【正文】 590L， AD590M一般用于精密溫度測(cè)量電路，其電路外形如圖 1 所示，它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 1腳為電源正端 V＋； 2腳為電流輸出端 I0； 3腳為管殼， （ 1） 流過器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即： mA/K 式中： — 流過器件（ AD590）的電流，單位為 mA； T— 熱力學(xué)溫度，單位為 K。 5． 1． 1 AD590的功能及特性 AD590 是電流型溫度傳感器，通過對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。電壓輸出型的靈敏度一般為 10mV/K，溫度 0℃ 時(shí)輸出為 0，溫度 25℃ 時(shí)輸出。 （ 3） 集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。總之，與水銀溫度計(jì)、銅 康熱電偶溫度計(jì)及半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)相比， AD590 具有線性好、測(cè)溫不需參考點(diǎn)及消除電源波動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在常溫范圍內(nèi)可以取代它們，廣泛的應(yīng)用于科技和工業(yè)領(lǐng)域中。 AD590 溫度傳感器不但實(shí)現(xiàn)了溫度轉(zhuǎn)換為線性化電量測(cè)量，而且精確度高、互換性好、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，因此，可把輸出的電信號(hào)經(jīng) AD 卡轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)采集 Vit的數(shù)據(jù)，以發(fā)揮其實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 14 圖 接收電路 發(fā)射的超聲波被調(diào)制成包含 .40KHz方波的具有一定時(shí)間間隔的矩形波脈沖號(hào) ,其發(fā)射 與 接收脈沖工作時(shí)序圖如圖 : 由單片機(jī) AT89S51的 H橋電路的使能端 EN，送出 40KHz的超聲波脈沖信號(hào)，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制 .脈沖寬度約為 125到 200us，即在一個(gè)調(diào) 制脈沖內(nèi)包含 5到 8個(gè) 40KHz的方波 .脈沖發(fā)送間隔取決于要求測(cè)量的最大距離 . 若在有效測(cè)距范圍內(nèi)有被測(cè)物體，則在后一次超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一次發(fā)射的反射波，否則認(rèn)為前方無被測(cè)物 體 . 因 此，按有效測(cè)距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時(shí)間 . 圖 發(fā)射 與 接收脈沖工作時(shí)序圖 15 5 測(cè)溫芯 AD590 5． 1 AD590 簡(jiǎn)介 （ 1） 溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，它不僅廣泛應(yīng)用于日常生活中，而且也大量應(yīng)用于自動(dòng)化和過程檢測(cè)控制系統(tǒng)。 經(jīng)過 2極放大后，通過電容耦合，信號(hào)與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平，提供給單片機(jī)產(chǎn)生中斷 。 電容的選擇可由公式 f=1/2πRfC1求出，式中 f0為采用的超聲波頻率， Rf為第一級(jí)的 反饋電阻 。 4． 2超聲波接收電路 超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路，如圖 所示 ,模擬放大器選用 高精度儀用放大器 LM318 作為信號(hào)放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為 15MHz，超出音頻范圍能夠滿足 40kHz 的要求。 (3) 匹配濾波器與相關(guān)接收和相關(guān)器具有等效性。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識(shí)，輸入為已知信號(hào)加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大 。 信號(hào)的最佳接收在傳感器接收到的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。 這在設(shè)計(jì)上使得控制和方波產(chǎn)生相對(duì)獨(dú)立，從而使得電路簡(jiǎn)單 ， 控制精確，易于調(diào)試 。 驅(qū)動(dòng)電路的直流電源電壓可以改變，以適應(yīng)不同傳感器對(duì)電壓的要求 。 圖 振 蕩電路 驅(qū)動(dòng)控制電路圖 。 由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以 Rf采用電位計(jì)，可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點(diǎn)。 振蕩周期公式為 T=Rf C 因?yàn)?CD4069為 CMOS 結(jié)構(gòu)，所以邏輯門前的電阻 Rp為 G1的保護(hù)電阻 。隨著時(shí)間的增加， vi1從其初值開始減小，當(dāng) vi1減小到 VTH時(shí)，電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變?yōu)椋? vo1=1，vo=0（第一暫態(tài)）。隨 著時(shí)間的增加， vi1增大，當(dāng) vi1達(dá)到 VTH時(shí)，電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變?yōu)椋? vo1=0， vo=1（第二暫態(tài)）。 （ 3） 輸出周期性的矩形脈沖信號(hào)，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器 單穩(wěn)態(tài)電路由暫態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)是由于電容的充放電引起的。 10 3 超聲波發(fā)射單元 多諧振蕩器 特點(diǎn) （ 1） 多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 顯示部分采用的是動(dòng)態(tài)掃描顯示， +5V的正電源通過排阻為 LED 提供驅(qū)動(dòng)電流，四個(gè)非門實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描的各位選通。在溫度顯示狀態(tài)下，按下 S1 鍵就可退出溫度顯示。在設(shè)計(jì)中，由于超聲波傳播速度受溫度的影響很大， 9 所以采用了溫度傳感器進(jìn)得補(bǔ)償，為了使該功能更加明顯，增加了溫度顯示功能，按鍵 S2 就用實(shí)現(xiàn)溫度顯示和距離測(cè)量切換。 （ 3） 由 按鍵 S1和按鍵 S2組成按鍵電路。其電路如圖 所示： 8 圖 單片機(jī)外圍電路 單片機(jī)外圍電路結(jié)構(gòu)及功能介紹 （ 1） 由 c1 和 c2 和 12MHZ 晶振組成起振電路。 口（ Pin39～ Pin32）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 口（ Pin1～ Pin8）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 口（ Pin21～ Pin28）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 口（ Pin10～ Pin17）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 上面就是 AT89S51單片機(jī)引腳的簡(jiǎn)單介紹。 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） AT89S51 單片機(jī)有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個(gè)口有 8 位（ 8 根引腳 ），共 32 根。 控制引腳（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 主電源引腳（ 2 根） ， VCC(Pin40)：電源輸入，接＋ 5V 電源 ， GND(Pin20)：接地線 。 2． 1． 1 主控芯片的選擇 本文以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 51 系列家族的 AT89S51 和 AT89C2051 兩種單片機(jī)來講解，兩種單片機(jī)是目前最常用的單片機(jī)，其中 AT89S51 為標(biāo)準(zhǔn) 51 單 6 片機(jī)，當(dāng)然其功能比早期的 51 單片機(jī)更強(qiáng)大，支持 ISP 在系統(tǒng)編程技術(shù)，內(nèi)置硬件看門狗。 由 以上分析，由單片機(jī)組成的控制很明顯優(yōu)于由組合邏輯電路組成的控制方案 。另外還可以與 PC 機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)智能化控制與遠(yuǎn)程控制。主控制器脈 沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行超聲波發(fā)送 ， 采用時(shí)間間隔法來檢測(cè)到障礙物的距離，通過 數(shù)碼管 直接對(duì)測(cè)試距離進(jìn)行顯示 ， 因溫度是影響超聲波傳播速度最重要的因素 ， 考慮到在精度方面的要求，采用了 集成測(cè)溫芯片 ， 對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償 ,提搞測(cè)量的精度。 由于超聲波指向性強(qiáng)， 能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長距離測(cè)量。其中，渡越時(shí)間法因其原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，而被廣泛采用。 1. 5 超聲波測(cè)量距離的 原理 超聲波是指頻率超過 20kHz的聲波，因其具有指向性強(qiáng)、在介質(zhì)中衰減小、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，經(jīng)常用于實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。其中溫度的影響最大。 這樣傳感器方向性尖銳 ， 且避開了噪聲 ， 提高了信噪比 ； 雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來困難。 (3) 從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。 3 (1) 如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波 的吸收與聲波頻率的平方成正比 ， 為減小聲波的傳播損失 ， 就必須降低工作頻率。太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下，選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑 r=，故θ =2*arcsin( /2*π *r)=75176。 當(dāng) f0 選定后 ， 指向角θ近似與傳感器半徑成反比。 1． 3超聲傳感器的特性 傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的 夾角，是 影 響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，它直 接影響測(cè)量的分辨率。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)，便產(chǎn)生超聲波。 1． 2 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相 同，因而用途也各不相同?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。因此本設(shè)計(jì)也是利用超聲波來測(cè)量距離 。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。隨著自動(dòng)測(cè)量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測(cè)距的應(yīng)用也非常廣泛。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩