超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

學(xué)期項(xiàng)目一：超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

一、功能要求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?？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(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器；通常用于小距離檢測、障礙物檢測等。

超聲波測距器可應(yīng)用于汽車倒車。建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度、物體厚度等的測量。其測量范圍為0.10~4.00m，測量精度為1cm。測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰、穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。設(shè)計(jì)要求：利用超聲波換能器和單片機(jī)設(shè)計(jì)一種非接觸式測距儀，該裝置的測量距離為4CM---4M，并且具有溫度補(bǔ)償、測量準(zhǔn)確、性能可靠性等優(yōu)點(diǎn)。1、掌握超聲波傳感器的工作原理并設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射器與接收器的工作電路。2、測量距離為4CM---4M，測量誤差≤1CM。3、溫度補(bǔ)償范圍：-20--100C。4、實(shí)時顯示實(shí)測距離、溫度。二、方案論證由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也比較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到使用的要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括電壓型、電動型等；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、功率和聲波各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本例決定采用AT89C52單片機(jī)作為主控器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完成。超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下：二、方案論證圖1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖超聲波發(fā)射器信號整形40KHz振蕩頻率單片機(jī)控制超聲波接收器信號放大電平轉(zhuǎn)換電路門控信號溫度測量器數(shù)碼顯示電路三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)硬件電路主要分為以下五個部分：鍵盤及顯示電路2超聲波發(fā)射電路3超聲波檢測接收電路4溫度測量電路5單片機(jī)系統(tǒng)電路11.單片機(jī)系統(tǒng)電路

單片機(jī)采用89C51或其兼容系列。系統(tǒng)采用12MHZ高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，并減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口控制輸出超聲波換能器所需的40kHz方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖·8位CPU·4kbytes程序存儲器(ROM)(52為8K)·256bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)52有384bytes的RAM）·32條I/O口線·111條指令，大部分為單字節(jié)指令

·21個專用寄存器

·2個可編程定時/計(jì)數(shù)器

·5個中斷源，2個優(yōu)先級 （52有6個）

·一個全雙工串行通信口

·外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB

·外部程序存儲器尋址空間為64kB

·邏輯操作位尋址功能

·雙列直插40PinDIP封裝

·單一+5V電源供電

1）片內(nèi)資源2）80C51的引腳封裝總線型非總線型3）時鐘電路（a）內(nèi)部時鐘電路；（b）HMOS型外部振蕩源(C)CHMOS型外部振蕩源XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部振蕩器的輸入端。XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸出端。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳應(yīng)懸空。單片機(jī)內(nèi)部的時間單位振蕩頻率fosc=石英晶體頻率或外部輸入時鐘頻率

振蕩周期=振蕩頻率的倒數(shù)機(jī)器周期機(jī)器周期是單片機(jī)應(yīng)用中衡量時間長短的最主要的單位在多數(shù)51系列單片機(jī)中：指令周期——

執(zhí)行一條指令所需要的時間單位：機(jī)器周期

51單片機(jī)中：單周期指令、雙周期指令、四周期指令1機(jī)器周期=12×1/fosc3）時鐘電路RST/VPD:是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持2個機(jī)器周期的高電平時，就可以完成復(fù)位操作。RST引腳的第二功能是備用電源的輸入端。上電復(fù)位按鍵復(fù)位4、單片機(jī)系統(tǒng)4）復(fù)位電路4、單片機(jī)系統(tǒng)5）存儲器選擇外部程序存儲器控制信號EAEA=0：訪問外部程序存儲器。EA=1：訪問片內(nèi)與片外程序存儲器。【先內(nèi)后外】6）最小系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除了與生產(chǎn)過程進(jìn)行信息傳遞的過程輸入輸出設(shè)備以外，還有與操作人員進(jìn)行信息交換的常規(guī)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。鍵盤是一種最常用的輸入設(shè)備,它是一組按鍵的集合，從功能上可分為數(shù)字鍵和功能鍵兩種，作用是輸入數(shù)據(jù)與命令，查詢和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)對話。

鍵盤接口電路可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。編碼鍵盤采用硬件編碼電路來實(shí)現(xiàn)鍵的編碼，每按下一個鍵，鍵盤便能自動產(chǎn)生按鍵代碼。編碼鍵盤主要有BCD碼鍵盤、ASCII碼鍵盤等類型。非編碼鍵盤僅提供按鍵的通或斷狀態(tài),按鍵代碼的產(chǎn)生與識別由軟件完成。2.鍵盤及顯示電路2.1鍵盤電路

2.1.1鍵盤的抖動干擾由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性振動，按鍵在按下時不會馬上穩(wěn)定地接通而在彈起時也不能一下子完全地?cái)嚅_，因而在按鍵閉合和斷開的瞬間均會出現(xiàn)一連串的抖動，這稱為按鍵的抖動干擾，其產(chǎn)生的波形如圖3所示，當(dāng)按鍵按下時會產(chǎn)生前沿抖動，當(dāng)按鍵彈起時會產(chǎn)生后沿抖動。這是所有機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵在狀態(tài)輸出時的共性問題，抖動的時間長短取決于按鍵的機(jī)械特性與操作狀態(tài)，一般為10~100ms，此為鍵處理設(shè)計(jì)時要考慮的一個重要參數(shù)。

2.1.2抖動干擾的消除

按鍵的抖動會造成按一次鍵產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)被CPU誤讀幾次。為了使CPU能正確地讀取按鍵狀態(tài)，必須在按鍵閉合或斷開時，消除產(chǎn)生的前沿或后沿抖動，去抖動的方法有硬件方法和軟件方法兩種。

1．硬件方法硬件方法是設(shè)計(jì)一個濾波延時電路或單穩(wěn)態(tài)電路等硬件電路來避開按鍵的抖動時間。圖4是由R2和C組成的濾波延時消抖電路，設(shè)置在按鍵S與CPU數(shù)據(jù)線Di之間。按鍵S未按下時，電容兩端電壓為0，即與非門輸入Vi為0，輸出Vo為1。當(dāng)S按下時，由于C兩端電壓不能突變，充電電壓Vi在充電時間內(nèi)未達(dá)到與非門的開啟電壓，門的輸出Vo將不會改變，直到充電電壓Vi大于門的開啟電壓時，與非門的輸出Vo才變?yōu)?，

這段充電延遲時間取決于R1、R2和C值的大小，電路設(shè)計(jì)時只要使之大于或等于100ms即可避開按鍵抖動的影響。同理，按鍵S斷開時，即使出現(xiàn)抖動，由于C的放電延遲過程，也會消除按鍵抖動的影響圖中，V1是未施加濾波電路含有前沿抖動、后沿抖動的波形，V2是施加濾波電路后消除抖動的波形。2．軟件方法軟件方法是指編制一段時間大于100ms的延時程序，在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行這段延時子程序使鍵的前沿抖動消失后再檢測該鍵狀態(tài)，如果該鍵仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)為該鍵已穩(wěn)定按下，否則無鍵按下，從而消除了抖動的影響。同理，在檢測到按鍵釋放后，也同樣要延遲一段時間，以消除后沿抖動，然后轉(zhuǎn)入對該按鍵的處理。圖4濾波延時消抖電路

2.1.3查詢法接口電路

現(xiàn)以3個按鍵為例，圖5即為獨(dú)立式鍵盤查詢法接口電路。按鍵S0、S1、S2分別通過上拉電阻與CPU的數(shù)據(jù)線D0、D1、D2相連，當(dāng)按鍵Si閉合時，數(shù)據(jù)線直接接地，因而CPU讀入Di=0；當(dāng)按鍵Si斷開時，數(shù)據(jù)線通過上拉電阻接到正電源，因而CPU讀入Di=1。該接口電路實(shí)現(xiàn)的功能為：查詢檢測是否有鍵按下，如有鍵閉合，則消除抖動，再判斷鍵號，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理。其程序流程如圖6所示。采用查詢法時，必須保證CPU每隔一定時間主動地去掃描按鍵一次，該掃描時間間隔應(yīng)小于兩次按鍵的時間間隔，否則會有按鍵不響應(yīng)的情形。顯然這種方式占用CPU時間比較多。圖5獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu)原理圖6獨(dú)立式鍵盤查詢法程序流程圖在計(jì)算機(jī)控制中，顯示裝置是一個重要組成部分，主要用來顯示生產(chǎn)過程的工藝狀況與運(yùn)行結(jié)果，以便于現(xiàn)場工作人員的正確操作。常用的顯示器件有顯示記錄儀、發(fā)光二極管顯示器LED、液晶顯示器LCD、大屏幕顯示器和圖形顯示器終端CRT。2.2顯示電路顯示記錄儀--是以模擬方式連續(xù)顯示和記錄過程參數(shù)的動態(tài)變化，但其價格都很貴，在目前的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中已很少采用。

LED數(shù)碼管--由于具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、配置靈活、顯示清晰、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前已被微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及智能化儀表廣泛采用。LCD--則以其功耗極低的特點(diǎn)，占據(jù)了從電子表到計(jì)算器，從袖珍儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)等應(yīng)用場合。CRT終端--CRT終端以其圖文并茂的直觀生動畫面，可以顯示生產(chǎn)過程中的各種畫面及報表，如生產(chǎn)流程圖、顯示報警圖、趨勢曲線圖、狀態(tài)和回路查詢圖等,在很多微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，特別在DDC，SCC以及DCS控制系統(tǒng)中，大都采用CRT操作臺進(jìn)行監(jiān)視和控制。2.2.1LED顯示器工作原理

LED（發(fā)光二極管LightEmittingDiode的英文縮寫）是利用PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，根據(jù)制造材料的不同可以發(fā)出紅、黃、綠、白等不同色彩的可見光來。LED的伏安特性類似于普通二極管，正向壓降約為2伏左右，工作電流一般在10-20mA之間較為合適。

LED顯示器有多種結(jié)構(gòu)形式，單段的圓形或方形LED常用來顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，8段LED可以顯示各種數(shù)字和字符，所以也稱為LED數(shù)碼管，其外形如圖2所示。8段LED在控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，其接口電路也具有普遍借鑒性。因此，我們介紹8段LED數(shù)碼管顯示器。

8段LED顯示器的結(jié)構(gòu)與工作原理如圖7所示。一個8段LED顯示器的結(jié)構(gòu)與工作原理如圖7所示。它是由8個發(fā)光二極管組成，各段依次記為a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp表示小數(shù)點(diǎn)（不帶小數(shù)點(diǎn)的稱為7段LED）。8段LED顯示器有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖（b）、（c）所示。共陰極LED的所有發(fā)光管的陰極并接成公共端COM，而共陽極LED的所有發(fā)光管的陽極并接成公共端COM。當(dāng)共陰極LED的COM端接地，則某個發(fā)光二極管的陽極加上高電平時，則該管有電流流過因而點(diǎn)亮發(fā)光；當(dāng)共陽極LED的COM端接高電平，則某個發(fā)光管的陰極加上低電平時，則該管有電流流過因而點(diǎn)亮發(fā)光。

8段LED通過不同段點(diǎn)亮?xí)r的組合，可以顯示0~9、A~F等十六進(jìn)制數(shù)。顯然，將單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出口與LED各段引腳相連，控制輸出的數(shù)據(jù)就可以使LED顯示不同的字符。通常把控制LED數(shù)碼管發(fā)光顯示字符的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼或者字符譯碼，如圖8所示。2.2.2LED顯示器顯示方式在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常利用n個LED顯示器構(gòu)成n位顯示。通常把點(diǎn)亮LED某一段的控制稱為段選，而把點(diǎn)亮LED某一位的控制稱為位選或片選。根據(jù)LED顯示器的段選線、位選線與控制端口的連接方式不同，LED顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式，下面以4個共陰極LED的組合為例進(jìn)行說明。1、靜態(tài)顯示2、動態(tài)顯示2.2.2.1靜態(tài)顯示方式4個LED組合的靜態(tài)顯示電路如圖9所示

圖9LED靜態(tài)顯示方式

例題1：說明4個共陰極LED靜態(tài)顯示3456數(shù)字的工作過程。

例題分析：看圖9，當(dāng)所有COM端連接在一起并接地時，首先由I/O口（1）送出數(shù)字3的段選碼4FH即數(shù)據(jù)01001111到左邊第一個LED的段選線上，陽極接受到高電平“1”的發(fā)光管g、d、c、b、a段因?yàn)橛须娏髁鬟^則被點(diǎn)亮，則結(jié)果為左邊第一個LED顯示3；接著由I/O口（2）送出數(shù)字4的段選碼66H即數(shù)據(jù)01100110到左邊第二個LED的段選線上，陽極接受到高電平“1”的共陰極發(fā)光管g、f、c、b段則被點(diǎn)亮，則結(jié)果為左邊第二個LED顯示4；同理，由I/O口（3）送出數(shù)字5的段選碼6DH即01101101到左邊第三個LED的段選線上，由I/O口（4）送出數(shù)字6的段選碼7DH即01111101到左邊第四個LED的段選線上，則第三、四個LED分別顯示5、6。2.2.2.2動態(tài)顯示方式LED動態(tài)顯示電路如圖10所示

圖10LED動態(tài)顯示方式

例題2：說明4位共陰極LED動態(tài)顯示3456數(shù)字的工作過程例題分析：看圖10，首先由I/O口（1）送出數(shù)字3的段選碼4FH即數(shù)據(jù)01001111到4個LED共同的段選線上，接著由I/O口（2）送出位選碼××××0111到位選線上，其中數(shù)據(jù)的高4位為無效的×，唯有送入左邊第一個LED的COM端D3為低電平“0”，因此只有該LED的發(fā)光管因陽極接受到高電平“1”的g、d、c、b、a段有電流流過而被點(diǎn)亮，也就是顯示出數(shù)字3，而其余3個LED因其COM端均為高電平“1”而無法點(diǎn)亮；顯示一定時間后，再由I/O口（1）送出數(shù)字4的段選碼66H即01100110到段選線上，接著由I/O口（2）送出點(diǎn)亮左邊第二個LED的位選碼××××1011到位選線上，此時只有該LED的發(fā)光管因陽極接受到高電平“1”的g、f、c、b段有電流流過因而被點(diǎn)亮，也就是顯示出數(shù)字4，而其余3位LED不亮；如此再依次送出第三個LED、第四個LED的段選與位選的掃描代碼，就能一一分別點(diǎn)亮各個LED，使4個LED從左至右依次顯示3、4、5、6。2.2.3LCD顯示器顯示方式字符型液晶顯示器硬件電路參考原理圖#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitLCD_RS=P0^3;//RS1:DATA

0:COMMANDsbitLCD_RW=P0^4;//R/W1:READ

0:WRITEsbitLCD_E=P0^5;//E1:ENABLE#defineLCD_chP2//-------------------------------------------------------------voiddelay(uinti){

while(i--);}1）LCD線路連接、聲明//*************寫指令進(jìn)入LCD1602***************//voidLCD_command(){LCD_RS=0; LCD_RW=0; LCD_E=0; delay(200);//延時大約2ms LCD_E=1;}//********把數(shù)據(jù)寫入LCD1602*****************//voidLCD_data(){LCD_RS=1; LCD_RW=0; LCD_E=0; delay(200); LCD_E=1;}//--------------------------------------------voidInit_LCD(void)/*初始化液晶*/{ LCD_ch=0x01;//清屏

LCD_command(); LCD_ch=0x38;//8位數(shù)據(jù)，兩行顯示，5*7點(diǎn)陣

LCD_command();LCD_ch=0x0c; //開顯示，關(guān)光標(biāo)，關(guān)閃爍

LCD_command(); LCD_ch=0x06;//讀寫數(shù)據(jù)后AC自動增一，畫面不動

LCD_command();}/*************************************

將數(shù)據(jù)ch顯示在第i行第j列*************************************/voidLCD_dis(uchari,ucharj,ucharch){ucharaddr;

if(i==0)addr=0x80+j;//設(shè)置為第一行

elseaddr=0xc0+j;//設(shè)置為第二行

LCD_ch=addr; LCD_command();//先寫地址

LCD_ch=ch; LCD_data();//后送數(shù)據(jù)

}#include<reg52.h>//包含52單片機(jī)頭文件#include<lcd1602.h>//包含LCD頭文件unsignedcharx[]="Iamastudent";//-------------------------------------------------------------------voidmain()//主函數(shù){

unsignedinti;Init_LCD();//首先初始化各數(shù)據(jù)

while(1){

for(i=0;i<16;i++){ LCD_dis(0,i,0x30+i);//LCD_dis(0,i,i+’0’);LCD_dis(1,i,i+’A’);

//LCD_dis(0,i,x[i]);//顯示數(shù)組內(nèi)容

delay(50000);}}}2.3本項(xiàng)目采用鍵盤及顯示電路3.超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如下圖。發(fā)射電路主要由555振蕩電路和反向器CD4069和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口控制555輸出的40kHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射速度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。兩個上拉電阻一方面可以提高反向器CD4069輸出高電平的驅(qū)動能力；另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其自由振蕩的時間。三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)用于驅(qū)動超聲波傳感器的40KHz的方波由一片NE555搭成的多諧振蕩器生成，受控于控制器的PLUS_EN信號；555芯片工作電壓為12V，CD4069芯片工作電壓為12V，40KHz的方波經(jīng)，CD4049調(diào)理后，成為振幅24V的方波，提高發(fā)射功率。圖2555構(gòu)成的多諧振蕩器電路3.1555振蕩電路圖3555芯片3腳的輸出波形

壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極加脈沖信號，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，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收道超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波發(fā)射換能器上標(biāo)有字母T，而接收換能器上標(biāo)有字母R。超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖3.2超聲波換能器的工作原理表1T/R40的特征參數(shù)圖型號T/R40-16中心頻率40±1KHz發(fā)射電壓大于115DB接收靈敏度大于-64DB/V/ubar-6DB指向50deg電容2400±25%允許輸入電壓20V3.2超聲波換能器的工作原理1.1超聲波檢測接收電路1

集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖所示。實(shí)驗(yàn)證明，用CX20106A接收超聲波（無信號的輸出高電平）具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)?shù)馗碾娙軨4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)4超聲波檢測接收電路CX20106A內(nèi)部電路圖超聲波檢測接收電路

4.2超聲波檢測接收電路24.2超聲波檢測接收電路2發(fā)射頭發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后，反射到接收頭，而接收到的波形幅度非常小，所以在回波處理電路中，把接收到的波形放大了10000倍，用的LM324搭成的兩級交流放大電路。經(jīng)放大后的波形送入檢波電路，射隨后經(jīng)LM324比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波，可送給STC89C51的EXT1外部中斷。在模塊電路的設(shè)計(jì)中一定要注意，超聲波發(fā)射頭和接收頭之間的干擾；一般壓電式的超聲波換能器都會存在余波的干擾，發(fā)射頭和接收頭間要有20cm的距離；而在發(fā)射頭發(fā)射超聲波后的3ms內(nèi)，接收頭會一直接收到發(fā)射頭傳過來的非反射波，這是干擾波，在軟件處理的時候一定要注意清除掉此類的干擾。5溫度測量電路目前,溫度測量方法很多，溫度傳感器也非常普遍。實(shí)驗(yàn)采用DS18B20芯片的“一線式”溫度傳感器。該傳感器只需占用微處理器的一個普通端口，并且多個傳感器可以并聯(lián)在一起使用,適用于多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng),節(jié)約了大量系統(tǒng)資源。美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-BOARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點(diǎn)。目前DS18B20批量采購價格僅10元左右。

DS18B20的外形及管腳排列如下圖：三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)5.1外形及引腳排列圖

DS18B20引腳定義：(1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；(2)GND為電源地；

(3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。5.2DS18B20的主要特性

（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。

（2）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

（3）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。

（5）測溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃

5.2DS18B20的主要特性

（6）可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。

（7）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。

（8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力

（9）負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

5.3內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。5.4測溫原理及框圖

DS18B20測溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。

5.4測溫原理及框圖5.5DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件

（1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。

這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。表1:DS18B20溫度值格式表

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