超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 標(biāo) 題 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 陳江 系 部 電子工程系 專 業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班 級(jí) 高電子 0501 班 指導(dǎo)教師 王維斌 株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處制 1 目目 錄錄 摘要 1 緒論 1 1 1 超聲波傳感器的類型 2 1 2 壓電式超聲波發(fā)生器原理 2 1 3超聲傳感器的特性 3 1 4速度影響因素及其補(bǔ)償 3 1 5 超聲波測(cè)量距離的原理 3 2 超聲波測(cè)距儀總體結(jié)構(gòu) 5 2 1 主控芯片的選擇 5 2 2 單片機(jī) AT89S51 的外圍電路 7 3 超聲波發(fā)射 10 3 1 多諧振蕩器特 點(diǎn) 10 3 2非對(duì)稱式多諧振蕩器工作原理 10 3 3超聲波發(fā)射電路 11 4 超聲波接收 13 4 1接收放大器的方案設(shè)計(jì) 13 4 2超聲波接收電路 13 5 測(cè)溫芯片AD590 15 5 1 AD590 簡(jiǎn)介 15 2 5 2 AD590 的工作原理的內(nèi)部結(jié) 構(gòu) 16 5 3 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) 17 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 18 6 1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 18 結(jié)論 19 參考文獻(xiàn) 20 附錄 21 后記 30 I 摘摘 要要 文中介紹了一種以單片機(jī) AT89S51 作為主控制器 最終用 7 段數(shù)碼 管顯示測(cè)量距離的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)方法 在設(shè)計(jì)中通過(guò)檢測(cè)超聲波 信號(hào)從發(fā)送到接收的時(shí)間間隔 t 計(jì)算出測(cè)量距離 s 但是考慮到超聲 波傳播速度受溫度的影響較大 因此系統(tǒng)中還采用了溫度傳感器 AD590 來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境溫度 對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償 提高測(cè)量的 精度 本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心的測(cè)距儀器 可以實(shí)現(xiàn)預(yù)置 多端口檢測(cè) 顯 示等多種功能 并且成本低 精度高 操作簡(jiǎn)單 工作穩(wěn)定可靠 從而 實(shí)現(xiàn)直接的查看距離值 顯示 輸出控制的功能 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 超聲波 測(cè)距 測(cè)量誤差 溫度補(bǔ)償 AT89S51 1 1 緒論 雖著電子技術(shù)的發(fā)展 出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距 激光測(cè)距及超聲波測(cè)距 前 2 種方法由于技術(shù)難度大 成本高 一般僅用于軍事工業(yè) 而超聲波測(cè)距則由于其技 術(shù)難度相對(duì)較低 且成本低廉 適于民用推廣 這項(xiàng)技術(shù)也可用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域 由于超聲波指向性強(qiáng) 能量消耗緩慢 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 如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn) 利 用超聲波檢測(cè)往往比較迅速 方便 計(jì)算簡(jiǎn)單 易于做到實(shí)時(shí)控制 并且在測(cè) 量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求 因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛 的應(yīng)用 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 超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式 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 對(duì)于被測(cè) 物處于黑暗 有灰塵 煙霧 電磁干擾 有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能 力 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 特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距 由于空氣中波速較慢 其回波信號(hào)中包含的沿傳 播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái) 具有很高的分辨力 因而其準(zhǔn)確度也較 其它方法為高 而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小 信號(hào)處理可靠等特 點(diǎn) 因此本設(shè)計(jì)也是利用超聲波來(lái)測(cè)量距離 2 1 1 超聲波傳感器的類型 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 總 體上講 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 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 率和聲波特性各不相同 因而用途也各不相同 目前較為常用的是壓電式超 聲波發(fā)生器 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(lái)工作的 它有兩個(gè) 壓電晶片和一個(gè)共振板 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 反之 如果兩電極間未外加電壓 當(dāng)共振板接收到超聲波時(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器了 1 3超聲傳感器的特性 1 3 1傳感器的指向角 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 對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō) 它的大小與工作波長(zhǎng) 傳感器半徑r有關(guān)由 2 r sin 2 1 615選f0 40KHz時(shí) C f0 8 5mm 當(dāng) f0 選定后 指向角 近似與傳感器半徑成反比 指向角 愈小 空間分辨率愈高 則要求傳感器半徑r愈大 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(guó)產(chǎn) 現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r 6 3mm 故 2 arcsin 1 615 2 r 75 1 3 2測(cè)距儀的工作頻率 它的衰減對(duì)頻率很敏感 要求合理選擇超聲波頻率 一般在 40KHz 左右 太高頻率的超聲波在空氣中是無(wú)法傳播開(kāi)去的 傳感器 的工作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù) 它直接影響超聲波的擴(kuò)散 和吸收損失 障礙物反射損失 背景噪聲 并直接決定傳感器的尺 寸 3 1 3 3工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮 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 2 工作頻率越高 對(duì)相同尺寸的還能器來(lái)說(shuō) 傳感器的方向性越尖銳測(cè) 量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn) 而且波長(zhǎng)短 尺寸分辨率高 細(xì)節(jié) 容易辨識(shí)清楚 因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看 工作頻率要求提高 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 綜上所述 由于本測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大 因而選擇測(cè)距儀工作頻率定為 44KHz 這樣傳感器方向性尖銳 且避開(kāi)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(lái)困難 1 4 速度影響因素及其補(bǔ)償 穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波速度是保證測(cè)量精度的必要條件 而超聲波在空氣傳播中 會(huì)受到溫度 濕度 粉塵 大氣層 氣流等邏輯因素的影響 其中溫度的影響 最大 超聲波在空氣中的速度與溫度的關(guān)系表達(dá)式為 c 237 1616 237 T 由泰勒公式將其展開(kāi)得 C 331 5 0 607Tm s 式中 T 溫度 可見(jiàn)溫度對(duì)速度的影響很大必須加以修正 1 5 超聲波測(cè)量距離的原理 超聲波是指頻率超過(guò)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 超聲波測(cè)距的常用方法有渡越時(shí) 間法 頻差法 幅值法等 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 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF timeofflight 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(zhǎng)距離測(cè)量 因?yàn)槌?波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331 45米 秒 由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí) 單片機(jī)使用 12 0M晶振 所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí) 由于超聲波指向 4 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 利用超聲波檢測(cè)距離 設(shè)計(jì)比較方便 計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單 并且在測(cè)量精度方 面也能達(dá)到要求 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(lái) 檢測(cè)到障礙物的距離 通過(guò)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 5 2 2 超聲波測(cè)距儀總體結(jié)構(gòu)超聲波測(cè)距儀總體結(jié)構(gòu) 超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 1所示 主 控 器 超聲波發(fā)射 超聲波接收 LED顯示 按鍵 溫度傳感器 2 1 超聲波測(cè)距儀總體結(jié)構(gòu)框圖 2 1 主控制器的選擇主控制器的選擇 方案一 由集成電路單片機(jī)組成 本方案只需一片單片機(jī)就足以實(shí)現(xiàn)方案的所有功能 有著電路簡(jiǎn)單 成本低 功能強(qiáng)大 精度高等優(yōu)點(diǎn) 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 方案二 由組合邏輯電路組成 采用組合邏輯則所有電路均需用數(shù)字邏輯電路和部分分立元件 所以此方 案系統(tǒng)體積龐大 所需元器件多 功能少 誤差大等缺點(diǎn) 所以該方案不宜采 用 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 所以本系統(tǒng)采用由單片機(jī)控制來(lái)設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀 2 1 1 主控芯片的選擇主控芯片的選擇 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(lái)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 AT89S51 單片機(jī)引腳介紹 AT89S51 有 PDIP PLCC TQFP 三種封裝方式 其中最常見(jiàn)的就是采用 40Pin 封裝的雙列直接 PDIP 封裝 外形結(jié)構(gòu)如下圖 4 1 1 所示 圖 4 1 1 AT89S51 單片機(jī)外形結(jié)構(gòu) 芯片共有 40 個(gè)引腳 引腳的排列順序?yàn)閺目啃酒娜笨?左邊那列引腳逆 時(shí)針數(shù)起 依次為 1 2 3 4 40 其中芯片的 1 腳頂上有個(gè)凹點(diǎn)在單片 機(jī)的 40 個(gè)引腳中 電源引腳 2 根 外接晶體振蕩器引腳 2 根 控制引腳 4 根 以及 4 組 8 位可編程 I O 引腳 32 根 1 主電源引腳 2 根 VCC Pin40 電源輸入 接 5V 電源 GND Pin20 接地線 7 2 外接晶振引腳 2 根 XTAL1 Pin19 片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2 Pin20 片內(nèi)振蕩電路的輸出 端 3 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 ALE PROG Pin30 地址鎖存允許信號(hào) PSEN Pin29 外部存儲(chǔ)器讀選通信 號(hào) EA VPP Pin31 程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通 接低電平從外部程序存儲(chǔ)器 讀指令 如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令 4 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 P1 P2 P3 口 每個(gè)口有 8 位 8 根引腳 共 32 根 每一根引腳都可以編程 比如用來(lái)控制 電機(jī) 交通燈 霓虹燈等 開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)就是利用這些可編程引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)我們想 要的功能 盡情發(fā)揮你的想象力吧 實(shí)現(xiàn)你想要的 PO 口 Pin39 Pin32 8 位雙向 I O 口線 名稱為 P0 0 P0 7 P1 口 Pin1 Pin8 8 位準(zhǔn)雙向 I O 口線 名稱為 P1 0 P1 7 P2 口 Pin21 Pin28 8 位準(zhǔn)雙向 I O 口線 名稱為 P2 0 P2 7 P3 口 Pin10 Pin17 8 位準(zhǔn)雙向 I O 口線 名稱為 P3 0 P3 7 上面就是AT89S51單片機(jī)引腳的簡(jiǎn)單介紹 2 2 單片機(jī)外圍電路單片機(jī)外圍電路 本設(shè)計(jì)中 單片機(jī)是核心控制元器件 它控制產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)來(lái)發(fā)送超 聲波 同時(shí)接收電路將接收到的反射信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需的中斷信號(hào) 使單 片機(jī)產(chǎn)生中斷 從而得到超聲波信號(hào)從發(fā)送到接收的時(shí)間間隔 然后對(duì) DS18B20 送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理 得到環(huán)境溫度 根據(jù)所測(cè)的環(huán)境溫度對(duì)超聲波 8 傳播速度時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償 最后計(jì)算出所測(cè)量距離 送到數(shù)碼管進(jìn)得顯示 其電路 如圖 2 2 1 所示 圖 2 2 1 單片機(jī)外圍電路 2 2 1 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 9 2 由 c3 R1 R2 及按鍵構(gòu)成復(fù)位電路 3 由按鍵 S1 和按鍵 S2 組成按鍵電路 在電路中 按鍵 S1 用來(lái)控制是否進(jìn)行測(cè)量 當(dāng)電路上電后 如果按下 S1 則進(jìn)入測(cè)量狀態(tài) 否則等待 在設(shè)計(jì)中 由于超聲波傳播速度受溫度的影 響很大 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 在測(cè)量狀態(tài)和等待狀 態(tài)下 只要按下 S2 鍵 就可直接對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行顯示 在溫度顯示狀態(tài)下 按 下 S1 鍵就可退出溫度顯示 4 由 4 個(gè) 8 段數(shù)碼管 4 個(gè)與非門 1 個(gè)排阻組成動(dòng)態(tài)掃描顯示電路 顯示部分采用的是動(dòng)態(tài)掃描顯示 5V 的正電源通過(guò)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 當(dāng)要對(duì)最低位進(jìn)行顯示時(shí) 通過(guò) 軟件將要顯示的數(shù)字轉(zhuǎn)換成 8 段數(shù)碼管的顯示信號(hào) 通過(guò) P0 口送到 8 段數(shù)碼管 上 然后由 P2 口送出選通信號(hào) 使最低位進(jìn)行顯示 利用人的視覺(jué)暫停 因此 我們可以看到 LED 的顯示 10 3超聲波發(fā)射單元 3 1 多諧振蕩器特點(diǎn) 1 多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài) 只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài) 2 通過(guò)電容的充電和放電 使兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)相互交替 從而產(chǎn)生自激振蕩 無(wú) 需外觸發(fā) 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 3 2非對(duì)稱式多諧振蕩器工作原理 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 對(duì)于多諧振蕩器 控制狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的仍然是電容的充放電 而其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)集中體現(xiàn)在vi的電 位變化假設(shè)門電路的閾值為VTH 則電路的變化過(guò)程如下圖3 1所示 圖3 1 電路的變化過(guò)程 1 第一暫態(tài)及自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程 設(shè)vo1 1 vo 0為第一暫態(tài) 這時(shí)RC充放電回路如右圖 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)?vo1 0 vo 1 第二暫 態(tài) 1 1 R C G vi1 vo1 vo 1G2 R C G vi1 vo1 vo1 G2 Vdd 11 2 第二暫態(tài)及自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程如下圖3 2 圖3 2 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程 第二暫態(tài)為vo1 0 vo 1 這時(shí)RC充放電回路如右圖 隨著時(shí)間的增加 vi1 從其初值開(kāi)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)?vo1 1 vo 0 第一暫態(tài) 3 3超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅(qū)動(dòng)電路 振蕩電路是由反相器CD4069組成 的非對(duì)稱式多諧振蕩器 它產(chǎn)生40kHZ 的方波脈沖電路如圖5 1所示電路中G2 輸出的電壓由Rf的調(diào)節(jié) 可以改變輸入到G1輸入端的相位 當(dāng)相位達(dá)到同相時(shí) G1和G2實(shí)現(xiàn)正反饋 G1和G2就成了穩(wěn)定的振蕩器 振蕩周期公式為T 2 2 Rf C 因?yàn)镃D4069為CMOS 結(jié)構(gòu) 所以邏輯門前的電阻Rp為G1的保護(hù)電阻 當(dāng) Rp足夠大時(shí) G1的輸入電流可忽略不計(jì) 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) 電路中Z1 Z2同時(shí)得到相位相反 的2路控制脈沖 提供給驅(qū)動(dòng)電路 11 R C G vi1 vo1 vo 1G2 R C G vi1 vo1 vo 1 G2 Vdd 12 圖5 1 振蕩電路 驅(qū)動(dòng)控制電路圖5 2所示 它采用了L239 型直流電機(jī)PWM 調(diào)速芯片 它 內(nèi)部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖 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 振蕩電路中產(chǎn)生方波的Z1 Z2端 分別接到驅(qū)動(dòng)電路IN1 IN2端 控制輸出電路中EN端為輸出使能端 它接到單 片機(jī)的P1 7端口 該端口精確輸出高電平時(shí)間來(lái)控制發(fā)射方波的個(gè)數(shù) 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 圖5 2驅(qū)動(dòng)控制電路圖 13 4 超聲波接收單元 4 1接收放大器的方案設(shè)計(jì) 接收預(yù)放大單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大 并抑制其它的噪聲和干擾 從而達(dá)到最大信噪比 以利檢測(cè)單元的正確檢測(cè) 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 室內(nèi)環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段 遠(yuǎn)離回波 信號(hào)頻率 因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機(jī)的內(nèi)部噪聲決定 其功率譜寬 度遠(yuǎn)大于接收機(jī)的通頻帶 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 匹配 濾波器具有以下特點(diǎn) 1 輸出最大信噪比與信號(hào)波形無(wú)關(guān) 2 匹配濾波器對(duì)信號(hào)的幅度和時(shí)延具有適應(yīng)性 即對(duì)只有幅度和出現(xiàn)時(shí)間不 同 的信號(hào) 它們的匹配濾波器是相同的 3 匹配濾波器與相關(guān)接收和相關(guān)器具有等效性 實(shí)際上很難得到精確的匹配濾波器 由于單個(gè)射頻脈沖的頻譜是連續(xù)的 用普 通 的窄帶濾波器就能把其主峰部分濾波出來(lái) 適當(dāng)?shù)倪x擇濾波器的通帶寬度就能 取得與匹配濾波器相差不多的效果 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6 1 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 14 單位增益帶寬為15MHz 超出音頻范圍能夠滿足40kHz 的要求 在放大電路 的負(fù)反饋回路中接入電容C1構(gòu)成低通濾波器 電容的選擇可由公式f 1 2 RfC1 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 因?yàn)槎嘀C振蕩器 中有高頻分量噪聲 所以通過(guò)低通濾波器將高頻噪聲濾掉 經(jīng)過(guò)2極放大后 通 過(guò)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 參 考電壓設(shè)定為1V 左右 以提高靈敏度 第2個(gè)比較器僅起反相作用 圖 6 1 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7 1所示 由單片機(jī)AT89S51的P1 7口控制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(wú)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 15 圖 7 1 發(fā)射與與接收脈沖工作時(shí)序圖 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(guò)程檢測(cè)控制系統(tǒng) 溫度傳感器的種類很多 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條 件 選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測(cè)量的準(zhǔn)確可靠 并同時(shí)達(dá)到增加使用壽 命和降低成本的目的 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 Vi t 的數(shù)據(jù) 以發(fā)揮其實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的特點(diǎn) 把 AD590 用于改進(jìn)一部分物理實(shí)驗(yàn) 如空氣比熱容比的測(cè)量 金屬比熱容的測(cè) 量及液氮汽化熱的測(cè)量等 都取得了良好的效果 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 2 集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路 它是利用晶體管的 b e 結(jié) 壓降的不飽和值 VBE 與熱力學(xué)溫度 T 和通過(guò)發(fā)射極電流 I 的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫 度的檢測(cè) 式中 K 波爾茲常數(shù) q 電子電荷絕對(duì)值 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 集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩 種 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 2 982V 電流輸出型的靈敏度一般為 1mA K 16 5 1 1 AD590 的功能及特性 AD590 是電流型溫度傳感器 通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值 根據(jù) 特性分擋 AD590 的后綴以 I J K L M 表示 AD590L 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(guò)器件的電流 mA 等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度 開(kāi)爾文 度數(shù) 即 mA K 式中 流過(guò)器件 AD590 的電流 單位為 mA T 熱力學(xué)溫度 單位為 K 2 AD590 的測(cè)溫范圍為 55 150 3 AD590 的電源電壓范圍為 4V 30V 電源電壓可在 4V 6V 范圍變化 電 流 變化 1mA 相當(dāng)于溫度變化 1K AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向 電壓 因而器件反接也不會(huì)被損壞 4 輸出電阻為 710MW 5 精度高 AD590 共有 I J K L M 五檔 其中 M 檔精度最高 在 55 150 范圍內(nèi) 非線性誤差為 0 3 6 AD590 的主特性參數(shù)如下 工作電壓 4 30V 工作溫度 55 150 保存溫度 65 175 正向電壓 44V 反向電壓 20V 焊接溫度 10 秒 300 靈敏度 1 A K 5 2 AD590 的工作原理 在被測(cè)溫度一定時(shí) AD590 相當(dāng)于一個(gè)恒流源 把它和 5 30V 的直流電源 相連 并在輸出端串接一個(gè) 1k 的恒值電阻 那么 此電阻上流過(guò)的電流將和 被測(cè)溫度成正比 此時(shí)電阻兩端將會(huì)有 1mV K 的電壓信號(hào) 是利用 UBE特性 的集成 PN 結(jié)傳感器的感溫部分核心電路 其中 T1 T2 起恒流作用 可用于使 左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等 T3 T4 是感溫用的晶體管 兩個(gè)管的 材質(zhì)和工藝完全相同 但 T3 實(shí)質(zhì)上是由 n 個(gè)晶體管并聯(lián)而成 因而其結(jié)面積是 T4 的 n 倍 T3 和 T4 的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3和 UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R 上 17 所以 R 上端電壓為 UBE 因此 電流 I1 為 I1 UBE R KT q lnn R 對(duì)于 AD590 n 8 這樣 電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T 成正比 將此電 流引至負(fù)載電阻 RL上便可得到與 T 成正比的輸出電壓 由于利用了恒流特性 所以輸出信號(hào)不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響 圖 3 中的電阻 R 是在硅板上形 成的薄膜電阻 該電阻已用激光修正了其電阻值 因而在基準(zhǔn)溫度下可得到 1 A K 的 I 值 5 3 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí) 首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓 由于 AD590 為電流輸出元 件 它的溫度每升高 1K 電流就增加 1 A 當(dāng) AD590 的電流通過(guò)一個(gè) 10k 的 電阻時(shí) 這個(gè)電阻上的壓降為 10mV 即轉(zhuǎn)換成 10mV K 為了使此電阻精確 0 1 可用一個(gè) 9 6k 的電阻與一個(gè) 1k 電位器串聯(lián) 然后通過(guò)調(diào)節(jié) 電位器來(lái)獲得精確的 10k 圖 5 所示是一個(gè)電流 電壓和絕對(duì) 攝氏溫標(biāo)的 轉(zhuǎn)換電路 其中運(yùn)算放大器 A1 被接成電壓跟隨器形式 以增加信號(hào)的輸入阻抗 而運(yùn)放 A2 的作用是把絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo) 給 A2 的同相輸入端輸入一個(gè) 恒定的電壓 如 1 235V 然后將此電壓放大到 2 73V 這樣 A1 與 A2 輸 出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo) 將 AD590 放入 0 的冰水混合溶液中 A1 同相輸入端的電壓應(yīng)為 2 73V 同樣使 A2 的輸出電壓也為 2 73V 因此 A1 與 A2 兩輸出端之間的電壓 2 73 2 73 0V 即對(duì)應(yīng)于 0 18 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 6 1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測(cè)距的基本功能之后 系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針 對(duì) 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用 根據(jù)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成 功能 系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能 1 信號(hào)控制 在系統(tǒng)硬件中 已經(jīng)完成了發(fā)射電路 遠(yuǎn)近檔開(kāi)關(guān) 程控增益放大 檢波及峰 值 采樣 門限檢測(cè)的設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)軟件中 要完成增益控制信號(hào) 門控信號(hào) 發(fā) 射脈沖信號(hào) 峰值采集信號(hào) 遠(yuǎn)近控制信號(hào)的時(shí)序及輸出 2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差 要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值 然后 存 儲(chǔ)在 RAM 中 而且每次發(fā)射周期的開(kāi)始 需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零 以備后續(xù)處理 6 1 1 主程序結(jié)構(gòu) 主程序是單片機(jī)程序的主體 整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中 19 完 成的 在此過(guò)程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序 如圖4 8 所示為系統(tǒng) 的主程序流程 程序首先完成初始化過(guò)程 然后是一個(gè)重復(fù)的控制發(fā)射信號(hào)的 過(guò)程 即先調(diào)用近距發(fā)射子程序十遍 再調(diào)用遠(yuǎn)距發(fā)射子程序十遍 而且每次 發(fā)射周期結(jié)束都會(huì)判斷在發(fā)射信號(hào)后延時(shí)等待的過(guò)程中是否發(fā)生了中斷 即是 否有回波產(chǎn)生來(lái)判斷程序得流程 6 1 2 中斷程序 中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷 在系統(tǒng)硬件中 發(fā)射的44KHz脈沖信 號(hào)遇到障礙物反射后 經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī) 在中斷服務(wù) 程序中 要從把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并保存在RAM 中 再對(duì)該 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 計(jì)算得到相應(yīng)的距離值 并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制 最后送到顯示輸出 結(jié)結(jié) 束束 語(yǔ)語(yǔ) 本系統(tǒng)在空氣中測(cè)量范圍為0 3 米左右 對(duì)固體 液體表面均可測(cè)量 但 要求被測(cè)表面比較光滑平坦 確保超聲波能夠被反射回來(lái) 并被探頭接收 線性度 穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較好 發(fā)現(xiàn)影響渡越時(shí)間精度有限 因此本系統(tǒng) 仍有一些需改善的方面 1 由于探頭限制 在高溫 高壓等惡劣環(huán)境下 測(cè)量誤差大 可以根據(jù)實(shí) 際情況更換更合適的探頭 測(cè)量距離與發(fā)射功率直接相關(guān) 由于探頭功率有限 只能在室內(nèi)小范圍測(cè)量 更換成大功率探頭 測(cè)距范圍將擴(kuò)大 2 溫度對(duì)聲波速度的影響 3 超聲波在傳播過(guò)程中首空氣熱對(duì)流擾動(dòng)以及塵埃吸收的影響 接收回波 的幅值隨傳播距離的增加成指數(shù)規(guī)律衰減 使得遠(yuǎn)距離回波難以檢測(cè) 同時(shí)其 他誤差源 比如電阻電容的熱噪聲 電路延遲引起的渡越時(shí)間檢測(cè)誤差 改進(jìn) 方法是改善被測(cè)表面條件 和提高探頭功率 20 4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能不夠高 被測(cè)表面移動(dòng)速度很小時(shí) 可以實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量 移動(dòng)速度過(guò)大 誤差變大 5 直達(dá)波的影響 有一部分聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭 這部分信 號(hào)直接加到回波信號(hào)中 干擾回波信號(hào)的檢測(cè) 通過(guò)幾個(gè)月來(lái)的細(xì)心工作 本人理論及實(shí)踐能力進(jìn)一步提高 對(duì)于本文中 存在的缺憾和錯(cuò)誤 望批評(píng)指正 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 邱平 略論我國(guó)非金屬超聲波檢測(cè)儀器的發(fā)展?fàn)顩r 工程質(zhì)量 1998 年01 期 2 超聲波探傷編寫組編著 超聲波探傷 北京 電力工業(yè)出版社 1980 年 3 王純正 超聲學(xué) 北京 人民衛(wèi)生出版社 1993 年 4 戴樹(shù)蓀 數(shù)字技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 1981 年 5 中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)編譯 超聲波探傷 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1987 年 6 電子工程手冊(cè)編委會(huì) 國(guó)內(nèi)外小功率晶體管實(shí)用手冊(cè) 北京 電子工業(yè)出 版 社 1993 年 7 同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究室 超聲工業(yè)測(cè)量技術(shù) 上海 上海人民出版社 1977 年 8 李鳴華 余水寶 單片機(jī)在超聲波料位測(cè)量中的應(yīng)用 電子技術(shù)應(yīng)用 1998 21 年第9 期 9 閻福旺 凌青 孿經(jīng)德 現(xiàn)代聲納技術(shù) 北京 海洋出版社 1998 年 10 彭光宇 趙明才 海洋測(cè)量定位與計(jì)算 北京 測(cè)繪出版社 1993 年 11 王立言 公共信道信號(hào) 北京 人民郵電出版社 1993 年 12 孫曉峰 周盛 氣動(dòng)聲學(xué) 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 1994 年 13 林理忠 宋敏 微弱信號(hào)檢測(cè)學(xué)導(dǎo)論 北京 中國(guó)計(jì)量出版社 1996 年 22 附錄 超聲波測(cè)距離程序設(shè)計(jì) W1 EQU 30H 存放乘法的高位 W2 EQU 31H 存放乘法的第二 位 W3 EQU 32H 存放乘法的低位 LED1 EQU 33H 存放第一位要顯 示十進(jìn)制數(shù) LED2 EQU 34H 存放第二位要顯 示十進(jìn)制數(shù) LED3 EQU 35H 存放第三位要顯 示十進(jìn)制數(shù) COUNT L EQU 36H 存放距離低位 COUNT H EQU 37H 存放距離高位 TEMPER H EQU 40H 保存讀出溫度的 低 8 位 TEMPER L EQU 41H 保存讀出溫度的 高 8 位 TEMPER EQU 42H 保存所測(cè)到的溫 度值 D EQU 43H G EQU 44H FLAGE BIT 00H ORG 0000H AJMP START ORG 0003H AJMP INT0 ORG 000BH AJMP INT T0 ORG 001BH AJMP INT T1 ORG 0040H START MOV SP 60H CPL P1 2 MOV 09H 00H MOV TEMPER L 00H MOV TEMPER H 00H MOV TEMPER 00H MOV W1 00 MOV W2 00 MOV W3 00H MOV LED1 00H MOV LED2 00H MOV LED3 00H MOV COUNT L 00H MOV COUNT H 00H MM1 LCALL DISPLAY JB P1 0 MM3 LCALL DISPLAY JB P1 0 MM1 MM0 LCALL DISPLAY JNB P1 0 MM0 LCALL KEY1 MM3 23 LCALL DISPLAY JB P1 1 MM4 LCALL DISPLAY JB P1 1 MM4 MM5 LCALL DISPLAY JNB P1 1 MM5 LCALL KEY2 MM4 SJMP MM1 KEY1 MOV TMOD 00010001B 定時(shí)器 0 工作在 方式 1 用于控制產(chǎn)生發(fā)送超聲波的信號(hào) 定時(shí)器 1 工作在方式 2 MOV IP 01H INT0 設(shè)為高優(yōu)先級(jí) SETB IT0 INT0 為跳變沿觸發(fā) MOV TH0 0FFH T0500us 定時(shí) MOV TL0 06H MOV TH1 00H 定時(shí)器 T1 60us 定時(shí) MOV TL1 00H CPL P1 2 SETB TR0 SETB TR1 SETB ET0 SETB ET1 SETB EX0 SETB EA RET 外部中斷 INT0 中斷程序 INT0 PUSH ACC PUSH PSW CLR TR1 CLR TR0 CLR EA LCALL COUNT DISTANCE LCALL DISPLAY LCALL DISPLAY LCALL DISPLAY LCALL DISPLAY MOV TL1 00H MOV TH1 00H MOV TH0 0FFH 500us 定時(shí) MOV TL0 06H SETB TR0 SETB TR1 SETB EA POP PSW 24 POP ACC RETI 定時(shí)器 0 中斷程序 分別產(chǎn)生 500us 定時(shí)和 29500us 定時(shí) INT T0 PUSH ACC PUSH PSW SETB TR1 NOP NOP NOP CPL P1 2 JNB P1 2 M0 NOP NOP MOV TH0 0FFH 500us 定時(shí) MOV TL0 06H SETB TR0 JMP M1 M0 NOP NOP MOV TH0 8BH 29500us 定時(shí) MOV TL0 0CAH SETB TR0 M1 POP PSW POP ACC RETI INT T1 NOP RETI 動(dòng)態(tài)掃描顯示程序 DISPLAY MOV A LED1 MOV R1 A ANL A 0F0H SWAP A MOV DPTR TABLE MOVC A A DPTR MOV P0 A ANL P2 0FEH LCALL DELAY MOV A R1 ANL A 0FH MOVC A A DPTR MOV P0 A 25 MOV A P2 RL A MOV P2 A LCALL DELAY MOV A LED2 ANL A 0FH MOVC A A DPTR MOV P0 A MOV A P2 RL A MOV P2 A LCALL DELAY MOV A LED3 ANL A 0FH MOVC A A DPTR MOV P0 A MOV A P2 RL A MOV P2 A LCALL DELAY MOV P2 0FFH RET DELAY PUSH PSW SETB PSW 4 MOV R6 50 5ms 顯示延時(shí) D1 MOV R7 50 DJNZ R7 DJNZ R6 D1 POP PSW RET COUNT DISTANCE LCALL DISPLAY LCALL DIV 2 LCALL DISPLAY LCALL DBMUL LCALL DISPLAY LCALL H D LCALL DISPLAY RET DBMUL LCALL B20MAIN LCALL DISPLAY 26 MOV A TEMPER CLR C MOV B 6H MUL AB MOV B 0AH DIV AB ADD A 4BH MOV R3 A MOV A 01H ADDC A 00H MOV R2 A MOV R6 TH1 MOV R7 TL1 MOV A R3 MOV B R7 MUL AB XCH A R7 MOV R5 B MOV B R2 MUL AB ADD A R5 MOV R4 A CLR A ADDC A B MOV R5 A MOV A R6 MOV B R3 MUL AB ADD A R4 XCH A R6 XCH A B ADDC A R5 MOV R5 A MOV F0 C MOV A R2 MUL AB ADD A R5 MOV R5 A CLR A MOV ACC 0 C MOV C F0 ADDC A B MOV R4 A CLR C MOV A R7 SUBB A 0A0H JC DD1 MOV R7 A DD4 MOV A R6 27 CLR C SUBB A 86H JC DD2 MOV R6 A JMP DD3 DD1 CLR C MOV A R6 DEC A MOV R6 A MOV A 0FFH SUBB A 0A0H ADD A R7 ADD A 01H MOV R