毕业设计-基于at89s52单片机的风速测量仪的设计

基于AT89S52单片机的风速测量仪的设计综述风，特别是井下安全生产中具有重要参考意义，作为气象环境中最活跃的因素，对战争的胜败，武器性能的发挥有着举足轻重的影响风能的利用，也要求人们对风速资源进行长时间的准确监测。当前，风速测量的仪器主要有热线式、热膜式、以及风杯式三种。这几种原理的风速仪测量精度低、范围小、测量周期长、持续工作时间短，且测量结果易受外部环境因素的影响。因此不能满足高效、快速、准确的现代化军事和长时间工作、智能化数据处理的风场监测的需求。本设计采用压电式超声波换能器，使用AT89S52单片机作为控制器，完成了超声波风速测量仪的软硬件设计。采用汇编语言编程的方法，实现了测量结果的计算和显示。设计完成后能做到，LED数码显示清晰稳定，测量结果稳定可靠，测距仪最大误差不超过005M/S。系统硬件电路的设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、键盘，温度补偿电路，超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用89S52或其兼容系列。采用110592MHZ高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。系统采用555定时器产生145KHZ的方波信号，利用计数T1口监测超声波接收电路整形滤波后输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阴极LED数码管，段码用电阻器驱动，位码用PNP三极管8550驱动。超声波发射电路发射电路主要由555定时器，74LS123构成的单稳态触发电路、放大环节，和超声波发射换能器T构成，LM555多谐振荡器端口3输出的145KHZ的方波信号一路经触发电路，放大电路后送到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用加入耦合电容C4，用以提高发射驱动能力。上位电阻R6一方面可以提高三极管的放大输出能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构在下文中有介绍，它有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；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换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志T和R。超声波检测接收电路压电式超声波换能器S将收到的超声信号转换成电信号，并经R7、R8、R9、C5、C6和1/4LM324组成的选频放大电路放大后，送检波电路DL、C7、R10进行包络检波，检出涡街信号。涡街信号在电压比较器和RC滤波电路构成的整形滤波环节中与输入的基准电压1/2VCC作比较，被整形为与风速成正比的矩形波，信号周期随检波信号变化而变化。超声波风速测量仪的软件设计主要由主程序，超声波接收程序及显示，键盘子程序，温度补偿子程序组成。我们知道汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波风速测量仪的程序要求精细计算（单位时间内的整形完成的超声波矩形方波个数时），所以控制程序采用汇编语言混合编程。超声波测距仪的算法设计超声波风速传感器是利用穿过空气的超声波被旋涡调制，从已调波中检出旋涡频率来测定风速的。F、S为一对谐振频率相同的超声波换能器，F为发射换能器，发射145KHZ等幅超声波；S为接收换能器，接收被旋涡调制了的声波。当无旋涡时，接收换能器S接收到等幅波信号；有旋涡时，由于旋涡内部的压力梯度和旋涡的旋转运动，导致了超声波的折射、反射和吸收效应，使接收到的信号幅度减小。旋涡通过声束后，接收到的信号又恢复常态。因此，超声波幅度变化频率与旋涡的频率一致，从接收换能器上检测出超声波束幅度变化次数即可测得风速值。基本计算公式为VFSTDF旋涡频率，HZ；V气流速度，MS；D旋涡发生体直径，MM；ST斯特拉哈尔系数雷诺数在20050000范围内，ST为常数。超声波旋涡式风速传感器与其它形式的风速传感器相比具有如下优点1无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长；2输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会直接影响输出，测量精度高；3输出信号不受流体特性温度、湿度、压力、成份、密度、粘度、矿尘等影响。此类传感器在煤矿安全监控系统中有着广泛的应用前景。关键词风速测量；卡曼涡街；单片机AT89C52；温度补偿THEDESIGNOFULTRASONICWINDMETERBASEDONSCMSUMMARYWIND,ESPECIALLYMINESAFETYHASIMPORTANTREFERENCEVALUE,ASTHEMETEOROLOGICALENVIRONMENT,THEMOSTACTIVEFACTOR,THEVICTORYOFTHEWAR,WEAPONSPERFORMANCETOPLAYADECISIVEEFFECTONTHEUSEOFWINDENERGY,WINDRESOURCESALSOREQUIRESTHATTHEREBELENGTHYACCURATEMONITORINGATPRESENT,THEWINDSPEEDMEASUREMENTAPPARATUSMAINHOTWIRE,HOTFILM,ANDTHEWINDCUPOFTHREETHISPRINCIPLEOFWINDSPEEDMEASUREDSEVERALLOWPRECISION,RANGEOFSMALL,MEASURINGCYCLEISLONG,CONTINUOUSWORKINGHOURS,ANDTHEMEASUREMENTRESULTSVULNERABLETOEXTERNALENVIRONMENTALFACTORSCANNOTMEETTHEEFFICIENT,RAPIDANDACCURATEMODERNMILITARYANDLONGWORKINGHOURS,INTELLIGENTDATAPROCESSING,THEDEMANDFORWINDMONITORINGTHISDESIGNUSESPIEZOELECTRICULTRASONICTRANSDUCER,USINGAT89S52MCUASCONTROLLERTOCOMPLETETHEULTRASONICVELOCITYMETERHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNASSEMBLYLANGUAGEPROGRAMMINGMETHODUSEDTOACHIEVETHEMEASUREMENTRESULTSOFTHECALCULATIONANDDISPLAYDESIGNCANBECOMPLETED,LEDDIGITALDISPLAYCLEARANDSTABLE,RELIABLEMEASUREMENTS,RANGEFINDERERRORISLESSTHAN005M/SSYSTEMHARDWAREDESIGNTHEHARDWAREDESIGNINCLUDESSINGLECHIPSYSTEMSANDDISPLAYCIRCUIT,KEYBOARD,TEMPERATURECOMPENSATIONCIRCUIT,ULTRASONICTRANSMITTERANDULTRASONICRECEIVERCIRCUITOFTHREEPARTSMICROCONTROLLER89S52ORCOMPATIBLEWITHSERIES110592MHZCRYSTALWITHHIGHPRECISIONINORDERTOOBTAINASTABLECLOCKFREQUENCY,REDUCINGMEASUREMENTERRORSYSTEMUSESTHE555TIMER145KHZSQUAREWAVESIGNALGENERATEDUSINGTHECOUNTOFT1PORTMONITORINGULTRASONICRECEIVERCIRCUITTORETURNPLASTICFILTEREDOUTPUTSIGNALDISPLAYCIRCUITUSINGASIMPLEANDPRACTICALFOURCOMMONCATHODELEDDIGITALTUBES,WITH74HC244DRIVERCODESEGMENT,BITCODEWITHTHEPNPTRANSISTOR8550DRIVESULTRASONICTRANSMITTERTRANSMITTERMAINLYBYTHE555TIMER,74LS123MONOSTABLETRIGGERCIRCUITFORMED,ENLARGEDLINKS,ANDULTRASONICEMISSIONTRANSDUCERTFORM,LM555MULTIVIBRATORPORT3OUTPUT145KHZSQUAREWAVESIGNALALLTHEWAYTHROUGHTRIGGERCIRCUIT,AMPLIFIERCIRCUITULTRASONICTRANSDUCERISSENTTOBOTHENDS,CANINCREASETHEEMISSIONINTENSITYULTRASOUNDBYADDINGTHEOUTPUTCOUPLINGCAPACITORC4,LAUNCHINGDRIVESTOINCREASECAPACITYUPPERRESISTORR6ONTHEONEHANDCANINCREASETHEOUTPUTCAPACITYOFTHEAMPLIFICATIONTRANSISTOR,ONTHEOTHERHANDCANINCREASETHEULTRASONICTRANSDUCERDAMPINGEFFECT,SHORTENTHETIMEOFITSFREEOSCILLATIONSPIEZOELECTRICULTRASONICTRANSDUCERSISTHEUSEOFPIEZOELECTRICCRYSTALRESONANCETOTHEWORKTHEINTERNALSTRUCTUREOFULTRASONICTRANSDUCERSAREINTRODUCEDBELOW,ITHASTWOCHIPS,ANDAPIEZOELECTRICTRANSDUCERPLATEWHENITSPOLESPLUSPULSESIGNAL,THEFREQUENCYISEQUALTOTHENATURALOSCILLATIONFREQUENCYOFTHEPIEZOELECTRICCHIP,THEPIEZOELECTRICRESONANCEOCCURS,ANDPROMOTETHEVIBRATIONOFULTRASONICRESONANCEBOARD,THENITISANULTRASONICGENERATORTHEOTHERHAND,IFTHETWOELECTRODESNOAPPLIEDVOLTAGE,WHENTHEBOARDRECEIVESTHEULTRASONICRESONANCE,ITWILLBEPRESSUREFORPIEZOELECTRICVIBRATION,THEMECHANICALENERGYISCONVERTEDTOELECTRICALSIGNALS,THENITBECOMESANULTRASONICRECEIVERTRANSDUCERULTRASONICEMISSIONTRANSDUCERANDRECEIVERTRANSDUCERISSLIGHTLYDIFFERENTINSTRUCTURE,USETHEDEVICEONTHESIGNSSHOULDBETODISTINGUISHBETWEENTANDRULTRASONICDETECTIONRECEIVINGCIRCUITPIEZOELECTRICULTRASONICTRANSDUCERSWILLRECEIVETHEULTRASONICSIGNALSINTOELECTRICALSIGNALS,ANDBYR7,R8,R9,C5,C6,AND1/4LM324AMPLIFIERCIRCUITCOMPOSEDOFFREQUENCYSELECTIVEAMPLIFICATION,THESUBMISSIONWAVECIRCUITSDL,C7,R10ENVELOPING,VORTEXSIGNALDETECTIONVORTEXSIGNALINTHEHYSTERESISVOLTAGECOMPARATORANDRCRATETHANPLASTICFILTERCIRCUITCOMPOSEDOFTHEINPUTLINKSOFTHEREFERENCEVOLTAGE1/2VCCCOMPARISONWITHTHEWINDSPEEDISPROPORTIONALTOTHEPLASTICRECTANGULARWAVESIGNALPERIODVARIESWITHTHEDETECTIONSIGNALULTRASONICWINDSPEEDMEASURINGINSTRUMENTSOFTWAREDESIGNMAINLYBYTHEMAINPROGRAM,ULTRASONICRECEIVINGPROCEDURESANDDISPLAY,KEYBOARDSUBROUTINE,TEMPERATURECOMPENSATIONSUBPROGRAMWEKNOWTHEASSEMBLYLANGUAGEPROGRAMISAHIGHEFFICIENTANDEASYTORUNPRECISECALCULATIONOFTHETIME,ANDULTRASONICVELOCITYMEASUREMENTINSTRUMENTPROCEDURESREQUIREPRECISECALCULATIONSPERUNITTIMETOCOMPLETETHEULTRASONICPLASTICRECTANGLEWHENTHENUMBEROFSQUAREWAVE,THECONTROLPROGRAMMIXEDPROGRAMMINGUSINGASSEMBLYLANGUAGEULTRASONICRANGEFINDERALGORITHMULTRASONICWINDSENSORISTHEUSEOFULTRASOUNDTHROUGHTHEAIRBYTHEVORTEXMODULATION,HASBEENTRANSFERREDFROMTHEVORTEXFREQUENCYWAVESWEREDETECTEDTODETERMINEWINDSPEEDF,SISAPAIROFTHESAMERESONANTFREQUENCYULTRASONICTRANSDUCER,FFORTHELAUNCHINGTRANSDUCER,EMISSION145KHZULTRASONICAMPLITUDESTRANSDUCERFORTHERECEIVERTORECEIVESOUNDWAVESMODULATEDBYTHEVORTEXWHENNOVORTEX,THERECEIVINGTRANSDUCERRECEIVESTHEAMPLITUDESWAVESIGNALAVORTEX,BECAUSEOFTHEPRESSUREGRADIENTWITHINTHEVORTEXANDTHEVORTEXROTATION,LEADINGTOULTRASONICREFRACTION,REFLECTIONANDABSORPTIONEFFECTS,SOTHATTHERECEIVEDSIGNALAMPLITUDEREDUCEDVORTEXTHROUGHTHEBEAM,THERECEIVEDSIGNALISBACKTONORMALTHEREFORE,THEULTRASONICFREQUENCYANDAMPLITUDECHANGESINTHEFREQUENCYOFVORTEXLINE,FROMTHERECEIVINGTRANSDUCERTODETECTCHANGESINFREQUENCYULTRASONICBEAMAMPLITUDECANBEMEASUREDWINDSPEEDVALUESBASICFORMULAISFSTV/DFVORTEXFREQUENCY,HZVFLOWVELOCITY,M/SDBLUFFBODYDIAMETER,MMSTCOEFFICIENTREYNOLDSNUMBERINTHERANGEOF200TO50000,STISACONSTANTULTRASONICVORTEXWINDSPEEDSENSORANDCOMPAREDTOOTHERFORMSOFWINDSPEEDSENSORHASTHEFOLLOWINGADVANTAGES1NOMOVINGPARTS,NOMECHANICALWEAR,STABLEPERFORMANCE,LONGLIFE2THEOUTPUTITSELFISALINEARRELATIONSHIPBETWEENWINDVELOCITYANDPULSEFREQUENCYSIGNALS,NOZERODRIFT,ANDTHESENSORSENSITIVITYCHANGEWOULDNOTDIRECTLYAFFECTOUTPUT,HIGHACCURACY3THEOUTPUTSIGNALFROMFLUIDPROPERTIESTEMPERATURE,HUMIDITY,PRESSURE,COMPOSITION,DENSITY,VISCOSITY,MINERALDUST,ETCAFFECTEDSUCHSENSORSINCOALMINESAFETYMONITORINGSYSTEMHASWIDEAPPLICATIONPROSPECTSKEYWORDSWINDSPEEDMEASUREMENTKARMANVORTEXSTREETSCMAT89C52TEMPERATURECOMPENSATION目录综述ISUMMARYIV第1章绪论111课题的背景和意义及任务1111课题的背景意义1112课题的任务112国内外超声波风速仪的现状1121国外风速仪的现状1122国内测距仪的现状213超声波风速仪的研究内容3第2章超声波风速仪测量原理及其总体设计421超声波风速仪原理4211风速测量原理4212超声波风速测量的理论分析522超声波传感器工作原理6221超声波传感器基本结构及工作原理6222超声波传感器的基本特性723超声波测距的总体设计9231总体设计思想9232工作过程10第3章系统结构及其硬件设计1131单片机系统及复位电路设计11311单片机AT89S52的结构11312单片机系统及复位电路设计1632报警电路1733显示电路设计1834超声波发射电路设计18341LM555定时器1934274LS123单稳态触发电路20343三极管放大电路22344超声波发射换能器2235超声波检测接收电路设计23351多反馈型滤波器24352包络检波，OPA积分器，RC高通滤波25353电压比较器的施密特接法2836键盘30第4章软件设计3241主程序3242超声波接收子程序3443显示子程序3644键盘子程序3745计算子程序39第5章抗干扰处理4151硬件抗干扰处理4152软件抗干扰处理43总结44参考文献45致谢46附录A47附录B52第1章绪论11课题的背景和意义及任务111课题的背景意义计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的重要组成部分，它与国民经济、国防建设、学研究有着密切的关系。工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。利用超声波风速流量计来测量生产过程中的重要参数风速，特别是使井下通风量得到保证，保证安全生产。此外在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测。本设计提供基于卡曼涡街原理的超声波风速测量装置，该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和单片机微处理器。超声波传感器在流动空气介质中收，发超声波，检测频率发生变化的矩形方波，通过计算式来求得风速。112课题的任务设计一个超声波风速测量仪，要求测量范围在010M/S100M/S，测量精确度005M/S，能够清晰稳定地显示测量结果。12国内外超声波风速测量仪的现状121国外风速测量仪的现状超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在70年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。国外早在1878年斯特劳哈STROUHAL就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈数就是表示旋频率与阻流体特征尺寸、流速关系的相似准则。超声波涡街流量计是在流体中安放一根或多根非流线型阻流体BLUFFBODY，流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率下比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。70、80年代超声波涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的超声波涡街流量计，并大量生产投放市场。国外对超声波涡街流量计标准制订很重视，90年代初国际标准化组织ISO即成立起草工作组起草超声波涡街流量计国际标准，1993年提出委员会草案ISOICD12764，至1997年颁布为技术报告ISOTR127641997。由于种种原因ISO把不宜作为国际标准的一些文件列为技术报告，例如得不到足够支持率的文件，技术尚在发展还不够成熟或作为参考资料提供等等，看来超声波涡街流量计文件还不足够成熟，暂时尚不能作为国际标准发布。工业发达国家如美、日皆制订有超声波涡街流量计国家标准ASMEIANSIMFC6M1987和JIS287661989D1。目前，将超声波涡街流量计用于流量测量，需要研究的关键性问题一是抑制流场噪声的影响，流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响，而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响。附加的旋涡干扰了涡街信号，降低了信噪比；二是准确测量小流量，因为小流量所产生的横向升力较小，检测信号非常微弱，易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响，存在一个量程下限死区，从而造成量程比受限，小量不能测量。122国内风速测量仪的现状我国超声波涡街流量计的生产亦有飞速发展，到目前为止全国生产厂已多达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。超声波涡街流量计己跻身通用流量计之列，无论国内外皆已开发出多品种、全系列、规格齐全的产品，对于标准化工作亦很重视，我国早在80年代就制订了涡街流量计专业标准ZBN1200889和检定规程JJG62089。专业标准于1998年进行了修订，改变为JBT92491999检定规程则与其他速度式流量计的检定规程合并为一个新的检定规程JJGL9894。国内研究甚至在某方面科技含量更高，国内流量计一般分为以下这几种1容积式流量计2叶轮式流量计3差压式流量计变压降式流量计4电磁流量计5超声波涡街流量计13超声波测距的研究内容本文的主要内容是先阐述设计的背景意义，目前国内外的现状，后对超声波涡街风速计的可行性进行了理论分析的基础上，利用计算机技术，电子技术以及超声波在介质中的传播特性，设计出超声波测量风速的硬件部分，采用对应的软件程序。在硬件的设计过程中，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力，对回波进行多级放大处理等措施，扩大了测量的范围。为了保证超声波风速测量仪能很好的工作，提高工作的可靠性和稳定性，在软件和硬件方面都采用的相应的抗干扰补偿措施。第2章超声波风速仪测量原理及其总体设计21超声波风速仪原理211风速测量原理卡曼涡街涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计。即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体涡街流量传感器中称之为旋涡发生体，就会在其下流两侧产生两列有规律的旋涡即卡门涡街，其旋涡频率正比于来流速度。如图11所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为F被测介质来流的平均速度为N旋涡发生体迎面宽度为D表体通径为D。根据卡曼涡街原理，有如下关系式2121SIN121DDDDDMMVSVFTT21其中F旋涡发生频率，HZ；V1旋涡发生体两侧平均流速，MS；D旋涡发生体直径，MM；ST昕特劳哈数无量纲；M旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。因此，只要测出涡街产生的频率F，就可得出风速V22FSRMDV当D和ST为定值时，旋涡产生的频率，与流体的平均流速V成正比，利用这一特性制成了涡街流量计。涡街传感器所测的并不是平均流速，而大约是旋涡发生体两侧的流速。对于湍流状态，不同的雷诺数下，流速分布规律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，进而说明了涡街流量传感器检测到的主要反映旋涡发生体两侧的流速与管道平均流速的关系不是唯一确定的。这说明涡街流量传感器的非线性误差是其检测机理所决定的。管道内体积流量Q为MDDSQFKMDFDVTT222423式子中K是流量计的仪表常数，脉冲数/M3P/M3仪表常数足除了与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈数有关。当管道尺寸和旋涡发生体尺寸一定时，D为常数，ST与雷诺数RE成函数关系。大量试验证明，几何形状相同的旋涡发生体，无论尺寸大小，只要在相似的流场中雷诺系数RE相等，就具有相同的ST数值。旋涡发生体下游两侧交替发生的涡列会在发生体或检测元件上产生交替的横向推力，因此，测出由此引起的交变应力的频率也就等于检测到了旋涡脱落频率。用来感受交变应力的敏感元件可以是应变片，也可以是压电晶体、压电陶瓷或其他类型的元件，由于压电元件具有输出信号大、损耗小、响应快、耐温高和机械强度大等优点，故已普遍应用于涡街流量计。图21212超声波风速测量的理论分析超声波实际机械波，在介质中传播是手介质影响的，下面介绍超声波在空气介质中的传播特点在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波频率在20HZ到20000HZ之间的话，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的震动称为声振动，声振动激起的纵波称为声波。频率高于20000HZ的机械波称为超声波，频率低于20HZ的机械波称为次声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、固体、液体中传播。电磁波的传播速度为310M/S,超声波在空气中的传播速度大约为340M/S（常温下），其速度与电磁波相差85个等级，超声波在相同的传播媒质里传播速度相同，即在相当大的频率范围内不随频率变化，波动方向与振动方向一致。22超声波传感器工作原理221超声波传感器基本结构及工作原理利用超声波感知或检测物体，有非破坏性，遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了其独到之处。很早以前人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围已经达到UM级，频率也已经扩大到GHZ级，分辨率达到UM级的显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步对电子学的发展起到了巨大的作用。人们为研究和应用超声波。已发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，机械方式和电气方式产生超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其他形式的能量转化成超声波的能量（发射换能器来完成）和使超声波的能量转换成其他易于检测的能量（接收换能器来完成）。一般是用电能和超声波能量来相互转换。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、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。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体、钦酸钡压电陶瓷，错钦酸铅压电陶瓷复合晶体等。超声波传感器是利用压电效应的原理工作的，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电效应是指对某些电介质沿着一定方向对它施加压力时，内部出现极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉时又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷极性也随着改变。相反当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象就称为逆效应（电致伸缩效应）。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如图22所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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。共振板电极压电晶片图22222超声波传感器的基本特性超声波传感器的基本特性分为频率特性和指向特性。1频率特性下图23是超声波的频率特性曲线。图中，F0为超声波发射器的中心频率，在F0处，超声波发射器产生的超声机械波最强，也就是说，在F0处所产生的超声波声压能级最高。而在F0两测，声压能级迅速减小。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的F0的交流电压来激励。F0为中心频率。曲线在F0处最尖锐，输出电信号的幅度最大，信号F0处接收灵敏度最高。在构成测量系统时一般设置选频电路。另外，超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系，如果R很大，（如大于100K）频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，（如小于10K）频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽，同时灵敏度也随着降低。并且最大灵敏度向着稍低的频率移动。因此，超声波接收器应配合使用较大上拉电阻和其他整形滤波环节电路，才能有较高的接收灵敏度。如图24图23图242指向特性实际的超声波传感器中压电晶片是个小圆片，可以把表面上每个点看成1个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声波传感器的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果（衍射），却有指向性。指向特性用指向图表示。下图25就是超声波传感器的指向图。超声波传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声波传感器的指向角一般为40度80度。图2523超声波测距的总体设计231总体设计思想超声波发生器发射端利用LM555定时器芯片发生145KHZ的超声波脉冲，经过信号提升环节，通过流动空气介质；超声波发生器接收端把声信号转换成电信号，送到选频放大器。选频放大器输出的信号又经检波器解调，检出涡街信号。再经滤波器滤波，最后由比较器整形和放大，就获得频率为涡街频率F的方波信号，最后使用计数电路进行测频和处理即可得出风速值。图26超声波风速测量电路由硬件和软件两部分组成，硬件部分分为单片机系统及显示电路，报警电路，超声波发射电路，超声波检测接收电路和复位电路。软件部分由主程序，超声波接收子程序，键盘驱动程序，温度补偿程序及显示程序等部分组成。232工作过程超声波测距时工作过程如下（1）由LM555定时器发出140KHZ脉冲串。（2）脉冲串通过超声波发射换能器发出超声波。（3）超声波换能器将声信号转为电信号。（4）电信号经过选频放大，过滤整形得出新的涡街频率F。（5）送入单片机T0计数口，检测单位时间1S内的脉冲数。（6）显示及其报警等等。第三章系统结构及硬件设计31单片机系统及报警电路设计311单片机AT89S52的结构如图31是本设计选用的主控芯片AT89S52单片机的外部引脚结构图。图31AT89S52的外部引脚结构图如图32，为AT89S52内部结构图。图32AT89S52内部结构图下面简要介绍其主要性能。主要性能与MCS51单片机产品兼容8K字节在系统可编程FLASH存储器1000次擦写周期全静态操作0HZ33HZ三级加密程序存储器32个可编程I/O口线三个16位定时器/计数器八个中断源全双工UART串行通低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符下面对其功能进行简要描述。功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。在图32中，对各个引脚及外部接口做以下说明VCC电源GND地P0口P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P10和P12分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P10/T2）和时器/计数器2的触发输入（P11/T2EX），具体如表31所示。在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表31P1口的第二功能引脚号第二功能P10T2定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出P11T2EX定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制P15MOSI在系统编程用P16MISO在系统编程用P17SCK在系统编程用P2口P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表32所示。在FLASH编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表32P3口的第二功能引脚号第二功能P30RXD串行输入P31TXD串行输出P32外部中断00INTP33外部中断11P34T0定时器0外部输入P35T1定时器1外部输入P36外部数据存储器写选通WRP37外部数据存储器度选通DRST复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR地址8EH上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在FLASH编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在FLASH编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。以上是对AT89S52的外部结构从逻辑上进行的简要介绍，对于定时器及中断将在下一章中进行介绍。312单片机系统及复位电路设计如图33，是本设计采用的单片机系统及复位电路。这部分电路的作用是作为超声波测距系统的核心，运行整个程序，使系统能够正常工作，并按照预期的目标完成任务，且能达到要求的精度。具体能够实现的功能包括运行程序和对单片机的复位。图33单片机系统及复位电路原理图如图所示，这部分电路主要包括1单片机U1。这里选用的是ATMEL公司的AT89S52单片机。上节已对其进行简要介绍。2提供单片机工作时钟的晶振Y1。这里选用频率为110592MHZ的晶振。能够将RESET引脚置高电位的复位电路。这里是在VCC与RESET引脚之间接入一个按键S1，按键按下是RESET置高，单片机复位。32报警电路设计如图34，是本设计采用的报警电路。这部分电路的作用是在特定情况下，使蜂鸣器发出鸣声。例如，用于汽车倒车报警装置时，可以通过程序使其在测量结果小于一定值时发出鸣叫声，即汽车与汽车间距小于安全距离时，发出报警，引起司机警觉，免于发生撞车的危险。也可通过不同程序，用于测量结果符合一定条件时发出报警，如液位过高、过低，井深在某个范围，等等。图34如图所示，这部分电路主要包括1蜂鸣器B。2三极管Q5。这里选用的是PNP型三极管9012。3跳线JUMPER。报警电路连接到单片机RXD/P30引脚，同过程序，可以使该引脚在符合特定条件时置高位，从而使三极管8550导通，蜂鸣器发出报警声。33显示电路设计如图35，是本设计采用的显示电路。这部分电路的作用是对测量结果进行准确清晰的实时显示。图35如图所示，这部分电路主要包括1数码管U2。这里选用的是共阴极的四位数码管。2三极管Q1Q4。这里选用PNP三极管9012。单片机的P2口P20P23用于选通数码管的各位，P0口用于数码管各位的段选通。P20P23经电阻R31R34与三极管Q1Q4的基极相连，然后三极管的发射极接5V电源端，集电极接数码管的位选通端。需要选通某一位时使单片机相应引脚置高位，相应的三极管被导通，则相应位被选通。P20P27经连接电阻，连接到数码管的段选通端。34超声波发射电路设计如图36，是本设计采用的超声波发射电路。这部分电路的作用是由单片机控制产生频率为145KHZ的超声波。图36如图所示，这部分电路主要包括1LM555定时器构成多谐振荡器，产生145KHZ的超声波。274LSL23构成单稳态触发电路，当方波信号的下降沿到来时，在13管脚产生触发脉冲。3脉冲信号经过NPN型9013三极管放大后激励超声波发射器F。这里选用的是TCT4012T发射头。341LM555定时器由555定时器组成的多谐振荡器如图37所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图38所示。图37图38设电容的初始电压0，T0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低CU触发端VTHVTL090O二极管截止，C经R放电，放RCR很大放很大，C上电压下降不多，仍有VOVS过程循环往复，C上获得与包络调制信号相一致的电压波形，有很小的起伏。电路设计中常选择C（C7）500PF，R（R10）39KOHM如图316为LM324构成的OPA积分器模型图316在积分电容上并用了反馈电阻后，出现新的点，即PF39FPRCF21使其约为本设计的中心频率145KHZ，CF（C8）001UF，RF（R11）110OHM如图317为RC高通滤波器模型图317在电频率信号经过包络检波环节检测出涡街信号后，设计环节加入RC高通滤波电路，将杂波信号再次过滤，使信号波形更加平整。其传奇函数为31000/1IVSA式中，用代替S可得J311/1OOIJAJVJJA既得频率响应。312RCF21本设计中采用145KHZ中心频率，故参数设计值为C（C9）001UFR（R12）110OHM353电压比较器的施密特接法如图318为带有上拉电阻的电压比较器，属于任意差动型电平比较图318电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平。比较器在信号变换、检测和波形产生电路中有广泛应用。此外由于高电平相当于逻辑“1”，低电平相当逻辑“0”，所以比较器可作为摸拟与数字电路之间的接口电路。由于比较器输出只有两个状态，因此，用作比较器的运放将工作在开环或正反馈的非线性状态。本设计选用基准电压VREF1/2VCC25V的反向LM392电压比较器。即，如图319所示VOUTVCCVINVREFVCCVCC00图319电压比较器的基本特性1输出高电平UOH和低电平UOL，用运放构成的比较器，其输出的高电平UOH和低电平UOL可分别接近于正电源电压UCC和负电源电压UCC。2鉴别灵敏度，理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限UT处具有阶跃的传输特性。3转换速度，作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器输出状态发生转换所需要的时间。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。电压比较器的基本功能1用做整形电路，把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。如图320图3202消除信号中的干扰信号，消除锯齿。电压比较器和运算放大器的区别比较器在最常用的简单积体电路中排名第二，仅次于排名第一的运算放大器。在各类出版物中可以经常看到运算放大器的理论，关于运算放大器的设计和使用方法的图书也非常多，可是我们却很难找到关于比较器的理论研究，究其原因，比较器本身功能十分简单，只用于比较电压，然后根据比较结果，把输出电压设定在数位低态或高态。本设计中LM392是双电压比较器集成电路。该电路的特点如下工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源236V，双电源118V；消耗电流小，ICC08MA；输入失调电压小，VIO2MV；共模输入电压范围宽，VIC0VCC15V；输出与