基于PIC单片机的智能深度检测仪系统（-2）
日期：2006-9-19 22:25:16 来源： 中国自动化网
点击： 作者：未知
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1 引言
在很多工程领域，深度的测量是必不可少的测量项目。如矿山开采中的炮孔深度；在水利工程中河道的深度。测量以及相关数据的处理实现自动化，成为建设急需解决的重要课题。
本文讨论基于高性能PIC16F877单片机为主构成的距离测试仪，详细介绍该仪器的工作原理、基本功能框图、关键技术以及相应的工作软件流程。
2 系统组成及工作原理
系统基于声纳测量原理。测量仪器的系统结构框图如图1所示。下位机系统中单片机芯片选用价格低廉，性能优良的PIC16F877单片机，充分利用其提供的软硬件资源，配以响应的外围电路完成距离检测。主要组成部分包括：PIC单片机；外存储器（E2PROM）；触摸式键盘；液晶显示器（LCD）；通讯电路；电池电源通断控制电路。下位机主要实现声波的发射与接收、数据的处理及传输。除此之外，各下位机还具有独立显示温度的功能，避免因为通信网络的故障而造成整个系统的瘫痪。上位机是整个控制系统起统一管理和协调指挥的作用。它的主要功能有：数据采集处理；数据显示；超限报警；文件处理等。
2.1 微处理器系统
PIC 单片机是Microchip 公司推出的单片机系列, 它采用先进的RISC 技术, 具有低价格、低功耗、高性能、全静态、易使用等特点。目前已在仪器仪表、工业自动化、计算机通讯以及民用产品等领域得到广泛的应用, 本设计中采用了PIC 系列中的PIC16F877 作为电路系统的控制核心,在本系统中,以I2C 总线方式利用RCO、RC1 口与存储器24WC02 进行数据通讯,并通过RC2、RC3 口对电源进行监测, RC4、RC5用于声波的发射与接受，RC6、RC7与上位机通讯, RB2、RB3、RB4 口驱动液晶显示模块, RA口进行键盘的输入。
2.2 声波发射模块
电路上电以后，程序读取外部存储电路中记录下的声波发生器晶体频率。系统工作时，每隔2秒系统发射一次5个连续矩形波，矩形波占空比为50%。矩形波的频率和声波发生器内晶体频率须一致，这样才能产生最佳的声波。为了提高声波发射功率，RC0在正半周期输出为5V，负半周期为0V，RC1在正半周期输出为0V，负半周期为5V。
2.3 变增益声波接收模块
当有声波返回时，接收电路将捕捉到返回的声波。由于声波在传播过程中，随传播距离呈指数衰减，图中放大器U6A的增益随着时间也要呈指数变大。所以选用了具有32级可调电阻的数字电位器（X9315），在检测声波信号时，随着时间给数字电位器脉冲，以减小其电阻值。如果收到信号，信号在经过电位整形、去除毛刺、做比较之后，送到RC2口的是一个5V信号。如果没有检测到回波，可能出现情况是回波的幅值过小。通过调整阻值大小，增加放大器增益。放大器增益不可过大，否则会带来引进干扰信号及高次回波的问题。 利用单片机提供的预分频器，记录下此刻时间T。根据D＝0.5VT（V为声波在介质中传播速度）计算出回波单程走过的距离。
2.4 与上位机通讯
单片机在处理完数据以后，需要将数据传输给上位机，让上位机做处理、记录。上位机也需要将声波在介质中的传播速度数据输送到下位机。
通用同步异步接收发送模块（USART） 是两个串行通信接口之一，USART 又称为SCI（Serial Communication Interface）。USART 可以设置为全双工异步串行通信系统， 这种方式可以与个人计算机PC 或串行接口CRT等外围设备进行串行通信；也可以设置为半双工异步串行通信系统， 与串行接口的A / D 或D / A 集成电路、串行EEPROM等器件连接。USART是二线制串行通信接口，它可以被定义为如下三种工作方式：全双工异步方式、半双工同步主控方式、半双工同步从动方式。为了把RC6 和RC7 分别设置成串行通信接口的发送/时钟（TX/CK）线和接收/ 数据（TX/DT）线，必须首先把SPEN位（TCSTAT的RD7） 和方向寄存器TRISC 的D7：D6 置1。USART功能模块含有两个8 位可读/ 写的状态/ 控制寄存器，它们是发送状态/ 控制寄存器TXSTA和接收状态/ 控制寄存器TCSTA。USART 带有一个8 位波特率发生器BRG（Baud Rato Generator），这个BRG 支持USART 的同步和异步工作方式。用SPBRG 寄存器控制一个独立的8 位定时器的周期。在异步方式下， 发送状态/ 控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）也被用来控制波特率（在同步方式下忽略BRGH位）。向波特率寄存器SPBRG写入一个新的初值时，都会使BRG定时器复位清零，由此可以保证BRG不需要等到定时器溢出后就可以输出新的波特率。对 USART方式进行初始化的程序如下：
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1 引言
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在很多工程领域，深度的测量是必不可少的测量项目。如矿山开采中的炮孔深度；在水利工程中河道的深度。测量以及相关数据的处理实现自动化，成为建设急需解决的重要课题。
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本文讨论基于高性能PIC16F877单片机为主构成的距离测试仪，详细介绍该仪器的工作原理、基本功能框图、关键技术以及相应的工作软件流程。
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2 系统组成及工作原理
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系统基于声纳测量原理。测量仪器的系统结构框图如图1所示。下位机系统中单片机芯片选用价格低廉，性能优良的PIC16F877单片机，充分利用其提供的软硬件资源，配以响应的外围电路完成距离检测。主要组成部分包括：PIC单片机；外存储器（E2PROM）；触摸式键盘；液晶显示器（LCD）；通讯电路；电池电源通断控制电路。下位机主要实现声波的发射与接收、数据的处理及传输。除此之外，各下位机还具有独立显示温度的功能，避免因为通信网络的故障而造成整个系统的瘫痪。上位机是整个控制系统起统一管理和协调指挥的作用。它的主要功能有：数据采集处理；数据显示；超限报警；文件处理等。
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2.1 微处理器系统
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PIC 单片机是Microchip 公司推出的单片机系列, 它采用先进的RISC 技术, 具有低价格、低功耗、高性能、全静态、易使用等特点。目前已在仪器仪表、工业自动化、计算机通讯以及民用产品等领域得到广泛的应用, 本设计中采用了PIC 系列中的PIC16F877 作为电路系统的控制核心,在本系统中,以I2C 总线方式利用RCO、RC1 口与存储器24WC02 进行数据通讯,并通过RC2、RC3 口对电源进行监测, RC4、RC5用于声波的发射与接受，RC6、RC7与上位机通讯, RB2、RB3、RB4 口驱动液晶显示模块, RA口进行键盘的输入。
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2.2 声波发射模块
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2.3 变增益声波接收模块
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当有声波返回时，接收电路将捕捉到返回的声波。由于声波在传播过程中，随传播距离呈指数衰减，图中放大器U6A的增益随着时间也要呈指数变大。所以选用了具有32级可调电阻的数字电位器（X9315），在检测声波信号时，随着时间给数字电位器脉冲，以减小其电阻值。如果收到信号，信号在经过电位整形、去除毛刺、做比较之后，送到RC2口的是一个5V信号。如果没有检测到回波，可能出现情况是回波的幅值过小。通过调整阻值大小，增加放大器增益。放大器增益不可过大，否则会带来引进干扰信号及高次回波的问题。 利用单片机提供的预分频器，记录下此刻时间T。根据D＝0.5VT（V为声波在介质中传播速度）计算出回波单程走过的距离。
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2.4 与上位机通讯
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通用同步异步接收发送模块（USART） 是两个串行通信接口之一，USART 又称为SCI（Serial Communication Interface）。USART 可以设置为全双工异步串行通信系统， 这种方式可以与个人计算机PC 或串行接口CRT等外围设备进行串行通信；也可以设置为半双工异步串行通信系统， 与串行接口的A / D 或D / A 集成电路、串行EEPROM等器件连接。USART是二线制串行通信接口，它可以被定义为如下三种工作方式：全双工异步方式、半双工同步主控方式、半双工同步从动方式。为了把RC6 和RC7 分别设置成串行通信接口的发送/时钟（TX/CK）线和接收/ 数据（TX/DT）线，必须首先把SPEN位（TCSTAT的RD7） 和方向寄存器TRISC 的D7：D6 置1。USART功能模块含有两个8 位可读/ 写的状态/ 控制寄存器，它们是发送状态/ 控制寄存器TXSTA和接收状态/ 控制寄存器TCSTA。USART 带有一个8 位波特率发生器BRG（Baud Rato Generator），这个BRG 支持USART 的同步和异步工作方式。用SPBRG 寄存器控制一个独立的8 位定时器的周期。在异步方式下， 发送状态/ 控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）也被用来控制波特率（在同步方式下忽略BRGH位）。向波特率寄存器SPBRG写入一个新的初值时，都会使BRG定时器复位清零，由此可以保证BRG不需要等到定时器溢出后就可以输出新的波特率。对 USART方式进行初始化的程序如下：
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