【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 on Remended Standard，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)推薦標(biāo)準(zhǔn)），實(shí)際上是串行通信接口的一種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。它采用DB－25連接器或DB－9連接器，其中每一插針的信號(hào)功能都是標(biāo)準(zhǔn)的，對(duì)于各種信號(hào)的電平規(guī)范也是標(biāo)準(zhǔn)的，因而便于各種數(shù)字設(shè)備之間的兼容和互相連接。DB－9引腳如表3。表3 DB－9引腳說(shuō)明DB9腳位信號(hào)名稱方向含義3TXD輸出數(shù)據(jù)發(fā)送端2RXD輸入數(shù)據(jù)接收端5GND信號(hào)地其中，只有TXD，RXD是數(shù)據(jù)通信信號(hào)，其余基本是實(shí)現(xiàn)控制目的的握手信號(hào)或互鎖信號(hào)。對(duì)于各種信號(hào)電平規(guī)定如下：數(shù)據(jù)信號(hào)邏輯1=－3 到 －25V（一般常用－12V）；數(shù)據(jù)信號(hào)邏輯0=＋3 到 ＋25V（一般常用＋12V）；控制信號(hào)ON=－3 到 －25V（一般常用－12V）；控制信號(hào)OFF=＋3 到 ＋25V（一般常用＋12V）。大多數(shù)的電腦設(shè)備都具有RS－232C接口，它緊需要3根線（TXD，RXD和SG）便可以在兩個(gè)數(shù)字設(shè)備之間進(jìn)行全雙工的傳送數(shù)據(jù)。其他的握手信號(hào)可以做適當(dāng)?shù)奶幚砘蛑苯討铱铡Ｔ趩纹瑱C(jī)通信中經(jīng)常采用的就是這種最簡(jiǎn)單的連接方式。模擬通信的主要特征就是信號(hào)幅度的取值是連續(xù)的，也是無(wú)限的；而數(shù)字通信的主要特征則是信號(hào)幅度的取值是離散的，也是有限的。數(shù)字信號(hào)的每一位編碼（也叫碼元）可以是任意進(jìn)制的，不過(guò)，以二進(jìn)制常見(jiàn)，其每個(gè)碼元只有兩種編碼狀態(tài)“0”和“1”，信號(hào)幅度也只有0V和3V兩種。在數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)中，衡量傳輸速率的指標(biāo)一般有兩個(gè)：信息傳輸速率和符號(hào)傳輸速率。（1） 信息傳輸速率信息傳輸速率（通常記作R）指的是，每秒傳送的位數(shù)，單位是位/秒（bit/s）。信道或線路上傳輸速率通常是以每秒所傳送的信息量多少來(lái)衡量的。信息論中定義信源發(fā)生信息量的度量單位是位（bit）。一個(gè)二進(jìn)制碼元所包含的信息量是一位，所以信息傳輸速率的單位是位/秒（bit/s）。（2） 符號(hào)傳輸速率符號(hào)傳輸速率（通常記作N）指的是，單位時(shí)間內(nèi)傳送的符號(hào)（即碼元）個(gè)數(shù)，單位是波特（baud）。也就是俗稱的“波特率”的概念。這里的碼元可以是二進(jìn)制的，也可以是多進(jìn)制的。在二進(jìn)制通信系統(tǒng)中，符號(hào)傳輸速率N就等于信息傳輸速率R；而對(duì)于多進(jìn)制通信系統(tǒng)，兩者不等。信息傳輸速率R和符號(hào)傳輸速率N的關(guān)系是： （6）其中，M為符號(hào)編碼的進(jìn)制。三、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)要求及方案確定（一）主控制芯片的選擇方案一：采用PIC16F877控制外圍元件及對(duì)超聲波距離的計(jì)算，PIC16877內(nèi)部模塊多，功能強(qiáng)大，易于外圍設(shè)計(jì)，是一般小中型控制芯片的理想選擇。方案二：采用PIC16F877的兄弟模塊PIC16F873來(lái)進(jìn)行控制，既然是兄弟模塊，在功能上基本上相同，唯一欠缺的是外圍端口相對(duì)較少，但適用于本設(shè)計(jì)。PIC16F873是一個(gè)4k字節(jié)可編程EPROM的高性能單片機(jī)。它對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活有效的解決方案。PIC16F873有以下特點(diǎn)：4k字節(jié)EPROM、28根I/O線、3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、具有3V至5V 的電壓工作范圍。充分利用PIC16F873的片內(nèi)資源，即可在很少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。綜上所述：采用方案一不但價(jià)格偏高增加了成本，并且浪費(fèi)了PIC16F877的大部分資源，實(shí)為大材小用。采用方案二價(jià)格相對(duì)較低，并且使資源得到了合理的利用。由此選擇方案二是此設(shè)計(jì)的理想方案。（二）測(cè)溫補(bǔ)償電路方案論證確定常用的測(cè)溫補(bǔ)償方法有：熱敏電阻、鉑電阻、熱電偶以及集成溫度傳感器（如AD590）補(bǔ)償。使用傳統(tǒng)溫度傳感器，硬件電路復(fù)雜，而且傳統(tǒng)溫度傳感器大都輸出的是模擬信號(hào)（電壓或電流），不能直接送入單片機(jī)等處理器進(jìn)行處理，這樣就需要經(jīng)過(guò)采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換然后再與單片機(jī)相連，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得出溫度，這樣設(shè)計(jì)的硬件電路復(fù)雜，成本也高。在本設(shè)計(jì)中，采用了DALLAS半導(dǎo)體器件公司生產(chǎn)的一種高性能，低價(jià)格，數(shù)字化的可編程數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20來(lái)采集溫度，該數(shù)字溫度傳感器為獨(dú)特的1Wire總線接口，僅占用MCU一只引腳，具有操作簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量快，精度高（提供9—12位溫度讀數(shù)），測(cè)量溫度范圍為－55到125攝氏度，在－10到85攝氏度范圍內(nèi)精度為177。在使用DS18B20時(shí)，供電可采用寄生電源和獨(dú)立供電兩種方式。采用獨(dú)立供電時(shí)，溫度轉(zhuǎn)換速度比寄生電源供電方式快。DS18B20引腳圖如圖8。在使用DS18B20時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格計(jì)算延時(shí)，寫入正確的指令，保證其能完成溫度轉(zhuǎn)換。溫度傳感器電路如圖9。 圖8 DS18B20引腳圖 圖9 溫度傳感器電路DS18B20全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一只形如三極管的集成電路內(nèi)。它具有微型化、低功耗，直接將測(cè)得的結(jié)果以串行數(shù)字信號(hào)輸出，僅用一線就可完成與單片機(jī)的硬件接口。DS18B20的特性總結(jié)如下:(1)獨(dú)特的單線接口方式。DS18B20在與處理器連接時(shí)，僅需要一個(gè)I/O口即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)同DSl8B20的雙向通訊；(2) DS18B20的測(cè)溫范圍為: 55℃ 到 +125℃，在10℃到+85℃時(shí)，其精度為+℃ ； (3)DS18B20的測(cè)溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)從9位12位，可編程進(jìn)行選擇。（三）LCD 1602顯示電路方案論證確定方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。使用四個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，用按鍵切換顯示溫度值、距離值。此方案電路簡(jiǎn)單，但由于顯示的內(nèi)容較多，使得顯示不夠直觀。又增加了系統(tǒng)的功耗。方案二：采用字符型LCD顯示。LCD字符型液晶顯示模塊是一類專門用于顯示字母，數(shù)字，符號(hào)等的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。它是由若干個(gè)5*7或5*11等點(diǎn)陣符位組成。每一個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。點(diǎn)陣字符位之間有一空點(diǎn)距的間隔起到了字符間距和行距的作用。1602型液晶點(diǎn)陣字符模塊體積小巧，可顯示兩行字母或符號(hào)。因此，可同時(shí)顯示當(dāng)前溫度值、距離值。利用PIC16F873來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶顯示模塊，使得人機(jī)界面友好，且美觀舒適，功耗小。 方案三：采用人機(jī)交互，通過(guò)PIC16F873固有的USART模塊與PC機(jī)相連，可以達(dá)到利用PC機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。 綜上所述：雖然LED價(jià)格便宜，但是顯示的范圍有限，并且增加了電路的復(fù)雜性。而選擇方案二和方案三，既顯示美觀，隨身攜帶，易于觀察，又可利用PC機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。由此選擇方案二和方案三實(shí)為理想的方案。（四）超聲波發(fā)射電路方案確定超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路。超聲檢測(cè)中常用的發(fā)射電路可分為三類，即單脈沖發(fā)射電路，方波調(diào)制的脈沖發(fā)射電路和連續(xù)波發(fā)射電路。本系統(tǒng)采用方波調(diào)制的脈沖發(fā)射電路。超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部主要由兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板組成。當(dāng)它的兩極外加40KHz脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。在本設(shè)計(jì)中我們采用了40KHZ的超聲波傳感器NU40C12TR－1，其周期T=25us，由MCU產(chǎn)生占空比為13/12的脈沖，并由MCU的RC4引腳輸出到反相器。單片機(jī)產(chǎn)生以4個(gè)40kHz為一組的脈沖群，加到壓電晶片上能使晶片發(fā)出超聲波，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部的壓電晶片開(kāi)始震動(dòng)，此時(shí)接收換能器的兩端可以檢測(cè)到有40kHz信號(hào)。反相器4069的使用，使得MCU輸出的40KHz脈沖的利用率得到提高，并提高了超聲波發(fā)射頭的驅(qū)動(dòng)功率，如圖11。 圖10 反相器4096原理圖 圖11 反相器輸出波形圖（五）接收及信號(hào)處理電路方案論證確定超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。當(dāng)超聲波接收器上的共振板接收到超聲波時(shí)，壓迫壓電晶片振動(dòng)，使壓電晶體變形，壓電晶體變形會(huì)產(chǎn)生電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。超聲波接收電路的作用是對(duì)接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大，并將放大后的信號(hào)處理成系統(tǒng)可以處理的電平信號(hào)。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但是由回波引起的接收壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離有1V，遠(yuǎn)距離只有幾毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)使其達(dá)到相當(dāng)?shù)姆染捅仨毤右苑糯蟆Ｐ鑼?duì)放大電路方案進(jìn)行分析。從而達(dá)到檢測(cè)的目的。方案一：采用NE5532運(yùn)算放大器對(duì)接收波形進(jìn)行兩級(jí)放大，然后利用三極管的開(kāi)關(guān)特性將放大后的波形處理成標(biāo)準(zhǔn)的方波，最后送往控制芯片PIC16F873的CCP1模塊，以計(jì)算出距離。其基本電路如下圖12。 圖12 超聲波接收電路從上圖中可以看出放大部分是兩級(jí)放大，放大計(jì)算的基本公式如下： 運(yùn)算放大器第一級(jí)放大=（） （7）運(yùn)算放大器第二級(jí)放大 （8） 由計(jì)算可看出經(jīng)放大后的信號(hào)已經(jīng)反向了，所以在用三極管整形的時(shí)候?qū)⑿盘?hào)從基極輸入，從集電極輸入，這樣信號(hào)經(jīng)過(guò)地二次反向后，與接收信號(hào)方向一致。 在這里采用兩級(jí)放大是為了更大的增大放大倍數(shù)，這樣就可以接收到很微弱的信號(hào)，使測(cè)量的距離更遠(yuǎn)更精確 方案二：采用三極管對(duì)接收波形進(jìn)行放大及整形后送往控制芯片PIC16F873的CCP1模塊，該電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但是三極管的工作點(diǎn)不易于調(diào)試，并且三極管會(huì)產(chǎn)生相位延遲使得得出的超聲波傳播用時(shí)不準(zhǔn)確。三極管的放大電路如圖13。 圖 13 三極管放大電路方案三：采用可程控放大器進(jìn)行放大，具體電路見(jiàn)下圖14.圖14 放大器的電路下面將對(duì)主要的部分進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。⑴ 自動(dòng)增益控制電路 超聲波回波信號(hào)隨著被測(cè)距離的變化，其幅值變化也很大，必須經(jīng)過(guò)增益控制，以滿足整形電路的要求。實(shí)現(xiàn)增益隨時(shí)間呈指數(shù)變化的AGC電路有多種，本設(shè)計(jì)是采用的軟、硬件結(jié)合的AGC電路，它由可運(yùn)算放大器、數(shù)字電位器X9011結(jié)合單片機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。它是有單片機(jī)的RC1和RC2兩個(gè)端口來(lái)控制數(shù)字電位器，以改變運(yùn)算放大器的Rf，從而改變放大倍數(shù)，達(dá)到可程控。9011是一可調(diào)電位器，它通過(guò)單片機(jī)改變PU和PD來(lái)改變輸出電阻，原理圖如上圖18所示。事先通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在0~3米的距離內(nèi)，每隔30厘米測(cè)量一次，把較為理想的放大倍數(shù)換算成數(shù)字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數(shù)列表固化到EEPROM中。單片機(jī)以定時(shí)器中斷的方式來(lái)設(shè)置增益，到了一定時(shí)刻就由內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生一次中斷，中斷服務(wù)子程序通過(guò)查表方式獲得對(duì)應(yīng)的增益，然后通過(guò)PU、PD接口設(shè)置對(duì)應(yīng)增益。⑵ 絕對(duì)值變換和包絡(luò)電路絕對(duì)值變換和包絡(luò)電路如圖15所示。絕對(duì)值變換電路中，當(dāng)輸入信號(hào)Vin為負(fù)時(shí)，D7導(dǎo)通，U13B為倒相放大器；當(dāng)Vin為正時(shí)，D8導(dǎo)通，U13A為非倒相放大器。無(wú)論輸入信號(hào)的電壓極性如何，其輸出總是正電壓，且幅值不變。如前所述，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)絕對(duì)值變換電路以后，負(fù)電壓被翻轉(zhuǎn)為正電壓，且頻率倍增，然后通過(guò)二極管D電容C56組成的檢波電路對(duì)新波形進(jìn)行包絡(luò)。根據(jù)超聲波回波起伏特性，頻率倍增后包絡(luò)曲線更加平滑。在本電路中，檢波電路中的電容值要匹配合適，絕對(duì)值變換電路中集成運(yùn)算放大器選用LM324。圖15 絕對(duì)值變換和包絡(luò)電路原理圖波形包絡(luò)原理圖如下圖16。圖16 波形包絡(luò)原理圖⑶ 微分電路和過(guò)零檢測(cè)回波包絡(luò)信號(hào)通過(guò)微分電路，電壓峰值點(diǎn)處取導(dǎo)數(shù)為零，過(guò)零檢測(cè)電路在信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻發(fā)送脈沖信號(hào)單片機(jī)外部中斷INT0，單片機(jī)停止記時(shí)，從而捕捉到回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻。包絡(luò)信號(hào)微分和過(guò)零檢測(cè)原理如下圖17所示。圖17 包絡(luò)信號(hào)微分和過(guò)零檢測(cè)示意圖綜上所述：采用方案一在價(jià)格上略微偏高一點(diǎn)，但是能夠有效避免延遲帶來(lái)的誤差。采用方案二的三極管雖然價(jià)格便宜，但是由于三極管的相位延遲使得測(cè)量時(shí)間的不準(zhǔn)確，這使距離產(chǎn)生了一定的誤差，降低了本設(shè)計(jì)的測(cè)量精度。采用方案三可以對(duì)不同距離的波形進(jìn)行不同的處理，使得單片機(jī)能夠很好的處理回波。由此選擇方案三是此設(shè)計(jì)的理想方案。（六）RS232通信接口電路方案論證確定選用MAX232CPE集成電路構(gòu)成RS232接口電路。接口硬件設(shè)計(jì)所示，MCU PIC16F873中具備USART模塊，其采用的是一種在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了的，無(wú)握手信號(hào)的，二線式串行通信方式，使得占用的單片機(jī)資源的數(shù)量降低到最低限度。由于MCU是TTL電平，而PC等設(shè)備其該接口遵循的RS－232C電平規(guī)范，兩者在邏輯電平上不兼容，不能直接連接，需要一能實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS－232C電平相互轉(zhuǎn)換的芯片。MAX232恰好就是具有這種功能的低功耗多通道RS232收發(fā)芯片。它采用5V電源，需要的外圍元件少，且遵循EIA/TIA－232通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率達(dá)220kbps，應(yīng)用在便攜式電腦，接口電平轉(zhuǎn)換，低功耗Modems，電池供電的RS－232通信等場(chǎng)合中。四、系統(tǒng)調(diào)試為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進(jìn)行了實(shí)際的調(diào)試。（一）印刷電路板設(shè)計(jì)制作及硬件調(diào)試1．印刷電路板設(shè)計(jì)制作本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)電路、溫度傳感器電路、RS232接口電路、按鍵電路、電源電路和與超聲波發(fā)射接收器的連接電路安放在自制印刷電路板上。印刷電路板的制作用Protel99 SE印刷電路板設(shè)計(jì)軟件完成。制作印刷電路板時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：⑴ PCB的要求是板子要做得緊湊，節(jié)約成本，考慮到干擾問(wèn)題和使用方便問(wèn)題，盡量把一個(gè)模塊做在一起，電阻在一堆，電容一堆，對(duì)外接口部分盡量在板子周圍。由于是自制印刷電路還應(yīng)考慮到適合單面布線，減少制作難度；⑵ 導(dǎo)線的粗細(xì)問(wèn)題，電源線和地線應(yīng)定義在以上，其他導(dǎo)線定義為左右。 ⑶ 在繪制導(dǎo)線時(shí)應(yīng)該注意到，在需要折線處，夾角應(yīng)為 ，避免導(dǎo)線成直角，因?yàn)橹苯堑目垢哳l干擾性能較差； ⑷ 定義焊盤尺寸（以及最小包環(huán)規(guī)則）時(shí)，應(yīng)注意到要