【文章內(nèi)容簡介】 算出的速度算出發(fā)射到接收的距離如圖49所示：圖48 40KHz超聲波接收電路圖49 40KHz超聲波接收電路圖49所示電路為雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機電路，由VTVT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當VT4每導通一次（發(fā)射機工作一次），觸發(fā)信號經(jīng)CC8向雙穩(wěn)電路送進一個觸發(fā)脈沖，VTVT6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當VT6從截止狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導通狀態(tài)時，VD5截止，VT7截止，繼電器K釋放； 當再來一個觸發(fā)信號時，VT6由導通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範顟B(tài)，VD5導通，VT7導通，繼電器K吸合......由于增加了雙穩(wěn)電路，使之用于電燈、電扇、電視等電器遙控成為現(xiàn)實。調(diào)試時，在a點與+16V（電源）之間用導線快速短路一下后松開，繼電器應吸合（或釋放），再短路一下松開，繼電器應釋放（或吸合），如果繼電器無反應，請檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。再加上設計中所選用的超聲波探頭里已經(jīng)集成了上述超聲波接收電路，一般情況下一次即可成功。為了測量結(jié)果的準確性，對于超聲波探頭接收到的信號同樣需要進行處理。探頭收到的回波信號經(jīng)OUT口回到電路中，經(jīng)過電容C10耦合，只保留測距需要的交流信號。電路中加入二極管D1同樣是因為上面提到的探頭的感性。由于感性的存在，在停止發(fā)送超聲波的那一刻，OUT口會出現(xiàn)一個反向電動勢，即電位低于地電位。這樣，如果沒有二極管保護，這個反向電動勢將會全部加在三極管Q4的be結(jié)上，如果探頭的感性比較強，其反向電動勢足以將be結(jié)擊穿。二極管D1提供了一個電流的瀉放電路，也可以說是將反向電動勢降到最小（），保護三極管及其他電路。電容C9對經(jīng)過三極管的信號進一步整形，去掉信號波形中的毛刺，使波形更好。電阻R5起一個上拉電阻的作用，因為回波信號經(jīng)過濾波后很可能會衰減的很嚴重，所以利用R5將其幅度上拉到5V，以便單片機更好的檢測回波信號。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，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。故本次設計用它來做接收電路。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410超聲波回波信號整形電路圖411 40KHz超聲波接收電路 顯示電路設計在單片機應用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的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,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﹩为氭i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，擴展并行的I／O口。需要幾個數(shù)碼管就擴展幾個并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機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的數(shù)字。在顯示電路的設計上，利用單片機的P0～P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費管腳資源，但是對單片機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)動電路的原理圖見圖412。圖412 數(shù)碼管顯示電路 穩(wěn)壓電源設計因為本次設計的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來驅(qū)動，所以我制作了一個穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來設計。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載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。如圖413所示：圖413穩(wěn)壓電源圖414 單片機電路 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個完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。這種在時域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標反射后，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，對于同一個目標，其回波EchoH先到達CPU，因此，對于較近的目標，首先用高頻超聲波探測。當目標較遠時，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時對精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測。如圖414所示：圖415 雙頻超聲波測距工作時序圖 t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開始時間，tt3為高、低超聲波回波到達的時間，所測得的距離分別為：D1=c(t2t0)/2 (41) D2=c(t3t1)/2 (42) 經(jīng)試驗可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可達到25m。 發(fā)射探頭和接收探頭間的影響 超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔是由控制器內(nèi)部的定時器來完成的。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擾問題。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)”。 系統(tǒng)干擾因素測量裝置的干擾來自多方面。機械振動或沖擊會對傳感器產(chǎn)生嚴重的干擾。光線對測量裝置中的半導體器件會產(chǎn)生干擾。溫度的變化會導致電路參數(shù)的變動，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416：（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、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，電磁感應和靜電感應干擾主要由發(fā)電機、電動機、大功率繼電器、電臺等的感應引起，其強度遠小于電源接地系統(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，在微機系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)與v0通道的干擾是問題的主要方面。 圖416 產(chǎn)生誤差的途徑（3）供電系統(tǒng)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)機時都會給電網(wǎng)帶來強度不一的電壓跳變。這種跳變的持續(xù)時間很短，人們稱之為尖峰電壓。它會影響測量裝置的正常工作。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 獨立功能塊單獨供電。在電路設計時，有意識地把各種不同功能塊的電路單獨設置供電系統(tǒng)電源。 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，采用了溫度補償功能。這里采用的主要元器件是是美國Dallas半導體公司生產(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。，就可以實現(xiàn)溫度測量，如圖417. 圖417 溫度測量芯片5 軟件設計 本設計的軟件設計部分十分的重要，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，而且程序的設計也是本設計的難點。 程序完成的功能 （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）測距時間到距離的換算（5）距離的顯示（6）對距離進行判斷 主要部分程序流程圖 圖51 程序流程框圖 實現(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()。 //復位18b20芯片 tu=0。 //先置位溫度正負標示為正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()。 //讀兩個字 reset()。 //讀完兩個字節(jié)后復位 write(0xCC)。 // 跳過多傳感器識別skio rom write(0x44)。 // 發(fā)啟動溫度變換指令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{return r。 } //返回0XFF表示未檢測到18B20芯片} int C_speed(void) //根據(jù)溫度查算聲速值{ uchar y。 y=Read_Temperature()。 //采溫度 if(r){ //若溫度有變化則按溫度值取聲速 { T_C=y。 //溫度值＝變化后的溫度值 if(tu==0)speed=332+T_C*。 //溫度為正則+聲速 else speed=332T_C*。 //溫度為負則聲速 } }else speed=。 //若1820不存在即無法讀取溫度，聲