【正文】 路。 接收與發(fā)射超聲波的超聲波換能 器必須型號對應(yīng)，關(guān)鍵是振蕩頻率一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收，本設(shè)計選用 T/R4012。 超聲波在空氣中傳播，隨著距離的增大，超聲波的能量逐漸減小，遇到障礙物后反射回來的回波信號一般比較弱，所以在設(shè)計電路時要設(shè)計一個放大電路，保證足夠大的放大倍數(shù)?？紤]到空氣中的干擾因素太多，為了降低環(huán)境中的噪聲等對回波信號的影響，要選用濾波特性好的電路，使回波檢測更準(zhǔn)確。所以我選用能對信號進(jìn)行放大、限幅、濾波、檢波比較、整形、滯后比較等一系列處理的紅外線檢波接收集成芯片 CX20206A， CX20206A 接收超聲波具有很高的靈敏度，抗干擾能力強，同時載波頻率 38kHz與測距超聲波頻率 40kHz接近，可滿足接收電路的基本要求。 CX20206A 是日本索尼公司生產(chǎn)的一款紅外線檢波接收的專用芯片，采用單列 8腳直插式，超小型封裝。內(nèi)部電路包括前置放大電路、自動偏置電平控制電路、限幅電路、峰值檢波器、帶通濾波器和波形整形電路等。 CX20206A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 44所示。 圖 44 CX20206A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 CX20206A 的引腳功能如下： 1 腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。 2 腳：該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，前煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 置放大器的增益和頻率特性可以通過改變它們的數(shù)值而改變。減小 C 或者增大電阻R，負(fù)反饋量將增大，放大倍數(shù)將下降，反之則放大倍數(shù)將增大。不過 C1 的改變會影 響到頻率特性，實際使用中一般不必改動，推薦選用參數(shù)為 R=， C=。 3 腳：該腳與 GND 之間接檢波電容，電容量小，則為峰值檢波，瞬間響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出地脈沖寬度變動大，易造成誤動作，電容量大，則為平均值檢波，瞬間響應(yīng)靈敏度低，推薦參數(shù)為 C=。 4 腳：接地端。 5 腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。例如若取 R=220kΩ，中心頻率 f0≈38kHz，若取 R=200kΩ 時，f0≈42kHz。 6 腳：該腳與地之間接一個積分電容，如果該電容取得太大，會使探測距離變短，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF。 7 腳：遙控命令端，因為它是集電極開路輸出方式，所以該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為 220kΩ，沒有接收信號該端輸出為高電平，有信號則產(chǎn)生下降。 8 腳：電源正極， ~5V。 CX20206A 的基本性能： （ 1）電源電壓典型值為 5V，最大為 17V； （ 2）電源電流為 ~,典型值為 ； （ 3）輸出低電平為 ； （ 4）電壓增益為 77~79dB； （ 5）輸入阻抗為 27kΩ； （ 6）濾波器中心頻率為 30~60kHz。 超聲波接收器電路如圖 45 所示。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 18 1 2 3 4 5 6 7 8J1C X 20 10 6 AR3R622 0kR722 0kC333 0p f+ C2+C1L S 2R 40 12+ 5 V+ 5 V 圖 45 超聲波接收器電路圖 超聲波接收電路的工作過程 : 超聲波換能器接收到超聲波信號，壓迫壓電晶片振動，將機械波轉(zhuǎn)化為離散的電脈沖信號，并由 1 腳進(jìn)入 CX20206A 的正項輸入端，由 RC 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號放大，通過限幅放大器和帶通濾波器（中心頻率為 40kHz），濾除雜亂的寄生調(diào)幅和頻率范圍在 30~50kHz 以外的其他干擾。經(jīng)過峰值檢波器，對編碼脈沖的調(diào)幅波進(jìn)行振幅檢波，將檢波出的數(shù)字編碼脈沖信號送到整形電路中進(jìn)行波形變換與整形，最后由 7腳輸出數(shù)字編碼脈沖信號，送至 AT89C51 單片機的中斷口進(jìn)行信號處理。當(dāng)集成芯片 CX20206A 接收到超聲波回波信號時， 7 腳的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?dāng)單片機檢測到外部中斷口輸入信號的下降沿或低電平時，立即產(chǎn)生中斷，同時計時器停止計時，從而得到超聲波的回波時 間。 鑒相電路 在振動數(shù)據(jù)采集器和振動信號分析中，鑒相信號起著至關(guān)重要的作用，鑒相信號能夠提供信號的準(zhǔn)確相位信息，而且提供了振動信號采集的起始時刻，即所謂的同步整周期采集。鑒相信號可以分為模擬鑒相信號和真實鑒相信號。振動數(shù)據(jù)的采集要求對模擬鑒相信號和真實鑒相信號能夠自動識別和轉(zhuǎn)換。 在實際應(yīng)用中，有時因為客觀條件的限制，無法獲取真實鑒相信號，這時就需要用模擬鑒相信號來代替真實鑒相信號，即用計算機模擬機器的工作轉(zhuǎn)速。本論文的鑒相電路用于鑒別兩個信號的相位差。 鑒相電路在超聲波測距過程中起到非常大的作用，它可以直接用來作為時間的測量電路。如圖 46 和圖 47 所示，在圖 46 中，前一級為與非門反相電路，后一級為煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 19 兩個輸入與非門組成的 RS 觸發(fā)電路，由此觸發(fā)電路和前級的反相器構(gòu)成了時間測量電路。整個工作過程為：在發(fā)出檢測脈沖時（ A 端為高電平），經(jīng)過反相器到達(dá) B 點，B 點的電壓降為低電平，此時的 C 點恒 為高電平。所以 D 端輸出為高電平。當(dāng)收到反射回來的檢測脈沖時， C 端由高變低，此時的 D 端變?yōu)榈碗娖?。由高電平到低電平的這段時間，就是這個電路所記錄的時間，也就是超聲波脈沖往返的時間。鑒相電路和分析如圖 46 和圖 47 所示。 U 2A74 A L S 00456U 2B74 A L S 008910U 2C74 A L S 00ABCD 圖 46 鑒相電路圖 47 鑒相電路分析圖 溫度補償電路 本論文設(shè)計中，超聲波測距通常采用測量時間差值的方法來計算距離，即通過公式 L=VT/2 來計算，其中 V指超聲波在空氣中的傳播速度。在實應(yīng)用際中，超聲波在空氣中傳播時受很多因素的影響，其中溫度是主要影響因素，在空氣中聲速與溫度的關(guān)系如表 41 所示。 表 41 聲速與溫度的關(guān)系 溫度 (℃ ) － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 為了提高系統(tǒng)測距的精度，需要準(zhǔn)確的聲速，這就需對系統(tǒng)進(jìn)行溫度補償。本設(shè)計中我選擇 DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行補償。 DS18B20 是 DELLAS 公司生產(chǎn)的一款“單總線”溫度傳感器，它采用獨特的單總線接口方式，僅需要一個端口發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。 DS18B20 內(nèi)部有 3 個主要數(shù)字部件： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非易失溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL。 DS18B20 用法簡單，只有三根引腳，分別為 VCC、 GND、 DQ 三根引腳，其中在使用時 VCC 必須接 +5V電源，為了保護(hù)芯片不受損壞，另外要加一個上拉電阻進(jìn)行限流，保護(hù)電路，且電阻要適中，不能太大也不能太小，在電路保護(hù)中具有重要作用。 DQ 輸入輸出引腳，對信號進(jìn)行輸入輸出處理，是該芯片的核心部分，首先感應(yīng)溫度，然后將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，經(jīng)過 DQ 引腳的傳送進(jìn)入單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再進(jìn)A B C D 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 20 行溫度補償。 DS18B20 的封裝及引腳如圖 48 所示。 圖 48 DS18B20 的封裝及引腳排列 DS18B20 可以采用寄生電源方式工作，從單總線吸取能力，在信號處于高電平期間把電量存儲在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。 DS18B20 也可以用外部 3~。采用寄生電源供電方式時， VDD 必須接地。另外為得到足夠的工作電流，應(yīng)給 I/O口提供一個強上拉，一般可以使用一個磁效應(yīng)管將 I/O 口直接拉到電源上。 采用外部供電方式時可以不用強上拉，但只要外部電源處于工作狀態(tài)， GND 引腳不得懸空。溫度高于 100℃ 時，不得使用寄生電源，應(yīng)采用外部電源供電。在本設(shè)計中，我采用外部電源供電，推薦 R17=。 DS18B20 采用外部供電方式的電路如圖 49 所示。 GNDDQV C CJ2D S 18 B 20+ 5V+ 5VR 17 圖 49 DS18B20 外部供電方式電路 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 21 LED 顯示電路 目前主要有三種顯示技術(shù)： CRT、 LCD 和 LED。隨著時間的推移， CRT 顯示技術(shù)已注定要推出歷史舞臺，由于 LED 顯示技術(shù)比 LCD 顯示技術(shù)更具有優(yōu)勢，正逐漸流行，價格也在不斷下降。 LED（ Light Emiting Diode）是發(fā)光二極管的英文簡稱，它是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 LED 的核心部分是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端連接電源的正極，另一端是負(fù)極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體兩部分組成， P 型半導(dǎo)體中參 與導(dǎo)電的載流子以空穴為主， N 型半導(dǎo)體以電子為主。當(dāng)兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個 PN 結(jié)，當(dāng)有電流作用在半導(dǎo)體晶片上時，電子就會被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。 作為主流技術(shù)， LED 具有多 種優(yōu)點：光效率高、節(jié)能、壽命長、可靠耐用、應(yīng)用靈活、體積小、安全、無汞害、回應(yīng)時間短。本設(shè)計就是采用四位 LED 數(shù)碼管顯示電路。 目前常用的 LED 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管 ，后者多了一個發(fā)光二極管顯示小數(shù)點，按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽極數(shù)碼管指將所有發(fā)光二極管的陽極連接到一起形成公共極的數(shù)碼管，公共陽極接 +5V，當(dāng)發(fā)光二極管的陰 極為低電平時，發(fā)光二極管被點亮，從而相應(yīng)的數(shù)碼段顯示。同理，共陰極數(shù)