超聲波測(cè)距儀畢業(yè)設(shè)計(jì)

無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   1 測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用  摘要：現(xiàn)在超聲波測(cè)距已廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)各種測(cè)距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機(jī)為核心的測(cè)距儀器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測(cè)、顯示、報(bào)警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠。本文簡(jiǎn)要介紹了利用 51 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的原理以及實(shí)現(xiàn)的方法。  關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)  ，測(cè)距儀，溫度傳感器，超聲波  1.引言： 超聲波具有指向性 強(qiáng) ，能量消耗 緩 慢， 傳 播距離 較遠(yuǎn) 等 優(yōu) 點(diǎn)，所以，在利用 傳 感器技 術(shù) 和自 動(dòng) 控制技 術(shù) 相 結(jié) 合的 測(cè) 距方案中，超聲波 測(cè) 距是目前 應(yīng) 用最普遍的一 種 ，它廣泛 應(yīng) 用于防盜、倒 車 雷達(dá)、水位 測(cè) 量、建筑施工工地以及一些工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 。  2.總體方案設(shè)計(jì)  2.2.1 方案一： 基于 單 片機(jī)的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng)  基于 單 片機(jī)的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng) ，是利用 單 片機(jī) 編 程 產(chǎn) 生 頻 率 為 40kHz 的方波， 經(jīng)過(guò)發(fā) 射 驅(qū)動(dòng)電 路放大，使超聲波 傳 感器 發(fā) 射端震 蕩 ， 發(fā) 射超聲波。超聲波波 經(jīng) 反射物反射回來(lái)后，由 傳 感器接收端接收，再 經(jīng) 接收 電 路放大、整形，控制 單 片機(jī)中斷口。其系 統(tǒng) 框 圖 如 圖 1 所示。  圖 1 基于 單 片機(jī)的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng) 框 圖  這種 以 單 片機(jī) 為 核心的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng) 通 過(guò)單 片機(jī) 記錄 超聲波 發(fā) 射 的 時(shí)間 和收到反射波的 時(shí)間 。當(dāng)收到超聲波的反射波 時(shí) ，接收 電 路 輸 出端 產(chǎn) 生一個(gè) 負(fù) 跳 變 ，在 單片機(jī)的外部中斷源 輸 入口 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) 子程序， 讀 取 時(shí)間 差， 計(jì) 算距離， 結(jié) 果 輸 出 給 LED 顯 示利用 單 片機(jī)準(zhǔn)確 計(jì)時(shí) ， 測(cè) 距精度高，而且 單 片機(jī)控制方便， 計(jì) 算 簡(jiǎn)單 。 許 多超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng) 都采用 這種設(shè)計(jì) 方法。  2.2.2 方案二： 基于 CPLD 的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng)  這種測(cè) 距系 統(tǒng) 采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，運(yùn)用HDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)編 寫(xiě)程序，使用 MAX+plusII 軟 件 進(jìn) 行 軟 硬件 設(shè)計(jì) 的仿真和 調(diào)試 ，最 終實(shí)現(xiàn)測(cè) 距功能。 CPLD 器件內(nèi)部的宏 單 元是其最基本的模 塊 ，能獨(dú)立地 編 程 為 D 觸 發(fā) 器、 T觸 發(fā) 器、 RS 觸 發(fā) 器或 JK 觸 發(fā) 器工作方式或 組 合 邏輯 工作方式。它的 這種 特性非常適用于本系 統(tǒng) ，可將本系 統(tǒng) 所需要的分 頻 功能、 計(jì) 數(shù)功能、振 蕩 器、七段 碼顯 示全部由 MAX 來(lái) 實(shí)現(xiàn) ，而只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡?傳 感器、接收和 發(fā) 送 電 路，即可 組 成一個(gè) 測(cè) 量精度高、性能 穩(wěn) 定、響 應(yīng) 速度快且具有 顯 示功能的超聲波 測(cè) 距 儀 。  2.2.3方案選擇  通過(guò)上述兩個(gè)方案的比較，便能發(fā)現(xiàn)方案一設(shè)計(jì)的電路比方案一的電路有極大的優(yōu)勢(shì)，性能全面，使用方便，而且簡(jiǎn)單、穩(wěn)定 ,并且大部分知識(shí)是課堂所學(xué)，可做到學(xué)以致用。  無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   2 測(cè)距儀背景： 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一，信息技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外線傳感器、壓力傳感器等等，其中超聲波傳感器在測(cè)量方面有著 廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度較高。  超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對(duì)單片機(jī)的理解和應(yīng)用。  課題主要內(nèi)容  通 過(guò) 上 節(jié) 介 紹 我 們 知道，以 單 片機(jī) 為 核心的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 、方便，而且 測(cè) 精度能達(dá)到工 業(yè) 要求。本 課題 研究的 測(cè) 距系 統(tǒng) 就是用 單 片機(jī)控制的。 通 過(guò) 超聲波發(fā) 射器向某一方向 發(fā) 射超聲波， 單 片機(jī)在 發(fā) 射 時(shí) 刻同 時(shí)開(kāi) 始 計(jì)時(shí) ，超聲波在空氣中 傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止 計(jì)時(shí) 。超聲波在空氣中的 傳 播速度 為 V，根據(jù) 計(jì)時(shí) 器 記錄 的 時(shí)間 t，就可以 計(jì) 算出 發(fā) 射點(diǎn)距障礙物的距離。  本系 統(tǒng) 利用 單 片機(jī)控制超聲波的 發(fā) 射和 對(duì) 超聲波自 發(fā) 射至接收往返 時(shí)間 的 計(jì)時(shí) 。電 路的 輸 出端接 單 片機(jī)的外部中斷源 輸 入口。系 統(tǒng) 定 時(shí)發(fā) 射超聲波，在啟 動(dòng)發(fā) 射 電 路的同 時(shí) 啟 動(dòng)單 片機(jī)內(nèi)部的定 時(shí) 器，利用定 時(shí) 器的 計(jì) 數(shù)功能 記錄 超聲波 發(fā) 射的 時(shí)間 和收到反射波的 時(shí)間 。當(dāng)收到超聲波的反射波 時(shí) ，接收 電 路 輸 出端 產(chǎn) 生一個(gè) 負(fù) 跳 變 ，在 單片機(jī)的外部中斷源 輸 入口 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) 子程序， 讀 取 時(shí)間 差， 計(jì) 算距離 ,結(jié) 果 輸 出 給 LED顯 示。  2.2.4 超聲波測(cè)距儀的原理  超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空  氣中的傳播速度為  v，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間  t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即：  S=vt/2 這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 由于超聲波 發(fā) 球聲波范 圍 ，其 波速 c 與溫度有 關(guān) ，表 1列出了幾 種 不同溫度下的波速。  表 1 聲速與溫度的 關(guān) 系  溫度（）  30 20 10   0 10 20 30 100 聲速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 波速確定后，只要 測(cè) 得超聲波往返的 時(shí)間 t，即可求得距離 S。其系 統(tǒng) 原理框 圖 如圖 2 所示。  超聲波接收  單片機(jī)  控制器  超聲波發(fā)送  LED 顯示  掃描驅(qū)動(dòng)  無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   3 圖 2  超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖  由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距 離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有的得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。  2.3  超聲波的介紹  2.3.1 超聲波的應(yīng)用  超聲波是頻率高于  20000 赫茲的聲波 ,它方向性好 ,穿透能力強(qiáng) ,易于獲  得較集中的聲音 ,在水中傳播距離遠(yuǎn) ,可用于測(cè)距 ,測(cè)速 ,清洗 ,焊接 ,碎石 , 殺菌消毒等 .在醫(yī)學(xué) ,軍事 ,工業(yè) ,農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用 .  1.超聲檢驗(yàn) .超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短 ,具有較好的方向性 ,而且  能透過(guò)不透明物質(zhì) ,這一特性已被廣泛用于超聲波探傷 ,測(cè)厚 ,測(cè)距 ,遙控  和超聲波成像技術(shù) .超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)  . 把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上 ,從試樣透出的超聲  波攜帶了被照部位的信息 (如對(duì)聲波的反射 ,吸收和散射的能力 ) ,經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上 ,所得電信號(hào)輸入放大器 ,利用掃描系統(tǒng)可把不透明  試樣的形象顯示在熒光屏上 .  2.超聲處理 .利用超聲的機(jī)械作用 ,空化作用 ,熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng) ,可  進(jìn)行超 聲焊接 ,鉆孔 ,固體的粉碎 ,乳化  ,脫氣 ,除塵 ,去鍋垢 ,清洗 , 滅菌 ,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等 ,在工礦業(yè) ,農(nóng)業(yè) ,醫(yī)療等各個(gè)部  門(mén)獲得了廣泛應(yīng)用 . 3.基礎(chǔ)研究 .超聲波作用于介質(zhì)后 ,在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過(guò)程 ,聲弛豫  過(guò)程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過(guò)程 ,并在宏觀上表現(xiàn)出對(duì)聲波的吸收   2.3.2 超聲波的發(fā)展  一 、 國(guó)際方面 : 自  19 世紀(jì)末到  20 世紀(jì)初 , 在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之  后 ,人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法 ,從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與  推廣超聲技術(shù)的歷史篇章 . 1922 年 ,德國(guó)出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利 . 1939 年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報(bào)道 . 40 年代末期超聲治療在歐美興起 ,直到  1949 年召開(kāi)的第一次國(guó)際醫(yī)學(xué)  超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上 ,才有了超聲治療方面的論文交流 ,為超聲治療學(xué)的發(fā)展  奠定了基礎(chǔ) .1956 年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多論文發(fā)表 , 超聲治療進(jìn)入了實(shí)用成熟階段 .  二 、 國(guó)內(nèi)方面 : 國(guó)內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚 , 20 世紀(jì)  50 年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開(kāi)  于  展超聲治療工作 ,從 1950年首先在北京開(kāi)始用 800KHz頻率的超聲治療機(jī)  治療 多種疾病 ,至 50年代開(kāi)始逐步推廣 ,并有了國(guó)產(chǎn)儀器 .公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)  道始見(jiàn)于  1957 年 .到了 70 年代有了各型國(guó)產(chǎn)超聲治療儀 ,超聲療法普及到  全國(guó)各大型醫(yī)院 . 40 多年來(lái) , 全國(guó)各大醫(yī)院已積累了相當(dāng)數(shù)量的資料和比較豐富的臨床經(jīng)  驗(yàn) .特別是  20 世紀(jì)  80 年代初出現(xiàn)的超聲體外機(jī)械波碎石術(shù)和超聲外科 ,是  結(jié)石癥治療史上的重大突破 .如今已在國(guó)際范圍內(nèi)推廣應(yīng)用 .高強(qiáng)度聚焦超  聲無(wú)創(chuàng)外科 ,已使超聲治療在當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)中占據(jù)重要位置 .而在  21 世紀(jì)  (HIFU)超聲聚焦外科已被譽(yù)為是  21 世紀(jì)治療腫瘤的最新技術(shù) . 2.4  超聲波傳感器  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。 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(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(dòng) 型等；機(jī)械方式有加 爾統(tǒng) 笛、液哨和氣無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   4 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。  壓電 式超聲波 發(fā) 生器 實(shí)際 上是利用 壓電 晶體的 諧 振來(lái)工作的。它有兩個(gè) 壓電 晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其 頻 率等于 壓電 晶片的因有振 蕩頻 率 時(shí) ，壓電 晶片將會(huì) 發(fā) 生共振，并 帶動(dòng) 共振板振 動(dòng) ，便 產(chǎn) 生超聲波。反之，如果兩極 間 未外加 電壓 ，當(dāng)共振板接收到超聲波 時(shí) ，將 壓 迫 壓電 晶片振 動(dòng) ，將機(jī)械能 轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)，這時(shí) 它就成 為 超聲波接收器了。  在 設(shè)計(jì) 超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng) 之前，我 們 首先來(lái)了解一下有 關(guān) 超聲波 傳 感器方面的知識(shí) 。在本章里，將介 紹 超聲波 傳 感器的原理和特性， 檢測(cè) 方式以及超聲波 傳 感系 統(tǒng) 的構(gòu)成。  2.4.1 超聲波傳感器的 原理  人 們 可以聽(tīng)到的聲音 頻 率 為 20Hz 20kHz，即 為 可聽(tīng)聲波，超出此 頻 率范 圍 的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱 為 低 頻 聲波， 20kHz 以上的聲音稱 為 超聲波 ，一般 說(shuō)話 的頻 率范 圍為 100Hz 8kHz。  超聲波 為 直 線傳 播方式， 頻 率越高， 繞 射能力越弱，但反射能力越 強(qiáng) ， 為 此利用超聲波的 這種 性 質(zhì) 就可以制成超聲波 傳 感器。另外，超聲波在空氣中 傳 播的速度 較 慢，約為 330m/s， 這 就使得超聲波 傳 感器使用 變 得非常 簡(jiǎn)單 。  超聲波 傳 感器有 發(fā) 送器和接收器，但一個(gè)超聲波 傳 感器也可以具有 發(fā) 送和接收聲波的雙重作用，即 為 可逆元件。一般市 場(chǎng) 上出售的超聲波 傳 感器有 專 用型和兼用型，專 用型就是 發(fā) 送器用作 發(fā) 送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是 發(fā) 送器和接收器 為 一體 傳 感器，即可 發(fā) 送超聲波，又可接收超 聲波。超聲波 傳 感器的 諧 振 頻 率 (中心 頻 率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等。 諧 振 頻 率 變 高， 則檢測(cè) 距離變 短，分解力也 變 高。  超聲波 傳 感器是利用 壓電 效 應(yīng) 的原理， 壓電 效 應(yīng) 有逆效 應(yīng) 和 順 效 應(yīng) ，超聲波 傳 感器是可逆元件，超聲波 發(fā) 送器就是利用 壓電 逆效 應(yīng) 的原理。所 謂壓電 逆效 應(yīng) 如 圖 3 所示，是在 壓電 元件上施加 電壓 ，元件就 變 形，即稱 應(yīng)變 。若在 圖 a所示的已極化的 壓電 陶瓷上施加如 圖 b 所示極性的 電壓 ，外部正 電 荷與 壓電 陶瓷的極化正 電 荷相斥，同時(shí) ，外部 負(fù)電 荷與極化 負(fù)電 荷相斥。由于相斥的作用， 壓電 陶瓷在厚 度方向上 縮 短，在 長(zhǎng) 度方向上伸 長(zhǎng) 。若外部施加的極性 變 反，如 圖 c 所示那 樣 ， 壓電 陶瓷在厚度方向上伸 長(zhǎng) ，在 長(zhǎng) 度方向上 縮 短。  圖 3 壓電 逆效 應(yīng)  超聲波 傳 感器采用雙晶振子，即把雙 壓電 陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在 長(zhǎng)度方向上，一片伸 長(zhǎng) ，另一片就 縮 短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜 電 極，其上面用引線 通 過(guò) 金屬板 (振 動(dòng) 板 )接到一個(gè) 電 極端，下面用引 線 直接接到另一個(gè) 電 極端。雙晶振無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   5 子 為 正方形，正方形的左右兩 邊 由 圓 弧形凸起部分支撐著。 這 兩 處 的支點(diǎn)就成 為 振子振 動(dòng) 的 節(jié) 點(diǎn)。金屬板的中心有 圓錐 形振子。 發(fā) 送超聲波 時(shí) ， 圓錐 形振子有 較強(qiáng) 的方向性， 因而能高效率地 發(fā) 送超聲波；接收超聲波 時(shí) ，超聲波的振 動(dòng) 集中于振子的中心，所以，能 產(chǎn) 生高效率的高 頻電壓 。  采用雙晶振子的超聲波 傳 感器 ,若在 發(fā) 送器的雙晶振子 (諧 振 頻 率 為 40kHz)上施加 40kHz 的高 頻電壓 ， 壓電 陶瓷片就根據(jù)所加的高 頻電壓 極性伸 長(zhǎng) 與 縮 短，于是就能發(fā) 送 40kHz 頻 率的超聲波。超聲波以疏密波形式 傳 播， 傳 送 給 超聲波接收器。超聲波接收器是利用 壓電 效 應(yīng) 的原理，即在 壓電 元件的特定方向上施加 壓 力，元件就 發(fā) 生 應(yīng)變 ， 則產(chǎn) 生一面 為 正極，另一面 為負(fù) 極的 電壓 。若接收到 發(fā) 送器 發(fā) 送的超聲波，振子就以 發(fā) 送超聲波的 頻 率 進(jìn) 行振 動(dòng) ，于是，就 產(chǎn) 生與超聲波 頻 率相同的高 頻電壓 ，當(dāng)然這種電壓 是非常小的，必 須 采用放大器放大。  2.4.2 超聲波傳感器的 特性  現(xiàn) 以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā) 送器 為 例 說(shuō) 明超聲波 傳 感器的各 種 特性，表 2示出的就是 這種 超聲波 傳 感器的特性。 傳 感器的 標(biāo) 稱 頻 率 為 40kHz， 這 是 壓電 元件的中心 頻 率， 實(shí)際 上 發(fā) 送超聲波 時(shí) 是串 聯(lián)諧 振與并 聯(lián)諧 振的中心 頻 率，而接收 時(shí) 各自使用并 聯(lián)諧 振 頻 率。  表 2 超聲波 傳 感器 MA40S2R/S 的特性  種類 特性  MA40S2R接收  MA40S2S 發(fā) 送  標(biāo) 稱 頻 率  40kHz 靈敏度   74dB 以上  100dB 以上  帶寬  6kHz 以上 ( 80dB) 7kHz 以上 (90dB) 電 容  1600pF 1600pF 絕緣電 阻  100M以上  溫度特性   20+60范 圍 內(nèi)靈敏度 變 化在 10dB 以內(nèi)  超聲波 傳 感器的 帶寬較 窄，大部分是在 標(biāo) 稱 頻 率附近使用， 為 此，要采取措施 擴(kuò)展 頻帶 ，例如，接入 電 感等。另外， 發(fā) 送超聲波 時(shí)輸 入功率 較 大，溫度 變 化使 諧 振 頻率偏移是不可避免的， 為 此， 對(duì) 于 壓電 陶瓷元件非常重要的是要 進(jìn) 行 頻 率 調(diào) 整和阻抗匹配。  MA40S2R/S 傳 感器的 發(fā) 送與接收的靈敏度都是以 標(biāo) 稱 頻 率 為 中心逐 漸 降低， 為此， 發(fā) 生超聲波 時(shí) 要充分考 慮 到 這 一點(diǎn)以免逸出 標(biāo) 稱 頻 率。  圖 4 表示 傳 感器方向性的特性， 這種傳 感器在 較寬 范 圍 內(nèi)具有 較 高的 檢測(cè) 靈敏度，因此，適用于物體 檢測(cè) 與防犯 報(bào) 警裝置等。另外， 對(duì) 于 這種傳 感器，一般來(lái) 說(shuō) 溫度越高，中心 頻 率越低， 為 此，在 寬 范 圍環(huán) 境溫度下使用 時(shí) ，不 僅 在外部 進(jìn) 行溫度 補(bǔ)償 ，在 傳 感器內(nèi)部也要 進(jìn) 行溫度 補(bǔ)償  無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   6 圖 4 傳 感器的方向性  2.4.3 超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式  1.穿透式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式  當(dāng)物體在 發(fā) 送器與接收器之 間 通 過(guò)時(shí) ， 檢測(cè) 超聲波束衰減或遮 擋 的情況從而判斷有無(wú)物體通 過(guò) 。 這種 方 式的 檢測(cè) 距離 約 1m，作 為標(biāo) 準(zhǔn)被 檢測(cè) 物體使用 100mm 100mm 的方形板。它與光 電傳 感器不同，也可以 檢測(cè) 透明體等。  2.限定距離式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式  當(dāng) 發(fā) 送超聲波束碰到被 檢測(cè) 物體 時(shí) ， 僅檢測(cè)電 位器 設(shè) 定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在 設(shè) 定距離內(nèi)有無(wú)物體通 過(guò) 。若被 檢測(cè) 物體的 檢測(cè) 面 為 平面 時(shí) ， 則 可 檢測(cè) 透明體。若被 檢測(cè) 物體相 對(duì)傳 感器的 檢測(cè) 面 為傾 斜 時(shí) ， 則 有 時(shí) 不能 檢測(cè) 到被 測(cè) 物體。若被 檢測(cè) 物體不是平面形狀， 實(shí)際 使用超聲波 傳 感器 時(shí) 一定要確 認(rèn) 是否能 檢測(cè) 到被 測(cè)物體。  3.限定范 圍 式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式  在距離 設(shè) 定范 圍 內(nèi)放 置的反射板碰到 發(fā) 送的超聲波束 時(shí) ， 則 被 檢測(cè) 物體遮 擋 反射板的正常反射波，若 檢測(cè) 到反射板的反射波衰減或遮 擋 情況，就能判斷有無(wú)物體通 過(guò) 。另外， 檢測(cè) 范 圍 也可以是由距離切 換開(kāi)關(guān)設(shè) 定的范 圍 。  4.回 歸 反射式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式  回 歸 反射式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式與穿透超聲波 傳 感器的相同，主要用于 發(fā) 送器 設(shè) 置與布 線 困 難 的 場(chǎng) 合。若反射面 為 固定的平面物體， 則 可用作回 歸 反射式超聲波傳 感器的反射板。另外，光 電傳 感器所用的反射板同 樣 也可以用于 這種 超聲波 傳 感器。  這種 超聲波 傳 感器可用脈沖市制的超聲波替代光 電傳 感器的光，因此，可 檢測(cè) 透明的 物體。利用超聲波的 傳 播速度比光速慢的特點(diǎn)， 調(diào) 整用 門(mén) 信號(hào)控制被 測(cè) 物體反射的超聲波的 檢測(cè)時(shí)間 ，可以構(gòu)成限定距離式與限定范 圍 式超聲波 傳 感 器  2.4.4 超聲波 傳 感器系 統(tǒng) 的構(gòu)成  超聲波 傳 感器系 統(tǒng) 由 發(fā) 送器、接收器、控制部分以及 電 源部分構(gòu)成，如 圖 5 所示。發(fā) 送器常使用 直徑 為 15mm左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的 電 振 動(dòng) 能量 轉(zhuǎn)換為 超聲波能量并向空中 輻 射。除穿透式超聲波 傳 感器外，用作 發(fā) 送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波 產(chǎn) 生機(jī)械振 動(dòng) ，將其 變換為電 能量，作 為傳 感器接收器的 輸 出，無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   7 從而 對(duì)發(fā) 送的超聲波 進(jìn) 行 檢測(cè) 。  圖 5 超聲波 傳 感器系 統(tǒng) 的構(gòu)成  控制部分判斷接收器的接收信號(hào)的大小或有無(wú)，作 為 超聲波 傳 感器的控制 輸 出。對(duì) 于限定范 圍 式超聲波 傳 感器，通 過(guò) 控制距離 調(diào) 整回路的 門(mén) 信號(hào)，可以接收到任意距離的反射波。另外，通 過(guò) 改 變門(mén) 信號(hào)的 時(shí)間 或 寬 度，可以自由改 變檢測(cè) 物體的范 圍 。超聲波 傳 感器的 電 源常由外部供 電 ，一般 為 直流 電壓 ， 電壓 范 圍為 1224V 10%，再經(jīng)傳 感器內(nèi)部 穩(wěn)壓電 路 變?yōu)榉€(wěn) 定 電壓 供 傳 感器工作。超聲波 傳 感器系 統(tǒng) 中 關(guān)鍵電 路是超聲波 發(fā) 生 電 路和超聲波接收 電 路。可有多 種 方法 產(chǎn) 生超聲波，其 中最 簡(jiǎn)單 的方法就是用直接敲 擊 超聲波振子，但 這種 方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。 為 此，在 實(shí)際 中采用 電 路的方法 產(chǎn) 生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來(lái) 選 用其振 蕩電 路  2.5  本章小結(jié)  本章我 們?cè)敿?xì) 介 紹 了 超聲波測(cè)距儀的原理， 兩種常用的超聲波測(cè)距方法， 超聲波的應(yīng)用以及發(fā)展，超聲波 傳 感器的原理及其特性，超聲波 發(fā) 送器就是利用 壓電 逆效 應(yīng)的原理 產(chǎn) 生超聲波的。  超聲波 傳 感器有四 種檢測(cè) 方式，分 別為 穿透式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式、限定距離式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式、限定范 圍 式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式和回 歸 反射式超聲波 傳 感器的 檢測(cè) 方式。  超聲波 傳 感器系 統(tǒng) 由 發(fā) 送器、接收器、控制部分以及 電 源部分構(gòu)成。  3.系統(tǒng)組成  3.1  單片機(jī) AT89C51 AT89C52 與  AT89C51 不同之處：  1、   RAM 空間增大： AT89C51 有 128 字節(jié)的內(nèi)部  RAM，稱之為  DATA 存儲(chǔ)區(qū)。         AT89C52 的內(nèi)部  RAM 擴(kuò)展為  256 字節(jié)，其中高  128 字節(jié)，位于從  80H 開(kāi)始的    地址空間中，稱之為  IDATA 存儲(chǔ)區(qū)，但 IDATA 區(qū)的訪問(wèn)只能是間接尋址方式。  2、   內(nèi)部 FLASH變大： AT89C51 有  4K 字節(jié)的內(nèi)部  FLASH PERAM，而。 AT89C52 的內(nèi)部 FLASH PERAM 增加 1倍，達(dá)到 8K。  3、  中斷源增加：在 AT89C52 中 P1.0和 P1.1還可分別作為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   8 輸入（ P1.0/T2）和（ P1.1/T2EX），也就是說(shuō)， P1.0同時(shí)可作為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器  T2 的外部計(jì)數(shù)輸入，和輸出占空比  50% 的時(shí)鐘脈沖端口， P1.1同時(shí)可作為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器  T2 捕獲 /重新裝載觸發(fā)和方向控制端口。故， AT89C52 除了具備  AT89C51 的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器  T0 和 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器  T1，還額外增加了一個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器  T2。而定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器  T2 的控制和狀態(tài)位單獨(dú)位于 T2CON、 T2MOD，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器  T2 在  16 位捕獲方式或自動(dòng)重新裝載方式下的捕獲 /重載寄存器組是（ TCAO2H、 RCAP2L）。  縱上所述，本設(shè)計(jì)中采用 89C52。  1、  51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)   5l 系列單片機(jī)中典型芯片采用 40 引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內(nèi)部由 CPU， 4kB的 ROM， 256 B 的 RAM， 2 個(gè) 16b 的定時(shí)計(jì)數(shù)器 TO 和 T1， 4個(gè) 8 b 的工O端 I： IP0， P1， P2， P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器 (EPROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 1所示。  5l 系列單片機(jī)提供以下功能： 4 kB 存儲(chǔ)器； 256 BRAM； 32 條工 O 線；2個(gè) 16b 定時(shí)計(jì)數(shù)器； 5 個(gè) 2級(jí)中斷源； 1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。  空閑方式： CPU 停止工作，而讓RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。  掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片 所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。  5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。  MCS-51 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請(qǐng)參照 -單片機(jī)引腳圖：  P0.0P0.7 P0 口 8位雙向口線（在引腳的 3932 號(hào)端子）。  P1.0P1.7 P1 口 8位雙向口線（在引腳的 18 號(hào)端子）。  P2.0P2.7 P2 口 8位雙向口線（在引腳的 2128 號(hào)端子）。  P3.0P3.7 P2 口 8位雙向 口線（在引腳的 1017 號(hào)端子）。  這 4個(gè) I/O 口具有不完全相同的功能，大家可得學(xué)好了，其它書(shū)本里雖然有，但寫(xiě)的太深，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)很難理解的，我這里都是按我自已的表達(dá)方式來(lái)寫(xiě)的，相信你也能夠理解的。  P0 口有三個(gè)功能：  1、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（如圖 1 中的 D0D7 為數(shù)據(jù)總線接口）  2、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（如圖 1 中的 A0A7 為地址總線接口）  無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   9 3、不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的 I/O 使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。  引腳說(shuō)明：  P1 口只做 I/O 口使用：其內(nèi)部有上拉電 阻。  P2 口有兩個(gè)功能：  1、擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用  2、做一般 I/O 口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；  P3 口有兩個(gè)功能：  除了作為 I/O 使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來(lái)設(shè)置，具體功能請(qǐng)參考我們后面的引腳說(shuō)明。  有內(nèi)部 EPROM 的單片機(jī)芯片（例如 8751），為寫(xiě)入程序需提供專門(mén)的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的，  即：編程脈沖： 30 腳（ ALE/PROG）  編程電壓（ 25V）： 31 腳（ EA/Vpp）  在介紹這四個(gè) I/O 口時(shí)提到了一個(gè) “ 上拉電阻 ” ， 當(dāng)作為輸 入時(shí)，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果 P0口如果作為輸入時(shí)，處在高阻抗?fàn)顟B(tài)，只有外接一個(gè)上拉電阻才能有效。  ALE 地址鎖存控制信號(hào) ： 在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)， ALE 用于控制把 P0 口的輸出低 8位地址送鎖存器鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。當(dāng) CPU 對(duì)外部進(jìn)行存取時(shí)，用以鎖住地址的低位地址，即 P0口輸出。  由于 ALE 是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖，當(dāng)系統(tǒng)中未使用外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 腳也會(huì)有六分之一的固定頻率輸出，因此可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。  PSEN 外部程序存儲(chǔ)器讀選通 信號(hào) ： 在讀外部 ROM 時(shí) PSEN 低電平有效，以實(shí)現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作。  1、內(nèi)部 ROM 讀取時(shí)， PSEN 不動(dòng)作；  2、外部 ROM 讀取時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期會(huì)動(dòng)作兩次；  3、外部 RAM 讀取時(shí)，兩個(gè) PSEN 脈沖被跳過(guò)不會(huì)輸出；  4、外接 ROM 時(shí)，與 ROM 的 OE 腳相接。  EA/VPP 訪問(wèn)和序存儲(chǔ)器控制信號(hào)  1、接高電平時(shí)： CPU 讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ ROM）  擴(kuò)展外部 ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器超過(guò) 0FFFH（ 8051） 1FFFH（ 8052）時(shí)自動(dòng)讀取外部 ROM。  2、接低電平時(shí)： CPU 讀取外部程序存儲(chǔ)器（ ROM）。  3、 8751 燒寫(xiě)內(nèi)部 EPROM 時(shí)，利用此腳輸入 21V 的燒寫(xiě)電壓。  RST 復(fù)位信號(hào) ： 當(dāng)輸入的信號(hào)連續(xù) 2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。  XTAL1 和 XTAL2 外接晶振引腳。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。  VCC：電源 +5V 輸入   VSS： GND 接地。  無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   10 單 片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 S Ct 2，式中的 C 為超聲波波速。  限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)，表 1。列出了幾種不同溫度下的波速。  在測(cè)距時(shí)由于溫度變化，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高了測(cè)量精確度。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間 r，即可求得距離 5。  AT89C51通過(guò)外部引腳 P2 0 輸出脈沖寬度為 25 us、載波為 40kHz 的超聲波脈沖串，加到射隨器的基級(jí)，經(jīng)功率放大推動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射出去。超聲 波接收器將接收到的反射超聲波送到放大器進(jìn)行放大，然后用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波。經(jīng)處理后輸出低電平，送到 AT89C51 的引腳  利用 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的測(cè)距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明，該類測(cè)距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測(cè)距的要求，且成本較低、有良好的性價(jià)比。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時(shí)間，測(cè)得的距離有誤差，在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中此誤差為 3C111 可忽略不計(jì)；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)器人自動(dòng)測(cè)距等方面，此誤差不能忽略，只有通過(guò)改變 -些硬件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的快速鎖定，使誤差進(jìn)一步減小到 0 31llnl，可以滿足更高要求。  3.2 鎖相環(huán)原理及應(yīng)用  3.2.1 鎖相環(huán)原理  鎖相環(huán)最基本的結(jié)構(gòu)如圖 6.1 所示。它由三個(gè)基本的部件組成：鑒相器（ PD）、環(huán)路濾波器（ LPF）和壓控振蕩器（ VCO）。  1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 0 - A p r - 2 0 0 6 S h e e t     o f  F i l e : I : 超聲波 . D d b D r a w n  B y :E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 0 / T1P 1 1 / T2P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U18 9 C 5 1C12 7 PC22 7 PY16MR1 1 0 0R21KC53 0 U FS1S W - P BV C CRDWRabfcgde1234567abcdefg8dpdpcom9D S 1D P Y _ 7abfcgde1234567abcdefg8dpdpcom9D S 2D P Y _ 7D I N1L O A D12C L K13G N D4G N D9V+19I S E T18D I G  02D I G  111D I G  26D I G  37D I G  43D I G  510D I G  65D I G  78S E G  A14S E G  B16S E G  C20S E G  D23S E G  E21S E G  F15S E G  G17S E G  D P22D O U T24U57 2 1 9R49 . 5 3 kP 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5123456J1C O N 6+ 5 v+ 5 vAB B BA AC CD DDCE E EF F FG G GP P PD0D1D0V i n1GND3+ 5 V2U?M C 7 8 L 0 5 C GQ?N P NR?R E S 2R?R E S 2R?接收器1122335566778844L M 3 5 8R?L M 3 5 8R?接收器C?C A PR?R E S 2R?R E S 2R?R E S 2C?C A PR?R E S 2R?R E S 2R?R E S 2C?C A PR?R E S 2V c cR?R E S 2C?C A PC?C A PD?D I O D EC? C A PC? C A PR?P O T 2R?R E S 4C?C A PR?R E S 2I N T 01234 5678L M 3 8 6U?C?C A PC?C A PR? R E S 2R?R E S 2C?C A PL S ?S P E A K E RP 2 . 1I N T 0 P 2 . 1P 1 . 3P 1 . 5P 1 . 4V d dC?C A PV c c電源接收子電路報(bào)警電路顯示電路 單片機(jī)系統(tǒng)L M 3 8 6L M 3 5 8L M 5 6 78 9 C 5 17 2 1 91GND2DO3VccU?Q?J F E T  NV C CV C C1234 5678Q?5 6 7無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   11 鑒相器是個(gè)相位比較裝置。它把輸入信號(hào) Si(t)和壓控振蕩器的輸出信號(hào) So(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓Se(t)。  環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓 Se(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。   壓控振蕩器受控制電壓 Sd(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號(hào)的頻 率靠攏，直至消除頻差而鎖定。  鎖相環(huán)是個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)。它比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來(lái)調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號(hào)同頻。在環(huán)路開(kāi)始工作時(shí)，如果輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號(hào)之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差勢(shì)必一直在變化，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號(hào)頻率相等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來(lái)。達(dá)到穩(wěn)定后，輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸 出信號(hào)之間的頻差為零，相差不再隨時(shí)間變化，誤差電壓為一固定值，這時(shí)環(huán)路就進(jìn)入 “ 鎖定 ” 狀態(tài)。這就是鎖相環(huán)工作的大致過(guò)程。  以上的分析是對(duì)頻率和相位不變的輸入信號(hào)而言的。如果輸入信號(hào)的頻率和相位在不斷地變化，則有可能通過(guò)環(huán)路的作用，使壓控的頻率和相位不斷地跟蹤輸入頻率的變化。  鎖相環(huán)具有良好的跟蹤性能。若輸入 FM 信號(hào)時(shí)，讓環(huán)路通帶足夠?qū)挘剐盘?hào)的調(diào)制頻譜落在帶寬之內(nèi)，這時(shí)壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調(diào)制的變化。  對(duì)于鎖相環(huán)的詳細(xì)分析可參閱有關(guān)鎖相技術(shù)的書(shū)籍。在此僅說(shuō)明鎖相環(huán)鑒頻原理?？梢院?jiǎn)單地認(rèn)為壓控振蕩器頻率與輸 入信號(hào)頻率之間的跟蹤誤差可以忽略。因此任何瞬時(shí)，壓控振蕩器的頻率 v(t)與 FM 波的瞬時(shí)頻率 FM(t)相等。  FM 波的瞬時(shí)角頻率可表示為 ：  假設(shè) VCO 具有線性控制特性，其斜率 Kv（壓控靈敏度）為（弧度秒 伏），而VCO 在 Sd(t) 0時(shí)的振蕩頻率為 o ，則當(dāng)有控制電壓時(shí)， VCO 的瞬時(shí)角頻率為    令上兩式相等，即 v(t) FM(t)，可得  其中 o為 FM 波的載頻， o 為壓控振蕩器的固有振蕩頻率，兩者皆為常數(shù)。因此上式第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，可用隔直元件消除，或者開(kāi)始時(shí)已經(jīng)把壓控振蕩器的頻率調(diào)整為 o= o 。因此上式還可進(jìn)一步寫(xiě)成  無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   12 可見(jiàn)，鎖相環(huán)輸出，除了常系數(shù) Kf Kv之外，近似等于原調(diào)制波形 f(t)，因而達(dá)到頻率解調(diào)的目的。   同理，鎖相環(huán)也可用于解調(diào) PM信號(hào)，此時(shí)只需在輸出端接入一個(gè)積分器就可以了。  通過(guò)合理選擇環(huán)路參數(shù)（主要是環(huán)路濾波器的參數(shù)）可以在滿足解調(diào)要求的條件下使閉環(huán)帶寬盡可能窄，以便抑制噪聲。因此鎖相環(huán)具有良好的噪聲性能。當(dāng)接收信號(hào)電平微弱，噪聲成為主要考慮因素時(shí)，采用 PLL 解調(diào)器可以改善解調(diào)性能，它可用于各種移動(dòng) FM 電臺(tái)、微波接力系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及電視、遙測(cè)等系統(tǒng)中，它與普通鑒頻器相比，門(mén)限改善可達(dá) 6dB，所以 PLL 解調(diào)器又稱為門(mén)限擴(kuò)張解調(diào)器或低門(mén)限解調(diào)器。  1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 1 - A p r - 2 0 0 6 S h e e t     o f  F i l e : C : D o c u m e n t s  a n d  S e t t i n g s A d m i n i s t r a t o r 桌面 牛安東 測(cè)距儀 超聲波 . d d bD r a w n  B y :1122335566778844L M 3 5 8R?L M 3 5 8R?接收器C?C A P R?R E S 2R?R E S 2R?R E S 2C?C A PR?R E S 2R?R E S 2R?R E S 2C?C A PR?R E S 2R?R E S 2C?C A PC?C A PD?D I O D EC? C A PC? C A PR?R E S 4C?C A PR?R E S 2I N T 0接收子電路L M 3 5 8L M 5 6 71234 5678Q?5 6 7l m 5 6 73.2.3  LM567 的工作原理  LM567 是具有同步調(diào)幅鎖定檢測(cè)的高穩(wěn)定鎖相環(huán)電路，利用該集成塊內(nèi)部“可控硅電流振蕩器”，為通用的音調(diào)譯碼器。 主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對(duì)講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。  LM567 使用要領(lǐng)：  1、 LM567 輸出部分與普通數(shù)字 IC 等有所不同，其內(nèi)部是一個(gè)集電極開(kāi)路的 NPN型三極管，使用時(shí)， 腳與正電源間必須接一電阻或者其它負(fù)載，才能保證 IC 譯碼后輸出低電平。  2、實(shí)驗(yàn)表明： LM567 接通電源瞬間， 腳會(huì)輸出一低電平脈沖。因此，用于作遙控器譯 碼控制時(shí)，應(yīng)在輸出端后加裝 RC 積分延時(shí)電路，以免每次斷電后，重新復(fù)電時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。  無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   13 3、 LM567 第 、 腳為譯碼中心頻率設(shè)定端，一般通過(guò)調(diào)整其外接可變電阻 W改變頻率，經(jīng)筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) W 阻值變?yōu)?0 或無(wú)限大時(shí)， 腳電平狀態(tài)即使無(wú)信號(hào)輸入時(shí)也會(huì)變?yōu)榈碗娖?，因此，在調(diào)整 W時(shí)，不能使其短路或開(kāi)路。  4、 LM567 的工作電壓對(duì)譯碼器的中心頻率有所影響，故最好采用穩(wěn)壓供電。  5、 LM567 腳外接電容決定著鎖相環(huán)捕捉帶寬，容量越小，捕捉帶寬越寬，但使用時(shí)，不可為增大捕捉帶寬而一味減小電容容量，否則 ，不但會(huì)降低抗干擾能力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象，降低整機(jī)的可靠性。  3.2.4、 LM358 工作原理  LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，其封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式。  本設(shè)計(jì)中用的是單電源工作模式，充分利用兩個(gè)運(yùn)算放大器。                                               3.3 溫度傳感器  3.3.1 溫度傳感器原理  美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器 DS182,可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。由于每片 DS1820 含有唯一的硅串行數(shù) 所以在一條總線上可掛接任意多個(gè) DS1820 芯片。從 DS1820 讀出的信息或?qū)懭?DS1820 的信息，僅需要一根口線（單線接口）。讀寫(xiě)及溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DS1820 供電，而無(wú)需額外電源。 DS1820 提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。  本文給出了 DS1820 與 89C51 單片機(jī)接口的應(yīng)用實(shí)例和 DS1820 組成溫度檢測(cè)系統(tǒng)的方法，并給出了對(duì) DS1820 進(jìn)行各種操 作的軟件流程圖。    DS1820 的特性   單線接口：僅需一根口線與 MCU 連接   無(wú)需外圍元件   由總線提供電源   測(cè)溫范圍為 -55 75 ，精度為 0.5   九位溫度讀數(shù)  A/D 變換時(shí)間為 200ms 用戶自設(shè)定溫度報(bào)警上下限，其值是非易失性的  DS1820 的引腳見(jiàn)圖（ PR35 封裝）。  GND：地；  DQ：數(shù)據(jù)輸入輸出腳（單線接口，可作寄生供電）；  VDD：電源電壓。    DS1820 的工作原理  DS1820 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。由圖可知， DS1820 由三個(gè)主要數(shù)字器件組成： 64bit 閃 速 ROM； 溫度傳感器； 非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL。 64bit 閃速 ROM 的結(jié)構(gòu)如下：  無(wú)   錫   職   業(yè)   技   術(shù)   學(xué)   院  畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）   14 它 既可寄生供電也可由外部電源供電。在寄生供電情況下，當(dāng)總線為高電平時(shí)， DS1820 從總線上獲得能量并儲(chǔ)存在內(nèi)部電容上 當(dāng)總線為低電平時(shí)，由電容向DS1820 供電。  DS1820 的測(cè)溫原理：內(nèi)部計(jì)數(shù)