【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度 ,因此，適用于物體檢測(cè)與防范報(bào)警裝置等。 圖 34 傳感器方向性特性 圖 35表示傳感器的溫度隨頻率的變化特性，對(duì)于這種傳感器，溫度越高，中心頻率越低，為 此，在寬范圍環(huán)境下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 圖 35 溫度頻率特性曲線圖 12 圖 36 阻抗頻率特性曲線圖 圖 36表示阻抗隨頻率變化的特性。 經(jīng)分析可知，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時(shí)，為了方便處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成 40KHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖信號(hào) [10]。 溫度傳感器 溫度傳感器的選用 本系統(tǒng)選用 DS18B20 溫度傳感器作為誤差補(bǔ)償裝置。 DS18B20 是美國(guó) DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 1— WIRE 數(shù)字溫度傳 感器，它可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出和測(cè)試，并且有控制功能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、微功耗等特點(diǎn)。 DS18B20 的主要特性： 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍 ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。 DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 溫范圍－ 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時(shí)精度為 177?！?。 13 可編程的分辨率為 9～ 12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 在 9 位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 [10]。 溫度對(duì)測(cè)距的影響 超聲波是以聲波的形式所進(jìn)行的能量傳播。一般來(lái)說(shuō)，超聲波傳播的距離大 或是速度慢，能量消耗就大，倘若超聲波的能量全部消耗在傳播途中或是聲波改變方向，就接收不到回波信號(hào)。而超聲波傳播的速度與彈性介質(zhì)的種類(lèi)和狀況關(guān)系極大，通常說(shuō)的聲速每秒 340 米，其傳播介質(zhì)是 15℃的標(biāo)準(zhǔn)空氣。研究表明，聲波的傳播速度與溫度是成正比的，在近地層中，當(dāng)氣溫隨高度增加而降低時(shí)，聲音的傳播速度隨高度增加而減小，聲波的射線就會(huì)向上彎曲（俗稱(chēng)聲音起飛了 )。 反之，當(dāng)氣溫隨高度增加而升高，聲波的傳播速度就會(huì)隨高度增加而增加，聲波射線呈向下彎曲狀，給人的聽(tīng)覺(jué)就是‘聲音在下沉’。 在相同的間隔測(cè)量距離，由于波的傳 播時(shí)間是相同的，但不同溫度下到聲速不同，所以最終造成測(cè)量出來(lái)的距離不相等，即如果不是在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行測(cè)量，將存在系統(tǒng)誤差。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，影響測(cè)量精度的因素很多，包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等；但環(huán)境溫度對(duì)聲速的影響最大，從超聲波聲速公式v=+ 可以看出，在 040℃時(shí)，聲速變化范圍為 。以超聲波在 20℃的室溫條件下的聲速 ，其變化率為 %。所以溫度的影響不能忽略不計(jì)。所以在基于單片機(jī) AT89S52 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)中 ，必須要對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償，以避免溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖 14 本設(shè)計(jì)采用 AT89S52 單片機(jī)作為主控制器，采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，時(shí)間差測(cè)距法來(lái)計(jì)算。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖 37 所示： 圖 37 系統(tǒng)框圖 [12] 發(fā)射電路 K2TX(F)4Y84A95Y105A116Y126A13Vcc141A11Y22A32Y43A53Y6GND7U274LS041KR51KR4GNDGND104C6 圖 38 發(fā)射電路 定時(shí) 單片機(jī) 顯示 發(fā)射處理 接收處理 發(fā)射探頭 接收探頭 障礙物 15 由于從單片里發(fā)出的 40KHZ 脈沖信號(hào)的功率較低，不能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，因而需要一個(gè)放大電路將脈沖信號(hào)放大后再送至發(fā)射換能器，驅(qū)動(dòng)其發(fā)出與驅(qū)動(dòng)信 號(hào)同頻率的超聲波，所以發(fā)射電路的主要功能就是放大， 本設(shè)計(jì)發(fā)射電路主要由 74HC04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高發(fā)射強(qiáng)度。如圖 38所示。 接收電路 接收電路中的 CX20216A 芯片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。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz 與測(cè)距超聲波頻40kHz 較為接近，可以利用它作為超 聲波檢測(cè)電路，超聲波接收頭將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。但這個(gè)電信號(hào)非常微弱，必須經(jīng)過(guò)放大， CX20216A 芯片完成放大調(diào)制的功能。 實(shí)驗(yàn)證明， CX20216A 芯片具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。內(nèi)部電路由前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。 K1RX(S)IN1C12C23GND4f05C36OUT7Vcc8U1CX20216GND473C2GND200KR2R3VCC200KR1330pFC5GNDGNDGND GND104C1GND10uF/50VC310uF/50VC4 圖 39 接收電路 K1（ RX（ S）） 為 超聲波接收頭，當(dāng)收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單 16 片機(jī)的外部中斷 INT0 上。當(dāng)超聲波接收頭接收到 40kHz 方波信號(hào)時(shí)，將會(huì)將此信號(hào)通過(guò) CX20216A 驅(qū)動(dòng)放大送入單片機(jī)的外部中斷 0 口。單片機(jī)在得到外部中斷 0 的中斷請(qǐng)求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷 0 的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理 。如圖 39 所示 [13]。 顯示電路 LED 數(shù)碼顯示管有兩種，一種是共陽(yáng)極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陽(yáng)極相連接的發(fā)光二極管組成；另一種是共陰極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由四個(gè)陽(yáng)極相連接的發(fā)光二極管組成。二者原理不同但功能相同。其外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 310 所示： 圖 310 LED 的管腳和電路原理 共陰極 LED 數(shù)碼顯示塊的發(fā)光二極管陰極連接在一起，形成該模塊的公共端（通常稱(chēng)為位選端），因此稱(chēng)為共陰極 LED 數(shù)碼顯示器， 8 個(gè)數(shù)碼管的另一端通常稱(chēng)為段選端，當(dāng)顯示器的公共端接低電平，某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極接高電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；而 共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼顯示管是將二極管的陽(yáng)極連接在一起，形成共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼顯示塊的公共端，該公共端必須接高電平，同理在共陽(yáng)極LED 數(shù)碼顯示塊中如某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。 用單片機(jī)驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制 LED，直到下次顯示時(shí)再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的 CPU 時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，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，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把 顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)再發(fā)送新的數(shù)據(jù)。 17 另一種方法是動(dòng)態(tài)掃描顯示。由于單片機(jī)本生具有較強(qiáng)的邏輯控制能力，所以采用動(dòng)態(tài)掃描軟件譯碼并不復(fù)雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯可隨意編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯限制。采用動(dòng)態(tài)掃描軟件譯碼地方式能大大簡(jiǎn)化硬件電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。它用分時(shí)地方法輪流控制各個(gè)顯示器地 COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯 示數(shù)據(jù)。 靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的 CPU 時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較少；動(dòng)態(tài)顯示需要 CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的 CPU 時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。 本設(shè)計(jì)的顯示電路采用四個(gè)共陽(yáng) LED 四位數(shù)碼管 ，位碼用 PNP 三極管驅(qū)動(dòng)。 如圖311 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839Vcc40U3AT89S51VCCVCCf9g10e1d2A3c4DP5b6a7A8DS1Dpy BlueCAf9g10e1d2A3c4DP5b6a7A8DS2Dpy BlueCAf9g10e1d2A3c4DP5b6a7A8DS3Dpy BlueCAf9g10e1d2A3c4DP5b6a7A8DS4Dpy BlueCAQ1PNPQ2PNPQ3PNPQ4PNP10KR710KR810KR910KR1010KR1110KR1210KR1310KR141KR151KR161KR171KR18VCCVCC GND104C10 圖 311 LED 顯示電路 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 18 本設(shè)計(jì) 就是 以 AT89S52 單片機(jī) 為核心。它采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、接 收子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組成。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開(kāi)始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢(xún)接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。雖然用一個(gè)單獨(dú)計(jì)時(shí)器電路也可以測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，但利用 AT89S52 單片機(jī)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，便于操作和直觀讀數(shù)。 為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用一些特殊措施。主程序框圖如圖 312 312 主程序流程圖 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)志字賦值單片機(jī)初始化 開(kāi)始 定時(shí)中斷子程序 有回波嗎 外部中斷子程序 等待 19 2以表示此次測(cè)距不成功 [14]。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì) 算、結(jié)果的輸出等工作。如圖 313 和圖 314： 圖 313 定時(shí)中斷子服務(wù)子程序 圖 314 外部中斷服務(wù)子程序 4 系統(tǒng)調(diào)試 軟硬件的調(diào)試 超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用的超聲波換能器 為MA40S2R 和 MA40S2S，中心頻率為 40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無(wú)特殊要求。 若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收