基于PIC單片機(jī)的智能深度檢測儀系統(tǒng)

1、基于PIC單片機(jī)的智能深度檢測儀系統(tǒng)    1 引言在很多工程領(lǐng)域，深度的測量是必不可少的測量項(xiàng)目。如礦山開采中的炮孔深度；在水利工程中河道的深度。測量以及相關(guān)數(shù)據(jù)的處理實(shí)現(xiàn)自動化，成為建設(shè)急需解決的重要課題。 本文討論基于高性能PIC16F877單片機(jī)為主構(gòu)成的距離測試儀，詳細(xì)介紹該儀器的工作原理、基本功能框圖、關(guān)鍵技術(shù)以及相應(yīng)的工作軟件流程。2 系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)基于聲納測量原理。測量儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。下位機(jī)系統(tǒng)中單片機(jī)芯片選用價格低廉，性能優(yōu)良的PIC16F877單片機(jī)，充分利用其提供的軟硬件資源，配以響應(yīng)的外圍電路完成距

2、離檢測。主要組成部分包括：PIC單片機(jī)；外存儲器（E2PROM）；觸摸式鍵盤；液晶顯示器（LCD）；通訊電路；電池電源通斷控制電路。下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)聲波的發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)的處理及傳輸。除此之外，各下位機(jī)還具有獨(dú)立顯示溫度的功能，避免因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的故障而造成整個系統(tǒng)的癱瘓。上位機(jī)是整個控制系統(tǒng)起統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)指揮的作用。它的主要功能有：數(shù)據(jù)采集處理；數(shù)據(jù)顯示；超限報(bào)警；文件處理等。 2.1微處理器系統(tǒng)PIC 單片機(jī)是Microchip 公司推出的單片機(jī)系列, 它采用先進(jìn)的RISC 技術(shù), 具有低價格、低功耗、高性能、全靜態(tài)、易使用等特點(diǎn)。目前已在儀器儀表、工業(yè)自動化、計(jì)算機(jī)通訊以及民用產(chǎn)

3、品等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用, 本設(shè)計(jì)中采用了PIC 系列中的PIC16F877 作為電路系統(tǒng)的控制核心,在本系統(tǒng)中,以I2C 總線方式利用RCO、RC1 口與存儲器24WC02 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,并通過RC2、RC3 口對電源進(jìn)行監(jiān)測, RC4、RC5用于聲波的發(fā)射與接受，RC6、RC7與上位機(jī)通訊, RB2、RB3、RB4 口驅(qū)動液晶顯示模塊, RA口進(jìn)行鍵盤的輸入。2.2 聲波發(fā)射模塊電路上電以后，程序讀取外部存儲電路中記錄下的聲波發(fā)生器晶體頻率。系統(tǒng)工作時，每隔2秒系統(tǒng)發(fā)射一次5個連續(xù)矩形波，矩形波占空比為50%。矩形波的頻率和聲波發(fā)生器內(nèi)晶體頻率須一致，這樣才能產(chǎn)生最佳的聲波。為了提高聲波發(fā)射

4、功率，RC0在正半周期輸出為5V，負(fù)半周期為0V，RC1在正半周期輸出為0V，負(fù)半周期為5V。2.3 變增益聲波接收模塊當(dāng)有聲波返回時，接收電路將捕捉到返回的聲波。由于聲波在傳播過程中，隨傳播距離呈指數(shù)衰減，圖中放大器U6A的增益隨著時間也要呈指數(shù)變大。所以選用了具有32級可調(diào)電阻的數(shù)字電位器（X9315），在檢測聲波信號時，隨著時間給數(shù)字電位器脈沖，以減小其電阻值。如果收到信號，信號在經(jīng)過電位整形、去除毛刺、做比較之后，送到RC2口的是一個5V信號。如果沒有檢測到回波，可能出現(xiàn)情況是回波的幅值過小。通過調(diào)整阻值大小，增加放大器增益。放大器增益不可過大，否則會帶來引進(jìn)干擾信號及高次回波的問題。

5、 利用單片機(jī)提供的預(yù)分頻器，記錄下此刻時間T。根據(jù)D0.5VT（V為聲波在介質(zhì)中傳播速度）計(jì)算出回波單程走過的距離。2.4與上位機(jī)通訊單片機(jī)在處理完數(shù)據(jù)以后，需要將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，讓上位機(jī)做處理、記錄。上位機(jī)也需要將聲波在介質(zhì)中的傳播速度數(shù)據(jù)輸送到下位機(jī)。通用同步異步接收發(fā)送模塊（USART） 是兩個串行通信接口之一，USART 又稱為SCI（Serial Communication Interface）。USART 可以設(shè)置為全雙工異步串行通信系統(tǒng)， 這種方式可以與個人計(jì)算機(jī)PC 或串行接口CRT等外圍設(shè)備進(jìn)行串行通信；也可以設(shè)置為半雙工異步串行通信系統(tǒng)， 與串行接口的A / D 或D /

6、 A 集成電路、串行EEPROM等器件連接。USART是二線制串行通信接口，它可以被定義為如下三種工作方式：全雙工異步方式、半雙工同步主控方式、半雙工同步從動方式。為了把RC6 和RC7 分別設(shè)置成串行通信接口的發(fā)送/時鐘（TX/CK）線和接收/ 數(shù)據(jù)（TX/DT）線，必須首先把SPEN位（TCSTAT的RD7） 和方向寄存器TRISC 的D7：D6 置1。USART功能模塊含有兩個8 位可讀/ 寫的狀態(tài)/ 控制寄存器，它們是發(fā)送狀態(tài)/ 控制寄存器TXSTA和接收狀態(tài)/ 控制寄存器TCSTA。USART 帶有一個8 位波特率發(fā)生器BRG（Baud Rato Generator），這個BRG 支

7、持USART 的同步和異步工作方式。用SPBRG 寄存器控制一個獨(dú)立的8 位定時器的周期。在異步方式下， 發(fā)送狀態(tài)/ 控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）也被用來控制波特率（在同步方式下忽略BRGH位）。向波特率寄存器SPBRG寫入一個新的初值時，都會使BRG定時器復(fù)位清零，由此可以保證BRG不需要等到定時器溢出后就可以輸出新的波特率。對 USART方式進(jìn)行初始化的程序如下：BSF STATUS,RP0 ；將指針指向數(shù)據(jù)存儲器的第1頁MOVLW 0x19MOVWF SPBRG ；設(shè)置波特率為9600BCF STATUS,RP0 ；將指針指向數(shù)據(jù)存儲器的第0頁CLRF RCSTA ；將接收

8、控制和狀態(tài)寄存器清零BSF RCSTA,SPEN ；串口允許CLRF PIR1 ；清除中斷標(biāo)志BSF STATUS,RP0 ；將指針指向數(shù)據(jù)存儲器的第1頁CLRF TXSTA ；將發(fā)送控制和狀態(tài)寄存器清零BSF TXSTA,BRGH ；設(shè)置為異步、高速波特率BSF TXSTA,TXEN ；允許發(fā)送BCF STATUS,RP0 ；將指針指向數(shù)據(jù)存儲器的第0頁BSF RCSTA,CREN ；允許接收初始化完成后， 即可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時， 通過查詢發(fā)送/ 接收中斷標(biāo)志位即可判斷是否發(fā)送完一個數(shù)據(jù)/ 接收到一個數(shù)據(jù)。發(fā)送/ 接收中斷標(biāo)志位不需要也不能用軟件復(fù)位。在異步串行發(fā)送的過程中

9、，只要TXREG 寄存器為空，中斷標(biāo)志T X I F 就置位。因此， TXIF為1 并不是發(fā)送完畢的標(biāo)志， 但仍可以用TXIF 標(biāo)志來判斷。因?yàn)楫?dāng)TXREG 為空時，將數(shù)據(jù)送入后，數(shù)據(jù)會保留在TXREG 寄存器中，直到前一個數(shù)據(jù)從發(fā)送移位寄存器中移出， 即前一個數(shù)據(jù)發(fā)送完。在本設(shè)計(jì)中， 單片機(jī)與IC卡通信的本系統(tǒng)將C 口的RC 6 和RC7 設(shè)置成異步串行通信模式， 經(jīng)過MAX232A芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平，再與DB9 接口相連， 即可實(shí)現(xiàn)通信。3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)流程 系統(tǒng)流程參見圖2。  圖2 系統(tǒng)流程3.2 諧波處理系統(tǒng)在發(fā)射完聲波以后

10、，聲波發(fā)射器存在余震，在其后的一段時間內(nèi)不能檢測回波，所在軟件中要屏蔽這段時間的信號檢測。由于被測物體表面不光滑、聲波介質(zhì)性質(zhì)復(fù)雜以及回波出現(xiàn)諧波等原因，存在多次回波情況。對于前兩種情況，只要找出最后一次回波即可；對于最后一種情況，需要用判斷出它的諧波。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的都是二次諧波，三波以及更高的諧波由于聲波的衰減，基本不會出現(xiàn)。所以在程序中需找出二次諧波，并將之剔除。具體程序如下： RLF TEMP1 ;TEMP1記錄了時間的高位，將其乘以2RLF TEMP2 ;temp2記錄的是時間的低位BTFSS STATUS ,CGOTO OP1INCF TEMP1,F OP1 MOVF TEMP1,WSUBWF RESULT1,WSKPZGOTO OP2MOVF TEMP2,WSUB