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

沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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(jìn)程的發(fā)展，對(duì)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(xiǎn)，且在短期內(nèi)難以改變對(duì)化石能源的依賴。但是我們可以做一些努力，減少對(duì)能源的浪費(fèi)。目前的餐飲業(yè)，廚房均使用帶鼓風(fēng)機(jī)的燃?xì)?、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(shí)間是空燒的，這是一種浪費(fèi)。此研究就是為了減少這種浪費(fèi)。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(gè)控制系統(tǒng)，以達(dá)到不改變廚師的操作習(xí)慣而由控制系統(tǒng)自動(dòng)達(dá)到節(jié)能的目的。本文主要研究了基于超聲波的單片機(jī)節(jié)能控制電路，由單片機(jī)發(fā)出40KHZ的脈沖信號(hào)經(jīng)由功放以驅(qū)動(dòng)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(hào)已達(dá)到測(cè)距的目的。由測(cè)得的距離值來(lái)判斷是否執(zhí)行節(jié)能操作，以達(dá)到節(jié)能控制的目的。關(guān)鍵詞節(jié)能；單片機(jī)；超聲波；自動(dòng)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(guó)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(cè)距方法介紹 6321582.6.1核輻射法 6239872.6.2微波測(cè)量法 7127902.6.3光學(xué)測(cè)量法 8171692.6.4超聲測(cè)量法 8255422.7超聲波測(cè)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(cè)量盲區(qū) 144節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 154434.1總體方案的確定 15126284.2發(fā)射電路的方案設(shè)計(jì) 1671024.2.1發(fā)射電壓 1625784.2.2發(fā)射信號(hào)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(jì) 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(jì)所使用的單片機(jī) 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(jì) 2917644.6溫度補(bǔ)償 32141904.6.1DS18B20簡(jiǎn)介 3243644.6.2DS18B20的外形及引腳定義 32148994.6.4DS18B20的測(cè)溫原理 34301224.6.5DS18B20與單片機(jī)的接口電路 35214264.7執(zhí)行電路設(shè)計(jì) 37104345系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 40150505.1單片機(jī)編程語(yǔ)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(xiàn) 49附錄 50附錄A系統(tǒng)硬件電路圖 50附錄D單片機(jī)C語(yǔ)言程序 51附錄DDS18B20驅(qū)動(dòng)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(fēng)機(jī)的燃?xì)?、燃油炒菜爐灶。廚師在使用這些爐灶烹飪中國(guó)菜過程中，諸如：加油、加調(diào)料、分菜、裝盆等時(shí)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(shí)不可能隨機(jī)地根據(jù)需要?jiǎng)邮终{(diào)小火力，因而存在著每炒一道菜約有50%-60%的累積時(shí)間是空燒的，這樣，浪費(fèi)了昂貴的燃料，空燒了金錢。這點(diǎn)也是每個(gè)餐飲業(yè)主一直為此煩惱而又無(wú)法克服的成本支出。1.2立題的目的和意義燃?xì)?、燃油爐灶節(jié)能控制器（簡(jiǎn)稱爐灶節(jié)能器）是一種面向未來(lái)的高效節(jié)能裝置。節(jié)能器依托燃?xì)馊加蜖t灶和操作控制系統(tǒng)運(yùn)行，達(dá)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(shí)，炒菜鍋在爐灶上放上或拿起的機(jī)械性變化被電子控制器感應(yīng)檢測(cè)，并同步控制爐灶火焰變化，達(dá)到杜絕空燒的目的。給餐飲業(yè)的中式炒菜爐灶帶來(lái)一次革命。并為我們?cè)诠?jié)能減排事業(yè)中貢獻(xiàn)力量！使用爐灶節(jié)能器后每臺(tái)爐灶在炒菜累積時(shí)間內(nèi)與原爐灶相比，燃油灶節(jié)約25—30%燃料，燃?xì)庠罟?jié)約30—35%燃料（根據(jù)廚師操作習(xí)慣而定）。能有效降低廚房的空氣溫度與爐灶噪聲?；径沤^了爐灶的空燒，降低爐灶空燒時(shí)散發(fā)的煙氣對(duì)周圍空間的污染，減少了爐灶空燒時(shí)造成的抽油煙機(jī)自燃的可能。避免了廚師回身作業(yè)時(shí)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?xì)鉅t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(guó)100萬(wàn)臺(tái)爐灶計(jì)算）每臺(tái)燃?xì)鉅t灶每天節(jié)約1.8m3×5小時(shí)×3.5元/m3=31.5元每天節(jié)約：31.5×100萬(wàn)=3150萬(wàn)元，每年節(jié)約114.98億元。表1.1項(xiàng)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(shí)×5小時(shí)/每天×30天/月=607.5kg607.5kg×5.0元≈3037元4.05kg/小時(shí)×(1—25%)×5小時(shí)/每天×30天/月=455.6kg455.6kg×5.0元≈2278元3037-2278=759元/月燃?xì)猓ㄌ烊粴猓?m3/小時(shí)×5小時(shí)/每天×30天/月=900m3900×3.2元=2880元6m3/小時(shí)×(1—30%)×5小時(shí)/每天×30天/月=630m3630×3.2元=2016元2880-2016=864元/月1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前在國(guó)內(nèi)及國(guó)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(jī)械技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，微電子技術(shù)的系統(tǒng)，對(duì)每一項(xiàng)分類來(lái)講，這些技術(shù)都已經(jīng)成熟，且社會(huì)對(duì)節(jié)能的渴望造就了巨大的市場(chǎng)空間，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功必將帶來(lái)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(jī)械振動(dòng)密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)以波的形式向外傳播。根據(jù)振動(dòng)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(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)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(jìn)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(dá)到兆赫級(jí)，因此，它在介質(zhì)中傳播時(shí)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(gè)世紀(jì)。1883年，Galton首先發(fā)現(xiàn)了超聲波的存在，他當(dāng)時(shí)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(gè)鮮為人知的東西，由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對(duì)超聲波的研究造成了一定程度的影響。因此，當(dāng)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(duì)超聲的研究逐步受到重視。由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，法國(guó)人Langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對(duì)低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來(lái)檢測(cè)水中是否存在潛艇并可以進(jìn)行水下的通信聯(lián)絡(luò)。在我國(guó)，超聲學(xué)的研究開始于二十世紀(jì)五十年代，1959年至1964年間我國(guó)建立了分子聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)馳豫吸收、懸浮體的聲吸收等問題進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了固體中超聲衰減的測(cè)量設(shè)備，對(duì)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(shí)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(jī)。表面波換能器的研究我國(guó)開始于1965年，于1970年開始了高頻表面波的研究，1977年，我國(guó)研制成表面脈沖壓縮濾波器。在80年代以后，我國(guó)的超聲研究進(jìn)入了一個(gè)全新的階斷，取得了一系列標(biāo)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(guó)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(shí)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?lái)說(shuō)，我國(guó)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(lái)超聲測(cè)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(wú)而發(fā)展為對(duì)缺陷的位置、大小、形狀、性質(zhì)進(jìn)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(dòng)檢測(cè)和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測(cè)試技術(shù)取得突破進(jìn)展;3、超聲測(cè)試技術(shù)和材料的物性評(píng)價(jià)相結(jié)合，材料的設(shè)計(jì)、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(zhǎng)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(xué)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(jìn)行測(cè)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(zhǎng)很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當(dāng)，由發(fā)射器發(fā)射出來(lái)的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強(qiáng)的波束，波長(zhǎng)愈短方向性愈強(qiáng)，因此超聲用于探傷、水下探測(cè)，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(cè)精度和分辨率。要求探測(cè)信號(hào)的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長(zhǎng)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(zhǎng)短，因此可以作為窄脈沖的信號(hào)發(fā)生器；(4)功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強(qiáng)大的能量。聲波作用于物體時(shí)，物體的分子也要隨著運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運(yùn)動(dòng)速度越快，物體獲得的能量正比于分子運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(diǎn)的振動(dòng)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(diǎn)振動(dòng)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(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿表面?zhèn)鞑?。振幅隨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(cè)量系統(tǒng)大多依靠縱波來(lái)實(shí)現(xiàn)。而實(shí)際測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，中頻和高頻段主要用于固體介質(zhì)的測(cè)量。這主要是由于介質(zhì)對(duì)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(cè)量的量程比較短(例如超聲波探傷，測(cè)工件厚度等)，在液體和氣體中，測(cè)量的量程比較長(zhǎng)(例如空氣中的超聲波測(cè)距，海洋中測(cè)深度等)，因此，氣體和液體中測(cè)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(gè)原因:1、具有方向性，超聲波的頻率越高，則方向性越強(qiáng)。在無(wú)損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測(cè)距系統(tǒng)中方向性是一個(gè)重要的考慮因素。2、超聲波的頻率越高，則波長(zhǎng)越短，波長(zhǎng)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(cè)量、高精度測(cè)距中，這一點(diǎn)相當(dāng)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(dòng)切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。以及進(jìn)行物位、濃度、硬度、溫度等檢測(cè)。超聲波被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在診斷顯像技術(shù)，血流測(cè)量計(jì)，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(dá)目標(biāo)定位，武器制導(dǎo)，軍用機(jī)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(cè)物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過程，超聲波會(huì)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(xué)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(cè)物，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)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(zhǎng)；t為傳播時(shí)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(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f=40KHz時(shí)，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(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗，在1/α長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來(lái)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(shí)超聲波頻率的過高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。權(quán)衡這兩點(diǎn)，為達(dá)到良好的測(cè)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(zhǎng)，使用超聲波傳感器測(cè)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(cè)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(diǎn)，須減少發(fā)射波串的長(zhǎng)度，增高發(fā)射波頻率。但發(fā)射波串長(zhǎng)度過短會(huì)使得發(fā)射換能器不能被激振或激振達(dá)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(yàn)表明：使用40kHz的超聲波，發(fā)射脈沖群含有5～16個(gè)脈沖，具有較好的傳播性能。本設(shè)計(jì)中一次發(fā)出5個(gè)脈沖。2.6幾種測(cè)距方法介紹除超聲波測(cè)距外，目前被廣泛使用的還有核輻射測(cè)距、微波測(cè)距、光學(xué)測(cè)距等，下面對(duì)這幾種測(cè)距方法進(jìn)行介紹。2.6.1核輻射法不同物質(zhì)對(duì)同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。當(dāng)射線射入厚度為H的介質(zhì)時(shí)，會(huì)有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強(qiáng)度I與入射強(qiáng)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(shí)為常數(shù)。上式可變?yōu)?2.5)因此，測(cè)液位可通過測(cè)量射線在穿過液體時(shí)強(qiáng)度的變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)。輻射式物位計(jì)既可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，也可進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)送信號(hào)和進(jìn)行控制。射線不受溫度、壓力、濕度、電磁場(chǎng)的影響，而且可以穿透各種介質(zhì)，包括固體，因此能實(shí)現(xiàn)完全非接觸測(cè)量。這些特點(diǎn)使得輻射式測(cè)距計(jì)適合于特殊場(chǎng)合或惡劣環(huán)境下的液位測(cè)量，如高溫、高壓、強(qiáng)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(cè)量。但在使用時(shí)仍要注意控制劑量，作好防護(hù)，以防射線泄漏對(duì)人體造成傷害。2.6.2微波測(cè)量法在電磁波譜中將波長(zhǎng)為1~l000mm的電磁波稱為微波。微波的特點(diǎn)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(qiáng)光的影響小，具有很強(qiáng)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(cè)技術(shù)從長(zhǎng)期停滯不前的原理性、實(shí)驗(yàn)性研究階段，迅速進(jìn)入工程實(shí)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(shí)現(xiàn)小型化，而且性能指標(biāo)也有很大的提高，價(jià)格也有很大的下降。利用介質(zhì)對(duì)微波的反射或吸收特性，微波檢測(cè)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，目標(biāo)物含水率檢測(cè)，液位、料位檢測(cè)等方面的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。調(diào)頻物位測(cè)量計(jì)是由調(diào)頻固態(tài)源產(chǎn)生等幅的無(wú)線電波，其振蕩頻率在時(shí)間上按調(diào)制信號(hào)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(cè)量對(duì)象，并由測(cè)量對(duì)象反射回來(lái)，經(jīng)過接收器接收，輸入混頻器，在回波到達(dá)混頻器的瞬間，固態(tài)源的振蕩頻率由于調(diào)制信號(hào)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(cè)量對(duì)象，并有一部分作為本振頻率耦合到混頻器與f1進(jìn)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(cè)量對(duì)象的距離L成正比，測(cè)量出Δf的大小也就可以計(jì)算得到距離L的數(shù)值。設(shè)調(diào)制信號(hào)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(hào)1/2周期內(nèi)的頻偏范圍，t為時(shí)間?；夭l率為(2.7)式中，f1為回波頻率，Δt為微波往返于被測(cè)對(duì)象之間的延遲時(shí)間，C為光速，L為被測(cè)距離，所以，差頻頻率Δf為(2.8)由上式整理得被測(cè)距離L為(2.9)從上式可以看出被測(cè)距離L與差頻頻率Δf成正比。當(dāng)固態(tài)源的調(diào)制頻率F和頻偏Δf0一定時(shí)，只要測(cè)出Δf，就可以計(jì)算得到L。當(dāng)固態(tài)工作源頻偏Δf0=300MHz,調(diào)制頻率F=1kHz時(shí)，代入式中可得(2.10)通過頻率差計(jì)算出位置的變化。2.6.3光學(xué)測(cè)量法激光用于液位測(cè)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(diǎn)，使測(cè)量精度大為提高。激光式液位檢測(cè)儀由激光發(fā)射器、接收器及測(cè)量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在物位測(cè)量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點(diǎn)檢測(cè)控制，不易進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。2.6.4超聲測(cè)量法超聲波測(cè)距的基本原理是，由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，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(hào)后能得到超聲波傳播時(shí)間。根據(jù)其傳播速度和傳播時(shí)間計(jì)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(cè)量距離（m）C--超聲波的傳輸速度（m/s）2.7超聲波測(cè)距優(yōu)越性位移測(cè)量是工業(yè)中經(jīng)常遇到的一個(gè)問題。針對(duì)不同用途和要求(從測(cè)量范圍、精度要求、測(cè)量條件等考慮)，位移測(cè)量有多種測(cè)量技術(shù)：有機(jī)械的浮子方法；利用電阻、電感、電容的非電量電測(cè)量方法；有光學(xué)或激光測(cè)量方法；有利用放射性或射流技術(shù)的測(cè)位方法等，在本設(shè)計(jì)中采用的是超聲波測(cè)量技術(shù)。超聲波測(cè)位移有很多優(yōu)點(diǎn)，與放射性技術(shù)相比不需防護(hù)；與目前的激光測(cè)距相比，超聲技術(shù)雖在精度上略遜一籌，但比較簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉；更重要的是在惡劣環(huán)境下，激光測(cè)距將受到嚴(yán)重干擾，此時(shí)超聲測(cè)量的高精度就會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，超聲波位移測(cè)量無(wú)須有運(yùn)動(dòng)的部件，所以在安裝和維護(hù)上占有很大的優(yōu)越性。超聲波位移測(cè)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(cè)量要求比較特殊，一般測(cè)量方法無(wú)法采用時(shí)，可考慮采用超聲波測(cè)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(shí)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(hào)。目前常見的超聲波發(fā)射和接收器件的標(biāo)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(jī)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(jià)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(shí)，據(jù)逆壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)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(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f的電壓脈沖，晶片就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)。這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒質(zhì)，便會(huì)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(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)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(hào)。當(dāng)在A，B間施加交流電壓時(shí)，若上片的電場(chǎng)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(dòng)。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固有的諧振頻率，即中心頻率發(fā)射超聲波時(shí)，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(shí)，作用在它上面的超聲機(jī)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(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，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(duì)壓電陶瓷晶片及錐形諧振板的損害，金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射和接收超聲波。超聲測(cè)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(cè)距離小于2m，工作頻率在60-300kHz之間；中量程探測(cè)距離約為2-l0m，工作頻率在40-60kHz之間；大量程探測(cè)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(jìn)行說(shuō)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(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō)在f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在f0兩側(cè)，聲壓能級(jí)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(lái)激勵(lì)。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(hào)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(gè)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(shí)靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動(dòng)。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(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)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(diǎn)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(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是0°時(shí)聲壓最大，角度逐漸增大時(shí)，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(hào)：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(cè)距離：0.2m，0.2m最大探測(cè)距離：4m，4m最大輸入電壓:30Vp-p連續(xù)信號(hào)。發(fā)射部分的點(diǎn)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(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)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(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。3.3聲速由公式(2.11)，聲速的精確程度線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)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(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)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(jì)算出為340m/s。3.4測(cè)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(huì)第一個(gè)到達(dá)接收探頭。使接受探頭檢測(cè)到信號(hào)，但這一信號(hào)是發(fā)射信號(hào)而不是反射信號(hào)，即誤信號(hào)。而這一信號(hào)一旦被檢測(cè)到就會(huì)被接收電路處理而產(chǎn)生觸發(fā)單片機(jī)的中斷信號(hào)，繼而單片機(jī)對(duì)此作出響應(yīng)，但這不是真正要測(cè)的值，屬于誤操作。所以我們要在發(fā)出脈沖后延時(shí)一段時(shí)間才允許單片機(jī)接受中斷信號(hào)。這樣，在延時(shí)的這段時(shí)間里超聲波所能走過的距離是不能被檢測(cè)到的。這就是本設(shè)計(jì)中的測(cè)量盲區(qū)。4節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)4.1總體方案的確定在本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)作為控制器件。而單片機(jī)有兩種工作方式：掃描式和中斷式。掃描式是外界信號(hào)經(jīng)采樣保持，A/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)不斷的檢測(cè)I/O口，當(dāng)檢測(cè)到I/O口有信號(hào)時(shí)則讀入信號(hào)并進(jìn)行相關(guān)操作。中斷式是單片機(jī)正常執(zhí)行程序或處于動(dòng)態(tài)停機(jī)（待機(jī)）狀態(tài)，當(dāng)外界有信號(hào)時(shí)經(jīng)由中端口輸入單片機(jī)，中斷會(huì)使單片機(jī)從原來(lái)的狀態(tài)中跳出轉(zhuǎn)而執(zhí)行終端服務(wù)程序，以進(jìn)行相關(guān)操作，操作完成后再轉(zhuǎn)回到原來(lái)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(jī)工作于掃描式時(shí)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(shí)適合于實(shí)時(shí)控制。這里所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)正是實(shí)時(shí)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(jī)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：發(fā)射電路的設(shè)計(jì)；接收電路的設(shè)計(jì)；電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)。圖4.1是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖：溫度補(bǔ)償發(fā)射探頭發(fā)射放大電路溫度補(bǔ)償發(fā)射探頭發(fā)射放大電路單片機(jī)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(jì)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(hào)損失及接收機(jī)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(shí)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(hào)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(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)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(gè)脈沖。在超聲波測(cè)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(cè)量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測(cè)量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合室內(nèi)測(cè)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(cè)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(shí)共用一個(gè)，或者兩個(gè)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(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)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(hào)以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；記錄/控制部分啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)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(hào)由單片機(jī)的P1.0口送出，發(fā)出一系列的脈沖串，每一個(gè)脈沖串持續(xù)時(shí)間大約為0.125ms，即5個(gè)超聲波脈沖。由于AT89C51單片機(jī)P1.0口使用時(shí)只能提供幾個(gè)毫安的驅(qū)動(dòng)電流，只有5V的驅(qū)動(dòng)電壓，不足以驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器。所以增加一個(gè)功放電路來(lái)提高其輸出電流，電壓的能力，保證40kHz的脈沖信號(hào)有一定的功率。本設(shè)計(jì)中采用的是CD40107二路2輸入與非門緩沖器/驅(qū)動(dòng)器。CD40107包括兩個(gè)獨(dú)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(dòng)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(shí)基集成芯片構(gòu)成的振蕩器做脈沖源NE555時(shí)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(jì)新穎，構(gòu)思奇巧，用途廣泛，備受電子專業(yè)設(shè)計(jì)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(guó)西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出TmerNE555雙極型時(shí)基電路，設(shè)計(jì)原意是用來(lái)取代體積大,定時(shí)精度差的熱延遲繼電器等機(jī)械式延遲器。但該器件投放市場(chǎng)后，人們發(fā)現(xiàn)這種電路的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原設(shè)計(jì)的使用范圍，用途之廣幾乎遍及電子應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，需求量極大。NE555時(shí)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(shí)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(gè)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(dāng)輸入信號(hào)自6腳輸入大于2/3UDD時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，3腳輸出為低電平，放電管T導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于1/3UDD時(shí)，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(dāng)4腳接入低電平時(shí)，則Uo=0；正常工作時(shí)4接為高電平。5腳為控制端，平時(shí)輸入2/3UDD作為比較器的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)的干擾，確保參考電平的穩(wěn)定。圖4.1NE555時(shí)基集成電路原理圖及引線排列表4.1NE555時(shí)基集成電路功能電路由NE555時(shí)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(wú)穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，亦不需外加觸發(fā)信號(hào)，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(dāng)電容上電Uc=2/3UDD時(shí)，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(shí)放電管T導(dǎo)通，電容C通過R2放電；當(dāng)電容上電壓cU=1/3UDD，比較器A2工作，輸出電壓Uo變?yōu)楦唠娖?。C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(jī)做脈沖源一個(gè)單片機(jī)要想正常工作必須有一個(gè)極其穩(wěn)定的時(shí)鐘基準(zhǔn)，而其時(shí)鐘基準(zhǔn)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(jī)對(duì)時(shí)鐘基準(zhǔn)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(jī)的機(jī)器周期恰是1.非常適合于定時(shí)與實(shí)時(shí)控制。如用單片機(jī)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(jiǎn)單，完全不需要改動(dòng)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(hào)由單片機(jī)的P1.0口送出，發(fā)出一系列的脈沖串，每一個(gè)脈沖串持續(xù)時(shí)間大約為0.125ms.綜上所述，我們可以知道NE555時(shí)基集成芯片是靠?jī)?nèi)部的定時(shí)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(jì)當(dāng)中單片機(jī)的任務(wù)并不算復(fù)雜，完全有能力充當(dāng)脈沖源。而且，在總體設(shè)計(jì)中我們是需要單片機(jī)在發(fā)出脈沖的時(shí)候立即開始計(jì)時(shí)，使用單片機(jī)當(dāng)脈沖源可以達(dá)到立即記時(shí)的目的。而用NE555時(shí)基集成芯片時(shí)由于它是單片機(jī)的外設(shè)電路，它在發(fā)出脈沖時(shí)要通知單片機(jī)開始計(jì)時(shí)。這需要單片機(jī)有一個(gè)響應(yīng)的過程，必然達(dá)不到及時(shí)計(jì)時(shí)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(yuǎn)不夠方便容易。所以在本設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)做脈沖源。脈沖源選定后還面臨著驅(qū)動(dòng)的問題，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸出電壓只有5V，輸出電流只有幾個(gè)毫安，根本不足以推動(dòng)超聲波傳感器。所以在發(fā)射通道上要有一個(gè)發(fā)射放大電路，即驅(qū)動(dòng)電路。在這里我們選用CD40107（二路2輸入與非門緩沖器/驅(qū)動(dòng)器）。其連接方法相對(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)小信號(hào)的有效放大，提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗，并將回波信號(hào)放大到適當(dāng)?shù)碾娖?。由于傳感器所接收的回波信?hào)電平極低，為微伏級(jí)信號(hào)，需要將該信號(hào)放大百倍級(jí)倍數(shù)，才能對(duì)回波進(jìn)行有效識(shí)別，同時(shí)，在回波信號(hào)的放大過程中，由于干擾信號(hào)的存在，為避免將干擾信號(hào)同時(shí)放大而產(chǎn)生回波誤識(shí)別，必須將干擾信號(hào)濾除，即回波信號(hào)放大過程中必須設(shè)計(jì)帶通濾波器，對(duì)有效頻帶內(nèi)的超聲波信號(hào)進(jìn)行選擇放大。這樣放大后的信號(hào)也不能直接進(jìn)入單片機(jī)，因?yàn)樗钦伊磕M信號(hào)，而單片機(jī)只能識(shí)別數(shù)字信號(hào)。所以我們還需要一個(gè)二值化電路，它事實(shí)上相當(dāng)于一個(gè)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(shí)，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(gè)通用運(yùn)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(shí)現(xiàn)把數(shù)十毫伏的輸入信號(hào)放大到伏級(jí)，以便于后續(xù)電路的處理。由電路的基本知識(shí)，可列出:（4.1）（4.2）根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念：1.集成運(yùn)放兩個(gè)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(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)交直流輸入信號(hào)的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié)R7和R9阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運(yùn)放的同相輸入端接有電阻R8，參數(shù)選擇時(shí)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(shí)，使輸入級(jí)偏置電流平衡，并讓輸入級(jí)的偏置電流在運(yùn)算放大器兩個(gè)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(duì)輸出端的影響，故R8又稱為平衡電阻。根據(jù)本設(shè)計(jì)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(hào)放大200倍。4.3.2帶通濾波電路在傳感器接收的信號(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，而前端放大電路在放大有用信號(hào)的同時(shí)，會(huì)將一部分的噪聲信號(hào)同時(shí)放大，并沒有提高輸入信號(hào)的信噪比。于是設(shè)計(jì)出一高品質(zhì)因數(shù)的濾波器對(duì)于整個(gè)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(hào)通過，而將此頻率范圍之外的信號(hào)加以抑制或使其急劇衰減。當(dāng)干擾信號(hào)與有用信號(hào)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(wú)源濾波器在低頻范圍內(nèi)有體積大、重量大、價(jià)格昂貴和衰減大等缺點(diǎn)，而用集成運(yùn)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(jí)聯(lián)。由于超聲波回波信號(hào)具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用RC有源濾波方式，用于微弱回波信號(hào)的放大。有源濾波器是由有源器件（例如晶體管、集成運(yùn)算放大器等）和阻容等元件組成的一類濾波器。由于集成運(yùn)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(yùn)放。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器一般具有下列特點(diǎn)：(1)由于使用了有源器件，信號(hào)在無(wú)源器件（例如電阻）上的損失可以在有源器件中得到補(bǔ)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(lái)代替無(wú)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(lái)的非線性、參數(shù)調(diào)整困難以及制造成本高等缺點(diǎn)。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(duì)電磁場(chǎng)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(yùn)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(diǎn)，從而為有源濾波器的設(shè)計(jì)提供了很大的方便；(3)有源濾波器頻率精度高，一般可達(dá)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(yùn)放和阻容元件組成的有源濾波器可使濾波頻率范圍低達(dá)Hz，并且具有較好的頻率穩(wěn)定性，這些指標(biāo)，都是無(wú)源濾波器難以達(dá)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(yùn)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(wú)源濾波器。這是有源濾波器的最大缺點(diǎn)。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(hào)通過，其它頻率信號(hào)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(jī)內(nèi)部噪聲。故選用由CF741運(yùn)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(hào)被保留，之外的無(wú)用信號(hào)被削弱，為下一級(jí)的檢波電路提供較高信噪比的輸入信號(hào)，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(dāng)?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(shí)，兩者覆蓋的通帶就提供了一個(gè)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(jì)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(jì)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(yùn)算電路的計(jì)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(shí)，（4.11）時(shí)， （4.12）時(shí)，（4.13）以上式中的為在時(shí)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(jì)算過程可解得：==39.5KHz（4.14）==40.5KHz（4.15）為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)與計(jì)算取C1=C2=1000pf，則可解得：R4=24.7，R6=25。由于當(dāng)3時(shí)，濾波器容易自激震蕩而不穩(wěn)。而我們?cè)诖瞬⒉恍枰獮V波器再對(duì)信號(hào)放大多少倍，所以可取R3=R5=1的典型值。至此濾波器設(shè)計(jì)完畢。4.3.3二值化電路接收傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過上述放大濾波電路后，就可以進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。其目的是確定接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，這是整個(gè)電路中一個(gè)關(guān)鍵的地方，因?yàn)樗粌H決定系統(tǒng)的測(cè)量精度，還關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能正常工作。檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的要求是保證每次接收信號(hào)都能被準(zhǔn)確的鑒別出來(lái)，通常利用比較器將輸入信號(hào)與某一固定電平進(jìn)行比較，輸出不同的電平來(lái)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(jī)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(lái)自帶通濾波器的正弦信號(hào)，將其與R2左端參考電壓進(jìn)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(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，（為飽和輸出電壓）?？梢?，在比較器的輸入端進(jìn)行模擬信號(hào)大小的比較，在輸出端則以高電平或低電平（即數(shù)字信號(hào)1或0）來(lái)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(gè)電壓若直接輸入單片機(jī)必造成單片機(jī)的損壞，所以在輸出與地之間接入一個(gè)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(jī)就正好合適了。4.4本設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)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(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)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(shí)鐘電路·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器·與MCS-51兼容·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)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(shí)鐘電路·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)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(shuō)明如圖4.8所示：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，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(shí)，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(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)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(shí)器0外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，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(wú)效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)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(chǔ)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(shí)器，計(jì)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(gè)硬件復(fù)位為止。此單片機(jī)完全可以滿足本系統(tǒng)的要求且價(jià)格低廉，容易購(gòu)買，兼容性好便于以后的替換與升級(jí)。4.5電源的設(shè)計(jì)單片機(jī)的工作需要穩(wěn)定的＋5V直流電壓，運(yùn)放、三極管和電磁閥則需要＋15V直流電壓，所以需對(duì)市電進(jìn)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(jī)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(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦园呀涣麟妷恨D(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)電壓，然后再由濾波電路把脈動(dòng)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(jì)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(zhǔn)電壓四部分組成。用78××系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)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(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)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(jì)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(dòng)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(jì)算時(shí)由于的電流很小，為級(jí)，所以在此忽略不計(jì)，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(shí)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(shuō)明。4.6溫度補(bǔ)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(cè)量距離，減少誤操作。在本設(shè)計(jì)中采用了溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償電路采用了美國(guó)DALLAS半導(dǎo)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(hào)線來(lái)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(kuò)展。DS18B20集溫度測(cè)量、A/D轉(zhuǎn)換于一體，具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍寬、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。4.6.1DS18B20簡(jiǎn)介DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的一種改進(jìn)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(cè)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(lái)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(wú)需額外電源。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。DS18B20的性能特點(diǎn)可以歸納如下：(1)獨(dú)特的單線接口，僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；(2)多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的3線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)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(jī)功耗；(5)測(cè)溫范圍為-55~125℃，分辨率最大可達(dá)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(bào)警設(shè)置；(8)報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；(9)負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，不會(huì)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(hào)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(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。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，每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同。64位ROM