超聲波測距系統(tǒng)設計畢業(yè)論文.doc

畢業(yè)設計 論文 畢業(yè)設計 論文 標 題 超聲波測距系統(tǒng)設計 學生姓名 陳江 系 部 電子工程系 專 業(yè) 應用電子技術(shù) 班 級 高電子 0501 班 指導教師 王維斌 株洲職業(yè)技術(shù)學院教務處制 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償 3 1 5 超聲波測量距離的原理 3 2 超聲波測距儀總體結(jié)構(gòu) 5 2 1 主控芯片的選擇 5 2 2 單片機 AT89S51 的外圍電路 7 3 超聲波發(fā)射 10 3 1 多諧振蕩器特 點 10 3 2非對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計 13 4 2超聲波接收電路 13 5 測溫芯片AD590 15 5 1 AD590 簡介 15 2 5 2 AD590 的工作原理的內(nèi)部結(jié) 構(gòu) 16 5 3 測溫電路的設計 17 6 系統(tǒng)軟件設計 18 6 1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 18 結(jié)論 19 參考文獻 20 附錄 21 后記 30 I 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計方法 在設計中通過檢測超聲波 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 對超聲波的傳播速度進行溫度補償 提高測量的 精度 本設計是以單片機為核心的測距儀器 可以實現(xiàn)預置 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 1 緒論 雖著電子技術(shù)的發(fā)展 出現(xiàn)了微波雷達測距 激光測距及超聲波測距 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 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)境下有一定的適應能 力 因此在液位測量 機械手控制 車輛自動導航 物體識別等方面有廣泛應 用 特別是應用于空氣測距 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 因此本設計也是利用超聲波來測量距離 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)設計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)生器實際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 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 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 75 1 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 1 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 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 對相同尺寸的還能器來說 傳感器的方向性越尖銳測 量障礙物復雜表面越準 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 速度影響因素及其補償 穩(wěn)定準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 237 T 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 波在標準空氣中的傳播速度為331 45米 秒 由單片機負責計時 單片機使用 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 4 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 2 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 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計超聲波測距儀 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 片機來講解 兩種單片機是目前最常用的單片機 其中 AT89S51 為標準 51 單 6 片機 當然其功能比早期的 51 單片機更強大 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 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 程序存儲器的內(nèi)外部選通 接低電平從外部程序存儲器 讀指令 如果接高電平則從內(nèi)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 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 Pin39 Pin32 8 位雙向 I O 口線 名稱為 P0 0 P0 7 P1 口 Pin1 Pin8 8 位準雙向 I O 口線 名稱為 P1 0 P1 7 P2 口 Pin21 Pin28 8 位準雙向 I O 口線 名稱為 P2 0 P2 7 P3 口 Pin10 Pin17 8 位準雙向 I O 口線 名稱為 P3 0 P3 7 上面就是AT89S51單片機引腳的簡單介紹 2 2 單片機外圍電路單片機外圍電路 本設計中 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 8 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 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)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 當電路上電后 如果按下 S1 則進入測量狀態(tài) 否則等待 在設計中 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 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 3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)及自動翻轉(zhuǎn)過程 設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vi1達到VTH時 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)及自動翻轉(zhuǎn)過程如下圖3 2 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vi1減小到VTH時 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 2 Rf 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 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 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 內(nèi)部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖 驅(qū)動電路的直流電源電壓可以 改變 以適應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 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 4 超聲波接收單元 4 1接收放大器的方案設計 接收預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 室內(nèi)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)主要有接收機的內(nèi)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性 即對只有幅度和出現(xiàn)時間不 同 的信號 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?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為第一級的反饋電阻 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 其脈沖寬度及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)制脈沖內(nèi)包含5到8個40KHz的方波 脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最 大距離 若在有效測距范圍內(nèi)有被測物體 則在后一次超聲波束發(fā)出之前應當 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 按有效測距范圍可 以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間 15 圖 7 1 發(fā)射與與接收脈沖工作時序圖 5 測溫芯 AD590 5 1 AD590 簡介 1 溫度傳感器的應用范圍很廣 它不僅廣泛應用于日常生活中 而且也大量 應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?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測量的準確可靠 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 應用簡單方便 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 量及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 熱電偶溫度計及半導體熱敏電阻溫度計相比 AD590 具有線性好 測溫不需參 考點及消除電源波動等優(yōu)點 因此在常溫范圍內(nèi)可以取代它們 廣泛的應用于 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) 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 16 5 1 1 AD590 的功能及特性 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 腳為電流輸出端 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 熱力學溫度 單位為 K 2 AD590 的測溫范圍為 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 55 150 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 在被測溫度一定時 AD590 相當于一個恒流源 把它和 5 30V 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 1mV K 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 T3 T4 是感溫用的晶體管 兩個管的 材質(zhì)和工藝完全相同 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 17 所以 R 上端電壓為 UBE 因此 電流 I1 為 I1 UBE R KT q lnn R 對于 AD590 n 8 這樣 電路的總電流將與熱力學溫度 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 因而在基準溫度下可得到 1 A K 的 I 值 5 3 測溫電路的設計 在設計測溫電路時 首先應將電流轉(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 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 10mV K 為了使此電阻精確 0 1 可用一個 9 6k 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轉(zhuǎn)換成攝氏溫標 給 A2 的同相輸入端輸入一個 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 將 AD590 放入 0 的冰水混合溶液中 A1 同相輸入端的電壓應為 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 即對應于 0 18 6 系統(tǒng)軟件設計 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)及數(shù)據(jù)的處理和應用 根據(jù)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設計和所完成 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 檢波及峰 值 采樣 門限檢測的設計 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及輸出 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 19 完 成的 在此過程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務程序 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 中斷服務程序是響應單片機的外部中斷 在系統(tǒng)硬件中 發(fā)射的44KHz脈沖信 號遇到障礙物反射后 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 程序中 要從把進入中斷服務程序處的計數(shù)值讀出并保存在RAM 中 再對該 數(shù)據(jù)進行處理 計算得到相應的距離值 并轉(zhuǎn)換為十進制 最后送到顯示輸出 結(jié)結(jié) 束束 語語 本系統(tǒng)在空氣中測量范圍為0 3 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)定性和重復性都比較好 發(fā)現(xiàn)影響渡越時間精度有限 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 只能在室內(nèi)小范圍測量 更換成大功率探頭 測距范圍將擴大 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 20 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 本人理論及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 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)展狀況 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 北京 人民衛(wèi)生出版社 1993 年 4 戴樹蓀 數(shù)字技術(shù)在雷達中的應用 北京 國防工業(yè)出版社 1981 年 5 中國無損檢測學會編譯 超聲波探傷 北京 機械工業(yè)出版社 1987 年 6 電子工程手冊編委會 國內(nèi)外小功率晶體管實用手冊 北京 電子工業(yè)出 版 社 1993 年 7 同濟大學聲學研究室 超聲工業(yè)測量技術(shù) 上海 上海人民出版社 1977 年 8 李鳴華 余水寶 單片機在超聲波料位測量中的應用 電子技術(shù)應用 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 海洋測量定位與計算 北京 測繪出版社 1993 年 11 王立言 公共信道信號 北京 人民郵電出版社 1993 年 12 孫曉峰 周盛 氣動聲學 北京 國防工業(yè)出版社 1994 年 13 林理忠 宋敏 微弱信號檢測學導論 北京 中國計量出版社 1996 年 22 附錄 超聲波測距離程序設計 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 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 設為高優(yōu)先級 SETB 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 LCALL 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 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 M1 M0 NOP NOP MOV TH0 8BH 29500us 定時 MOV TL0 0CAH SETB TR0 M1 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 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 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