【正文】 聲波發(fā)射端探頭產(chǎn)生和方波脈沖頻率相同的聲波脈沖。 圖 34 HCSR04 超聲波發(fā)射端電路圖超聲波傳感器的接收端原理圖如圖 35 所示。在超聲波接收單元中，超聲波接收探頭接收到回波信號(hào)，回波信號(hào)中帶有隨機(jī)噪聲干擾。運(yùn)放 A0 構(gòu)成一個(gè)放大電路，A1是一個(gè)二階帶通濾波器，A2 是低通濾波器，運(yùn)放 A3 構(gòu)成電壓比較器。回波信號(hào)經(jīng)過(guò)A0，信號(hào)得到放大，再經(jīng)過(guò) A1 帶通濾波器濾除 40KHZ 以外的噪聲，在經(jīng)過(guò) A2 取出回波信號(hào)包絡(luò)，通過(guò) A3 比較器，當(dāng)電壓達(dá)到門(mén)限電平，輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖，在 NET10 口輸入到 EM78P153，中斷定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)，得到飛行時(shí)間。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 21 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 35 超聲波模塊接收端原理圖為增加測(cè)量精度，避免由于液面擾動(dòng)或大體積雜質(zhì)對(duì)測(cè)距的影響，超聲波探頭組由 3 塊 HCSR04 超聲波傳感器組成。三個(gè)超聲波發(fā)射和接受模塊通過(guò) 74HC153 與單片機(jī)相連，74HC153 為雙四選一的雙向數(shù)據(jù)選擇器。由于 STC89C52 只有兩個(gè)外部中斷，而每個(gè)接收到的回波信號(hào)需要外部中斷來(lái)使定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，所以，使用 74HC153 選擇特定的超聲波模塊，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)外部中斷資源的情況下對(duì)三個(gè)超聲波模塊接收到的回波信號(hào)的中斷計(jì)時(shí)任務(wù)。具體的硬件電路圖如圖 36 所示。 圖 36 超聲波探頭組的硬件連接圖 溫度校正模塊本系統(tǒng)中，溫度的探測(cè)傳感器選用 DS18B20。數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一線總線 ”接口的溫度傳感器。信息經(jīng)過(guò)單線接口 DQ 送入 DS18B20 或從 DS18B20 中輸出，因此，中央主控芯片只要提供一個(gè) I/O 口就可以實(shí)現(xiàn)與 DS18B20 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 22 頁(yè) 共 48 頁(yè)的通信， ，并且溫度的轉(zhuǎn)換在 DS1820 內(nèi)部已經(jīng)完成，讀、寫(xiě)及溫度轉(zhuǎn)換所需的電源可以由 DQ 接口的數(shù)字信號(hào)的電平提供，而不需要外部電源。DS1820 的測(cè)量溫度范圍為55℃到 +125℃，在10 到 +85℃范圍內(nèi),精度為177?！妗，F(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。其適合于在惡劣環(huán)境的溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。本設(shè)計(jì)中要求精度 10cm，℃的溫度精度能控制距離測(cè)量誤差在 1cm 的范圍內(nèi)，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。DS18B20的示意圖如圖 37 所示，引腳說(shuō)明如表 34 所示。表 34 DS18B20 管腳說(shuō)明引腳8PIN SOIC 封裝引腳PR35 封裝符號(hào) 說(shuō)明5 1 GND 電源地4 2 DQ 單線數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，3 3 VDD 可選 VDD 引腳，可接外部電源 圖 37 DS1820 管腳及封裝圖 DS18B20 中包含了 64 位激光 ROM，開(kāi)始的 8 位為單線產(chǎn)品的編碼（如 DS1820的編碼是 10H） ，接著是 48 位唯一的序列號(hào)，這使得多個(gè) DS18B20 可以串聯(lián)在一個(gè)總線上，最后 8 位是開(kāi)始 56 位的 CRC。在對(duì) DS18B20 進(jìn)行讀寫(xiě)之前要先寫(xiě)入 ROM 操作命令，ROM 操作命令分為五種：Read ROM（讀） 、Match ROM（匹配） 、Search 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 23 頁(yè) 共 48 頁(yè)ROM（搜索） 、Skip ROM(跳過(guò)) 、Alarm ROM（警告） 。在成功的寫(xiě)入操作命令后才能訪問(wèn) DS18B20 的特定功能，然后總線主機(jī)才能提供六個(gè)存儲(chǔ)器和控制功能命令之一。DS18B20 的溫度分辨率可以由用戶選擇，有 112 位，相應(yīng)的溫度增量為 ℃、℃、℃和 ℃。在未做更改分辨率的情況下，傳感器默認(rèn)的分辨率為 12 位，為了初始化溫度傳感器并且得到數(shù)模轉(zhuǎn)換的溫度值，主機(jī)必須向DS18B20 寫(xiě)入溫度轉(zhuǎn)換指令（44H） ，溫度轉(zhuǎn)換需要至少 750ms 時(shí)間，所以至少間隔750ms 主機(jī)才能讀溫度值。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫度存儲(chǔ)在 2 字節(jié)的溫度存儲(chǔ)器中，溫度存存儲(chǔ)器的格式如表 35 所示。表 35 DS18B20 溫度存儲(chǔ)器格式BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0低 8 位 23 22 21 20 21 22 23 24BIT15 BIT14 BIT13 BIT12 BIT11 BIT10 BIT9 BIT8高 8 位 S S S S S 26 25 24其中，S 是符號(hào)位，當(dāng)溫度為正值時(shí)，S=0 ，當(dāng)溫度為零下為負(fù)值時(shí)，S=1。DS18B20 與單片機(jī)的傳統(tǒng)接法為單總線接法，其物理連接圖方式如圖 38 所示。 圖 38 DS18B20 物理連接圖DS18B20 單總線結(jié)構(gòu)的通信過(guò)程包括了初始化、ROM 操作命令、存貯器操作命令、處理數(shù)據(jù)。（1） 、初始化單總線上的所有從傳感器的初始化均從初始化序列開(kāi)始。初始化序列包括總線主機(jī)發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著從屬傳感器回復(fù)存在脈沖，表示傳感器工作正常，可以進(jìn)行 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 24 頁(yè) 共 48 頁(yè)接下來(lái)的操作。初始化操作的時(shí)序圖如圖 39 所示, 總線主機(jī)向總線發(fā)出一復(fù)位脈沖，此脈沖至少為 480us。接著，主機(jī)釋放總線進(jìn)入接收狀態(tài)。并由上拉電阻將總線電平拉高在檢測(cè)到總線上上升沿電平后，DS18B20 等待 1560us 并且發(fā)出 60240us 的負(fù)脈沖。主機(jī)檢測(cè)到此負(fù)脈沖，表示總線上連接著 DS18B220 溫度傳感器。圖 39 初始化操作時(shí)序圖（2） 、ROM 操作命令一旦總線主機(jī)檢測(cè)到從屬器件的存在，踏遍它便發(fā)出 ROM 操作命令。所有的ROM 操作命令均為 8 位字長(zhǎng)，ROM 操作指令如表 36。 表 36 ROM 操作指令集ROM 操作指令 操作碼 說(shuō)明Read ROM 33H 允許主機(jī)讀 DS1820 的 ROM，但僅在總線只有一個(gè) DS1820下使用Match ROM 55H 按序列號(hào)對(duì)總線上多個(gè) DS1820 尋址，只有符合的才進(jìn)行接下來(lái)的操作Search ROM F0H 允許從總線主機(jī)識(shí)別所有從片的 64 位 ROMSkip ROM CCH 允許總線主機(jī)跳過(guò)識(shí)別 ROM，直接訪問(wèn)貯存器以節(jié)約時(shí)間。Alarm ROM ECH 在溫度測(cè)量出現(xiàn)告警的情況下給出告警響應(yīng)（3） 、存貯器操作指令在寫(xiě)入了 ROM 操作指令后，要對(duì) DS18B20 寫(xiě)入存貯器操作指令，包括溫度轉(zhuǎn)換指令（44H） 、寫(xiě)暫存器指令（4EH） 、讀暫存器指令（BEH） 、復(fù)制暫存器指令（48H）等。具體指令集如表 37 所示。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 25 頁(yè) 共 48 頁(yè) 表 37 DS18B20 存貯器指令集指令名稱(chēng) 指令代碼 指令功能溫度變換 44H啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為 500ms （典型為 200ms ），結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中。讀暫存器 0BEH 讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容。寫(xiě)暫存器 4EH發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的第 3 ， 4 字節(jié)寫(xiě)上，下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 。復(fù)制暫存器 48H 將 RAM 中第 3 ， 4 字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到 EEPROM 中。調(diào) EEPROM 0B8H EEPROM 中的內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 3 ， 4 字節(jié)。讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時(shí) DS18B20 發(fā)送“ 0 ”，外接電源供電 DS18B20 發(fā)送“ 1 ”。 （4） 、DS18B20 的讀寫(xiě)時(shí)序DS18B20 的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)是通過(guò)時(shí)間隙處理位和命令字來(lái)確認(rèn)信息交換的。其讀寫(xiě)時(shí)序圖如圖 310 所示。 圖 310 DS18B20 讀寫(xiě)時(shí)序圖 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 26 頁(yè) 共 48 頁(yè)寫(xiě)時(shí)間隙分為寫(xiě)“0”和寫(xiě)“1” 。在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)間隙的前 15uS 總線需要是被控制器拉置低電平，而后則將是芯片對(duì)總線數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間，采樣時(shí)間在 15~60uS，采樣時(shí)間內(nèi)如果控制器將總線拉高則表示寫(xiě)“1” ，如果控制器將總線拉低則表示寫(xiě)“0” 。每一位的發(fā)送都應(yīng)該有一個(gè)至少 15uS 的低電平起始位，隨后的數(shù)據(jù)“0”或“1”應(yīng)該在45uS 內(nèi)完成。整個(gè)位的發(fā)送時(shí)間應(yīng)該保持在 60~120uS，否則不能保證通信的正常。讀時(shí)間隙時(shí)控制時(shí)的采樣時(shí)間應(yīng)該更加的精確才行，讀時(shí)間隙時(shí)也是必須先由主機(jī)產(chǎn)生至少 1uS 的低電平，表示讀時(shí)間的起始。隨后在總線被釋放后的 15uS 中DS18B20 會(huì)發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位，這時(shí)控制如果發(fā)現(xiàn)總線為高電平表示讀出“1” ，如果總線為低電平則表示讀出數(shù)據(jù)“0” 。每一位的讀取之前都由控制器加一個(gè)起始信號(hào)。注意：必須在讀間隙開(kāi)始的 15uS 內(nèi)讀取數(shù)據(jù)位才可以保證通信的正確。在通信時(shí)是以 8 位“0”或“1”為一個(gè)字節(jié)，字節(jié)的讀或?qū)懯菑母呶婚_(kāi)始的，即A7 到 A0 字節(jié)的讀寫(xiě)順序也是如圖 310 自上而下的。 顯示模塊 顯示模塊選用常用的 LED 共陰數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，具體硬件電路圖如圖 311 所示。 圖 311 顯示模塊硬件連接圖其中，74LS138 為 38 譯碼器，對(duì) 8 位七段數(shù)碼管進(jìn)行位選。當(dāng)一個(gè)選通端（E1 ）為高電平，另兩個(gè)選通端（/E2)和(/E3) ）為低電平時(shí)，可將地址端（ A、B、C）的二進(jìn)制編碼在 Y0 至 Y7 對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出，74HC573 為數(shù)據(jù)鎖存器，主要完成對(duì)于 LED 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)工作。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 27 頁(yè) 共 48 頁(yè)4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)前一章簡(jiǎn)要介紹了復(fù)雜邊界液面測(cè)距系統(tǒng)的硬件的組成以及各部分模塊的工作原理，在本章中，將介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，為方便了解，給出了系統(tǒng)軟件流程圖。 系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)復(fù)雜邊界液面測(cè)距系統(tǒng)的總體流程圖如圖 41 所示。開(kāi)始系統(tǒng)初始化T e m p _ F l a g = 1 或 2 0 ？向 D S 1 8 B 2 0 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令讀取 D S 1 1 8 B 2 0溫度值校正超聲波速度T e m p _ F l a g = 0S e n d _ o n = 1 ?T e m p _ F l a g = 1 T e m p _ F l a g = 2 0按 U l t _ C h o 發(fā)射超聲波S e n d _ o n = 0U l t _ C h o = 9 ?計(jì)算數(shù)據(jù) ， 得出距離U l t C h o = 0顯示YNYNN圖 41 系統(tǒng)總體流程圖 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 28 頁(yè) 共 48 頁(yè)其中，Temp_Flag 為 DS18B20 工作提供時(shí)間安排，當(dāng) Temp_Flag=1 時(shí)，向DS18B20 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，在 1 秒之后（即 Temp_Flag=20）讀取 DS18B20 的溫度值。Send_on 為超聲波發(fā)射允許標(biāo)志位，三個(gè)超聲波探頭的超聲波發(fā)射由 Ult_Cho 安排，Ult_Cho=9 表示計(jì)滿 9 個(gè)數(shù)據(jù)，開(kāi)始計(jì)算距離值。每個(gè) Ult_Cho 值代表著具體一個(gè)超聲波模塊的工作，所以在時(shí)序上將每個(gè)超聲波模塊錯(cuò)開(kāi)工作，避免回波干擾的產(chǎn)生。定時(shí)器 1 中斷主要負(fù)責(zé)溫度傳感器時(shí)序標(biāo)志位 Temp_Flag，超聲波發(fā)射接收標(biāo)志位 Ult_Cho 以及超聲波允許發(fā)射標(biāo)志位 Send_on 的更新。定時(shí)器 1 定時(shí) 50ms 響應(yīng)中斷一次，每次定時(shí)器中斷中 Temp_Flag、Ult_Cho 都自動(dòng)加一，超聲波發(fā)射允許標(biāo)志位Send_on 置 1，Send_on 在發(fā)射超聲波完成之后復(fù)位。定時(shí)器中斷的流程圖如圖 42 所示。定時(shí)器 1 中斷T R 1 = 0 ， 關(guān)中斷定時(shí)器 1 初值重裝U L T _ C h o + 1T e m p _ F l a g + 1S e n d _ o n = 1允許發(fā)射超聲波T R 1 = 1 開(kāi)中斷中斷返回圖 42 定時(shí)器 1 中斷子程序流程圖 超聲波發(fā)射與接收控制三個(gè) HC—SR04 超聲波模塊 的工作由定時(shí)器 1 提供時(shí)序，每個(gè)測(cè)量三個(gè)數(shù)據(jù)，每次定時(shí)器 1 中斷程序中由超聲波發(fā)射接收標(biāo)志位 Ult_Cho 選擇需要的模塊，提供 20us的觸發(fā)信號(hào)。超聲波發(fā)射模塊的流程圖如圖 43 所示。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 29 頁(yè) 共 48 頁(yè)超聲波回波信號(hào)的