帶溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、南通大學(xué)程設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)）報(bào)告項(xiàng)目：帶溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：聯(lián)系方式：學(xué)期：2015-2016-2 前言一課題調(diào)研.傳1感器選型可.選1溫度傳感器DS18.B.2可選用溫度傳感器1.超2聲波傳感器選用芯片做發(fā)射電路超.聲3波發(fā)射電路超.聲4波接收電路選用芯片作為接受電路1.多3種實(shí)現(xiàn)方法。方.法1一：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.工.作2原理方.案3二：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下。.二總體設(shè)計(jì).電1路圖超.聲1波模塊電路主.程1序設(shè)計(jì)。前言以AT89S51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種帶溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距系統(tǒng)。系統(tǒng)包括單片機(jī)、超聲波發(fā)射及接收模塊、溫度補(bǔ)償模塊、信息顯示模塊。溫度補(bǔ)償模塊采用溫度傳感器DS1

2、8B20采集環(huán)境溫度，根據(jù)超聲波速度與溫度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系及時(shí)修正波速，以糾正溫度的變化引起超聲波測(cè)距系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。一課題調(diào)研傳感器選型集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測(cè)量溫度）、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單?？蛇x溫度傳感器DS18B20由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，因此為提高精度，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行校正。系統(tǒng)采用DS1

3、8B20傳感器測(cè)量溫度，DS18B20溫度傳感器具有不受外界干擾、精度高、測(cè)溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)口接DS18B20數(shù)據(jù)總線，控制DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線接10kQ的上拉電阻，作用是使總線控制器在溫度轉(zhuǎn)換期間無(wú)需一直保持高電平。GNDDS18B20可選用AD590溫度傳感器AD590測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場(chǎng)合。由于口口590精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測(cè)溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻和電位器的電阻之和為q時(shí)，輸出電

4、壓%隨溫度的變化為。但由于的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把放于冰水混合物中，調(diào)整電位器，使V0.或在室溫下條件下調(diào)整電位器使匕(V但這樣調(diào)整只可保證在0或25附近有較高精度。把被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為電流再通過放大器和轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行溫度控制。通過查閱資料與比較分析可得：需要和高精度配合使用才能得到數(shù)據(jù)，優(yōu)點(diǎn)是速度快，編程簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是是需要校準(zhǔn)，電路復(fù)雜，成本高。保證精度足夠，電路簡(jiǎn)單成本低，但是編程復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度慢，但關(guān)鍵的是性價(jià)比高，如果廣泛選用，所帶來(lái)的社會(huì)效應(yīng)比較好，有利于環(huán)保節(jié)能。綜上所述由于將溫度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一個(gè)

5、芯片，與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單、方便，與相比是更新一代的溫度傳感器，不需要轉(zhuǎn)換，精度高，電路簡(jiǎn)單且成本低，可行性好，經(jīng)濟(jì)性好，所以選用8超聲波傳感器超聲波傳感器HCSRF04。選用HC-SR04集成發(fā)射與接收HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用單片機(jī)控制電路簡(jiǎn)單容易，而且價(jià)格便宜。該模塊包括超聲波發(fā)射、接收與控制電路。發(fā)射電路主要由Em78P153單片機(jī)、MAX232及超聲波發(fā)射頭T40組成，接受電路主要由TL074運(yùn)算放大器及超聲波接收探頭R40組成。實(shí)物如圖如下超聲波發(fā)射電路超聲波接受電路選用MAX232芯片做發(fā)射電路MAX232芯片是美信（

6、MAXIM）公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，如圖所示，使用+5v單電源供電。MAX220MAX249系列線驅(qū)動(dòng)器/接收器，專為EIA/TIA-232E以及V.2&V.24通信接口設(shè)計(jì)，尤其是無(wú)法提供12V電源的應(yīng)用。MAX232口，MV,N,ORNSPACKAGEMAX232I.D,DW.ORNPACKAGE(TOPVIEW)C1+VS+C1-C2+C2-%T2OUTR2INVccGNDT1OUTRUNRIOUTT1INT2INR2OUT發(fā)射電路如圖可選用TCT40-16T和一支超聲波接收傳感器TCT40-16R。TCT40-16T可以發(fā)40kHz左右的方波脈沖信號(hào)。信號(hào)

7、由單片機(jī)端口提供，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40kHz方波脈沖信號(hào)需經(jīng)功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求。T仃40-16區(qū)作接收傳感器，經(jīng)LM358放大后進(jìn)入LM567進(jìn)行鎖相環(huán)檢波。當(dāng)LM567的引腳輸入合適的信號(hào)時(shí)，其引腳產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在編程時(shí)將外部中斷0的中斷觸發(fā)方式設(shè)置為下降沿觸發(fā)，就可以通過INT0產(chǎn)生一個(gè)外部中斷申請(qǐng)，由CPU來(lái)檢測(cè)并理。超聲波發(fā)射電路74LS04是德州儀器生產(chǎn)的六反向器，總共有14個(gè)引腳，引腳1A6A是輸入端，引腳1Y6Y是輸出端，另外還有兩個(gè)分別是電源的正負(fù)Vcc和GND端Vcc14131211101981T3II4I5II6II7GND電源電壓

8、Vcc的允許范圍是4.75V5.25V,輸入高電平電壓最小值是2丫，輸入低電平電壓最大是0.7V,輸出高電平的時(shí)候電流時(shí)400,輸出低電平的時(shí)候電流是8mA，輸出由低到高或者由高到低的傳輸時(shí)間最大時(shí)15ns。超聲波發(fā)射電路利用單片機(jī)AT89C51的P3.端口發(fā)射40kHz的方波，通過芯片74LS04六反向器來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器來(lái)發(fā)射超聲波。該測(cè)距電路的40kHz方波信號(hào)由單片機(jī)的P3.5發(fā)出，方波的周期為140ms，即25s，半周期為12.5s。每隔半周期時(shí)間，讓方波的輸出引腳電平取反，便可以產(chǎn)生40kHz的方波。因?yàn)槲覀兊膯纹瑱C(jī)采用的晶振是12M的，單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1s，所以只能產(chǎn)生半周期

9、為12s或者13s的方波信號(hào)，頻率分別是41.67kHz和38.46kHz，本系統(tǒng)選擇了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生38.46kHz的方波。單片機(jī)的引腳產(chǎn)生的40kHz的方波信號(hào)，一路經(jīng)74LS04的一級(jí)反向后送到超聲波發(fā)射傳感器的一個(gè)電極；另一路經(jīng)過二級(jí)反向后送到超聲波發(fā)射傳感器的另外一個(gè)電極。利用這種推挽的方式把方波信號(hào)加到超聲波發(fā)射傳感器的兩極，這樣的方式能增強(qiáng)超聲波的發(fā)射強(qiáng)度，另外輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)的方式來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力，兩個(gè)上拉電阻一方面可以提高反向器的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波傳感器的電氣阻尼效果，大大縮短電氣振蕩的時(shí)間。超聲波接收電路CX20106A采用8腳單列直插塑料封裝，

10、主要由以下幾個(gè)部分組成前置放大器，限幅放大器，帶通濾波器，檢波器，積分器和整形電路，CX20106A在輸入微弱信號(hào)的時(shí)候，前置放大器具有很高的增益，而在輸入強(qiáng)信號(hào)的時(shí)候又不會(huì)過載。內(nèi)部的濾波器中心頻率可以由其引腳5外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，范圍可以從30kHz60kHz。CX20106A的工作過程如下：前置放大器把超聲波接收傳感器檢測(cè)到的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大，電壓增益約為80dB,然后將放大后的信號(hào)送給限幅放大器，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦蚊}沖，再由濾波器進(jìn)行頻率選擇，消除干擾信號(hào)，然后經(jīng)過整形后，由其引腳7輸出低電平。選用TL074芯片作為接受電路TL074芯片是四運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用

11、，也適用于雙電源供電工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。他的適用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器。TL074芯片結(jié)構(gòu)如圖J14OUT1IN-C2134EN-1IN+L3124IM-I-vcc+E411Jvcc-2IN+C510)2IN-69I3IN-2OUT7e13OUT接受電路如圖所示：綜上所述：選用TL074芯片作為接受電路，選用MAX232芯片做發(fā)射電路。但是由于學(xué)校器件選購(gòu)不合適等等原因，最終選擇集發(fā)射和接受為一體的HC-SR04,編程簡(jiǎn)單，可行性好，經(jīng)濟(jì)性也好，是很好的選擇。多種實(shí)現(xiàn)方法。方法一：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖工作原理系統(tǒng)工作原

12、理和功能本系統(tǒng)工作時(shí)，由單片機(jī)提供40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出。超聲波在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射回來(lái)，由超聲波接收器接收。當(dāng)超聲波接收器接收到反射波時(shí)，先經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路檢波處理后產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序。單片機(jī)在啟動(dòng)發(fā)射電路時(shí)同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0,利用定時(shí)器記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。在外部中斷程序中讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。其中溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)為：溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，設(shè)超聲波速度為v,往返時(shí)間為t,溫度為T,v=331.5+0.61T,距離為速度除以二可得。方案二：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下。發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波,一旦檢測(cè)到有回波信號(hào),則3腳輸出回響信號(hào),所測(cè)的距離與回響信號(hào)的脈沖寬度成正比,由此可通過發(fā)射信號(hào)到收到回響信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)算得到距離。超聲波時(shí)序圖觸發(fā)信號(hào)模塊內(nèi)部發(fā)出信號(hào)10pis的TTL循環(huán)發(fā)出S人40kH工脈沖輸出回響信號(hào)回響電平輸出與檢測(cè)距離成比例綜上所述:由于元器件的限制，最終選擇第二種設(shè)計(jì)方案，同時(shí)，第二種方案，方便簡(jiǎn)單可行性高，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性好，對(duì)社會(huì)環(huán)境影響小，所以選擇第二種方案，有利于低碳環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展。二總體設(shè)計(jì)2.1電路圖2.1.1超聲波模塊電路 TL074接受電路匕S七M(jìn)AX232發(fā)射電路9Tjuric“3S33K9