成高通滤波网络,两者串联组成了带通滤波电路。集成运放和电阻R9,Rl0一起组成同相比例放大器,为了使电路能够稳定工作,必须保证同相比例放大器的增益AV<3,带通滤波器的中心频率ω0=40kHz,电路参数可通过AV=1+R9/R10和ω0=1/R12C2(1/RW+1/R13)确定。经过带通滤波后的信号经专用仪表放大器AD620进行放大,然后送到信号变换电路,信号变换电路主要将接收到的包络信号变换成单片机的中断触发信号。由包络检波电路,电压比较器和RS触发器组成。包络检波电路由二极管D3,电阻R19,和电容C13组成。经过包络检波得到的信号如图6中的V2所示。电压比较器由集成运放和电容电阻组成,为了消除发送探头的干扰信号,我们将单片机P1.2输出的信号加到电压比较器的同相端,它的波形是250μs的高电平,和29750μs低电平的方波,通过二极管D3将P1.2和比较器的正向端隔离。当P1.2输出高电平时,通过二极管对电容C14充电,由于二极管是正向导通的,所以充电很快,当P1.2输出为低电平时,二极管反向截止,电容通过电阻RW和R21放电,由于总电阻比较大,所以放电很缓慢,波形如图6中V3所示,从图中可看出,在没有收到返回信号时,比较器输出高电平,如果收到返回信号,比较器便输出低电平,输出波形如图7中Vo所示,通过这种方法就可以消除发射探头对反射回的信号的干扰。
图4 放大电路与带通滤波电路
图5 信号变换电路
图6 电压比较器电路波形
电压比较器的输出信号送到基本RS触发器用于产生单片机所需的中断信号。基本RS触发器由与非门组成,同时由单片机进行控制,如图6所示。在发送端发送超声波信号时,P1.2输出高电平,经过反相器后,变为低电平加到触发器的R端,因为没收到反射信号之前,电压比较器输出为高电平,所以基本RS触发器的输入分别为,R=O,S=l,为0态,即Q=0,Q=1,Q的信号加到单片机的中断输入端,因为单片机的中断为下降沿触发,输入为高电平,不产生中断。当发送完毕时,P1.2输出低电平,经反相器,变为高电平送到触发器的R端,没有收到反射回的信号时,电压比较器输出仍为高电平,所以基本RS触发器的 R="1",S=1,为保持状态,即Q=1,Q=0,也不产生中断。当接收到反射回的信号时,电压比较器输出低电平,因此,基本RS触发器的输入端 R="1",S=0,触发器工作在0态,即Q=O,Q=1。单片机的中断输入端的电平由高电平变为低电平,从而使单片机产生中断
5.3单片机外围电路原理图
单片机的外围电路图如图7所示,显示电路由单片机控制七段数码管进行显示,采用数字温度传感器DS18820对环境温度进行检测,从而对超声波的传播速度进行温度补偿,提高测量精度。两个按键用于控制测量的开始与停止以及距离与温度显示的切换。
图7 单片机外围电路原理图
5.4
软件设计流程图,如下(图8)
软件设计包括三个部分,主
程序,定时中断程序和外部中断程序。
主程序流程图 定时中断服务子程序 外部中断服务子程序
图8 软件流程图
主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成三个方向超声波的轮流发射,外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。
6. 设计中的
问题及解决方法
(1)基本上能完成实时测距并显示任务,但是由于接收电路干扰过大时整个测距系统工作不是很稳定,尽管软件中进行了数据的处理,但最后效果还是不太理想,有待改进。
(2)由于超声波发射器的输出功率有限,如果缩短测试脉冲时间,意味着减小了测试脉冲的输出功率,在测试距离增加时,会使反射回来的信号很弱,造成仪器在长距离测量时受到影响。
(3)由于超声波信号在空气中传播时受到很大程度的衰减,所以反射回的超声波信号非常的微弱,不能直接送到后级电路进行处理,必须将信号放大到足够的幅度,才能使后级电路对它进行正确的处理。
(4)将单片机P1.2输出的信号加到电压比较器的同相端,以达到消除发送探头的干扰信号。
7. 总结
通过两个星期的课程设计使我对传感器件有了更加深刻的认识,懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中我了解到了许多有用知识,学会了如何去分步完成单元电路,然后用单元电路组成系统电路。虽然我在设计过程中遇到了很多问题,可以说得是困难重重,但是在我的不懈努力及查找资料后,都被迎刃而解。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,超声波测距系统, 通过发射和接受超声波, 使用单片机计算距离, 并加入了温度补偿电路, 提高了距离计算的精度。该系统可满足大多数场合的测距要求。由于该系统中锁相环锁定需要一定时间。测得的距离有误差。此误差不能忽略。只有通过改变一些硬件的应用实现对超声波的快速锁定。
总之,这次的课程设计让我受益匪浅,学到了很多,同时也发现了自己的很多不足之出,懂得了中有学会了学以