超声波身高测量仪.doc

湖北工业大学商贸学院毕业设计摘 要随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广泛。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，影响了测量结果的准确性和可靠性，超声波传感技术的出现改变了这种状况。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。本设计有效地解决了传统身高测量中手工操作和机械操作速度慢、噪音大的弊端，是一种集高科技、智能化、自动化于一体的体质测量仪器，备受市场青睐。实验证明，这套系统软硬件设计合理、结构精巧、操作方便、实用性强、实时性好，经过系统扩展和升级，可广泛应用于医院、学校、机场等公共场所的体质测量。关键词:EDA 超声波 测量仪Abstract With the rapid development of science and technology, ultrasonic sensor application in more and more widely.As the ultrasonic point to strong, energy consumption is slow, the spread in the medium distance, and therefore often used in ultrasonic distance measurements, such arange finders and Level Meter and more can be achieved by ultrasound.Ultrasonic testing is often used more rapid, convenient, simple to compute, easy to do real-time control and measurement precision can be achieved in the industrial and practical requirements, so the mobile Robot have also been widely used.In the past, many technology because they can not detect objects within the organization have been hampered, affecting the accuracy and reliability of measurement, ultrasonic sensing technology has changed the situation.Applications in the future, ultrasound will be information technology, new material technology combined, there will be more intelligent, high-sensitivity ultrasonic sensors. This design effectively address the traditional manual measurement of height and mechanical operation speed, noisy by the market. drawbacks, is a set of high-tech, intelligent, automated measuring instruments in one body, much favored. Experiments have proved that the system software and hardware design is reasonable, structural compact, easy to operate, practical, real time, the system expansion and upgrading, and is widely used in hospitals, schools, the airport, public health measure.Keywords ：Ultrasonic measurement high-sensitivity目 录摘 要ABSTRACT 目 录引 言11 超声波2 1.1超声波的介绍21.2超声波发生器61.3压电式超声波发生器6 2传感器 63超声波传感器 84 EDA的设计 104.1 EDA设计思路 104.2超声波测量仪原理104.3 EP2C5Q208C8芯片的介绍124.4传感器和其外围以及放大电路的设计15 4.5 VHDL顶层文件154.6传感器产生信号174.7A/D转换184.8 计时模块184.9 3/8译码器部分18 4.10显示模块21结 束 语30参 考 文 献 31致 谢3232引 言本次设计电路采用超声波在空气中运行原理设计的一种光机电一体化的身高测量仪，该测量仪是由EP2C5Q208C8作为中央控制系统，超声波发射电路由发射驱动电路和设于该驱动电路输出端的超声波换能器构成，超声波接收电路由超声波接收换能器、限位电路和超声波接收集成块电路构成，能测量的最大距离为10m，测试分辨力为1cm，距离显示用三位数的发光二极管，最大显示距离为99cm。要求传感器要有较好的方向性，并对脉冲响应、发送和接收的频带范围要宽。因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。 1 超声波1.1超声波的介绍声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.如咽喉炎、气管炎等疾病,很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石祛眼袋 之类的）等。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 频率高于2104赫的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。 超声波的两个主要参数主要有频率与功率密度。频率：F20KHz（在实际应声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。 理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.如咽喉炎、气管炎等疾病,很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石祛眼袋 之类的）等。 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 频率高于2104赫的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。 频率：F20KHz（在实际应用中因为效果相似，通常把F15K的声波也称为超声波）； 功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污垢撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。 太小的声强无法产生空化效应。 超声波具有如下特性： 1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2） 超声波可传递很强的能量。 3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。 超声波治疗的概念： 超声治疗学是超声医学的重要组成部分。超声治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。 在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。 1）工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等 。 2）生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 。 3）诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等 。 4）治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 。 超声波的特点有1)超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2)超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3)超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。（治疗） 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。 1.2超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 1.3压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构由两个压电晶片和一个共振板构成。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。2传感器 传感器通常指光电传感器，它是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器技术实验台在检测和控制中应用非常广泛.光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 由光通量对光电元件的作用原理理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关. 光敏二极管是最常见的光传感器。 家电实训设备光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（A），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管家电实验台具有更高的灵敏度。3超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。 组成部分超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 性能指标超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压 电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： 1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。1 3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。 4 EDA的设计4.1 EDA设计思路该超声波测量仪可以实现2个功能：测距、显示数据的功能，因此有2个子模块：测距、显示数据。其中显示数据模块有3部分构成：信号处理、计数、显示。测量主要由超声波传感器完成。超声波测量仪的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。将发射和接收的时间差转换为电信号，再有A/D转换器得到数字信号，然后将数字信号送入到计数部分，再到显示。4.2超声波测量仪原理本设计是以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定人体的身高，在发送脉冲的同时，接收器的计数器启动并计数，直至接收传感器接收反射回波后，计数停止，该时间差相当于测量的距离，从而可测算出测量仪与头顶之间的距离，即人体的身高。 超声波测量仪的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测量的公式表示为：L=CT式中：L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。超声波测量仪主要应用于医院、学校、机场等公共场所的体质测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测量仪误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测量仪能达到毫米级的测量精度。超声波测距误差分析根据超声波测量公式L=CT，可知测量的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907ms。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。已知超声波速度与温度的关系如下：式中： r 气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40， R 气体普适常量，8.314kgmol-1K-1， M气体分子量，空气为28.810-3kgmol-1， T 绝对温度，273K+T。近似公式为：C=C0+0.607T式中：C0为零度时的声波速度332m/s； T为实际温度()。对于超声波测量精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。 4.3 EP2C5Q208C8芯片的介绍微处理器是本系统的核心，其性能的好坏直接影响系统的稳定，鉴于本系统为实时控制系统，系统运行时需要进行大量的运算，所以本文设计了一个基于VHDL的VGA显示控制木块，通过FPGA控制图像与时序信号，软件的开发环境是ALTERA公司的Quartus6.0。设计运用VHDL语言编程，配置加载FPGA芯片，经FPGA处理，信号通过D/A转换器，由VGA接口输出，设计的 主控制器采用ALTERA公司的EP2C5Q208C8芯片。图4.1 EP2C5Q208C8芯片本系统就是选用了ALTERA公司的ACEX1K系列的EP2C5Q208C8芯片，它具有144个引脚，其中102个I/O通信口，有4608个逻辑单元，内部RAM达119808位，内部乘法器可达26单元，最大用户I/O达143个，这些丰富的资源能够满足电涡流缓速器控制器各模块的设计需求，逻辑单元的使用率为65%，RAM使用率为45%。本设计方法提高了系统的集成度和可靠性并且降低了功耗，FPGA的可重构性大大方便了系统将来的升级，而不需要改变原来的电路布线。此芯片具有安装下载，自动综合处理数据的功能。引脚的配置及功能分配情况如表4.1所示： 表4-1引脚配置功能图图4.2 EP2C5Q208C8芯片VCC：供电电压。GND：接地。I/O接口芯片 这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。CLK口：提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据移入或移出一位。数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数据，数据信号的频率必须是时钟信号的频率的1/2倍。在任何情况下，当时钟信号有异常时，会使整板显示杂乱无章。4.4传感器和其外围以及放大电路设计传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的NS-TH1系列称重传感器，额定载荷20Kg，该称重传感器均采用全桥式等臂电桥。由于传感器输出的电压信号很小，是mV级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了由普通运放设计的差动放大器增益调节电阻Rg选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。4.5 VHDL顶层设计 顶层文件就是用元件例化格式将显示模块、计时模块、分频模块组合在一起。其原代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY clock ISPORT( clk:IN STD_LOGIC; enable:IN STD_LOGIC; sel:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -choose:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); segment:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END clock;ARCHITECTURE rt1 OF clock ISCOMPONENT clk_div100PORT(clk:IN STD_LOGIC; clk_div:out STD_LOGIC);end component;component time_counterPORT( enable:IN STD_LOGIC; clk0:IN STD_LOGIC; sec10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);end component;component displayPORT( clk:IN STD_LOGIC; sec10:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec10:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); sel:out STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -choose:out STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); segment:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);end component; signal sec10: STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); signal sec: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); signal seec10: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); signal seec: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); signal clk0:STD_LOGIC;beginu0:clk_div100 PORT MAP(clk,clk0);u1:time_counter PORT MAP(enable,clk0, sec10,sec,seec10,seec);-u2:display PORT MAP(clk, sec10,sec,seec,seec10, choose, segment);u2:display PORT MAP(clk, sec10,sec,seec10,seec,sel,segment);end rt1; 4.6传感器产生信号clk 超声波测距仪传感器产生信号是外部信号经10次分频后得到的。作为计数脉冲，clk_1输出100Hz时钟脉冲信号。实际上，该模块就是一个10进制计数器的分频电路，并且为实现严格的同步，该模块采用了同步计数器电路。其原代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY clk_div10 ISPORT(clk:IN STD_LOGIC; clk_div:out STD_LOGIC);END clk_div10;ARCHITECTURE rt1 OF clk_div10 ISSIGNAL q_tmp:integer range 0 to 9;BEGINprocess(clk)beginIF(clkevent and clk=1)then if(q_tmp=9)then q_tmp=0; else q_tmp=q_tmp+1; end if;end if;end process;process(clk)beginIF(clkevent and clk=1)then if(q_tmp=9)then clk_div=1; else clk_div=0; end if;end if;end process;end rt1;4.7 A/D转换 A/D转换结果D与被测量x存在以下关系： （3-9）式中：S传感器及其测量电路的灵敏度（即被测量X转换成电压U的转换系数） K放大器的放大倍数 A/D转换器满量程输入电压 A/D转换器满量程输出数字而被测量X总是以其测量数字N和测量单位x1表示 （3-10）将式（3-10）代入（3-9）得 （3-11）由上式可见只要满足以下条件 （3-12）就可以使A/D转换结果D与被测量x的数值N相等，即D=N，在这种情况下将A/D转换结果作为被测量的数值传送到显示器显示出来。4.8计时模块 该模块就是用元件例化格式将10进制计数器组合在一起，构成距离显示的各个位的数据。其原代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY count10 ISPORT( enable:IN STD_LOGIC; clk:IN STD_LOGIC; cout:out STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END count10;ARCHITECTURE rt1 OF count10 ISSIGNAL q_tmp:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINprocess(clk)beginIF(clkevent and clk=1)then if(enable=1)then if(q_tmp=1001)then q_tmp0); else q_tmp=q_tmp+1; end if; end if;end if;q=q_tmp;end process;cout=1when q_tmp=1001and enable=1 else0;-cout=1when q_tmp=1001 else0;end rt1;LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY time_counter ISPORT( enable:IN STD_LOGIC; clk0:IN STD_LOGIC; sec10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec:OUT STD_LOGIC_VECTOR(