的誤差源。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波并非直線傳播，而是呈喇叭狀擴(kuò)散傳播的。反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于兩探頭的軸線，所以反射回來的波也許是從A點獲得，也許是從B點獲得，測得的結(jié)果必然不想同。在應(yīng)用中往往由于被測物表面材質(zhì)、系統(tǒng)中元器件參數(shù)誤差等因素的影響，所以測距范圍在3m內(nèi)是最好的，而最小測量距離受限于回波干擾，所以最小測距為27cm左右[27]。表3中實驗結(jié)果分析及改進(jìn)主要來自以下幾個方面:(1)回波起伏誤差。由于空氣氣流的起伏、目標(biāo)的形狀和粗糙度不同、傳感器的響應(yīng)特性較差等原因，使得傳感器的回波信號不是一個規(guī)則信號，有較大的不確定性，給觸發(fā)閉值的設(shè)置帶來難度，從而帶來測量誤差[28]。(2)聲速的誤差。一般的超聲測量只考慮了聲速隨溫度的變化情況，而且為了計算方便，把原始公式用一個較為簡單的公式代替。實際上，除溫度外，聲速還與氣壓、濕度、風(fēng)速等有關(guān)，尤其在惡劣的野外環(huán)境下，后面幾種因素的影響不可忽略，此時就有了較大的測量誤差。(3)直達(dá)波的影響。有一部分聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭，這部分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。可以通過軟件算法對直達(dá)波進(jìn)行識別，消除直達(dá)波誤報警情況。芯片一旦判定收到的超聲波信號是聲波衍射返回的信號，則自動忽略該結(jié)果，芯片繼續(xù)等待在該探頭工作周期內(nèi)是否有有效反射波，有則進(jìn)行處理，沒有則轉(zhuǎn)入下一探頭的驅(qū)動[29]。(4)對t的計數(shù)誤差。因為t=N△t，其中，N為計數(shù)器的計時結(jié)果，△t為時基時隙，所以每次測量就有計時誤差，△t由單片機(jī)的計時時鐘決定，主要和單片機(jī)的指令速度有關(guān)。(5)測距系統(tǒng)本身帶來的系統(tǒng)誤差。主要是超聲換能器的反應(yīng)有一定的時間延遲。系統(tǒng)對回波信號的處理需要一定的時間。數(shù)據(jù)處理過程中帶來的誤差，如AI89S51是8位的單片機(jī)，處理精度不高，在數(shù)據(jù)處理過程中如整數(shù)與小數(shù)的相乘就會帶來誤差等，這些誤差都是系統(tǒng)誤差。(6)反射角度誤差。如果系統(tǒng)是用來測量面與點的距離，則被測物、換能器及換能器所在測量參考平面三者之間存在一個幾何角度，即反射波入射到換能器的角度，當(dāng)這個角度不是90度時，系統(tǒng)測量到的距離是障礙物與換能器之間的距離而不是和測量參考平面之間的距離，這就會造成測量誤差。當(dāng)障礙物的距離較小時，這個誤差就會成為近距離時的主要誤差來源。如果超聲測距系統(tǒng)應(yīng)用在要求較高的應(yīng)用中，就要考慮以上所說的種種誤差，想辦法加以克服，最大限度地減小它們的影響[30]。本章主要介紹了系統(tǒng)的實驗結(jié)果分析及改進(jìn)，和實驗誤