超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

學(xué)期項(xiàng)目一：超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

一、功能要求為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？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。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器；通常用于小距離檢測(cè)、障礙物檢測(cè)等。

超聲波測(cè)距器可應(yīng)用于汽車倒車。建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度、物體厚度等的測(cè)量。其測(cè)量范圍為0.10~4.00m，測(cè)量精度為1cm。測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰、穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。設(shè)計(jì)要求：利用超聲波換能器和單片機(jī)設(shè)計(jì)一種非接觸式測(cè)距儀，該裝置的測(cè)量距離為4CM---4M，并且具有溫度補(bǔ)償、測(cè)量準(zhǔn)確、性能可靠性等優(yōu)點(diǎn)。1、掌握超聲波傳感器的工作原理并設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射器與接收器的工作電路。2、測(cè)量距離為4CM---4M，測(cè)量誤差≤1CM。3、溫度補(bǔ)償范圍：-20--100C。4、實(shí)時(shí)顯示實(shí)測(cè)距離、溫度。二、方案論證由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也比較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到使用的要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括電壓型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測(cè)量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本例決定采用AT89C52單片機(jī)作為主控器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下：二、方案論證圖1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖超聲波發(fā)射器信號(hào)整形40KHz振蕩頻率單片機(jī)控制超聲波接收器信號(hào)放大電平轉(zhuǎn)換電路門控信號(hào)溫度測(cè)量器數(shù)碼顯示電路三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)硬件電路主要分為以下五個(gè)部分：鍵盤及顯示電路2超聲波發(fā)射電路3超聲波檢測(cè)接收電路4溫度測(cè)量電路5單片機(jī)系統(tǒng)電路11.單片機(jī)系統(tǒng)電路

單片機(jī)采用89C51或其兼容系列。系統(tǒng)采用12MHZ高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，并減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口控制輸出超聲波換能器所需的40kHz方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖·8位CPU·4kbytes程序存儲(chǔ)器(ROM)(52為8K)·256bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)52有384bytes的RAM）·32條I/O口線·111條指令，大部分為單字節(jié)指令

·21個(gè)專用寄存器

·2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí) （52有6個(gè)）

·一個(gè)全雙工串行通信口

·外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB

·外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB

·邏輯操作位尋址功能

·雙列直插40PinDIP封裝

·單一+5V電源供電

1）片內(nèi)資源2）80C51的引腳封裝總線型非總線型3）時(shí)鐘電路（a）內(nèi)部時(shí)鐘電路；（b）HMOS型外部振蕩源(C)CHMOS型外部振蕩源XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部振蕩器的輸入端。XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸出端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)懸空。單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)間單位振蕩頻率fosc=石英晶體頻率或外部輸入時(shí)鐘頻率

振蕩周期=振蕩頻率的倒數(shù)機(jī)器周期機(jī)器周期是單片機(jī)應(yīng)用中衡量時(shí)間長(zhǎng)短的最主要的單位在多數(shù)51系列單片機(jī)中：指令周期——

執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間單位：機(jī)器周期

51單片機(jī)中：?jiǎn)沃芷谥噶?、雙周期指令、四周期指令1機(jī)器周期=12×1/fosc3）時(shí)鐘電路RST/VPD:是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。RST引腳的第二功能是備用電源的輸入端。上電復(fù)位按鍵復(fù)位4、單片機(jī)系統(tǒng)4）復(fù)位電路4、單片機(jī)系統(tǒng)5）存儲(chǔ)器選擇外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)EAEA=0：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。EA=1：訪問(wèn)片內(nèi)與片外程序存儲(chǔ)器?！鞠葍?nèi)后外】6）最小系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除了與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行信息傳遞的過(guò)程輸入輸出設(shè)備以外，還有與操作人員進(jìn)行信息交換的常規(guī)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。鍵盤是一種最常用的輸入設(shè)備,它是一組按鍵的集合，從功能上可分為數(shù)字鍵和功能鍵兩種，作用是輸入數(shù)據(jù)與命令，查詢和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。

鍵盤接口電路可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。編碼鍵盤采用硬件編碼電路來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵的編碼，每按下一個(gè)鍵，鍵盤便能自動(dòng)產(chǎn)生按鍵代碼。編碼鍵盤主要有BCD碼鍵盤、ASCII碼鍵盤等類型。非編碼鍵盤僅提供按鍵的通或斷狀態(tài),按鍵代碼的產(chǎn)生與識(shí)別由軟件完成。2.鍵盤及顯示電路2.1鍵盤電路

2.1.1鍵盤的抖動(dòng)干擾由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性振動(dòng)，按鍵在按下時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通而在彈起時(shí)也不能一下子完全地?cái)嚅_(kāi)，因而在按鍵閉合和斷開(kāi)的瞬間均會(huì)出現(xiàn)一連串的抖動(dòng)，這稱為按鍵的抖動(dòng)干擾，其產(chǎn)生的波形如圖3所示，當(dāng)按鍵按下時(shí)會(huì)產(chǎn)生前沿抖動(dòng)，當(dāng)按鍵彈起時(shí)會(huì)產(chǎn)生后沿抖動(dòng)。這是所有機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵在狀態(tài)輸出時(shí)的共性問(wèn)題，抖動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短取決于按鍵的機(jī)械特性與操作狀態(tài)，一般為10~100ms，此為鍵處理設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。

2.1.2抖動(dòng)干擾的消除

按鍵的抖動(dòng)會(huì)造成按一次鍵產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)被CPU誤讀幾次。為了使CPU能正確地讀取按鍵狀態(tài)，必須在按鍵閉合或斷開(kāi)時(shí)，消除產(chǎn)生的前沿或后沿抖動(dòng)，去抖動(dòng)的方法有硬件方法和軟件方法兩種。

1．硬件方法硬件方法是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波延時(shí)電路或單穩(wěn)態(tài)電路等硬件電路來(lái)避開(kāi)按鍵的抖動(dòng)時(shí)間。圖4是由R2和C組成的濾波延時(shí)消抖電路，設(shè)置在按鍵S與CPU數(shù)據(jù)線Di之間。按鍵S未按下時(shí)，電容兩端電壓為0，即與非門輸入Vi為0，輸出Vo為1。當(dāng)S按下時(shí)，由于C兩端電壓不能突變，充電電壓Vi在充電時(shí)間內(nèi)未達(dá)到與非門的開(kāi)啟電壓，門的輸出Vo將不會(huì)改變，直到充電電壓Vi大于門的開(kāi)啟電壓時(shí)，與非門的輸出Vo才變?yōu)?，

這段充電延遲時(shí)間取決于R1、R2和C值的大小，電路設(shè)計(jì)時(shí)只要使之大于或等于100ms即可避開(kāi)按鍵抖動(dòng)的影響。同理，按鍵S斷開(kāi)時(shí)，即使出現(xiàn)抖動(dòng)，由于C的放電延遲過(guò)程，也會(huì)消除按鍵抖動(dòng)的影響圖中，V1是未施加濾波電路含有前沿抖動(dòng)、后沿抖動(dòng)的波形，V2是施加濾波電路后消除抖動(dòng)的波形。2．軟件方法軟件方法是指編制一段時(shí)間大于100ms的延時(shí)程序，在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行這段延時(shí)子程序使鍵的前沿抖動(dòng)消失后再檢測(cè)該鍵狀態(tài)，如果該鍵仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)為該鍵已穩(wěn)定按下，否則無(wú)鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。同理，在檢測(cè)到按鍵釋放后，也同樣要延遲一段時(shí)間，以消除后沿抖動(dòng)，然后轉(zhuǎn)入對(duì)該按鍵的處理。圖4濾波延時(shí)消抖電路

2.1.3查詢法接口電路

現(xiàn)以3個(gè)按鍵為例，圖5即為獨(dú)立式鍵盤查詢法接口電路。按鍵S0、S1、S2分別通過(guò)上拉電阻與CPU的數(shù)據(jù)線D0、D1、D2相連，當(dāng)按鍵Si閉合時(shí)，數(shù)據(jù)線直接接地，因而CPU讀入Di=0；當(dāng)按鍵Si斷開(kāi)時(shí)，數(shù)據(jù)線通過(guò)上拉電阻接到正電源，因而CPU讀入Di=1。該接口電路實(shí)現(xiàn)的功能為：查詢檢測(cè)是否有鍵按下，如有鍵閉合，則消除抖動(dòng)，再判斷鍵號(hào)，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理。其程序流程如圖6所示。采用查詢法時(shí)，必須保證CPU每隔一定時(shí)間主動(dòng)地去掃描按鍵一次，該掃描時(shí)間間隔應(yīng)小于兩次按鍵的時(shí)間間隔，否則會(huì)有按鍵不響應(yīng)的情形。顯然這種方式占用CPU時(shí)間比較多。圖5獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu)原理圖6獨(dú)立式鍵盤查詢法程序流程圖在計(jì)算機(jī)控制中，顯示裝置是一個(gè)重要組成部分，主要用來(lái)顯示生產(chǎn)過(guò)程的工藝狀況與運(yùn)行結(jié)果，以便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員的正確操作。常用的顯示器件有顯示記錄儀、發(fā)光二極管顯示器LED、液晶顯示器LCD、大屏幕顯示器和圖形顯示器終端CRT。2.2顯示電路顯示記錄儀--是以模擬方式連續(xù)顯示和記錄過(guò)程參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，但其價(jià)格都很貴，在目前的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中已很少采用。

LED數(shù)碼管--由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、配置靈活、顯示清晰、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前已被微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及智能化儀表廣泛采用。LCD--則以其功耗極低的特點(diǎn)，占據(jù)了從電子表到計(jì)算器，從袖珍儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)合。CRT終端--CRT終端以其圖文并茂的直觀生動(dòng)畫面，可以顯示生產(chǎn)過(guò)程中的各種畫面及報(bào)表，如生產(chǎn)流程圖、顯示報(bào)警圖、趨勢(shì)曲線圖、狀態(tài)和回路查詢圖等,在很多微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，特別在DDC，SCC以及DCS控制系統(tǒng)中，大都采用CRT操作臺(tái)進(jìn)行監(jiān)視和控制。2.2.1LED顯示器工作原理

LED（發(fā)光二極管LightEmittingDiode的英文縮寫）是利用PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，根據(jù)制造材料的不同可以發(fā)出紅、黃、綠、白等不同色彩的可見(jiàn)光來(lái)。LED的伏安特性類似于普通二極管，正向壓降約為2伏左右，工作電流一般在10-20mA之間較為合適。

LED顯示器有多種結(jié)構(gòu)形式，單段的圓形或方形LED常用來(lái)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，8段LED可以顯示各種數(shù)字和字符，所以也稱為L(zhǎng)ED數(shù)碼管，其外形如圖2所示。8段LED在控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，其接口電路也具有普遍借鑒性。因此，我們介紹8段LED數(shù)碼管顯示器。

8段LED顯示器的結(jié)構(gòu)與工作原理如圖7所示。一個(gè)8段LED顯示器的結(jié)構(gòu)與工作原理如圖7所示。它是由8個(gè)發(fā)光二極管組成，各段依次記為a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp表示小數(shù)點(diǎn)（不帶小數(shù)點(diǎn)的稱為7段LED）。8段LED顯示器有共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖（b）、（c）所示。共陰極LED的所有發(fā)光管的陰極并接成公共端COM，而共陽(yáng)極LED的所有發(fā)光管的陽(yáng)極并接成公共端COM。當(dāng)共陰極LED的COM端接地，則某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極加上高電平時(shí)，則該管有電流流過(guò)因而點(diǎn)亮發(fā)光；當(dāng)共陽(yáng)極LED的COM端接高電平，則某個(gè)發(fā)光管的陰極加上低電平時(shí)，則該管有電流流過(guò)因而點(diǎn)亮發(fā)光。

8段LED通過(guò)不同段點(diǎn)亮?xí)r的組合，可以顯示0~9、A~F等十六進(jìn)制數(shù)。顯然，將單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出口與LED各段引腳相連，控制輸出的數(shù)據(jù)就可以使LED顯示不同的字符。通常把控制LED數(shù)碼管發(fā)光顯示字符的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼或者字符譯碼，如圖8所示。2.2.2LED顯示器顯示方式在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常利用n個(gè)LED顯示器構(gòu)成n位顯示。通常把點(diǎn)亮LED某一段的控制稱為段選，而把點(diǎn)亮LED某一位的控制稱為位選或片選。根據(jù)LED顯示器的段選線、位選線與控制端口的連接方式不同，LED顯示器有靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式，下面以4個(gè)共陰極LED的組合為例進(jìn)行說(shuō)明。1、靜態(tài)顯示2、動(dòng)態(tài)顯示2.2.2.1靜態(tài)顯示方式4個(gè)LED組合的靜態(tài)顯示電路如圖9所示

圖9LED靜態(tài)顯示方式

例題1：說(shuō)明4個(gè)共陰極LED靜態(tài)顯示3456數(shù)字的工作過(guò)程。

例題分析：看圖9，當(dāng)所有COM端連接在一起并接地時(shí)，首先由I/O口（1）送出數(shù)字3的段選碼4FH即數(shù)據(jù)01001111到左邊第一個(gè)LED的段選線上，陽(yáng)極接受到高電平“1”的發(fā)光管g、d、c、b、a段因?yàn)橛须娏髁鬟^(guò)則被點(diǎn)亮，則結(jié)果為左邊第一個(gè)LED顯示3；接著由I/O口（2）送出數(shù)字4的段選碼66H即數(shù)據(jù)01100110到左邊第二個(gè)LED的段選線上，陽(yáng)極接受到高電平“1”的共陰極發(fā)光管g、f、c、b段則被點(diǎn)亮，則結(jié)果為左邊第二個(gè)LED顯示4；同理，由I/O口（3）送出數(shù)字5的段選碼6DH即01101101到左邊第三個(gè)LED的段選線上，由I/O口（4）送出數(shù)字6的段選碼7DH即01111101到左邊第四個(gè)LED的段選線上，則第三、四個(gè)LED分別顯示5、6。2.2.2.2動(dòng)態(tài)顯示方式LED動(dòng)態(tài)顯示電路如圖10所示

圖10LED動(dòng)態(tài)顯示方式

例題2：說(shuō)明4位共陰極LED動(dòng)態(tài)顯示3456數(shù)字的工作過(guò)程例題分析：看圖10，首先由I/O口（1）送出數(shù)字3的段選碼4FH即數(shù)據(jù)01001111到4個(gè)LED共同的段選線上，接著由I/O口（2）送出位選碼××××0111到位選線上，其中數(shù)據(jù)的高4位為無(wú)效的×，唯有送入左邊第一個(gè)LED的COM端D3為低電平“0”，因此只有該LED的發(fā)光管因陽(yáng)極接受到高電平“1”的g、d、c、b、a段有電流流過(guò)而被點(diǎn)亮，也就是顯示出數(shù)字3，而其余3個(gè)LED因其COM端均為高電平“1”而無(wú)法點(diǎn)亮；顯示一定時(shí)間后，再由I/O口（1）送出數(shù)字4的段選碼66H即01100110到段選線上，接著由I/O口（2）送出點(diǎn)亮左邊第二個(gè)LED的位選碼××××1011到位選線上，此時(shí)只有該LED的發(fā)光管因陽(yáng)極接受到高電平“1”的g、f、c、b段有電流流過(guò)因而被點(diǎn)亮，也就是顯示出數(shù)字4，而其余3位LED不亮；如此再依次送出第三個(gè)LED、第四個(gè)LED的段選與位選的掃描代碼，就能一一分別點(diǎn)亮各個(gè)LED，使4個(gè)LED從左至右依次顯示3、4、5、6。2.2.3LCD顯示器顯示方式字符型液晶顯示器硬件電路參考原理圖#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitLCD_RS=P0^3;//RS1:DATA

0:COMMANDsbitLCD_RW=P0^4;//R/W1:READ

0:WRITEsbitLCD_E=P0^5;//E1:ENABLE#defineLCD_chP2//-------------------------------------------------------------voiddelay(uinti){

while(i--);}1）LCD線路連接、聲明//*************寫指令進(jìn)入LCD1602***************//voidLCD_command(){LCD_RS=0; LCD_RW=0; LCD_E=0; delay(200);//延時(shí)大約2ms LCD_E=1;}//********把數(shù)據(jù)寫入LCD1602*****************//voidLCD_data(){LCD_RS=1; LCD_RW=0; LCD_E=0; delay(200); LCD_E=1;}//--------------------------------------------voidInit_LCD(void)/*初始化液晶*/{ LCD_ch=0x01;//清屏

LCD_command(); LCD_ch=0x38;//8位數(shù)據(jù)，兩行顯示，5*7點(diǎn)陣

LCD_command();LCD_ch=0x0c; //開(kāi)顯示，關(guān)光標(biāo)，關(guān)閃爍

LCD_command(); LCD_ch=0x06;//讀寫數(shù)據(jù)后AC自動(dòng)增一，畫面不動(dòng)

LCD_command();}/*************************************

將數(shù)據(jù)ch顯示在第i行第j列*************************************/voidLCD_dis(uchari,ucharj,ucharch){ucharaddr;

if(i==0)addr=0x80+j;//設(shè)置為第一行

elseaddr=0xc0+j;//設(shè)置為第二行

LCD_ch=addr; LCD_command();//先寫地址

LCD_ch=ch; LCD_data();//后送數(shù)據(jù)

}#include<reg52.h>//包含52單片機(jī)頭文件#include<lcd1602.h>//包含LCD頭文件unsignedcharx[]="Iamastudent";//-------------------------------------------------------------------voidmain()//主函數(shù){

unsignedinti;Init_LCD();//首先初始化各數(shù)據(jù)

while(1){

for(i=0;i<16;i++){ LCD_dis(0,i,0x30+i);//LCD_dis(0,i,i+’0’);LCD_dis(1,i,i+’A’);

//LCD_dis(0,i,x[i]);//顯示數(shù)組內(nèi)容

delay(50000);}}}2.3本項(xiàng)目采用鍵盤及顯示電路3.超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如下圖。發(fā)射電路主要由555振蕩電路和反向器CD4069和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口控制555輸出的40kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射速度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。兩個(gè)上拉電阻一方面可以提高反向器CD4069輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力；另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其自由振蕩的時(shí)間。三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的40KHz的方波由一片NE555搭成的多諧振蕩器生成，受控于控制器的PLUS_EN信號(hào)；555芯片工作電壓為12V，CD4069芯片工作電壓為12V，40KHz的方波經(jīng)，CD4049調(diào)理后，成為振幅24V的方波，提高發(fā)射功率。圖2555構(gòu)成的多諧振蕩器電路3.1555振蕩電路圖3555芯片3腳的輸出波形

壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極加脈沖信號(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)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收道超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波發(fā)射換能器上標(biāo)有字母T，而接收換能器上標(biāo)有字母R。超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖3.2超聲波換能器的工作原理表1T/R40的特征參數(shù)圖型號(hào)T/R40-16中心頻率40±1KHz發(fā)射電壓大于115DB接收靈敏度大于-64DB/V/ubar-6DB指向50deg電容2400±25%允許輸入電壓20V3.2超聲波換能器的工作原理1.1超聲波檢測(cè)接收電路1

集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如圖所示。實(shí)驗(yàn)證明，用CX20106A接收超聲波（無(wú)信號(hào)的輸出高電平）具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)?shù)馗碾娙軨4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)4超聲波檢測(cè)接收電路CX20106A內(nèi)部電路圖超聲波檢測(cè)接收電路

4.2超聲波檢測(cè)接收電路24.2超聲波檢測(cè)接收電路2發(fā)射頭發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后，反射到接收頭，而接收到的波形幅度非常小，所以在回波處理電路中，把接收到的波形放大了10000倍，用的LM324搭成的兩級(jí)交流放大電路。經(jīng)放大后的波形送入檢波電路，射隨后經(jīng)LM324比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波，可送給STC89C51的EXT1外部中斷。在模塊電路的設(shè)計(jì)中一定要注意，超聲波發(fā)射頭和接收頭之間的干擾；一般壓電式的超聲波換能器都會(huì)存在余波的干擾，發(fā)射頭和接收頭間要有20cm的距離；而在發(fā)射頭發(fā)射超聲波后的3ms內(nèi)，接收頭會(huì)一直接收到發(fā)射頭傳過(guò)來(lái)的非反射波，這是干擾波，在軟件處理的時(shí)候一定要注意清除掉此類的干擾。5溫度測(cè)量電路目前,溫度測(cè)量方法很多，溫度傳感器也非常普遍。實(shí)驗(yàn)采用DS18B20芯片的“一線式”溫度傳感器。該傳感器只需占用微處理器的一個(gè)普通端口，并且多個(gè)傳感器可以并聯(lián)在一起使用,適用于多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng),節(jié)約了大量系統(tǒng)資源。美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-BOARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活?？梢猿浞职l(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點(diǎn)。目前DS18B20批量采購(gòu)價(jià)格僅10元左右。

DS18B20的外形及管腳排列如下圖：三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)5.1外形及引腳排列圖

DS18B20引腳定義：(1)DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；(2)GND為電源地；

(3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。5.2DS18B20的主要特性

（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。

（2）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

（3）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。

（5）測(cè)溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃

5.2DS18B20的主要特性

（6）可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。

（7）在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。

（8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力

（9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

5.3內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。5.4測(cè)溫原理及框圖

DS18B20測(cè)溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。

5.4測(cè)溫原理及框圖5.5DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件

（1）光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開(kāi)始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。

這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。表1:DS18B20溫度值格式表

例如+