【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 DS18B20 支持“一線總線”接口 ,測(cè)量溫度范圍為 55℃ ~ 125℃ ,在 10℃ ~85℃ 范圍內(nèi) ,精度為 177?！?。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸 ,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。 DS18B20 支持3V~ 的電壓范圍 ,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。 價(jià)格 更便宜 ,體積更小。 DS18B20 可以程序設(shè)定 9~12 位的分辨率 ,精度為 177?！??？蛇x更小的封裝方式 ,更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定 ,及用戶(hù)設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM 中 ,掉電后依然保存。省略了存儲(chǔ)用戶(hù)定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的 EEPROM,精度降低為 177。2 ℃ ,適用于對(duì)性能要求不高 ,成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用 ,是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品 [5]。衡量其準(zhǔn)確度和價(jià)格的優(yōu)勢(shì)最終確定DS18B20 為此項(xiàng)目的溫度傳感器。 顯示模塊選擇比較 方案 一 ：使用液晶顯示屏顯示時(shí)間和路程。液晶顯示屏 （ LCD） 具有輕薄短小，低耗電量，無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積大，畫(huà)面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?？梢燥@示漢字等各種符號(hào)。但一般需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，編程工作量大。 方案 二 ：使用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、對(duì)外界環(huán)境要求低， 易于維護(hù)。同時(shí)精度比較高，稱(chēng)量快，精確可靠，編程容易，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是不 能 實(shí)現(xiàn)漢字顯示，多數(shù)據(jù)多行顯示 [6]。請(qǐng)參照?qǐng)D 23 所示。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 圖 23 顯示電路 由于受到資金的影響，選擇方案二，雖然顯示上沒(méi)有 LCD 那么完全，但是也能夠完整的顯示出我們需要的結(jié)果。 語(yǔ)音芯片選擇 ISD1730是 ISD公司最新推出的單片高音質(zhì)語(yǔ)音錄放電路，該芯片提供多項(xiàng)創(chuàng)新功能，包括多信息管理系統(tǒng)，新信息提示（ vAlert），雙運(yùn)作模式（獨(dú)立 、 嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片內(nèi)部包含有自動(dòng)增益控制、麥 克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線路、振蕩器與內(nèi)存等的全方位整合系統(tǒng)功能。 語(yǔ)音芯片的 特點(diǎn) 以下為該語(yǔ)音芯片的特點(diǎn)： （ 1） 可錄、放音十萬(wàn)次，存儲(chǔ)內(nèi)容可以斷電保留一百年 。 （ 2） 兩種控制方式 。 （ 3） 兩種錄音輸入方式 。 （ 4） 兩種放音輸出方式 。 （ 5） 可處理多達(dá) 255段信息 。 （ 6） 有豐富多樣的工作狀態(tài)提示 。 （ 7） 多種采樣頻率對(duì)應(yīng)多種錄放時(shí)間 。 語(yǔ)音芯片的 電特性 （ 1） 工作電壓： 。 （ 2） 靜態(tài)電流： 。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 （ 3） 工作電流： 20mA。 用戶(hù)可利用震蕩電阻來(lái)自定芯 片的采樣頻率，從而決定芯片的錄放時(shí)間和錄放音質(zhì)。 獨(dú)立按鍵工作模式 ISD1730的獨(dú)立按鍵工作模式錄放電路非常簡(jiǎn)單，而且功能強(qiáng)大。不僅有錄、放功能，還有快進(jìn)、擦除、音量控制、直通放音和復(fù)位等功能。這些功能僅僅通過(guò)按鍵就可完成 [7]。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 主控 電路 框圖與 原理圖 該系統(tǒng)主要包括主控芯片、超聲波發(fā)射接收模塊及顯示等。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素， 本系統(tǒng) 采用 AT89S52 單片機(jī)作為主控制器， 使用 LED 作為 系統(tǒng)顯示屏 ， 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)需要的 40KHz 脈沖由單片機(jī) 發(fā)出，使用定時(shí)器進(jìn)行控制，超聲波接收使用 cx20206a 作為接收主控芯片，使用 ds18b20 作為溫度校正系統(tǒng)核心。 超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如 圖 31 所示： 圖 31系統(tǒng)框圖 整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，是每個(gè)模塊都是一個(gè)獨(dú)立的單元，方便后續(xù)調(diào)試工作的方便 。 主電路原理圖 該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的比較簡(jiǎn)單， 單片機(jī)采用 AT89S52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 端口輸出超聲波 轉(zhuǎn)化器所需的 40KHz 方波信號(hào)，利用外中斷 0 口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，位碼用 PNP 三極管驅(qū)動(dòng)。 如圖 32所示 。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 圖 32主控電路 DS18B20 溫度補(bǔ)償電路 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t，然后求出距離 ,如式 31 所示。 S＝ Ct／ 2 (31) 式中 C—— 超聲波波速。 限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的 質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C 與溫度有關(guān) ，如式 32 所示。 C=+*T (32) 式中 T—— 當(dāng)?shù)販囟?[8]。 經(jīng)過(guò)測(cè)量得出波速與溫度的關(guān)系，如表 31 所示。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 表 31 超聲波溫度速度表 溫度 (℃ ) 30 20 10 0 10 20 30 聲速 c(m/s) 313 319 325 333 338 344 349 在測(cè)距時(shí)由于溫度變化，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高了測(cè)量精確度。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間 r，即可求得距離 s。 ISD1730 語(yǔ)音報(bào)警 ISD1730 語(yǔ)音芯片的使用是先通過(guò) MIC 分段錄音，然后用單片機(jī)通過(guò) SPI 協(xié) 議讀它的相應(yīng)的地址就可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)距離，以及提示“危險(xiǎn)距離， 該芯片使用時(shí)需要注意的是共點(diǎn)電源和共點(diǎn)地的接法，這樣可祛除干擾 ，使音質(zhì)更加好。下圖 33 為語(yǔ)音芯片 ISD1730 的硬件連接圖。 圖 33 語(yǔ)音報(bào)警電路 發(fā)送超聲波模塊電路圖 壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如 圖 34 所示 [7]，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(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)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 聲波發(fā)生器 。 如沒(méi)加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同 [9]。 圖 34 超聲波轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖 該 系統(tǒng)的超聲波發(fā)送模塊 是由 超聲波 發(fā)射探頭組成的， 使用 用 74hc04 做為 驅(qū)動(dòng) ，如圖 35 所示。 圖 35 超聲波發(fā)射電路 接收超聲波模塊電路圖 該系統(tǒng)的超聲波接收模塊是由超聲波接收探頭和 紅外線接受處理芯片 cx20206a 組成。如圖 36 所示。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 圖 36 超聲波接收電路 系統(tǒng) 采用集成電路 cx20206a，這是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測(cè)距超聲波頻率 40KHz較 為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變 C4 的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)框圖 主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并給顯示端 P0 和 P2 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲(這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因 )后， 打開(kāi)外中斷 0 接收返回的超聲波信 號(hào)。由于采用 12MHz 的晶振，機(jī)器周期為 1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離 ,設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃ 時(shí)的聲速為 344m/s,如式 41 所示 [10]。 (C*T0)/2 =172T0/10000cm (41) 式中 T0—— 計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值。 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式 傳送到 LED 顯示 ,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。主程序框圖如 圖 41 所示。 圖 41 總體設(shè)計(jì)框圖 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 子程序設(shè)計(jì)框圖 圖 42 子程序設(shè)計(jì)框圖 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò) 端口發(fā)送 2 個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約40KHz 的方波，脈沖寬度為 12us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷 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)（ INT0 引腳出現(xiàn)低電平 )，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測(cè)距 不成功。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 第 5 章 系統(tǒng)的測(cè)試和誤差分析 系統(tǒng)硬件調(diào)試 電路板焊接完畢后，使用萬(wàn)有表測(cè)量電路是否有短路、短路，元器件時(shí)候有 +、 級(jí)焊接反向。若檢查無(wú)誤后，將單片機(jī)安裝上，接通電源，此時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)