基于單片機控制的超聲波傳感器的系統(tǒng)設(shè)計論文(含中英文翻譯資料)

沈陽理工大學學士學位論文PAGE83摘要化石能源是不可再生能源，隨著人類工業(yè)化進程的發(fā)展，對能源的消耗量與日俱增。人類已經(jīng)面臨著能源枯竭的危險，且在短期內(nèi)難以改變對化石能源的依賴。但是我們可以做一些努力，減少對能源的浪費。目前的餐飲業(yè)，廚房均使用帶鼓風機的燃氣、燃油炒菜爐灶。這些爐灶烹飪菜的過程中每炒一道菜約有50%-60%的累積時間是空燒的，這是一種浪費。此研究就是為了減少這種浪費。在這里我們主要研究飯店里大量使用的燃油灶，在燃油灶上加裝一個控制系統(tǒng)，以達到不改變廚師的操作習慣而由控制系統(tǒng)自動達到節(jié)能的目的。本文主要研究了基于超聲波的單片機節(jié)能控制電路，由單片機發(fā)出40KHZ的脈沖信號經(jīng)由功放以驅(qū)動超聲波探頭。再由探頭接收回波，經(jīng)過一系列的處理形成中斷信號已達到測距的目的。由測得的距離值來判斷是否執(zhí)行節(jié)能操作，以達到節(jié)能控制的目的。關(guān)鍵詞節(jié)能；單片機；超聲波；自動化AbstractFossilfueliscannotrenewablesourcesofenergy，withthedevelopmentofindustrialisationprogressalongwiththehumanbeing，Increasingwastageofthefuelwitheachpassingday。Thehumanbeinghavealreadyfaceddriedupriskoffuel，Andintheshortrunitishardalterationtoleanoffossilfuel。Butwecancommitsomeeffort，Cutingthewastetothefuel。Currentdiningindustry，Kitchenallemploythatburntinggas,burntingoilcookingrangewithblower。Thesecookingrangescookthecourseoffoodthereareabout50%-60%accumulatetimewillbewasteandThisisakindofwaste。Thisresearchwillbeforcuttingthiskindofwaste。Wemainlystudyburntoilcookingstoveofagreatdealofbeingemployedinhotel。Addacontrolsystemontheburntoilcookingstovethatcouldcutwasteatthesametimenotalterthehabitofthecookeratall。ThetextmainlystudiedbaseonultrasonicwaveofMCUeconomizeonenergycontrolsystem。TheMCUsendthepulsesignalof40KHZamplifiedbypoweramplifiertodrivingultrasonicwavesensor，andthesensorreceptionbackwave,passbyaseriesofoftreatingforminterruptionsemaphoreforthetargetofmeasuretothedistance。Frommeasureofthedistancetojudgewhetherruneconomyenergyworkingtoarriveatthetargetofeconomizeonenergy。Keyword：Energyconservation;MicroControlUnit;ultrasonic；Automation目錄TOC\o"1-3"\h\u641摘要 I11705Abstract II8692目錄 III242061前言 1112831.1課題的背景 130701.2立題的目的和意義 1234211.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 213242超聲的概述 3199112.1超聲應(yīng)用的發(fā)展 3144512.2超聲波的基本性質(zhì) 4109222.3超聲波的分類 4323212.4超聲應(yīng)用領(lǐng)域 54992.5超聲波的衰減 5173832.6幾種測距方法介紹 6321582.6.1核輻射法 6239872.6.2微波測量法 7127902.6.3光學測量法 8171692.6.4超聲測量法 8255422.7超聲波測距優(yōu)越性 973703超聲波傳感器 1027703.1超聲波傳感器工作的基本原理 10268943.2超聲傳感器的特性 11182573.3聲速 13112253.4測量盲區(qū) 144節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計 154434.1總體方案的確定 15126284.2發(fā)射電路的方案設(shè)計 1671024.2.1發(fā)射電壓 1625784.2.2發(fā)射信號方式 16109594.2.3脈沖源的討論與發(fā)射電路 17266524.3接收電路的方案設(shè)計 20270294.3.1前置放大電路 20126034.3.2帶通濾波電路 21198504.3.3二值化電路 25226624.4本設(shè)計所使用的單片機 26109534.4.1AT89C51主要特性 27249694.4.3AT89C51振蕩器特性 29243544.4.4AT89C51芯片擦除 29167664.5電源的設(shè)計 2917644.6溫度補償 32141904.6.1DS18B20簡介 3243644.6.2DS18B20的外形及引腳定義 32148994.6.4DS18B20的測溫原理 34301224.6.5DS18B20與單片機的接口電路 35214264.7執(zhí)行電路設(shè)計 37104345系統(tǒng)軟件設(shè)計 40150505.1單片機編程語言的選擇 40299455.2系統(tǒng)的軟件規(guī)劃 41188855.3程序結(jié)構(gòu) 4112205.3.1主程序部分 4275075.3.2子程序部分 44220045.3.3中斷服務(wù)子程序 45結(jié)論 4718516致謝 4829404參考文獻 49附錄 50附錄A系統(tǒng)硬件電路圖 50附錄D單片機C語言程序 51附錄DDS18B20驅(qū)動程序 5511004附錄D英文原文 6325953附錄E中文翻譯 741前言1.1課題的背景目前的餐飲業(yè)，廚房均使用帶鼓風機的燃氣、燃油炒菜爐灶。廚師在使用這些爐灶烹飪中國菜過程中，諸如：加油、加調(diào)料、分菜、裝盆等時間內(nèi)，炒菜鍋是要離開爐膛不需要用火的。然而，雙手忙碌的廚師此時不可能隨機地根據(jù)需要動手調(diào)小火力，因而存在著每炒一道菜約有50%-60%的累積時間是空燒的，這樣，浪費了昂貴的燃料，空燒了金錢。這點也是每個餐飲業(yè)主一直為此煩惱而又無法克服的成本支出。1.2立題的目的和意義燃氣、燃油爐灶節(jié)能控制器（簡稱爐灶節(jié)能器）是一種面向未來的高效節(jié)能裝置。節(jié)能器依托燃氣燃油爐灶和操作控制系統(tǒng)運行，達到節(jié)能的目的。其操作控制系統(tǒng)的本質(zhì)是通過廚師使用爐灶烹飪時，炒菜鍋在爐灶上放上或拿起的機械性變化被電子控制器感應(yīng)檢測，并同步控制爐灶火焰變化，達到杜絕空燒的目的。給餐飲業(yè)的中式炒菜爐灶帶來一次革命。并為我們在節(jié)能減排事業(yè)中貢獻力量！使用爐灶節(jié)能器后每臺爐灶在炒菜累積時間內(nèi)與原爐灶相比，燃油灶節(jié)約25—30%燃料，燃氣灶節(jié)約30—35%燃料（根據(jù)廚師操作習慣而定）。能有效降低廚房的空氣溫度與爐灶噪聲。基本杜絕了爐灶的空燒，降低爐灶空燒時散發(fā)的煙氣對周圍空間的污染，減少了爐灶空燒時造成的抽油煙機自燃的可能。避免了廚師回身作業(yè)時烘烤后背之苦。下表燃油爐灶節(jié)能按25%估算，柴油按5.0元/kg估算，燃氣爐灶節(jié)能按30%估算，天然氣按3.5元/m3估算。大約節(jié)約能源（以全國100萬臺爐灶計算）每臺燃氣爐灶每天節(jié)約1.8m3×5小時×3.5元/m3=31.5元每天節(jié)約：31.5×100萬=3150萬元，每年節(jié)約114.98億元。表1.1項目節(jié)能效果估算表使用燃料普通爐灶耗燃料安裝節(jié)能器的爐灶耗燃料節(jié)約金額燃油（柴油）4.05kg/小時×5小時/每天×30天/月=607.5kg607.5kg×5.0元≈3037元4.05kg/小時×(1—25%)×5小時/每天×30天/月=455.6kg455.6kg×5.0元≈2278元3037-2278=759元/月燃氣（天然氣）6m3/小時×5小時/每天×30天/月=900m3900×3.2元=2880元6m3/小時×(1—30%)×5小時/每天×30天/月=630m3630×3.2元=2016元2880-2016=864元/月1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前在國內(nèi)及國外此技術(shù)乃首創(chuàng)。廚用燃汽燃油節(jié)能控制系統(tǒng)開發(fā)研究是集機械技術(shù)，計算機技術(shù)，自動控制技術(shù)，微電子技術(shù)的系統(tǒng)，對每一項分類來講，這些技術(shù)都已經(jīng)成熟，且社會對節(jié)能的渴望造就了巨大的市場空間，該系統(tǒng)的設(shè)計成功必將帶來旺盛需求。2超聲的概述2.1超聲應(yīng)用的發(fā)展聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機械振動密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運動所產(chǎn)生的機械振動以波的形式向外傳播。根據(jù)振動所產(chǎn)生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于20KHz的聲波稱為超聲波，它屬于機械波的范疇。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減。它也有自已的特性，如它的頻率可以非常高，達到兆赫級，因此，它在介質(zhì)中傳播時能量可以集中在很小的范圍內(nèi)，具有良好的成束性，也就是方向性好。超聲波的研究歷史可以追溯到上個世紀。1883年，Galton首先發(fā)現(xiàn)了超聲波的存在，他當時的研究目的主要是探索人類所能感知的聲譜范圍。在Galton之后的三十年中，超聲波仍然是一個鮮為人知的東西，由于當時電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。因此，當壓電效應(yīng)和磁致現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后并沒有應(yīng)用于制造有效的超聲設(shè)備。在第一次世界大戰(zhàn)中，對超聲的研究逐步受到重視。由于戰(zhàn)爭的需要，法國人Langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來檢測水中是否存在潛艇并可以進行水下的通信聯(lián)絡(luò)。在我國，超聲學的研究開始于二十世紀五十年代，1959年至1964年間我國建立了分子聲學實驗室，對馳豫吸收、懸浮體的聲吸收等問題進行了深入的研究，設(shè)計生產(chǎn)了固體中超聲衰減的測量設(shè)備，對粘彈性和可壓縮流體的聲速和衰減的研究取得了令人興奮的成果。同時在超聲波探傷、加工、種子處理、顯示、醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域取得了可喜的成績。表面波換能器的研究我國開始于1965年，于1970年開始了高頻表面波的研究，1977年，我國研制成表面脈沖壓縮濾波器。在80年代以后，我國的超聲研究進入了一個全新的階斷，取得了一系列標志性成果，壓電復(fù)合材料研制成功，窄脈沖短余振探頭問世，PVDF高分子壓電薄膜材料趕上并超過國際水平，高分子壓電PVDF型換能器和超聲顯微鏡的研究獲得了實用，高頻壓電材料LiNb03研制成功。在應(yīng)用方面，B超和A超醫(yī)療探頭開始投入生產(chǎn)和醫(yī)療應(yīng)用。超聲顯微鏡投入應(yīng)用?？偟膩碚f，我國在超聲方面的研究在某些方面己走在了世界的前列。近年來超聲測試技術(shù)已明顯表現(xiàn)出下列趨向:1、由定性的判斷缺陷的有無而發(fā)展為對缺陷的位置、大小、形狀、性質(zhì)進行定量判斷，并且利用各種成像技術(shù)直接顯示缺陷的二維、三維圖像;2、向在線自動檢測和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測試技術(shù)取得突破進展;3、超聲測試技術(shù)和材料的物性評價相結(jié)合，材料的設(shè)計、加工和工程應(yīng)用迅速發(fā)展。2.2超聲波的基本性質(zhì)波長這樣短的超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì)：(1)超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦，因此可以利用這些性質(zhì)進行測量、定位、探傷和加工處理等。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同；(2)超聲波的波長很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當，由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強的波束，波長愈短方向性愈強，因此超聲用于探傷、水下探測，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體；(3)能夠產(chǎn)生窄的脈沖，為了提高探測精度和分辨率。要求探測信號的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長的幾倍(如要產(chǎn)生更窄的脈沖在技術(shù)上是有困難的)，超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號發(fā)生器；(4)功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強大的能量。聲波作用于物體時，物體的分子也要隨著運動，其振動頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運動速度越快，物體獲得的能量正比于分子運動速度的平方。超聲頻率高，故可以發(fā)出很大的功率。2.3超聲波的分類聲波在真空中不能進行傳播，必須通過氣體、液體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為344m/s。根據(jù)聲源在介質(zhì)中施力方向與聲波傳播方向的不同，聲波的波形也不同，通常有以下幾種(1)縱波。質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致的波。它能在固體、液體和氣體中傳播；橫波。質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波。它只能在固體中傳播；(3)表面波。質(zhì)點的振動介于縱波與橫波之間，沿表面?zhèn)鞑ァＵ穹S深度增加而迅速衰減的波。從上述分類可看出，只有縱波可以在氣體中傳播。因此，目前在空氣中的超聲波測量系統(tǒng)大多依靠縱波來實現(xiàn)。而實際測量用的超聲波主要集中在頻率Hz的范圍內(nèi)。其中，靠近低頻段主要用于空氣和液體介質(zhì)中的測量系統(tǒng)，中頻和高頻段主要用于固體介質(zhì)的測量。這主要是由于介質(zhì)對聲波能量的吸收隨著聲波頻率的升高而增加，頻率越高，聲波在介質(zhì)中衰減的就越快。而在固體介質(zhì)中，測量的量程比較短(例如超聲波探傷，測工件厚度等)，在液體和氣體中，測量的量程比較長(例如空氣中的超聲波測距，海洋中測深度等)，因此，氣體和液體中測量所選擇的聲波頻率就要比固體介質(zhì)中低。2.4超聲應(yīng)用領(lǐng)域超聲在許多領(lǐng)域內(nèi)比可聽聲的用途更加廣泛，是基于以下兒個原因:1、具有方向性，超聲波的頻率越高，則方向性越強。在無損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)中方向性是一個重要的考慮因素。2、超聲波的頻率越高，則波長越短，波長可以小到與超聲傳播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探傷、微小厚度測量、高精度測距中，這一點相當重要。3、超聲是不可聽聲，這樣就避免產(chǎn)生噪聲，因而超聲具有綠色特性。在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波被應(yīng)用在金屬材料和部分非金屬材料探傷，鋇口厚，以及超聲振動切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。以及進行物位、濃度、硬度、溫度等檢測。超聲波被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域，在診斷顯像技術(shù)，血流測量計，胎兒檢查儀，超聲波潔牙器等醫(yī)療器械都是利用了超聲波的特性。在軍事領(lǐng)域中，超聲波用于雷達目標定位，武器制導，軍用機器人等方面。2.5超聲波的衰減超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個過程，超聲波會有很大的衰減。由于聲波的衰減，使得A(x)隨傳播距離的變化而變化。聲學理論證明，吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律。（2.1）設(shè)在距離超聲接收器x處有被測物，則空氣中傳播的超聲波波動方程描述為：（2.2）（2.3）其中A(x)為超聲傳感器接收的振幅；為超聲傳感器初始振幅；為衰減系數(shù)；x為超聲波傳播距離；ω為傳播角頻率；k=2π/λ為波數(shù)；λ為聲波波長；t為傳播時間。衰減系數(shù)。其中b為空氣介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。在空氣中，，當振動的聲波頻率f=40KHz時，可得，它的物理意義在于：超聲波在空氣媒介中傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗，在1/α長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的1/e。由此可見，超聲波頻率越高，其衰減越快，傳播的距離也越短。同時超聲波頻率的過高會產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強，這一點有利于距離測量。權(quán)衡這兩點，為達到良好的測距效果，也是選取中心頻率為40kHz的原因。采用合適的頻率和波長，使用超聲波傳感器測距，頻率取得太低，外界雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播過程中衰減較大。并且，超聲波傳感器在測量過程中容易產(chǎn)生盲區(qū)，接收端易接收到泄漏波。改善這一缺點，須減少發(fā)射波串的長度，增高發(fā)射波頻率。但發(fā)射波串長度過短會使得發(fā)射換能器不能被激振或激振達不到最大值；發(fā)射波頻率過高則衰減大，作用距離下降。有試驗表明：使用40kHz的超聲波，發(fā)射脈沖群含有5～16個脈沖，具有較好的傳播性能。本設(shè)計中一次發(fā)出5個脈沖。2.6幾種測距方法介紹除超聲波測距外，目前被廣泛使用的還有核輻射測距、微波測距、光學測距等，下面對這幾種測距方法進行介紹。2.6.1核輻射法不同物質(zhì)對同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強，液體次之，氣體最差。當射線射入厚度為H的介質(zhì)時，會有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強度I與入射強度Io之間有如下關(guān)系:(2.4)式中，為吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。上式可變?yōu)?2.5)因此，測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的變化量來實現(xiàn)。輻射式物位計既可進行連續(xù)測量，也可進行定點發(fā)送信號和進行控制。射線不受溫度、壓力、濕度、電磁場的影響，而且可以穿透各種介質(zhì)，包括固體，因此能實現(xiàn)完全非接觸測量。這些特點使得輻射式測距計適合于特殊場合或惡劣環(huán)境下的液位測量，如高溫、高壓、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)、高溫熔融體等的液位測量。但在使用時仍要注意控制劑量，作好防護，以防射線泄漏對人體造成傷害。2.6.2微波測量法在電磁波譜中將波長為1~l000mm的電磁波稱為微波。微波的特點是在各種障礙物上都能產(chǎn)生良好的反射，具有良好的定向輻射性能;在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強光的影響小，具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理技術(shù)的迅速發(fā)展，微波檢測技術(shù)從長期停滯不前的原理性、實驗性研究階段，迅速進入工程實用和產(chǎn)業(yè)化階段。有關(guān)廠商不斷推出各種高性能的微波固體器件以及微波集成電路，不但使微波發(fā)射接受電路實現(xiàn)小型化，而且性能指標也有很大的提高，價格也有很大的下降。利用介質(zhì)對微波的反射或吸收特性，微波檢測技術(shù)在運動目標檢測，目標物含水率檢測，液位、料位檢測等方面的應(yīng)用愈來愈廣泛。調(diào)頻物位測量計是由調(diào)頻固態(tài)源產(chǎn)生等幅的無線電波，其振蕩頻率在時間上按調(diào)制信號呈周期性變化，設(shè)在某一瞬間頻率為f0，由發(fā)射器射向測量對象，并由測量對象反射回來，經(jīng)過接收器接收，輸入混頻器，在回波到達混頻器的瞬間，固態(tài)源的振蕩頻率由于調(diào)制信號的作用，較回波頻率己有了變化，設(shè)為f1，它繼續(xù)不斷地射向測量對象，并有一部分作為本振頻率耦合到混頻器與f1進行混頻。這樣，在混頻器的輸出端就產(chǎn)生了差頻Δf，并且此差頻與發(fā)射器和接收器離測量對象的距離L成正比，測量出Δf的大小也就可以計算得到距離L的數(shù)值。設(shè)調(diào)制信號波形為三角形，固態(tài)源初始頻率為f0，則固態(tài)源頻率變化規(guī)律為(2.6)式中，T為調(diào)制波周期，F(xiàn)為調(diào)制波頻率，f0為固態(tài)源初始頻率，f2為本振頻率，Δf0為固態(tài)源調(diào)制信號1/2周期內(nèi)的頻偏范圍，t為時間?；夭l率為(2.7)式中，f1為回波頻率，Δt為微波往返于被測對象之間的延遲時間，C為光速，L為被測距離，所以，差頻頻率Δf為(2.8)由上式整理得被測距離L為(2.9)從上式可以看出被測距離L與差頻頻率Δf成正比。當固態(tài)源的調(diào)制頻率F和頻偏Δf0一定時，只要測出Δf，就可以計算得到L。當固態(tài)工作源頻偏Δf0=300MHz,調(diào)制頻率F=1kHz時，代入式中可得(2.10)通過頻率差計算出位置的變化。2.6.3光學測量法激光用于液位測量，克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離近、單色性差、易受干擾等缺點，使測量精度大為提高。激光式液位檢測儀由激光發(fā)射器、接收器及測量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在物位測量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點檢測控制，不易進行連續(xù)測量。2.6.4超聲測量法超聲波測距的基本原理是，由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在空氣中傳播，遇到空氣與物體的界面后被反射，接收到回波信號后能得到超聲波傳播時間。根據(jù)其傳播速度和傳播時間計算出其傳播距離，得到傳感器到物體的距離。即，(2.11)其中D--測量距離（m）C--超聲波的傳輸速度（m/s）2.7超聲波測距優(yōu)越性位移測量是工業(yè)中經(jīng)常遇到的一個問題。針對不同用途和要求(從測量范圍、精度要求、測量條件等考慮)，位移測量有多種測量技術(shù)：有機械的浮子方法；利用電阻、電感、電容的非電量電測量方法；有光學或激光測量方法；有利用放射性或射流技術(shù)的測位方法等，在本設(shè)計中采用的是超聲波測量技術(shù)。超聲波測位移有很多優(yōu)點，與放射性技術(shù)相比不需防護；與目前的激光測距相比，超聲技術(shù)雖在精度上略遜一籌，但比較簡單、價格低廉；更重要的是在惡劣環(huán)境下，激光測距將受到嚴重干擾，此時超聲測量的高精度就會體現(xiàn)出來。一般來說，超聲波位移測量無須有運動的部件，所以在安裝和維護上占有很大的優(yōu)越性。超聲波位移測量可以選用氣體、液體或固體作為傳聲媒介，具有很大的適應(yīng)性，因此，在測量要求比較特殊，一般測量方法無法采用時，可考慮采用超聲波測位移。3超聲波傳感器3.1超聲波傳感器工作的基本原理超聲波傳感器是實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱超聲換能器或超聲波探頭。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號。目前常見的超聲波發(fā)射和接收器件的標稱頻率一般為40kHz，頻率取得太低，外界雜音干擾較多，太高在傳播過程中衰減較大。按作用原理不同，超聲波傳感器可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，其中壓電陶瓷晶片制成的換能器最為常用[17]。在原理上利用壓電陶瓷材料在電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的功能。其示意圖如圖3.1所示：圖3.1雙壓電晶片示意圖這種傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。需用的壓電材料較少，價格低廉且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷片加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，據(jù)逆壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向是于外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f的電壓脈沖，晶片就會產(chǎn)生同頻率的機械振動。這種機械振動推動空氣等媒質(zhì)，便會發(fā)出超聲波。反之，如在壓電陶瓷晶片上有超聲波作用，將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲波相同的電信號。當在A，B間施加交流電壓時，若上片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率，即中心頻率發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓頻率要與它的固有諧振頻率一致，接收超聲波時，作用在它上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲波傳感器才有較高的靈敏度，當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可以非常方便地改變其固有諧振頻率。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示：圖3.2超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖超聲波傳感器由壓電陶瓷晶片、錐形諧振板、底座、端子、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成。其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形諧振板是發(fā)射和接收超聲波的能量集中，并使傳感器有一定的指向角。金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形諧振板的損害，金屬網(wǎng)也是起保護作用的，但不影響發(fā)射和接收超聲波。超聲測距傳感器按其作用距離可以分為大、中、小三種量程。其中，小量程探測距離小于2m，工作頻率在60-300kHz之間；中量程探測距離約為2-l0m，工作頻率在40-60kHz之間；大量程探測距離約為20-50m，工作頻率處在16-30kHz之間。3.2超聲傳感器的特性超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以課題中選用的MA40EIS發(fā)射型超聲波傳感器（密封型）為例進行說明。一頻率特性超聲發(fā)射傳感器頻率特性如下所示：發(fā)射靈敏度（dB）圖3.3是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線其中，f0＝40KHz為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在f0處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機械波最強，也就是說在f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在f0兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率f0的交流電壓來激勵。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在f0處曲線最尖銳，輸出電信號的幅度最大，即在f0處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R也有很大關(guān)系，如果R很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。二指向特性實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。MA40EIS發(fā)射傳感器的指向圖如下所示：圖3.4超聲發(fā)射傳感器指向圖超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是0°時聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40°~80°，課題中超聲發(fā)射傳感器的指向角為60°。傳感器特性參數(shù)：型號：MA40EIS(發(fā)射頭)，MA40EIR(接收頭)結(jié)構(gòu)：密封型中心頻率：40±1KHz，40±1KHz靈敏度：>100，-74頻帶寬度/Hz：>1.5（100dB），>2（-80dB）指向性60°，60°電容量2200±25%pF最低使用溫度：-40°C，-40°C最高使用溫度：85°C，85°C最小探測距離：0.2m，0.2m最大探測距離：4m，4m最大輸入電壓:30Vp-p連續(xù)信號。發(fā)射部分的點脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由放大電路，檢波電路及門限判別電路構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終達到對回波進行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。3.3聲速由公式(2.11)，聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。傳播介質(zhì)中聲波傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為:（3.1）式中，T是溫度。由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計算出為340m/s。3.4測量盲區(qū)由于在硬件布置上發(fā)射探頭和接受探頭相鄰，所以發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波會第一個到達接收探頭。使接受探頭檢測到信號，但這一信號是發(fā)射信號而不是反射信號，即誤信號。而這一信號一旦被檢測到就會被接收電路處理而產(chǎn)生觸發(fā)單片機的中斷信號，繼而單片機對此作出響應(yīng)，但這不是真正要測的值，屬于誤操作。所以我們要在發(fā)出脈沖后延時一段時間才允許單片機接受中斷信號。這樣，在延時的這段時間里超聲波所能走過的距離是不能被檢測到的。這就是本設(shè)計中的測量盲區(qū)。4節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計4.1總體方案的確定在本設(shè)計中采用單片機作為控制器件。而單片機有兩種工作方式：掃描式和中斷式。掃描式是外界信號經(jīng)采樣保持，A/D轉(zhuǎn)換后由單片機在執(zhí)行程序時不斷的檢測I/O口，當檢測到I/O口有信號時則讀入信號并進行相關(guān)操作。中斷式是單片機正常執(zhí)行程序或處于動態(tài)停機（待機）狀態(tài)，當外界有信號時經(jīng)由中端口輸入單片機，中斷會使單片機從原來的狀態(tài)中跳出轉(zhuǎn)而執(zhí)行終端服務(wù)程序，以進行相關(guān)操作，操作完成后再轉(zhuǎn)回到原來的程序處繼續(xù)執(zhí)行。由上面的敘述，我們可以知道單片機工作于掃描式時適合于處理通信，數(shù)顯等數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)處理操作。而工作于中斷式時適合于實時控制。這里所要設(shè)計的系統(tǒng)正是實時控制系統(tǒng)，所以我們將采用中斷式，以更好的發(fā)揮單片機用于實時控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計包括：發(fā)射電路的設(shè)計；接收電路的設(shè)計；電源系統(tǒng)的設(shè)計；執(zhí)行電路的設(shè)計。圖4.1是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖：溫度補償發(fā)射探頭發(fā)射放大電路溫度補償發(fā)射探頭發(fā)射放大電路單片機執(zhí)行電路接受探頭前置放大帶通濾波二值化電路執(zhí)行電路接受探頭前置放大帶通濾波二值化電路圖4.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖4.2發(fā)射電路的方案設(shè)計4.2.1發(fā)射電壓傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失；另外考慮實際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為30Vp-p，取發(fā)射電壓為120Vp-p。4.2.2發(fā)射信號方式通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為:單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。此方法測試距離太近;本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)一次發(fā)出5個脈沖。在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合室內(nèi)測量的方式。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，具有很高的抗干擾性能。距離測量系統(tǒng)常用頻率范圍25KHz-300KHz的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時共用一個，或者兩個是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成負責向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；記錄/控制部分啟動或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時及接收的瞬時，并將時差換算成距離并與給定值比較，已確定控制操作。在超聲波發(fā)射電路中，首先通過軟件編程方式使得40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號由單片機的P1.0口送出，發(fā)出一系列的脈沖串，每一個脈沖串持續(xù)時間大約為0.125ms，即5個超聲波脈沖。由于AT89C51單片機P1.0口使用時只能提供幾個毫安的驅(qū)動電流，只有5V的驅(qū)動電壓，不足以驅(qū)動超聲波傳感器。所以增加一個功放電路來提高其輸出電流，電壓的能力，保證40kHz的脈沖信號有一定的功率。本設(shè)計中采用的是CD40107二路2輸入與非門緩沖器/驅(qū)動器。CD40107包括兩個獨立的2輸入與非門緩沖器，由于輸出具有限于功能并能吸收大電流，因此廣泛應(yīng)用于直接驅(qū)動器。然后再加到超聲波傳感器上發(fā)射超聲波。4.2.3脈沖源的討論與發(fā)射電路采用NE555時基集成芯片構(gòu)成的振蕩器做脈沖源NE555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。它設(shè)計新穎，構(gòu)思奇巧，用途廣泛，備受電子專業(yè)設(shè)計人員和電子愛好者的青睞，人們將其戲稱為偉大的小IC。1972年，美國西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出TmerNE555雙極型時基電路，設(shè)計原意是用來取代體積大,定時精度差的熱延遲繼電器等機械式延遲器。但該器件投放市場后，人們發(fā)現(xiàn)這種電路的應(yīng)用遠遠超出原設(shè)計的使用范圍，用途之廣幾乎遍及電子應(yīng)用的各個領(lǐng)域，需求量極大。NE555時基集成電路原理圖及引線排列如圖4.1所示。其功能見表4.1。定時器內(nèi)部由比較器、分壓電路、RS觸發(fā)器及放電三極管等組成。分壓電路由三個5K的電阻構(gòu)成，分別給A1和A2提供參考電平2/3UDD和1/3UDD。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當輸入信號自6腳輸入大于2/3UDD時，觸發(fā)器復(fù)位，3腳輸出為低電平，放電管T導通；當輸入信號自2腳輸入并低于1/3UDD時，觸發(fā)器置位，3腳輸出高電平，放電管截止。4腳是復(fù)位端，當4腳接入低電平時，則Uo=0；正常工作時4接為高電平。5腳為控制端，平時輸入2/3UDD作為比較器的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制。如果不在5腳外加電壓通常接0.01μF電容到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，確保參考電平的穩(wěn)定。圖4.1NE555時基集成電路原理圖及引線排列表4.1NE555時基集成電路功能電路由NE555時基集成芯片和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2和腳6直接相連。電路無穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，亦不需外加觸發(fā)信號，即可產(chǎn)生振蕩。電源接通后，UDD通過電阻R1、R2向電容C充電。當電容上電Uc=2/3UDD時，閥值輸入端⑥受到觸發(fā)，比較器C1翻轉(zhuǎn)，輸出電壓Uo=0，同時放電管T導通，電容C通過R2放電；當電容上電壓cU=1/3UDD，比較器A2工作，輸出電壓Uo變?yōu)楦唠娖健放電終止、又重新開始充電，周而復(fù)始，形成振蕩。電容C在1/3UDD～2/3UDD之間充電和放電，其波形圖見圖3.4.3。NE555電路要求R1、R2與均應(yīng)大于或等于1kΩ，使R1＋R2應(yīng)小于或等于3.3MΩ。振蕩周期T≈0.69(R1+R2)C1,振蕩頻率f=1/T。改變R1、R2、C1，即可改變振蕩頻率；改變R1與R2的比值，可改變輸出方波的占空比。圖4.2多諧振蕩器的電路圖和波形圖采用單片機做脈沖源一個單片機要想正常工作必須有一個極其穩(wěn)定的時鐘基準，而其時鐘基準多采用石英晶振，石英晶振的頻率穩(wěn)定性極高。因而可以很好的滿足單片機對時鐘基準的要求。如果采用12MHz的石英晶振，那么經(jīng)過十二分頻之后單片機的機器周期恰是1.非常適合于定時與實時控制。如用單片機做脈沖源那么其脈沖周期與占空比的調(diào)整是在軟件層面的調(diào)整，方便簡單，完全不需要改動硬件電路。通過軟件編程方式使得40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號由單片機的P1.0口送出，發(fā)出一系列的脈沖串，每一個脈沖串持續(xù)時間大約為0.125ms.綜上所述，我們可以知道NE555時基集成芯片是靠內(nèi)部的定時比較器與觸發(fā)器再加外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，其頻率穩(wěn)定性不如石英晶振高，且還需要較多的外圍器件，增加了成本。在本設(shè)計當中單片機的任務(wù)并不算復(fù)雜，完全有能力充當脈沖源。而且，在總體設(shè)計中我們是需要單片機在發(fā)出脈沖的時候立即開始計時，使用單片機當脈沖源可以達到立即記時的目的。而用NE555時基集成芯片時由于它是單片機的外設(shè)電路，它在發(fā)出脈沖時要通知單片機開始計時。這需要單片機有一個響應(yīng)的過程，必然達不到及時計時的要求。且其脈沖周期與占空比的調(diào)整是硬件層面的調(diào)整，遠不夠方便容易。所以在本設(shè)計中，采用單片機做脈沖源。脈沖源選定后還面臨著驅(qū)動的問題，因為單片機的輸出電壓只有5V，輸出電流只有幾個毫安，根本不足以推動超聲波傳感器。所以在發(fā)射通道上要有一個發(fā)射放大電路，即驅(qū)動電路。在這里我們選用CD40107（二路2輸入與非門緩沖器/驅(qū)動器）。其連接方法相對固定。在這里不再贅述。連接電路如下圖所示：圖4.3發(fā)射部分電路圖4.3接收電路的方案設(shè)計超聲波接收電路由前置放大電路，帶通濾波放大電路及二值化電路構(gòu)成。由于超聲波傳感器具有共振特性，即使將方波輸入到發(fā)射傳感器，接收傳感器的輸出也是正弦波。前置放大電路實現(xiàn)小信號的有效放大，提高整個放大電路的輸入阻抗，并將回波信號放大到適當?shù)碾娖?。由于傳感器所接收的回波信號電平極低，為微伏級信號，需要將該信號放大百倍級倍數(shù)，才能對回波進行有效識別，同時，在回波信號的放大過程中，由于干擾信號的存在，為避免將干擾信號同時放大而產(chǎn)生回波誤識別，必須將干擾信號濾除，即回波信號放大過程中必須設(shè)計帶通濾波器，對有效頻帶內(nèi)的超聲波信號進行選擇放大。這樣放大后的信號也不能直接進入單片機，因為它是正弦量模擬信號，而單片機只能識別數(shù)字信號。所以我們還需要一個二值化電路，它事實上相當于一個一位的A/D轉(zhuǎn)換器。4.3.1前置放大電路前置放大電路原理圖如圖4.3所示：圖4.3前置放大電路考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大(一般數(shù)百兆歐姆以上)，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗;同時，換能器的輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓。前置放大電路是由一個通用運算放大器CF741及電阻R7，R8和R9構(gòu)成，組成一反向比例放大電路，以實現(xiàn)把數(shù)十毫伏的輸入信號放大到伏級，以便于后續(xù)電路的處理。由電路的基本知識，可列出:（4.1）（4.2）根據(jù)放大器理想化的兩個重要概念：1.集成運放兩個輸入端之間的凈輸入電壓U通常接近于零，即，若把它理想化，則有U=0，但不是短路，故常稱為虛短。2.集成運放兩輸入端幾乎不取用電流，即凈輸入電流，如把它理想化，則有I=O，但不是斷開，故常稱為虛斷。故可知本電路中:，，且，所以有：（4.3）（4.4）利用反相比例放大器可實現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡單，只需要調(diào)節(jié)R7和R9阻值即可實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運放的同相輸入端接有電阻R8，參數(shù)選擇時應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即R8=R7//R9。靜態(tài)時，使輸入級偏置電流平衡，并讓輸入級的偏置電流在運算放大器兩個輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移的對輸出端的影響，故R8又稱為平衡電阻。根據(jù)本設(shè)計系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，故分別取R9=lK，R7=20OK，R8=lK，即放大電路將輸入信號放大200倍。4.3.2帶通濾波電路在傳感器接收的信號中，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，而前端放大電路在放大有用信號的同時，會將一部分的噪聲信號同時放大，并沒有提高輸入信號的信噪比。于是設(shè)計出一高品質(zhì)因數(shù)的濾波器對于整個系統(tǒng)十分重要。濾波器的功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而將此頻率范圍之外的信號加以抑制或使其急劇衰減。當干擾信號與有用信號不在同一頻率范圍之內(nèi)，可使用濾波器有效的抑制干擾。用LC網(wǎng)絡(luò)組成的無源濾波器在低頻范圍內(nèi)有體積大、重量大、價格昂貴和衰減大等缺點，而用集成運放和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器則比較適用于低頻，此外，它還具有一定的增益，且因輸入與輸出之間有良好的隔離而便于級聯(lián)。由于超聲波回波信號具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點，因此，本系統(tǒng)采用RC有源濾波方式，用于微弱回波信號的放大。有源濾波器是由有源器件（例如晶體管、集成運算放大器等）和阻容等元件組成的一類濾波器。由于集成運放技術(shù)已十分成熟，應(yīng)用已經(jīng)十分普及，所以有源濾波器中的有源器件，幾乎都是采用集成運放。與無源濾波器相比，有源濾波器一般具有下列特點：(1)由于使用了有源器件，信號在無源器件（例如電阻）上的損失可以在有源器件中得到補充。因而，可以在電路中優(yōu)先采用損耗較大而體積較小的電阻來代替無源濾波器中的電感器件，這樣不僅可以使濾波器的重量和體積大大縮小，而且可以避免由電感所帶來的非線性、參數(shù)調(diào)整困難以及制造成本高等缺點。另外從抑制干擾的角度考慮，這樣就從根本上排除了電感所具有的對電磁場敏感、易檢取外界噪聲和本身易向外界施放電磁干擾噪聲的弊端；(2)由于運算放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低以及高增益、高穩(wěn)定性和高閉環(huán)增益等參數(shù)調(diào)整靈活的一系列優(yōu)點，從而為有源濾波器的設(shè)計提供了很大的方便；(3)有源濾波器頻率精度高，一般可達到±3%~±0.5%；頻率穩(wěn)定性好，通?？勺龅?；低頻濾波特性好，例如用集成運放和阻容元件組成的有源濾波器可使濾波頻率范圍低達Hz，并且具有較好的頻率穩(wěn)定性，這些指標，都是無源濾波器難以達到的；(4)有源濾波器的上限頻率由于受有源器件（主要是集成運放）本身帶寬的限制，一般只用在幾十千赫以下的頻率范圍內(nèi)，其最高頻率也只接近1MHz，因而在更高的頻率范圍內(nèi)一般均采用無源濾波器。這是有源濾波器的最大缺點。帶通濾波器的濾波性能主要取決于（中心角頻率）。通常通帶越窄，頻率選擇性就越好。它的功能是低通截止角頻率和高通截止角頻率之間所有頻率信號通過，其它頻率信號則完成衰減。由于在本系統(tǒng)中，總噪聲包括在低頻段主要集中室內(nèi)環(huán)境噪聲和50Hz工頻干擾，以及在高頻率段的接收機內(nèi)部噪聲。故選用由CF741運算放大器，以及外圍電阻電容構(gòu)成的帶通濾波電路。經(jīng)過此濾波電路后，40KHz左右的有用回波信號被保留，之外的無用信號被削弱，為下一級的檢波電路提供較高信噪比的輸入信號，該單元電路如圖4.4所示： 圖4.4有源帶通濾波器從帶通濾波電路原理圖如圖4.5所示，可以看出它是由低通濾波電路與高通濾波電路相串聯(lián)而成。圖4.6是其理想幅頻響應(yīng)與高通、低通濾波器電路的幅頻響應(yīng)的比較，不難發(fā)現(xiàn)當?shù)屯V波電路的截止角頻率大于高通濾波電路的截止角頻率時，兩者覆蓋的通帶就提供了一個帶通響應(yīng)。圖4.5帶通濾波電路原理圖圖4.6帶通濾波電路理想幅度響應(yīng)圖本系統(tǒng)設(shè)計的圖3.4中，R6、C3組成低通網(wǎng)絡(luò)，R4、C1組成高通網(wǎng)絡(luò)，兩者串聯(lián)就組成了帶通濾波電路。為了獲得較好的頻率選擇性，本設(shè)計中通頻帶定為1KHz。即=39.5KHz，=40.5kHz。先分析其低通網(wǎng)絡(luò)，由R6、C3電路得出：（4.5）式中：為同相輸入端電壓，為電容C3兩端電壓，為輸入電壓。根據(jù)同相比例運算電路的計算公式：（4.6）故：（4.7）式中稱為截止角頻率。若頻率為變量，則電路的傳遞函數(shù)：（4.8）其模為：（4.9）輻角為：（4.10）時，（4.11）時， （4.12）時，（4.13）以上式中的為在時的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。高通濾波網(wǎng)絡(luò)與此同理，分析略。由以上的分析和計算過程可解得：==39.5KHz（4.14）==40.5KHz（4.15）為簡化電路設(shè)計與計算取C1=C2=1000pf，則可解得：R4=24.7，R6=25。由于當3時，濾波器容易自激震蕩而不穩(wěn)。而我們在此并不需要濾波器再對信號放大多少倍，所以可取R3=R5=1的典型值。至此濾波器設(shè)計完畢。4.3.3二值化電路接收傳感器輸出信號經(jīng)過上述放大濾波電路后，就可以進行信號檢測。其目的是確定接收信號的到達時間，這是整個電路中一個關(guān)鍵的地方，因為它不僅決定系統(tǒng)的測量精度，還關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能正常工作。檢測電路設(shè)計的要求是保證每次接收信號都能被準確的鑒別出來，通常利用比較器將輸入信號與某一固定電平進行比較，輸出不同的電平來產(chǎn)生上升或下降沿觸發(fā)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機的外中斷引腳。本系統(tǒng)所用的過零比較器如圖4.7所示：圖4.7帶限幅的過零比較器如圖中所示，R1電阻的左端接收來自帶通濾波器的正弦信號，將其與R2左端參考電壓進行比較，圖中的參考電壓是0V，所以此電壓比較器被稱作過零比較器。當時，；當時，（為飽和輸出電壓）?？梢?，在比較器的輸入端進行模擬信號大小的比較，在輸出端則以高電平或低電平（即數(shù)字信號1或0）來反映比較結(jié)果。但要注意到比較后輸出的電壓為飽和輸出電壓，其值為左右。這個電壓若直接輸入單片機必造成單片機的損壞，所以在輸出與地之間接入一個雙向穩(wěn)壓二極管2CW53（其穩(wěn)定電壓為），使其輸出電壓被限制在+或-這樣在輸入單片機就正好合適了。4.4本設(shè)計所使用的單片機AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案?！づcMCS-51兼容·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個16位定時器/計數(shù)器

·5個中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器·與MCS-51兼容·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個16位定時器/計數(shù)器

·5個中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器·壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保如圖3.8所示：VCC：供電電壓。GND：接地。圖4.889C51引腳圖

4.4.2AT89C51引腳說明如圖4.8所示：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

引腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4.4.3AT89C51振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4.4.4AT89C51芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。此單片機完全可以滿足本系統(tǒng)的要求且價格低廉，容易購買，兼容性好便于以后的替換與升級。4.5電源的設(shè)計單片機的工作需要穩(wěn)定的＋5V直流電壓，運放、三極管和電磁閥則需要＋15V直流電壓，所以需對市電進行變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，為系統(tǒng)提供這兩種直流電壓。本機所需使用的電壓：＋5V如圖4.9所示得到。該電源的原理是：現(xiàn)先將220V交流電源經(jīng)過變壓器降壓得到10V交流電源，首先經(jīng)過整流電路，主要是利用半導體二極管的單向?qū)щ娦园呀涣麟妷恨D(zhuǎn)換成單向脈動電壓，然后再由濾波電路把脈動電壓大部分交流成分濾掉，最后通過三端穩(wěn)壓集成電路得到比較平滑的+5V的直流電壓。圖4.9三端集成穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路原理圖本設(shè)計采用三端穩(wěn)壓集成芯片7815和7905組成直流穩(wěn)壓電源電路。如圖4.10所示，其中7815為集成三端穩(wěn)壓器；78××系列穩(wěn)壓器內(nèi)部電路是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路，由調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、取樣電路和基準電壓四部分組成。用78××系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜，所以應(yīng)用十分廣泛。圖4.10三端固定正穩(wěn)壓器的外行及引腳排列圖4.11本設(shè)計的電源部分電路圖如圖中所示：市電為交流220V，先經(jīng)變壓器變?yōu)?0V，24V，40V的交流電，在經(jīng)過硅橋堆整流，變?yōu)槊}動電壓。然后再按圖中所示分別接入到7805,7915,7815，LM317。表4.1三端集成穩(wěn)壓電源的參數(shù)元件790579157815輸出電壓/V+5+15-15輸出電流/mA1005001500LM317是3端，可調(diào)整電壓輸出穩(wěn)壓器芯片。其典型接法如圖4.11所示，其輸出電壓為：（4.16）在計算時由于的電流很小，為級，所以在此忽略不計，那么由式（4.16）可知欲得到30V的輸出電壓需接入的R2應(yīng)為5.52，為了實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)，在此選用R2為8的電位器。硅橋堆選用KBu40，全橋最大正向允許電流4A，耐壓值100V。滿足使用要求。圖4.11中電容的接法都是典型值，在此不多作說明。4.6溫度補償我們知道超聲波的傳播與聲波類似，其波速是與溫度有關(guān)的。為了較為精確的測量距離，減少誤操作。在本設(shè)計中采用了溫度補償。溫度補償電路采用了美國DALLAS半導體公司的DS18B20單總線型數(shù)字溫度傳感器。單總線即只用一根信號線來傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，單總線具有“線與”功能，連接方便，便于擴展。DS18B20集溫度測量、A/D轉(zhuǎn)換于一體，具有體積小、動態(tài)范圍寬、測量精度高等優(yōu)點。4.6.1DS18B20簡介DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量。從DS18B20讀出信息或向DS18B20寫入信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。DS18B20的性能特點可以歸納如下：(1)獨特的單線接口，僅需要一個端口引腳進行通信；(2)多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的3線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；(3)可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5V；(4)零待機功耗；(5)測溫范圍為-55~125℃，分辨率最大可達0.0625℃；(6)溫度以9~12位數(shù)字量讀出；(7)用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置；(8)報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；(9)負電壓特性，電源極性接反時，不會因發(fā)熱而燒毀，只是不能正常工作。4.6.2DS18B20的外形及引腳定義DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，如圖4.12所示。圖中：1腳為GND（接地端）；2腳位DQ（數(shù)據(jù)信號端）；3腳為VCC（電源端）。圖4.12DS18B20的引腳定義圖4.13DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.6.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)字溫度傳感器DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.13所示，它主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度靈敏組件、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM