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1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要 化石能源是不可再生能源，随着人类工业化进程的发展，对能源的消耗量与日俱增。人类已经面临着能源枯竭的危险，且在短期内难以改变对化石能源的依赖。但是我们可以做一些努力，减少对能源的浪费。目前的餐饮业，厨房均使用带鼓风机的燃气、燃油炒菜炉灶。这些炉灶烹饪菜的过程中每炒一道菜约有 50%-60% 的累积时间是空烧的，这是一种浪费。此研究就是为了减少这种浪费。在这里我们主要研究饭店里大量使用的燃油灶，在燃油灶上加装一个控制系统，以达到不改变厨师的操作习惯而由控制系统自动达到节能的目的。本文主要研究了基于超声波的单片机节能控制电路，由单片机发出40KHZ的脉冲信号经由功放以
2、驱动超声波探头。再由探头接收回波，经过一系列的处理形成中断信号已达到测距的目的。由测得的距离值来判断是否执行节能操作，以达到节能控制的目的。关键词 节能；单片机；超声波；自动化Abstract Fossil fuel is can not renewable sources of energy，with the development of industrialisation progress along with the human being，Increasing wastage of the fuel with each passing day 。The human being have
3、 already faced dried up risk of fuel，And in the short run it is hard alteration to lean of fossil fuel。But we can commit some effort，Cuting the waste to the fuel。Current dining industry，Kitchen all employ that burnting gas, burnting oil cooking range with blower。These cooking ranges cook the course
4、of food there are about 50%-60% accumulate time will be waste and This is a kind of waste。This research will be for cutting this kind of waste。We mainly study burnt oil cooking stove of a great deal of being employed in hotel。Add a control system on the burnt oil cooking stove that could cut waste a
5、t the same time not alter the habit of the cooker at all。The text mainly studied base on ultrasonic wave of MCU economize on energy control system。The MCU send the pulse signal of 40 KHZ amplified by power amplifier to driving ultrasonic wave sensor，and the sensor reception back wave, pass by a seri
6、es of of treating form interruption semaphore for the target of measure to the distance。From measure of the distance to judge whether run economy energy working to arrive at the target of economize on energy。 Key word：Energy conservation;Micro Control Unit; ultrasonic；Automation目 录摘 要IAbstractII目 录I
7、II1 前言11.1 课题的背景11.2 立题的目的和意义11.3 国内外研究现状22 超声的概述32.1 超声应用的发展32.2 超声波的基本性质42.3 超声波的分类42.4 超声应用领域52.5 超声波的衰减52.6 几种测距方法介绍62.6.1 核辐射法62.6.2 微波测量法72.6.3 光学测量法82.6.4 超声测量法82.7 超声波测距优越性93 超声波传感器103.1 超声波传感器工作的基本原理103.2 超声传感器的特性113.3 声速133.4 测量盲区144 节能控制系统总体方案设计154.1 总体方案的确定154.2 发射电路的方案设计164.2.1 发射电压164.
8、2.2 发射信号方式164.2.3 脉冲源的讨论与发射电路174.3 接收电路的方案设计204.3.1 前置放大电路204.3.2带通滤波电路214.3.3 二值化电路254.4 本设计所使用的单片机264.4.1 AT89C51主要特性274.4.3 AT89C51振荡器特性294.4.4 AT89C51芯片擦除294.5 电源的设计294.6 温度补偿324.6.1 DS18B20 简介324.6.2 DS18B20 的外形及引脚定义324.6.4 DS18B20 的测温原理344.6.5 DS18B20 与单片机的接口电路354.7 执行电路设计375 系统软件设计405.1 单片机编程
9、语言的选择405.2 系统的软件规划415.3 程序结构415.3.1 主程序部分425.3.2 子程序部分445.3.3 中断服务子程序45结 论47致 谢48参考文献49附 录50附录A 系统硬件电路图50附录D 单片机C语言程序51附录D DS18B20驱动程序55附录D 英文原文63附录E 中文翻译74811 前言1.1 课题的背景目前的餐饮业，厨房均使用带鼓风机的燃气、燃油炒菜炉灶。厨师在使用这些炉灶烹饪中国菜过程中，诸如：加油、加调料、分菜、装盆等时间内，炒菜锅是要离开炉膛不需要用火的。然而，双手忙碌的厨师此时不可能随机地根据需要动手调小火力，因而存在着每炒一道菜约有 50%-60
10、% 的累积时间是空烧的，这样，浪费了昂贵的燃料，空烧了金钱。这点也是每个餐饮业主一直为此烦恼而又无法克服的成本支出。1.2 立题的目的和意义燃气、燃油炉灶节能控制器（简称炉灶节能器）是一种面向未来的高效节能装置。节能器依托燃气燃油炉灶和操作控制系统运行，达到节能的目的 。其操作控制系统的本质是通过厨师使用炉灶烹饪时，炒菜锅在炉灶上放上或拿起的机械性变化被电子控制器感应检测，并同步控制炉灶火焰变化，达到杜绝空烧的目的。给餐饮业的中式炒菜炉灶带来一次革命。并为我们在节能减排事业中贡献力量！使用炉灶节能器后 每台炉灶在炒菜累积时间内与原炉灶相比，燃油灶节约 25 30% 燃料，燃气灶节约 30 35
11、% 燃料（根据厨师操作习惯而定）。 能有效降低厨房的空气温度与炉灶噪声。 基本杜绝了炉灶的空烧，降低炉灶空烧时散发的烟气对周围空间的污染， 减少了炉灶空烧时造成的抽油烟机自燃的可能。 避免了厨师回身作业时烘烤后背之苦。 下表燃油炉灶节能按 25% 估算，柴油按 5.0元 /kg 估算，燃气炉灶节能按 30% 估算，天然气按3.5元/m 3 估算。大约节约能源（以全国100万台炉灶计算） 每台燃气炉灶每天节约 1.8m 3 5 小时 3.5 元 /m 3 =31.5元 每天节约： 31.5100万=3150 万元，每年节约114.98亿元。表1.1 项目节能效果估算表使用燃料普通炉灶耗燃料安装节
12、能器的炉灶耗燃料节约金额燃油（柴油）4.05kg/小时5小时/每天30 天/月= 607.5kg 607.5kg5.0元3037元4.05kg/小时(125%)5小时/每天30天/月=455.6kg455.6kg5.0元2278元3037-2278=759 元/月燃气（天然气） 6m3/小时5小时/每天30天/月 = 900m39003.2元 =2880元6m3/小时(1 30%)5小时 /每天30天/月=630m3 6303.2元=2016元2880-2016=864 元/月1.3 国内外研究现状 目前在国内及国外此技术乃首创。厨用燃汽燃油节能控制系统开发研究是集机械技术，计算机技术，自动控
13、制技术，微电子技术的系统，对每一项分类来讲，这些技术都已经成熟，且社会对节能的渴望造就了巨大的市场空间，该系统的设计成功必将带来旺盛需求。2 超声的概述2.1 超声应用的发展 声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20KHz的声波称为超声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减。它也有自已的特性，如它的频率可以非常高，达到兆赫级，因此，它在介质中传播时能量可以集中在很小
14、的范围内，具有良好的成束性，也就是方向性好。 超声波的研究历史可以追溯到上个世纪。1883年，Galton首先发现了超声波的存在，他当时的研究目的主要是探索人类所能感知的声谱范围。在Galton之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。因此，当压电效应和磁致现象被发现后并没有应用于制造有效的超声设备。在第一次世界大战中，对超声的研究逐步受到重视。由于战争的需要，法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并可以进行水下的通信联络。 在我国，超声学的研究开
15、始于二十世纪五十年代，1959年至1964年间我国建立了分子声学实验室，对驰豫吸收、悬浮体的声吸收等问题进行了深入的研究，设计生产了固体中超声衰减的测量设备，对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减的研究取得了令人兴奋的成果。同时在超声波探伤、加工、种子处理、显示、医疗等应用领域取得了可喜的成绩。表面波换能器的研究我国开始于1965年，于1970年开始了高频表面波的研究，1977年，我国研制成表面脉冲压缩滤波器。在80年代以后，我国的超声研究进入了一个全新的阶断，取得了一系列标志性成果，压电复合材料研制成功，窄脉冲短余振探头问世，PVDF高分子压电薄膜材料赶上并超过国际水平，高分子压电PVDF型换能器
16、和超声显微镜的研究获得了实用，高频压电材料LiNb03研制成功。在应用方面，B超和A超医疗探头开始投入生产和医疗应用。超声显微镜投入应用。总的来说，我国在超声方面的研究在某些方面己走在了世界的前列。 近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向: 1、由定性的判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像; 2、向在线自动检测和仪器的智能化发展，其中非接触超声测试技术取得突破进展; 3、超声测试技术和材料的物性评价相结合，材料的设计、加工和工程应用迅速发展。2.2 超声波的基本性质 波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质：(1
17、)超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同；(2)超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；(3)能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍(如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的)，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；(4)功率大，超声波能够产生
18、并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以发出很大的功率。2.3 超声波的分类 声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s。根据声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有以下几种(1)纵波。质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播；横波。质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播；(3)表面波。质点的振动介于纵波
19、与横波之间，沿表面传播。振幅随深度增加而迅速衰减的波。 从上述分类可看出，只有纵波可以在气体中传播。因此，目前在空气中的超声波测量系统大多依靠纵波来实现。而实际测量用的超声波主要集中在频率Hz的范围内。其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系统，中频和高频段主要用于固体介质的测量。这主要是由于介质对声波能量的吸收随着声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减的就越快。而在固体介质中，测量的量程比较短(例如超声波探伤，测工件厚度等)，在液体和气体中，测量的量程比较长(例如空气中的超声波测距，海洋中测深度等)，因此，气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中低。2.4 超声应用
20、领域 超声在许多领域内比可听声的用途更加广泛，是基于以下儿个原因: 1、具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素。 2、超声波的频率越高，则波长越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。 3、超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。 在工业生产中，超声波被应用在金属材料和部分非金属材料探伤，钡口厚，以及超声振动切削加工、清洗、焊接等行业。以及进行物位、浓度、硬度、温度等检测。 超声波被广泛应用于医学领域，在诊断显像技术，血流测量计，胎
21、儿检查仪，超声波洁牙器等医疗器械都是利用了超声波的特性。 在军事领域中，超声波用于雷达目标定位，武器制导，军用机器人等方面。2.5 超声波的衰减 超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。由于声波的衰减，使得A(x)随传播距离的变化而变化。声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律。 （2.1）设在距离超声接收器x处有被测物，则空气中传播的超声波波动方程描述为： （2.2） （2.3） 其中A(x)为超声传感器接收的振幅；为超声传感器初始振幅；为衰减系数；x为超声波传播距离；为传播角频率；k=2/为波数；为声波波长；t为传
22、播时间。衰减系数。其中b为空气介质常数，f为超声波频率。在空气中， ，当振动的声波频率f =40KHz时，可得，它的物理意义在于：超声波在空气媒介中传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗，在1/长度上，平面声波的振幅衰减为原来的1/e。由此可见，超声波频率越高，其衰减越快，传播的距离也越短。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。权衡这两点，为达到良好的测距效果，也是选取中心频率为40kHz的原因。采用合适的频率和波长，使用超声波传感器测距，频率取得太低，外界杂音干扰较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大。并且，
23、超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。改善这一缺点，须减少发射波串的长度，增高发射波频率。但发射波串长度过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值；发射波频率过高则衰减大，作用距离下降。有试验表明：使用40 kHz的超声波，发射脉冲群含有516个脉冲，具有较好的传播性能。本设计中一次发出5个脉冲。2.6 几种测距方法介绍除超声波测距外，目前被广泛使用的还有核辐射测距、微波测距、光学测距等，下面对这几种测距方法进行介绍。2.6.1 核辐射法 不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线射入厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介
24、质的射线强度I与入射强度Io之间有如下关系: (2.4)式中，为吸收系数，条件固定时为常数。上式可变为 (2.5) 因此，测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。 辐射式物位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制。射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。这些特点使得辐射式测距计适合于特殊场合或恶劣环境下的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。但在使用时仍要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。2.6.2 微波测量法 在电磁波谱中将波长为1 l0
25、00mm 的电磁波称为微波。微波的特点是在各种障碍物上都能产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能;在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力。 随着大规模集成电路技术和微处理技术的迅速发展，微波检测技术从长期停滞不前的原理性、实验性研究阶段，迅速进入工程实用和产业化阶段。有关厂商不断推出各种高性能的微波固体器件以及微波集成电路，不但使微波发射接受电路实现小型化，而且性能指标也有很大的提高，价格也有很大的下降。利用介质对微波的反射或吸收特性，微波检测技术在运动目标检测，目标物含水率检测，液位、料位检测等方面的应用愈来愈广泛。调频物位测量计是由调频固态源产生等幅的无线电
26、波，其振荡频率在时间上按调制信号呈周期性变化，设在某一瞬间频率为f0，由发射器射向测量对象，并由测量对象反射回来，经过接收器接收，输入混频器，在回波到达混频器的瞬间，固态源的振荡频率由于调制信号的作用，较回波频率己有了变化，设为f1，它继续不断地射向测量对象，并有一部分作为本振频率耦合到混频器与f1进行混频。这样，在混频器的输出端就产生了差频f，并且此差频与发射器和接收器离测量对象的距离L成正比，测量出f的大小也就可以计算得到距离L的数值。设调制信号波形为三角形，固态源初始频率为f0，则固态源频率变化规律为 (2.6) 式中，T为调制波周期， F为调制波频率，f0为固态源初始频率，f2为本振频
27、率，f0为固态源调制信号1/2周期内的频偏范围，t为时间。回波频率为 (2.7)式中，f1为回波频率，t为微波往返于被测对象之间的延迟时间，C为光速，L为被测距离，所以，差频频率f为 (2.8) 由上式整理得被测距离L为 (2.9) 从上式可以看出被测距离L与差频频率f成正比。当固态源的调制频率F和频偏f0一定时，只要测出f，就可以计算得到L。 当固态工作源频偏f0=300MHz,调制频率F=1kHz时，代入式中可得 (2.10)通过频率差计算出位置的变化。2.6.3 光学测量法 激光用于液位测量，克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点，使测量精度大为提高。 激光式
28、液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。工作方式有反射式和遮断式，在物位测量中两种方式都可使用，但一般只用作定点检测控制，不易进行连续测量。2.6.4 超声测量法 超声波测距的基本原理是，由超声探头发出的超声脉冲信号，在空气中传播，遇到空气与物体的界面后被反射，接收到回波信号后能得到超声波传播时间。根据其传播速度和传播时间计算出其传播距离，得到传感器到物体的距离。即， (2.11) 其中 D-测量距离（m） C-超声波的传输速度（m/s）2.7 超声波测距优越性位移测量是工业中经常遇到的一个问题。针对不同用途和要求(从测量范围、精度要求、测量条件等考虑)，位移测量有多种测量技术：有机
29、械的浮子方法；利用电阻、电感、电容的非电量电测量方法；有光学或激光测量方法；有利用放射性或射流技术的测位方法等，在本设计中采用的是超声波测量技术。超声波测位移有很多优点，与放射性技术相比不需防护；与目前的激光测距相比，超声技术虽在精度上略逊一筹，但比较简单、价格低廉；更重要的是在恶劣环境下，激光测距将受到严重干扰，此时超声测量的高精度就会体现出来。一般来说，超声波位移测量无须有运动的部件，所以在安装和维护上占有很大的优越性。超声波位移测量可以选用气体、液体或固体作为传声媒介，具有很大的适应性，因此，在测量要求比较特殊，一般测量方法无法采用时，可考虑采用超声波测位移。 3 超声波传感器3.1 超
30、声波传感器工作的基本原理 超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。目前常见的超声波发射和接收器件的标称频率一般为40kHz，频率取得太低，外界杂音干扰较多，太高在传播过程中衰减较大。按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中压电陶瓷晶片制成的换能器最为常用17。在原理上利用压电陶瓷材料在电能与机械能之间相互转换的功能。其示意图如图3.1所示： 图3.1双压电晶片示意图 这种传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷片加有大小
31、和方向不断变化的交流电压时，据逆压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f的电压脉冲，晶片就会产生同频率的机械振动。这种机械振动推动空气等媒质，便会发出超声波。反之，如在压电陶瓷晶片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号。 当在A，B间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率发射超声波时，加在其上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一致，接收
32、超声波时，作用在它上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波传感器才有较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有谐振频率。 超声波传感器结构图如图3.2所示： 图3.2超声波传感器结构图 超声波传感器由压电陶瓷晶片、锥形谐振板、底座、端子、金属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声波。 超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程
33、探测距离小于2m，工作频率在60-300kHz之间；中量程探测距离约为2-l0m，工作频率在40-60kHz之间；大量程探测距离约为20-50m，工作频率处在16-30kHz之间。3.2 超声传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的MA40EIS发射型超声波传感器（密封型）为例进行说明。一频率特性超声发射传感器频率特性如下所示： 发射灵敏度（dB）图3.3是超声波发射传感器的频率特性曲线其中，f040KHz为超声发射传感器的中心频率，在f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在f0处所产生的超声声压能级最高。而在f0两侧，声压能级迅速衰减。因此，
34、超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率f0的交流电压来激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在f0处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，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，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。二指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片
35、，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。MA40EIS发射传感器的指向图如下所示： 图3.4超声发射传感器指向图超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为4080，课题中超声发射传感器的指向角为60。传感器特性参数： 型号：MA40EIS(发射头)，MA40EIR(接收头) 结构：密封型 中心频率：401KHz ，401KHz 灵敏度：100，-74 频带宽度/Hz：1.5（100dB），2（-80
36、dB） 指向性60，60 电容量220025%pF 最低使用温度：-40C，-40C 最高使用温度：85C， 85C 最小探测距离：0.2m， 0.2m 最大探测距离：4m ，4m 最大输入电压:30Vp-p连续信号。 发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是由放大电路，检波电路及门限判别电路构成的，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。3.3 声速由公式(2.11)，声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波
37、传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为: （3.1） 式中，T是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为340 m/s。3.4 测量盲区 由于在硬件布置上发射探头和接受探头相邻，所以发射探头发出的超声波会第一个到达接收探头。使接受探头检测到信号，但这一信号是发射信号而不是反射信号，即误信号。而这一信号一旦被检测到就会被接收电路处理而产生触发单片机的中断信号，继而单片机对此作出响应，但这不是真正要测的值，属于误操作。所以我们要在发出脉冲后延时一段时间才允许单片机接受中断信号。这样，在延时的
38、这段时间里超声波所能走过的距离是不能被检测到的。这就是本设计中的测量盲区。 4 节能控制系统总体方案设计 4.1 总体方案的确定在本设计中采用单片机作为控制器件。而单片机有两种工作方式：扫描式和中断式。扫描式是外界信号经采样保持，A/D转换后由单片机在执行程序时不断的检测I/O口，当检测到I/O口有信号时则读入信号并进行相关操作。中断式是单片机正常执行程序或处于动态停机（待机）状态，当外界有信号时经由中端口输入单片机，中断会使单片机从原来的状态中跳出转而执行终端服务程序，以进行相关操作，操作完成后再转回到原来的程序处继续执行。由上面的叙述，我们可以知道单片机工作于扫描式时适合于处理通信，数显等
39、数据量较大的数据处理操作。而工作于中断式时适合于实时控制。这里所要设计的系统正是实时控制系统，所以我们将采用中断式，以更好的发挥单片机用于实时控制系统的优势。节能控制系统的设计包括：发射电路的设计；接收电路的设计；电源系统的设计；执行电路的设计。图4.1是系统总体结构图： 温度补偿 发射探头发射放大电路 单片机 执行电路 接受探头 前置放大 带通滤波 二值化电路 图4.1系统总体结构图4.2 发射电路的方案设计4.2.1 发射电压传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失；另外考虑实际发射传感器的最大
40、输入电压为30Vp-p，取发射电压为120Vp-p。4.2.2 发射信号方式 通常发射电路按发射方式分为:单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。间断地激发换能器晶片振动。此方法测试距离太近;本系统采用间断多脉冲发射，系统一次发出5个脉冲。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用频率范围25KH
41、z-300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离并与给定值比较，已确定控制操作。在超声波发射电路中，首先通过软件编程方式使得40 kHz的超声波发送脉冲信号由单片机的P1.0口送出，发出一系列的脉冲串，每一个脉冲串持续时间大约为0.125ms，即5个超声波脉冲。
42、由于AT89C51单片机P1.0口使用时只能提供几个毫安的驱动电流，只有5V的驱动电压，不足以驱动超声波传感器。所以增加一个功放电路来提高其输出电流，电压的能力，保证40kHz的脉冲信号有一定的功率。本设计中采用的是CD40107二路2输入与非门缓冲器/驱动器。CD40107包括两个独立的2输入与非门缓冲器，由于输出具有限于功能并能吸收大电流，因此广泛应用于直接驱动器。然后再加到超声波传感器上发射超声波。4.2.3 脉冲源的讨论与发射电路（1） 采用NE555时基集成芯片构成的振荡器做脉冲源NE555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。1972年，美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出