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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)

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