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

1、20/20 . . 大學(xué)傳感器與檢測(cè)課程設(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)：XX：學(xué)號(hào)：聯(lián)系方式：學(xué)期： 2015-2016-2 TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc455403262前言 PAGEREF _Toc455403262 h 3HYPERLINK l _Toc455403263一課題調(diào)研 PAGEREF _Toc455403263 h 3HYPERLINK l _Toc4554032641.1傳感器選型 PAGEREF _Toc455403264 h 3HYPERLINK l _Toc4554032651.1.1可選溫度傳感器 DS1

2、8B20 PAGEREF _Toc455403265 h 3HYPERLINK l _Toc4554032661.1.2可選用AD590溫度傳感器 PAGEREF _Toc455403266 h 4HYPERLINK l _Toc4554032671.2超聲波傳感器 PAGEREF _Toc455403267 h 5HYPERLINK l _Toc4554032681.2.2選用MAX232芯片做發(fā)射電路 PAGEREF _Toc455403268 h 7HYPERLINK l _Toc4554032691.2.3超聲波發(fā)射電路 PAGEREF _Toc455403269 h 8HYPERLI

3、NK l _Toc4554032701.2.4超聲波接收電路 PAGEREF _Toc455403270 h 10HYPERLINK l _Toc4554032711.2.5選用TL074芯片作為接受電路 PAGEREF _Toc455403271 h 11HYPERLINK l _Toc4554032721.3多種實(shí)現(xiàn)方法。 PAGEREF _Toc455403272 h 12HYPERLINK l _Toc4554032731.3.1方法一：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 PAGEREF _Toc455403273 h 12HYPERLINK l _Toc4554032741.3.2工作原理 PAGEREF

4、 _Toc455403274 h 12HYPERLINK l _Toc4554032751.3.3方案二：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下。 PAGEREF _Toc455403275 h 13HYPERLINK l _Toc455403276二總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc455403276 h 14HYPERLINK l _Toc4554032772.1電路圖 PAGEREF _Toc455403277 h 14HYPERLINK l _Toc4554032782.1.1超聲波模塊電路 PAGEREF _Toc455403278 h 14HYPERLINK l _Toc4554032792.2.1主程序

5、設(shè)計(jì)。 PAGEREF _Toc455403279 h 18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)射與接收模塊、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 DS18B20 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)系與時(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1.1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)量與模擬信號(hào)輸出功能的專用IC。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)

6、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。1.1.1可選溫度傳感器 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(guò)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 DS18B20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 10 k 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。1.1.2可選用AD590溫度傳感器AD590測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝

7、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AD590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。AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^(guò)AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1k時(shí)，輸出電壓隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590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AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使=273.2mV?；蛟谑覝叵?25)條件下調(diào)整電位器,使=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只可保證在0或25附近有較高精度

8、。AD590把被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為電流再通過(guò)放大器和A/D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(guò)查閱資料與比較分析可得： AD590需要和高精度ADC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。DS18B20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DS18B20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DS18B20將溫度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一個(gè)芯片，與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單、方便，與AD590相比是更新一代的溫度傳感器，DS18B20不需要AD轉(zhuǎn)換，精度高，電路簡(jiǎn)單且成本

9、低，可行性好，經(jīng)濟(jì)性好，所以選用DS18B20。1.2超聲波傳感器1.2.1超聲波傳感器 HC SF04 。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與超聲波發(fā)射頭T40組成，接受電路主要由TL074運(yùn)算放大器與超聲波接收探頭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1.2.2選用MAX232芯片做發(fā)射電路MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電

10、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以與V.28/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。發(fā)射電路如圖1.2.3可選用TCT40-16T和一支超聲波接收傳感器 TCT40-16。TCT40-16T 可以發(fā)40 k Hz 左右的方波脈沖信號(hào)。信號(hào)由單片機(jī) 端口提供，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 k Hz 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。TCT40-16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

11、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(guò) INT0 產(chǎn)生一個(gè)外部中斷申請(qǐng)，由 CPU 來(lái)檢測(cè)并理。1.2.3超聲波發(fā)射電路74LS04 是儀器生產(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 端電源電壓 Vcc 的允許圍是 4.75V5.25V，輸入高電平電壓最小值是 2V，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 8m A ，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

12、路利用單片機(jī) AT89C51 的 P3. 端口發(fā)射 40k Hz 的方波，通過(guò)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 40k Hz 方波信號(hào)由單片機(jī)的 P3.5發(fā)出，方波的周期為 1/40ms，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 40k Hz 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)生半周期為 12s 或者 13s 的方波信號(hào)，頻率分別是 41.67k Hz 和 38.46k Hz，本系統(tǒng)選擇了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生 38.46k Hz 的方波。單片機(jī)的引腳產(chǎn)生的

13、40k Hz 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(guò)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。1.2.4超聲波接收電路CX20106A 采用8 腳單列直插塑料封裝，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

14、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(guò)載。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)，圍可以從30k Hz60k Hz。CX20106A 的工作過(guò)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 80d B，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(guò)整形后，由其引腳 7 輸出低電平。1.2.5選用TL074芯片作為接受電路TL074芯片是四運(yùn)算放大器，適合于電源電壓圍很寬的單電源使用，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)。他的適用圍包括傳感放大器、直

15、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。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。1.3多種實(shí)現(xiàn)方法。1.3.1方法一：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.3.2工作原理系統(tǒng)工作原理和功能本系統(tǒng)工作時(shí)，由單片機(jī)提供 40 k Hz 的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)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)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。1.3.3方案二：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下。接口向觸發(fā)引腳發(fā)送10 s 的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊部將發(fā)出 8 個(gè) 40 k Hz 周期電平并檢測(cè)回波，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)，則 3