超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計論文

1、 . 畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）標(biāo) 題： 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生： 江 系 部： 電子工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用電子技術(shù) 班 級： 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)處制目目 錄錄摘要 () . 1 / 341、緒論 111 超聲波傳感器的類型212 壓電式超聲波發(fā)生器原理 213超聲傳感器的特性 314速度影響因素與其補償 3 15 超聲波測量距離的原理 32、超聲波測距儀總體結(jié)構(gòu) 521 主控芯片的選擇522 單片機 AT89S51 的外圍電路73、超聲波發(fā)射 1031 多諧振蕩器特點1032非對稱式多諧振蕩器工作原理1033超聲波發(fā)射電路114、超聲波接收

2、 1341接收放大器的方案設(shè)計1342超聲波接收電路135、測溫芯片AD5901551 AD590 簡介1552 AD590 的工作原理的部結(jié)構(gòu)1653 測溫電路的設(shè)計176 系統(tǒng)軟件設(shè)計186.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 18結(jié)論 19 . 2 / 34參考文獻 20附錄 21后記 30 . I / 34摘摘 要要文中介紹了一種以單片機 AT89S51 作為主控制器，最終用 7 段數(shù)碼管顯示測量距離的超聲波測距儀的設(shè)計方法。在設(shè)計過檢測超聲波信號從發(fā)送到接收的時間間隔 t，計算出測量距離 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 來檢測周圍環(huán)境溫度，對超聲波

3、的傳播速度進行溫度補償，提高測量的精度。本設(shè)計是以單片機為核心的測距儀器，可以實現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測、顯示等多種功能,并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠。從而實現(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；測距；測量誤差；溫度補償； AT89S51 . 1 / 341 緒論雖著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了微波雷達測距、激光測距與超聲波測距。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),而超聲波測距則由于其技術(shù)難度相對較低,且成本低廉,適于民用推廣。這項技術(shù)也可用于工業(yè)測量領(lǐng)域。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，

4、如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動測量和微機技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、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。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上

5、的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，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)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設(shè)計也是利用超聲波來測量距離。 . 2 / 3411 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、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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一樣，因而用途也各不一樣。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。12 壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實際

6、上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。13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的夾角，是影響測距的一個重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長，傳感器半徑r有關(guān)由(2/)*r*sin(/2)=1.615選f0=40KHz時，C/f0=8.5mm。當(dāng)f0選定后，指向角近似

7、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=6.3mm，故=2*arcsin(1.615/2*r)=751.3.2測距儀的工作頻率它的衰減對頻率很敏感，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法傳播開去的。傳感器的工作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。 . 3 / 341.3.3工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮(1) 如果測距的能力要求很大

8、，聲波傳播損失就相對增加，由于介質(zhì)對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，對一樣尺寸的還能器來說，傳感器的方向性越尖銳測量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長短，尺寸分辨率高“細節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。(3) 從傳感器設(shè)計角度看，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， 由于本測距儀最大測量量程不大， 因而選擇測距儀工作頻率定為44KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。1.4 速度影響因素

9、與其補償穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波速度是保證測量精度的必要條件，而超聲波在空氣傳播中會受到溫度、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)系表達式為：c=/237.1616.237T由泰勒公式將其展開得： C=331.5+0.607Tm/s式中 T 溫度（） ，可見溫度對速度的影響很大必須加以修正。1. 5 超聲波測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、在介質(zhì)中衰減小、傳播距離遠等特點，經(jīng)常用于實現(xiàn)距離的測量。超聲波測距的常用方法有渡越時間法、頻差法、幅值法等。其中，渡越時間法因其原理簡單，實現(xiàn)方便，而被廣泛采用。超聲波測距的

10、原理一般采用渡越時間法TOF（timeofflight） 。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，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 測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責(zé)計時，單片機使 . 4 / 34用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。主控制

11、器脈沖調(diào)制信號進行超聲波發(fā)送，采用時間間隔法來檢測到障礙物的距離，通過數(shù)碼管直接對測試距離進行顯示，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，采用了集成測溫芯片，對超聲波的傳播速度進行溫度補償 ,提搞測量的精度。 . 5 / 342 2 超聲波測距儀總體結(jié)構(gòu)超聲波測距儀總體結(jié)構(gòu)超聲波測距儀的硬件結(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 超聲波測距儀總體結(jié)構(gòu)框圖2 21 1 主控制器的選擇主控制器的選擇方案一：由集成電路單片機組成本方案只需一片單片機就足以實現(xiàn)方案的所有功能，有著電路簡單、成本低功能強大、精度高等優(yōu)點。另外還可以與 PC 機

12、通信，實現(xiàn)智能化控制與遠程控制。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，所以該方案不宜采用。由以上分析，由單片機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)采用由單片機控制來設(shè)計超聲波測距儀。2 21 11 1 主控芯片的選擇主控芯片的選擇 . 6 / 34本文以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 51 系列家族的 AT89S51 和 AT89C2051 兩種單片機來講解，兩種單片機是目前最常用的單片機，其中 AT89S51 為標(biāo)準(zhǔn) 51 單片機，當(dāng)然其功能比早期的 51 單片機更強大，

13、支持 ISP 在系統(tǒng)編程技術(shù)，置硬件看門狗。AT89S51 單片機引腳介紹AT89S51 有 PDIP、PLCC、TQFP 三種封裝方式，其中最常見的就是采用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 單片機外形結(jié)構(gòu)芯片共有 40 個引腳，引腳的排列順序為從靠芯片的缺口，左邊那列引腳逆時針數(shù)起，依次為 1、2、3、4|、40，其中芯片的 1 腳頂上有個凹點在單片機的 40 個引腳中，電源引腳 2 根，外接晶體振蕩器引腳 2 根，控制引腳 4 根以與 4 組 8 位可編程 I/O 引腳 32 根。1、主電源引腳（2 根），VCC(P

14、in40)：電源輸入，接5V 電源，GND(Pin20)：接地線。 . 7 / 342、外接晶振引腳（2 根）XTAL1(Pin19)：片振蕩電路的輸入端，XTAL2(Pin20)：片振蕩電路的輸出端。3、控制引腳（4 根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號，PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號，EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從部程序存儲器讀指令。 4、可編程輸入/輸出引腳（32 根）AT89S51 單片機有 4 組 8

15、 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、P1、P2、P3 口，每個口有 8 位（8 根引腳），共 32 根。每一根引腳都可以編程，比如用來控制電機、交通燈、霓虹燈等，開發(fā)產(chǎn)品時就是利用這些可編程引腳來實現(xiàn)我們想要的功能，盡情發(fā)揮你的想象力吧，實現(xiàn)你想要的。 PO 口（Pin39Pin32）：8 位雙向 I/O 口線，名稱為 P0.0P0.7 P1 口（Pin1Pin8）：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 P1.0P1.7 P2 口（Pin21Pin28）：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 P2.0P2.7 P3 口（Pin10Pin17）：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 P3.0P3.

16、7上面就是AT89S51單片機引腳的簡單介紹。2 22 2 單片機外圍電路單片機外圍電路本設(shè)計中，單片機是核心控制元器件，它控制產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號來發(fā)送超聲波，同時接收電路將接收到的反射信號轉(zhuǎn)換成單片機所需的中斷信號，使單片機產(chǎn)生中斷，從而得到超聲波信號從發(fā)送到接收的時間間隔，然后對DS18B20 送來的信號進行處理，得到環(huán)境溫度，根據(jù)所測的環(huán)境溫度對超聲波傳播速度時進行補償，最后計算出所測量距離，送到數(shù)碼管進得顯示。其電路如圖 2.2.1 所示： . 8 / 34圖 2.2.1 單片機外圍電路2.2.1 單片機外圍電路結(jié)構(gòu)與功能介紹（1）由 c1 和 c2 和 12MHZ 晶振組成起振電路。（

17、2）由 c3、R1,R2 與按鍵構(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 用來控制是否進行測量，當(dāng)電路上電后，如果按下 . 9 / 34S1，則進入測量狀態(tài)，否則等待。在設(shè)計中，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得補償，為了使該功能更加明顯，增加了溫度顯示功能，按鍵 S2 就用實現(xiàn)溫度顯示和距離測量切換。在測量狀態(tài)和等待狀態(tài)下，只要按下 S2 鍵，就可直接對環(huán)境溫度進行顯示。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 8 段數(shù)碼管 4 個與非門 1 個排阻組成動態(tài)掃描顯示電路。顯示部分采用的是動態(tài)掃描顯示

18、，+5V 的正電源通過排阻為 LED 提供驅(qū)動電流，四個非門實現(xiàn)動態(tài)掃描的各位選通。當(dāng)要對最低位進行顯示時，通過軟件將要顯示的數(shù)字轉(zhuǎn)換成 8 段數(shù)碼管的顯示信號，通過 P0 口送到 8 段數(shù)碼管上，然后由 P2 口送出選通信號，使最低位進行顯示，利用人的視覺暫停，因此我們可以看到 LED 的顯示。 . 10 / 343超聲波發(fā)射單元3.1 多諧振蕩器特點（1）多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。（2）通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，無需外觸發(fā)。（3）輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器3.2非對稱式多諧振蕩器工作原理單穩(wěn)態(tài)電路由暫

19、態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)是由于電容的充放電引起的。對于多諧振蕩器，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，則電路的變化過程如下圖3.1所示圖3.1 電路的變化過程(1) 第一暫態(tài)與自動翻轉(zhuǎn)過程設(shè)vo1=1，vo=0為第一暫態(tài)，這時RC充放電回路如右圖。隨著時間的增加，vi1增大，當(dāng)vi1達到VTH時，電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變?yōu)椋簐o1=0，vo=1（第二暫態(tài)）。(2) 第二暫態(tài)與自動翻轉(zhuǎn)過程如下圖3.2： . 11 / 34圖3.2 自動翻轉(zhuǎn)過程第二暫態(tài)為vo1=0，vo=1，這時RC充放電回路如右圖。隨著時間的增加，vi1從其初值開始減小，當(dāng)v

20、i1減小到VTH時，電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變?yōu)椋?vo1=1，vo=0（第一暫態(tài)）。33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)動電路，振蕩電路是由反相器CD4069組成的非對稱式多諧振蕩器，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)相位達到同相時，G1和G2實現(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=2.2Rf C因為CD4069為CMOS結(jié)構(gòu)，所以邏輯門前的電阻Rp為G1的保護電阻。當(dāng)Rp足夠大時，G1的輸入電流可忽略不計。由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以Rf采用電位計，可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點。電路中

21、Z1，Z2同時得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅(qū)動電路。圖5.1 振蕩電路 . 12 / 34驅(qū)動控制電路圖5.2所示。它采用了L239型直流電機PWM 調(diào)速芯片，它部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖。 驅(qū)動電路的直流電源電壓可以改變，以適應(yīng)不同傳感器對電壓的要求。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，它接到單片機的P1.7端口，該端口精確輸出高電平時間來控制發(fā)射方波的個數(shù)。這在設(shè)計上使得控制和方波產(chǎn)生相對獨立，從而使得電路簡單，控制精確，易于調(diào)試。圖5.2驅(qū)動控制電路圖 . 13 / 344 超聲波接收單元4.1接收放大器

22、的方案設(shè)計接收預(yù)放大單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利檢測單元的正確檢測。 信號的最佳接收在傳感器接收到的信號中，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。室環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段，遠離回波信號頻率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機的部噪聲決定，其功率譜寬度遠大于接收機的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識，輸入為已知信號加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大。匹配濾波器具有以下特點：(1) 輸出最大信噪比與信號波形無關(guān)(2) 匹配濾波器對信號的幅度和時延具有適應(yīng)性，即對只有幅度和出現(xiàn)時間不同的信號，它們

23、的匹配濾波器是一樣的。(3) 匹配濾波器與相關(guān)接收和相關(guān)器具有等效性。實際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個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，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。42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作為信號放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為15MHz，超出音頻圍能夠滿足40kHz的要求。在放大電路的負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=1/2RfC1求出，式中f0為采用的超聲波頻率，Rf為第一級的反饋

24、電阻。因為多諧振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉。經(jīng)過2極放大后，通過電容耦 . 14 / 34合，信號與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平，提供給單片機產(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方波的具有一定時間間隔的矩形波脈沖號,其發(fā)射與接收脈沖工作時序圖如圖7.1所示:由單片機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，其脈沖寬度與脈沖間隔均由軟件控制.脈沖寬度約為125到200us，即在一個調(diào)制脈沖包含5到8個40KHz的方波.脈沖發(fā)送間隔取決于要

25、求測量的最大距離.若在有效測距圍有被測物體，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，否則認為前方無被測物體.因此，按有效測距圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間. . 15 / 34圖 7.17.1 發(fā)射與與接收脈沖工作時序圖5 測溫芯 AD59051AD590 簡介（1）溫度傳感器的應(yīng)用圍很廣，它不僅廣泛應(yīng)用于日常生活中，而且也大量應(yīng)用于自動化和過程檢測控制系統(tǒng)。溫度傳感器的種類很多，根據(jù)現(xiàn)場使用條件，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測量的準(zhǔn)確可靠，并同時達到增加使用壽命和降低成本的目的。AD590 溫度傳感器不但實現(xiàn)了溫度轉(zhuǎn)換為線性化電量測量，而且精確度高、互換性好、應(yīng)用簡單方便

26、，因此，可把輸出的電信號經(jīng) AD 卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由計算機采集 Vi-t 的數(shù)據(jù)，以發(fā)揮其實時和準(zhǔn)確的特點。把AD590 用于改進一部分物理實驗，如空氣比熱容比的測量、金屬比熱容的測量與液氮汽化熱的測量等，都取得了良好的效果。總之，與水銀溫度計、銅-康熱電偶溫度計與半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計相比，AD590 具有線性好、測溫不需參考點與消除電源波動等優(yōu)點，因此在常溫圍可以取代它們，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 和通過發(fā)射極電流 I 的下述關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測： 式中，K波爾茲常數(shù)；

27、 q電子電荷絕對值。 （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，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時輸出為 0，溫度 25時輸出 2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為 1mA/K。511 AD590 的功能與特性 AD590 是電流型溫度傳感器，通過對電流的測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

28、為電流 . 16 / 34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。 （2）AD590 的測溫圍為-55+150。 （3）AD590 的電源電壓圍為 4V30V。電源電壓可在 4V6V 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+15

29、0圍，非線性誤差為0.3（6）AD590 的主特性參數(shù)如下： 工作電壓：430V； 工作溫度： 55150； 保存溫度：65175； 正向電壓：44V； 反向電壓：20V； 焊接溫度（10 秒）：300； 靈敏度：1AK。52 AD590 的工作原理在被測溫度一定時，AD590 相當(dāng)于一個恒流源，把它和 530V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個 1k 的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 1mVK 的電壓信號。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；

30、T3、T4 是感溫用的晶體管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全一樣，但 T3 實質(zhì)上是由 n 個晶體管并聯(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，所以 R 上端電壓為 UBE。因此，電流 I1 為： I1UBER（KTq）（lnn）R對于 AD590，n8，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

31、. 17 / 341AK 的 I 值。53 測溫電路的設(shè)計在設(shè)計測溫電路時，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 1A。當(dāng) AD590 的電流通過一個 10k 的電阻時，這個電阻上的壓降為 10mV，即轉(zhuǎn)換成 10mVK，為了使此電阻精確（01），可用一個 96k 的電阻與一個 1k 電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得精確的 10k。圖 5 所示是一個電流電壓和絕對攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路，其中運算放大器 A1 被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放 A2 的作用是把絕對溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，給 A2 的同相輸入端輸入一個恒定的電壓（

32、如 1235V），然后將此電壓放大到 273V。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 273V，同樣使 A2 的輸出電壓也為 273V，因此 A1與 A2 兩輸出端之間的電壓：2732730V 即對應(yīng)于 0。 . 18 / 346 系統(tǒng)軟件設(shè)計6.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與數(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)計和所完成功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能：（1）信號控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、遠近檔開關(guān)、程控增益放大、檢

33、波與峰值采樣、門限檢測的設(shè)計。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號、門控信號、發(fā)射脈沖信號、峰值采集信號、遠近控制信號的時序與輸出。（2）數(shù)據(jù)存儲為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數(shù)器的計數(shù)值，然后存儲在 RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。6.1.1主程序結(jié)構(gòu)主程序是單片機程序的主體，整個單片機端系統(tǒng)軟件的功能的實現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序與中斷服務(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程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號的過程，即先調(diào)用近距發(fā)射子程序十遍，再調(diào)用遠距發(fā)射子程序十遍。而且每次發(fā)射周期結(jié)束都會

34、判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來判斷程序得流程。6.1.2中斷程序中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機的外部中斷。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的44KHz脈沖信號 . 19 / 34遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機。在中斷服務(wù)程序中，要從把進入中斷服務(wù)程序處的計數(shù)值讀出并保存在RAM 中，再對該數(shù)據(jù)進行處理，計算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進制，最后送到顯示輸出。結(jié)束語結(jié)束語本系統(tǒng)在空氣中測量圍為03 米左右，對固體，液體表面均可測量，但要求被測表面比較光滑平坦，確保超聲波能夠被反射回來，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)影響渡越時間精度有限，

35、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，測量誤差大，可以根據(jù)實際情況更換更合適的探頭。測量距離與發(fā)射功率直接相關(guān)，由于探頭功率有限，只能在室小圍測量。更換成大功率探頭，測距圍將擴大。2 溫度對聲波速度的影響。3 超聲波在傳播過程中首空氣熱對流擾動以與塵埃吸收的影響，接收回波的幅值隨傳播距離的增加成指數(shù)規(guī)律衰減，使得遠距離回波難以檢測。同時其他誤差源，比如電阻電容的熱噪聲，電路延遲引起的渡越時間檢測誤差。改進方法是改善被測表面條件，和提高探頭功率。4 系統(tǒng)動態(tài)性能不夠高，被測表面移動速度很小時，可以實現(xiàn)跟蹤測量；移動速度過大，誤差變大。5 直達波的影響。有一部

36、分聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭，這部分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。通過幾個月來的細心工作，本人理論與實踐能力進一步提高。對于本文中存在的缺憾和錯誤，望批評指正。 . 20 / 34參考文獻參考文獻1、邱平. 略論我國非金屬超聲波檢測儀器的發(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. ：電力工業(yè)， 1980 年3、王純正. 超聲學(xué). ：人民衛(wèi)生，1993 年4、戴樹蓀. 數(shù)字技術(shù)在雷達中的應(yīng)用. ：國防工業(yè)，1981 年5、中國無損檢測學(xué)會編譯. 超聲波探傷. ：機械工業(yè)， 1987 年6、電子工程手冊編委會. 國外小功率晶體管實用手冊.

37、：電子工業(yè)出版社， 1993 年7、同濟大學(xué)聲學(xué)研究室. 超聲工業(yè)測量技術(shù). ：人民，1977 年8、鳴華，余水寶. 單片機在超聲波料位測量中的應(yīng)用. 電子技術(shù)應(yīng)用，1998年第9 期9、閻福旺，凌青，孿經(jīng)德. 現(xiàn)代聲納技術(shù). ：海洋， 1998 年10、光宇，明才. 海洋測量定位與計算. ：測繪， 1993 年11、王立言. 公共信道信號. ：人民郵電， 1993 年12、曉峰，周盛. 氣動聲學(xué). ：國防工業(yè)，1994 年13、林理忠，宋敏. 微弱信號檢測學(xué)導(dǎo)論. ：中國計量，1996 年 . 21 / 34 . 22 / 34附錄 超聲波測距離程序設(shè)計:W1 EQU 30H ; 存放乘法的

38、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制數(shù)LED2 EQU 34H ; 存放第二位要顯示十進制數(shù)LED3 EQU 35H ; 存放第三位要顯示十進制數(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 ; 保存所測到的溫度值D EQU 43HG EQU 44HFLAGE BIT 00H ; ORG 0000H

39、 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,#00HMM1: LCALL

40、DISPLAY P1.0 , MM3 LCALL DISPLAY P1.0, MM1MM0: LCALL DISPLAY JNB P1.0, MM0 LCALL KEY1MM3: . 23 / 34 LCALL DISPLAY P1.1,MM4 LCALL DISPLAY P1.1, MM4MM5: LCALL DISPLAY JNB P1.1,MM5 LCALL KEY2MM4: SJMP MM1KEY1: MOV TMOD,#00010001B ;定時器 0 工作在方式 1,用于控制產(chǎn)生發(fā)送超聲波的信號.定時器 1 工作在方式 2 MOV IP, #01H ;INT0 設(shè)為高優(yōu)先級 SET

41、B IT0 ;INT0 為跳變沿觸發(fā) MOV TH0,#0FFH ;T0500us 定時 MOV TL0,#06H MOV TH1,#00H ;定時器 T1 60us 定時 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 LCAL

42、L DISPLAY MOV TL1,#00H MOV TH1,#00H MOV TH0,#0FFH ;500us 定時 MOV TL0,#06H SETB TR0 SETB TR1 SETB EA POP PSW . 24 / 34 POP ACC RETI;*;定時器 0 中斷程序 ,分別產(chǎn)生 500us 定時和29500us 定時;*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 MOV TL0,#06H SETB TR0 JMP M1M

43、0: NOP NOP MOV TH0,#8BH ;29500us 定時 MOV TL0,#0CAH SETB TR0M1: POP PSW POP ACC RETI INT_T1: NOP RETI;*;動態(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 / 34 MOV A,P2 RL A MOV P2,A

44、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 RETDELAY: PUSH PSW SETB PSW.4 MOV R6,#50 ;5ms 顯示延時D1: MOV R7,#50 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 POP PSW RET;*;*COUNT_DISTANCE

45、: LCALL DISPLAY LCALL DIV_2 LCALL DISPLAY LCALL DBMUL LCALL DISPLAY LCALL H_D LCALL DISPLAY RET;*;*DBMUL:LCALL B20MAINLCALL DISPLAY;* . 26 / 34MOV A,TEMPERCLR CMOV B,#6HMUL ABMOV B,#0AHDIV ABADD A,#4BHMOV R3,AMOV A,#01HADDC A,#00HMOV R2,AMOV R6,TH1MOV R7,TL1MOV A,R3MOV B,R7MUL ABXCH A,R7MOV R5,BMOV

46、B,R2MUL ABADD A,R5MOV R4,ACLR AADDC A,BMOV R5,AMOV A,R6MOV B,R3MUL ABADD A,R4XCH A,R6XCH A,BADDC A,R5MOV R5,AMOV F0,CMOV A,R2MUL ABADD A,R5MOV R5,ACLR AMOV ACC.0,CMOV C,F0ADDC A,BMOV R4,ACLR CMOV A,R7SUBB A,#0A0HJC DD1MOV R7,ADD4:MOV A,R6 . 27 / 34CLR CSUBB A,#86HJC DD2MOV R6,AJMP DD3DD1:CLR CMOV A,R6DEC AMOV R6 ,AMOV A,#0FFHSUBB A,#0A0HADD A,R7ADD A,#01HMOV R7,AJMP DD4DD2: