【正文】 C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。含有差頻信息的高頻信號通過 CD4053 模擬開關(guān)與發(fā)射信號的本振方波 (CP1 或 CP2)進行乘積運算，經(jīng) TLE2072 阻抗變換后利用阻容濾波器進行低通濾波得到差頻信號。MC1350 為可控增益選頻放大器，中頻變壓器 T1(T2)諧振頻率為 640 kHz(1 MHz)，對 信號起帶通濾波的作用，輸出信號經(jīng) TLE2072 半波放大后，由 RC 濾波形成MC1350 增益控制電壓，從而使輸人信號強度在較大范圍內(nèi)變化時得到一穩(wěn)定的輸出信號，此電路可使輸入信號的波動范圍達 60 dB 時輸出保持穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。接收探頭接收到的信號分別通過中心頻率為 1 MHz 和 640 kHz 的窄帶帶通波器，濾去其中的低頻雜散噪聲，放大以后送入解調(diào)器，輸出含有流速信息的低頻多普勒頻偏信號，然后送入TMS320F2812 的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。DDSIN 接 DDS 的輸出，變壓器的輸出接發(fā)送傳感器。具體電路如圖 4所示。 流體中有較高的顆粒含量，超聲波的衰減較大，發(fā)射信號要有一定功率，因此功率放大不可少。 如圖 69： 圖 69 74HC574 是 8D 鎖存器，可將寫入的數(shù)據(jù)保存在輸出端直到下次時鐘到來。 FQUD有效時，AD9850 讀取新的調(diào)節(jié)字，產(chǎn)生新的頻率輸出。 AD9850 有兩種裝載頻率調(diào)節(jié)字的方式，無優(yōu)劣之分。 本系統(tǒng)選用的 DDS芯片是 AD 公司生產(chǎn)的 COMS 型 DDS 芯片 AD9850，該芯片最高可支持 125 MHz 的時鐘頻率， 32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或串行方式裝入。 DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過 DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式信號超聲 波測距系統(tǒng) 24 的合成 技術(shù)。 超聲信號的頻移反映了流速的信息，測準頻移是保證測量精度的關(guān)鍵，愈少在頻譜中引入干擾分量愈好，因此我們需要源信號有較高的純度。 超聲 波測距系統(tǒng) 23 圖 68 另外考慮到本系統(tǒng)要適應各種復雜的工作環(huán)境，因此設計了由 TL082 構(gòu)成的高精度帶通濾波電路，以供回波信號放大后進行進一步濾波，將濾波后的信號輸入到 LM393 構(gòu)成的比較器反相輸入端，與基準電壓相比較，并且對其比較輸出電壓進行限幅，將其電壓接至 D觸發(fā)器，比較器將經(jīng)過放大后的交流信號整形出方波信號，將其接至 FPGA，啟動接收模塊計數(shù)，達到脈沖串設定值時，關(guān)閉計時計數(shù)器停止計數(shù)。 接收電路 接收電路 如圖 68（ b） 由 OP37 構(gòu)成的兩級運放電路， TL082 構(gòu)成的二階帶通濾波電路以及 LM393 構(gòu)成的比較電路三部分組成。 圖 67 發(fā)射電路 發(fā)射電路如圖 68（ a） 所示。與常規(guī)系統(tǒng)相比，雖然增加了 FPGA硬件，但是系統(tǒng)也舍棄了一些系統(tǒng)所采用的溫度補償模塊，大大提高了系統(tǒng)的精度和系統(tǒng)的靈活性 ，如圖 66： 圖 66 系統(tǒng)總電路圖如圖 67所示。 (2)采用 125 kHz 的頻率，同時采用多路超聲波精確同步測距。為防止信號串擾，在信號發(fā)射時， CUAN 端輸入高電平，對 其信號進行屏蔽 ，如圖 65： 超聲 波測距系統(tǒng) 21 圖 65 計時計數(shù)器模塊 經(jīng)過實驗室調(diào)試，本文給出的基于單片機與 FPGA 相結(jié)合的多路同步超聲波 測距系統(tǒng)與其它系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢： (1)抗環(huán)境影響因素能力強。 計時計數(shù)器模塊主要完成測量脈沖發(fā)出去到接收到的時間間隔和脈沖的計數(shù)，主要由啟動與關(guān)閉計數(shù)器控制、 12分頻器、 16 位計時計數(shù)器、二選一數(shù)據(jù)選擇器及 8位數(shù)據(jù)鎖存器組成。 所有的接收模塊接收完數(shù)據(jù)后，通過與非門及非門輸出高電平 (FINISH端口 )，以觸發(fā)單片機使單片機處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，單片機發(fā)出信號使順序 執(zhí)行計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值每次加 1，輸出端口便是相應的計時計數(shù)器，單片機便從相應的計時計數(shù)器中讀取計數(shù)值。其中：發(fā)射模塊完成脈沖串的發(fā)射與計數(shù)器的啟動，主要由96分頻器、發(fā)射脈沖串計數(shù)器和發(fā)射脈沖串的控制器三部分組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 64所示?？刂苹蝻@示模塊用于調(diào)整平衡或輸出顯示測量距離的目的。第一路到第五路超聲波換能器用于測量距離，測量距離的五路超聲波換能器按等間距分別安裝在測距儀的固定板上，系 統(tǒng)采用收發(fā)同體的探頭，其波束角很小，有效的保證了各探頭到被測物體的垂直測量距離。 FPGA 單元主要用來產(chǎn)生超聲波的發(fā)射脈沖頻率 125 kHz 與計時計數(shù)器的頻率 (170 kHz)，通過微控制器 MCU 來啟動超聲波的發(fā)射， FPGA 發(fā)射一定數(shù)量 (這里選擇 8至 10)的脈沖串之后，停止發(fā)射同時啟動計時計數(shù)器計數(shù)，超聲波途經(jīng)障礙物返回。單片機系統(tǒng)與 FPGA 系統(tǒng)是測距儀的核心部件，用來協(xié)調(diào)各部分元件工作。系統(tǒng)組成框圖如圖 63。時間的精確測量可由單片機內(nèi)部單獨的計數(shù)器完成，也可由外部的計時電路完成。 圖 62 超聲波測距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 超聲 波測距系統(tǒng) 19 系統(tǒng)常采用頻率為 40 kHz 的方波信號由單片機內(nèi)部產(chǎn)生。除了測量以外，還可以通過鍵盤選擇執(zhí)行安裝、測試、設置儀表和現(xiàn)場參數(shù)等多種操作。 TMS320F2812 內(nèi)部定時中斷子程序進行數(shù) 據(jù)采樣，采集的數(shù)據(jù)送人環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，然后TMS320F2812 對采樣數(shù)據(jù)進行加窗處理、 FFT 變換求其功率譜、功率譜的延伸、疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。發(fā)射探頭發(fā)射兩個己知的固定頻率的獨立超聲波信號，接收探頭負責接收含有流體的流速信息的超聲波。 雙頻超聲波多普勒流量計能夠產(chǎn)生兩組異頻、相互獨立的超聲波信號，兩種頻率用于識別和排除一系列的錯誤信號，他能有效去除噪聲信號，并將準確識別出的多普勒信 號進行平方放大。超聲波 測距的基本工作原理是：發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過介質(zhì)返回到接收探頭，測出超聲波從發(fā)射到接收所需的時間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，利用公式S=0． 5ct 就能算得從探頭到障礙物的距離，式中： S為所測的距離， c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度．￡為超聲波從發(fā)到收所經(jīng)過的時間。超聲波流量計結(jié)構(gòu)簡單，壓力損失小，而且使用方便，因而得到了廣泛的應用。超聲波技術(shù)應用于流量測量的原理是：由超聲換能器產(chǎn)生的超聲波以某一角度入射到流體中，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號就可以測量流體的流速和流量。 參數(shù) ： 輸入偏置電流 45 nA； 輸入失調(diào)電流 50 nA； 輸入失調(diào)電壓 ； 輸入共模電壓最大值 VCC~ V； 共模抑制比 80dB； 電源抑制比 100dB 。 ＊差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。 ＊低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 ＊低功耗電流，適合于電池供電。 一 177。 ＊單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 。 特性 (Features)： ＊內(nèi)部頻率補償。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益 模組 ,音頻放大器、工業(yè)控制、 DC 增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。運算器中還有一個按位（ bit）進行邏輯運算的邏輯處理機（又稱布爾處理機）。 PSW 的其它位，將在以后再介紹。 d、奇偶標志 P。 c、溢出 標志位 OV。 b、輔助進位標志 AC。它表示了運算是否有進位（或借位）。 PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P 對用戶來講，最關(guān)心的是以下四位。標志寄存器 PSW 也是一個八位寄存器，用來存放運算結(jié)果的一些特征，如有無進位、借位等。在進行算術(shù)、邏輯運算時，累加器 ACC 往往在運算前暫存一個操作數(shù)（如被加數(shù)），而運算后又保存其結(jié)果超聲 波測距系統(tǒng) 14 （如代數(shù)和）。 A 運算器 運算器以完成二進制的算術(shù) /邏輯運算部件 ALU 為核心，再加上暫存器 TMP、累加器 ACC、寄存器 B、程序狀態(tài)標志寄存器 PSW 及布爾處理器。 MCU51 CPU 和存儲器。此總線有如大城市的“干道”，而 CPU、 ROM、 RAM、 I/O 口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁 ，并和它連通。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)有“傳達室”的作用，當單片機控制對象的參數(shù)到達某個需要加以干預的狀態(tài)時，就可經(jīng)此“傳達室”通報給 CPU，使 CPU 根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當?shù)膽洞胧?。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機的基本組成，即單片機是由中央處理器（即 CPU 中的運算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為 ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機存貯器通常表示 為 RAM）、輸入 /輸出口（又分為并行口和串行口，表示為 I/O 口）等等組成。所以離不開計數(shù)和定時。 實際上，人們往往把運算器和控制器合并稱為中央處理單元 —— CPU。適當更改電容 C4 的大小，可以改變接收 電路的靈敏度和抗干擾能力。 超聲 波測距系統(tǒng) 13 5 集成電路 CX20206A 簡介 集成電路 CX20206A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個 壓電晶片和一個共振板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。上拉電阻 R R11 一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。用這種推挽形式將方波信 號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。其具有下列的特性：把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。主程序包括初始化和各個子程序的調(diào)用，最后把測量結(jié)果用液晶顯示屏 顯示出來。本設計采用 OCM2X16，顯超聲 波測距系統(tǒng) 10 示兩行字符，一行顯示當前的環(huán)境溫度，一行顯示所測距離。提供內(nèi)部上電自動復位電路，當外加電源電壓超過 + 時，自動對模塊進行初始化操作，將模塊設置為默認的顯示工作狀態(tài)。提供顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū) DDRAM、字符發(fā)生器 CGROM 和字符發(fā)生器 CGRAM，可以使用 CGRAM 來存儲自己定義的最多 8個 58 點陣的圖形字符的字模數(shù)據(jù)。分 4 位和 8位數(shù)據(jù)傳輸方式。初始化后，傳感器輸出兩個字節(jié)的溫度，進行數(shù)據(jù)處理后得到實際溫度的值，利用式（ 2）可計算補償聲速。因此掌握 DS18B20 的通信協(xié)議是使用該器件的關(guān)鍵。它的測量溫度 范圍為 55℃ ~+125℃ ，精度可達℃ ，最大轉(zhuǎn)換時間為 200ms。 圖 22超聲波的接收電路 超聲 波測距系統(tǒng) 9 3 DS18B20 溫度補償電路 根據(jù)上文中式可知，溫度對聲速的影響較大，若不進行補償，將會帶來測量誤差，為了提高系統(tǒng)的測量精度，設計了溫度補償電路。為了進行信號的整形，在設計中的CMOS 電平的 6 非門芯片 CD4069，可以減少電路的復雜程度，提高電路的帶負載能力。 超聲波的接收電路 超聲波接 收電路如圖 22 所示。 圖 21超聲波發(fā)射電路 超聲 波測距系統(tǒng) 8 圖中，與非門 74LS00 和 LM386 組成超聲波發(fā)射電路，用 74LS00 構(gòu)成多諧振蕩器，通過調(diào)節(jié) 20k的電位器，可產(chǎn)生超聲波發(fā)射的 40kHz 信號，其中 U3A為驅(qū)動器，電路振蕩頻率 f≈1/ ，單片機的控制信號由 U2A 輸入。 MC9S12DG128B 微控制器采用增強型 16 位 S12 CPU，片內(nèi)總線時鐘頻率最高可達 25MHz；片內(nèi)資源包括 8kB RAM、 128kB FLASH、 2kB EEPROM、 SCI、 SPI及PWM串行接口模塊； PWM模塊可設置成 4 路 8 位或 2路 16位，可寬范圍選擇時鐘頻率；它還提供 2個 8路 10 位精度 A/D 轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng) CAN 和增強型捕捉定時器，并支持背景調(diào)試模式（ BDM）。 超聲 波測距系統(tǒng) 7 2 微控制器 MC9S12DG128B MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的 S12控制器中的一款 16位微控制器。同時，計數(shù)MC9S12DG128B 內(nèi)部的定時器，測量超聲波信號從發(fā)出到接收所花的時間，并把經(jīng)超聲波換能器 R接收到的超聲波信號放大、濾波、整形，并作為接收信號來啟動定時器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測距的時間操作。 反射式超聲波測距儀的硬件電路設計 本系統(tǒng) 硬件電路由單片機最小系統(tǒng)、溫度補償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路構(gòu)成，如圖 12所示。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩 頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。 壓電式超聲波傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它們所產(chǎn)生的超聲波的