超聲波測(cè)距儀課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　一、摘 要</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如

2、聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無(wú)庸置疑，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)

3、展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、中斷程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過(guò)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。

4、</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)</b></p><p><b>　　2.1 單片機(jī)介紹</b></p><p>　　單片機(jī)就是將計(jì)算機(jī)的中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種輸入/輸出接口（I/O）以及相互連接的總線（BUS）等集成在一塊芯片上，形成了芯片級(jí)的

5、計(jì)算機(jī)[1]。</p><p>　　一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，它承擔(dān)了大中型計(jì)算機(jī)和通用微型計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的一些工作。使其具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，因此在各個(gè)領(lǐng)域中都得到了迅猛的發(fā)展。單片機(jī)的特點(diǎn)歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面。 </p><p>　　(1)具有優(yōu)異的性價(jià)比 </p><p>　　單片機(jī)盡可能地把應(yīng)用所

6、需的存儲(chǔ)器,各種功能的 I/O 接口集成在一塊芯片內(nèi),因而其性能很高,而價(jià)格卻相對(duì)較低廉,即性價(jià)比很高。 </p><p>　　(2)集成度高、體積小、可靠性高 </p><p>　　單片機(jī)把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路。又內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了芯片之間的連線，這大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。同時(shí)，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措

7、施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。 </p><p><b>　　(3)控制功能強(qiáng) </b></p><p>　　單片機(jī)非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令，I/O 口的邏輯操作指令以及位操作指令。</p><p>　　其邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。 </p><

8、p>　　(4)低電壓、低功耗 </p><p>　　單片機(jī)大量用于攜帶式產(chǎn)品和家用消費(fèi)類產(chǎn)品，低電壓和低功耗尤為重要。目前，許多單片機(jī)已可在 2.2V 電壓下運(yùn)行,有的已能在 1.2V 或 0.9V 下工作,功耗降至μA 級(jí),一粒鈕扣電池就可長(zhǎng)期使用[2]。</p><p>　　STC89C52芯片共40引腳：1-8腳： 通用I/O接口P1.0-P1.7；9腳: RET復(fù)位鍵10-1

9、1腳：RXD串口輸入， TXD串口輸出；12-19：I/O P3接口 (12、13腳 INT0中斷0、INT1中斷1；14/15：計(jì)數(shù)脈沖T0 /T1 ：16：WR寫控制；17： RD讀控制輸出端)； 18，19： 晶振諧振器 20 地線 ； 21-28 ：P2接口高8位地址總線；29：PSEN 片外ROM選通端；單片機(jī)對(duì)片外ROM操作時(shí)29腳(PSEN)輸出低電平；30：ALE/PROG 地址鎖存器；31：EARO

10、M取指令控制器高電平片內(nèi)取低電平片外??；32-39：P0.7-P0.0（注意此接口的順序與其他I/O接口不同 與引腳號(hào)的排列順序相反）；40：電源+5V。其引腳如圖4-1所示。 </p><p><b>　　管腳說(shuō)明：</b></p><p>　　VCC——供電電壓。</p><p>

11、;<b>　　GND——接地。</b></p><p>　　P0口——可作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線和通用I/O接口。單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展外存儲(chǔ)器時(shí)，P0口作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線使用；系統(tǒng)未擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器時(shí)，P0口作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用。P0口輸出時(shí)能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LETTL負(fù)載，即輸出電流不 曉宇800μΑ。</p><p>　　P1口——帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O

12、口，通用I/O接口有輸入、輸出、端口操作3中工作方式。</p><p>　　P2口——帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)

13、部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。</p><p>　　P3口——除了作為通用的準(zhǔn)雙向I/O接口使用外，每一根線還具有第二種功能，詳細(xì)如表2-1所示。</p><p>　　表2-1 P3口的特殊功能說(shuō)明</p><p>　　RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位

14、器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。</p><p>　　XTAL1——反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2——來(lái)自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　STC89C52的功能特性描述</p><p>　　低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用

15、高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，

16、全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止[1]。8位微控制器 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。</p><p>　　2.2 單片機(jī)系統(tǒng)外圍電路 </p>&l

17、t;p>　　單片機(jī)的復(fù)位電路：在給單片機(jī)通電時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的電路處于不確定的工作狀態(tài)，為使單片機(jī)工作時(shí)內(nèi)部電路有一個(gè)確定的工作狀態(tài)，單片機(jī)在工作之前要有一個(gè)復(fù)位的過(guò)程。對(duì)于AT89C52單片機(jī)而言，通常在其RST引腳上保持10mS以上的高電平就能使單片機(jī)完全復(fù)位。這種復(fù)位電路的原理是通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于短路，RST引腳上為高電平，然后電源通過(guò)電阻R1對(duì)電容C1充電，RST端電壓慢慢下降，降到一定電壓值以下，即為低電平，單片機(jī)開始

18、正常工作。如圖2-3所示。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常由上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位2種基本形式。本系統(tǒng)使用的復(fù)位電路是在基本復(fù)位電路的基礎(chǔ)上所改進(jìn)的一種混合方法，即做到了上電復(fù)位，又可以在發(fā)生預(yù)料之外的問(wèn)題時(shí)，隨時(shí)進(jìn)行開關(guān)復(fù)位單片機(jī)[2]。</p><p>　　單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)：</p><p>　　表2-2 8051單片機(jī)復(fù)位后特殊功能寄存器的初始狀態(tài)</p><p>

19、;　　注：表中的符號(hào)*為隨機(jī)狀態(tài)</p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化過(guò)程，其中包括使程序計(jì)數(shù)器PC＝0000H，P0~P3＝FFH，SP＝07H，其他寄存器處于零。這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。單片機(jī)復(fù)位后不改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容，21個(gè)特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)如表2-2所示。</p><p>　　單片機(jī)的時(shí)鐘電路：在AT80C52單片機(jī)內(nèi)部，有一個(gè)高增益

20、反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。其輸入端接至單片機(jī)內(nèi)部，即XTAL1引腳；其輸出端接至單片機(jī)外部，即XTAL2。在XTAL1和 XTAL2兩端跨接一個(gè)晶振、兩個(gè)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定自激式振蕩電路。晶振一般取11.0592MHz,兩個(gè)電容通常取18-47pF。如圖2-2所示。</p><p>　　2.3 超聲波測(cè)距原理</p><p>　　超聲波測(cè)距的基本工作原理是測(cè)量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間，由

21、超聲波傳播時(shí)間和傳播速度來(lái)確定距離障礙物的距離，即脈沖--回波方式。該方式的基本電路框圖如圖2-4 所示。由發(fā)射傳感器、發(fā)射電路、接收傳感器、接收放大電路、回波信號(hào)處理電路和單片機(jī)控制電路等幾部分組成。</p><p>　　發(fā)射電路是一個(gè)工作頻率為40 khz的多諧振蕩器，多諧振蕩器受單片機(jī)控制，產(chǎn)生一定數(shù)量的發(fā)射脈沖，用于驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器，并激勵(lì)出超聲波在空氣中傳播，遇障礙物反射而返回。超聲波接收傳感器通過(guò)

22、壓電轉(zhuǎn)換的原理，將由障礙物返回的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于該信號(hào)幅度較小(幾到十幾毫伏)，因此須由低噪聲放大、40khz帶通濾波電路將回波信號(hào)放大到一定幅度，且干擾成分較少，并由回波處理電路轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量和距離的顯示。</p><p>　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超

23、聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=ct/2。</p><p>　　在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離,進(jìn)而顯示距

24、離。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。</p><p>　　圖2-4 超聲波測(cè)距原理框圖</p><p>　　2.4 CX20106A芯片介紹</p><p>　　CX20106A紅外線遙控接收前置放大電路，多適用于電視

25、機(jī)。內(nèi)部電路由前置放大器，自動(dòng)偏置電平控制電路（ABLC）、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成。CX20106A是CX20106的改進(jìn)型，二者之間的主要差別在于電參數(shù)略有不同。CX20106A也有不少用于超聲波測(cè)試。引腳注釋如下：</p><p>　　l腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。</p><p>　　2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是

26、負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R=4.7Ω，C=3.3μF。</p><p>　　3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，

27、易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3μF。</p><p><b>　　4腳：接地端。</b></p><p>　　5腳：該腳與電源端VCC接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時(shí)，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。</p><p>　　6腳： 該腳與GND之間接

28、入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。</p><p>　　7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kΩ，沒有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。</p><p>　　8腳： 電源正極，4.5V～5V。 </p><p><b>　　三、系統(tǒng)設(shè)

29、計(jì)</b></p><p>　　3.1 總體方案設(shè)計(jì)介紹</p><p>　　超聲波測(cè)距利用超聲波指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，同時(shí)在發(fā)射的時(shí)候開始計(jì)時(shí)，在超聲波遇到障礙物的時(shí)候反射回來(lái)，超聲波接收器在接收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，停止計(jì)時(shí)。設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為V，在空氣中的傳播時(shí)間為T，與障礙物的距離為S，則S=VT/2

30、，這樣可以測(cè)出超聲波發(fā)射器與障礙物之間的距離，然后在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。</p><p>　　其工作機(jī)理是依據(jù)壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，即逆壓電效應(yīng)是在壓電材料上加上某種特定頻率的交變正弦信號(hào)，材料就會(huì)產(chǎn)生隨所加電壓的變化規(guī)律而變化的機(jī)械形變，這種機(jī)械形變推動(dòng)周圍介質(zhì)振動(dòng)，產(chǎn)生疏密相間的機(jī)械波，如果其振動(dòng)頻率在超聲范圍內(nèi)，這種機(jī)械波就是超聲波。</p><p>　　本

31、文所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀主要由STC89C52單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、顯示電路組成。</p><p>　　首先由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生40KHZ方波，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去，在遇到障礙物反射回來(lái)時(shí)由超聲波接收探頭檢測(cè)到信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)濾波、放大、整形之后送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果輸出到數(shù)碼管上。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、

32、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液 和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率，功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測(cè)量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本例決定采用STC89C2單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3-1所示。</p><p>　　圖3

33、-1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　3.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路</p><p>　　時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地作。</p><p>　?。?）時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生</p><p

34、>　　單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。</p><p>　　電容器C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值的范圍在5pF∽30pF,典型值為30pF。晶振的頻率通常選擇兩種6MHz和12MHz。只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接晶體振蕩器就

35、構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。</p><p>　　（2）時(shí)鐘振蕩電路如圖3-2所示。</p><p>　　3.3 單片機(jī)復(fù)位電路</p><p>　　復(fù)位電路是使單片機(jī)的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。</p><p>　?。?）單片機(jī)常見的復(fù)位電路</p><p&

36、gt;　　通常單片機(jī)復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位電路和按鍵復(fù)位電路。上電復(fù)位電路：上電復(fù)位是單片機(jī)上電時(shí)復(fù)位操作，保證單片機(jī)上電后立即進(jìn)入規(guī)定的復(fù)位狀態(tài)。它利用的是電容充電的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按鍵復(fù)位電路：它不僅具有上電復(fù)位電路的功能，同時(shí)它的操作比上電復(fù)位電路的操作要簡(jiǎn)單的多。如果要實(shí)現(xiàn)復(fù)位的話，只要按下RESET鍵即可。它主要是利用電阻的分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的</p><p>　　在此設(shè)計(jì)中，采用的按鍵復(fù)位電路。按鍵復(fù)位電路如

37、圖3-3所示：</p><p>　?。?）復(fù)位電路工作原理</p><p>　　上電復(fù)位要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。上電瞬間RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RERST引腳的高電平將逐漸下降。RERST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。</p><p>　　上電與按鍵均有效的復(fù)位電路不僅在上電時(shí)可以自動(dòng)復(fù)

38、位，而且在單片機(jī)運(yùn)行期間，利用按鍵也可以完成復(fù)位操作。</p><p>　　故本設(shè)計(jì)選用第二種上電復(fù)位與按鍵均有效的電路。</p><p>　　3.4 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　圖3-4 超聲波發(fā)射原理圖 圖3-5 NE555發(fā)射波形圖</p><p>　　發(fā)射電路由555定時(shí)器構(gòu)成的

39、高頻振蕩器產(chǎn)生40kHz方波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號(hào)，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。本電路中采用555定時(shí)器構(gòu)成振蕩電路，2腳（6腳）及地之間的電容不斷的進(jìn)行充、放電，導(dǎo)致555時(shí)基電路處于置位與復(fù)位反復(fù)交替的狀態(tài)，即輸出端3腳交替輸出高電平與低電平，輸出波形為近似矩形波，此電路也稱為自激多諧振蕩器。</p><p>　　電路初次通電時(shí)，由于電容C1兩端電壓不能突變，555的2腳為低電平，555時(shí)基電路置位，即

40、3腳輸出高電平，內(nèi)部放電晶體管截止，7腳被懸空，此時(shí)正電源VDD通過(guò)電阻R1、R2向電容C1充電，使C1兩端電壓不斷升高，約經(jīng)時(shí)間TH ，C1兩端電壓即閾值端（6腳）電平升至2VDD/3時(shí)，555時(shí)基電路翻轉(zhuǎn)復(fù)位，3腳輸出低電平，同時(shí)內(nèi)部放電晶體管導(dǎo)通，7腳也為低電平，此時(shí)電容C1儲(chǔ)存電荷將通過(guò)R2向7腳放電，使C1兩端電壓即555的觸發(fā)端2腳電平不斷下降，約經(jīng)TL時(shí)間，電壓降至VDD/3時(shí)，555時(shí)基電路又翻轉(zhuǎn)置位，3腳又輸出高電平，

41、7腳再次被懸空，正電源又通過(guò)R1, R2向C1充電，如此周而復(fù)始，電容C1不斷處于充電與放電狀態(tài)，電路引起振蕩，3腳將交替輸出高電平和低電平。</p><p>　　3.5 超聲波接收電路</p><p>　　圖3-6 超聲波接收原理圖</p><p>　　超聲波接收是用來(lái)將探測(cè)波回波的聲能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超聲波回波的接收。在被測(cè)物距離較遠(yuǎn)的情況下回波很弱，要求將信

42、號(hào)多次放大，放大后的信號(hào)整形、比較、觸發(fā)后產(chǎn)生中斷信號(hào)，此中斷信號(hào)向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，執(zhí)行中斷服務(wù)程序中，讀取計(jì)時(shí)器的定時(shí)值。</p><p>　　此電路由信號(hào)放大部分，檢波部分，電壓比較部分和信號(hào)保持部分組成，收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，再通過(guò)倍壓式峰值檢波電路檢波，得到一個(gè)基本穩(wěn)定的信號(hào)，再通過(guò)與電壓比較器比較，若信號(hào)電壓大于參考電壓，則輸出高電平，若低于參考電壓則輸出為低電平，若輸出高電平，則RS觸發(fā)器觸發(fā)，輸

43、出高電平，且一直保持下去，直到單片機(jī)給出控制信號(hào)，觸發(fā)器回到低電平狀態(tài)。超聲波從發(fā)射到接收時(shí)間間距的測(cè)量，是由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器（如T0）來(lái)完成的 。超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔的測(cè)量, 是由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器(如T 0) 來(lái)完成的。在CPU 停止發(fā)送脈沖群后, 由于電阻尼, 換能器不會(huì)立即停止發(fā)送超聲波, 在一定時(shí)間內(nèi)仍然發(fā)送。這段時(shí)間的存在使系統(tǒng)不能夠測(cè)量比較近的物體, 形成所謂的“盲區(qū)”, 需要對(duì)盲區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行屏蔽, 不同

44、性能的超聲波換能器的盲區(qū)有所差異, 以一個(gè)通道工作的時(shí)序?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明, 如圖3-7 所示。</p><p>　　圖3-7 一個(gè)通道的工作時(shí)序</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)流程圖</b></p><p><b>　　4.1 主流程圖</b></p><p>　　圖4-1 主程序流程圖<

45、/p><p>　　4.2 數(shù)據(jù)計(jì)算流程</p><p>　　圖4-2 數(shù)據(jù)計(jì)算流程</p><p><b>　　4.3 顯示流程</b></p><p><b>　　圖4-3 顯示流程</b></p><p><b>　　五、誤差分析</b></p&g

46、t;<p>　　5.1 超聲波回波聲強(qiáng)的影響</p><p>　　回波的聲強(qiáng)與障礙物距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系, 實(shí)際測(cè)量時(shí), 不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā), 其原理如圖5-1 所示。這種誤差不能從根本上消除, 但是可以通過(guò)根據(jù)障礙物的距離調(diào)整脈沖群的脈沖個(gè)數(shù)以及動(dòng)態(tài)調(diào)整比較電壓來(lái)減小這種誤差。另一方面將求距離公式后加一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)來(lái)補(bǔ)償計(jì)時(shí)誤差,(a 與距離、脈沖個(gè)數(shù)相關(guān)) 。</p>&

47、lt;p>　　圖5-1 脈沖個(gè)數(shù)與回波聲強(qiáng)對(duì)計(jì)時(shí)影響示意圖</p><p>　　5.2 超聲波波束入射角的影響</p><p>　　如果系統(tǒng)是用來(lái)測(cè)量面與點(diǎn)的距離, 則被測(cè)物、換能器及換能器所在測(cè)量參考平面三者之間存在一個(gè)幾何角度, 即反射波入射到換能器的角度, 當(dāng)這</p><p>　　角度不是90°時(shí), 系統(tǒng)測(cè)量到的距離是障礙物與換能器之間的距離

48、而不是和</p><p>　　量參考平面之間的距離, 這就會(huì)造成測(cè)量誤差, 如圖5-2 所示。</p><p>　　圖5-2 超聲波回波入射角影響分析圖</p><p>　　當(dāng)障礙物的距離較小時(shí), 這個(gè)誤差就會(huì)成為近距離時(shí)的主要誤差來(lái)源?？梢杂枚鄠€(gè)換能器同時(shí)測(cè)量, 利用幾何關(guān)系來(lái)計(jì)算得出實(shí)際距離, 消除這種誤差。</p><p>　　…………

49、………………………7.1</p><p>　　……………………………………7.2</p><p>　　式中 ----換能器a 、b到被測(cè)物的距離</p><p>　　----換能器a、b之間的距離</p><p>　　-----被測(cè)物到測(cè)量的距離</p><p>　　5.3 超聲波傳播速度的影響</p>

50、;<p>　　穩(wěn)定準(zhǔn)確的聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件, 傳播介質(zhì)的溫度、壓力及密度對(duì)聲速都產(chǎn)生直接影響。采用聲速預(yù)置和傳播介質(zhì)溫度測(cè)量結(jié)合的方法對(duì)聲速進(jìn)行修正, 可有效地降低溫度變化產(chǎn)生的誤差。在對(duì)距離的精確度要求不高的應(yīng)用中可以不進(jìn)行溫度補(bǔ)償, 選擇室溫20℃左右時(shí)的聲速340m/s作為固定參數(shù), 當(dāng)溫度在- 10～ 40 ℃之間變化時(shí)聲速誤差在±5% 之間。如果在室外測(cè)量, 對(duì)于季節(jié)溫差大的地區(qū), 還

51、可以采用預(yù)置該地區(qū)12 個(gè)月的統(tǒng)計(jì)溫度, 用以對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償, 既可提高精度, 又不增加成本。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量精度要求, 采用合理的補(bǔ)償手段。</p><p><b>　　5.4 實(shí)測(cè)比</b></p><p>　　六、心得體會(huì) </p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，我們廣泛借鑒了各種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，充分考慮了整個(gè)設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)。

52、包括產(chǎn)生40KHz的方波，在接收電路中，對(duì)所接收方波進(jìn)行濾波、放大、整形等步驟。但由于條件和技術(shù)所限，對(duì)于很多以上所分析的在發(fā)射和接收過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差沒有得到有效的校正。比如溫度誤差、硬件電路誤差等。</p><p>　　在我們?yōu)槠谝粋€(gè)星期的設(shè)計(jì)中，我們用到了以前學(xué)到的很多知識(shí)，比如電工、單片機(jī)、和匯編語(yǔ)言等。這使我們意識(shí)到，任何一件產(chǎn)品的產(chǎn)生，都不是單一知識(shí)所能實(shí)現(xiàn)的。而且在電路的設(shè)計(jì)和程序的編制過(guò)程中，出現(xiàn)

53、了很多意想不到的錯(cuò)誤，讓我們措手不及，有些甚至是一些非常低級(jí)的錯(cuò)誤，但是這些錯(cuò)誤也同樣讓我們獲益非淺，它使我們意識(shí)到，研究是一個(gè)非常嚴(yán)肅的過(guò)程，來(lái)不得半點(diǎn)馬虎。必須有一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，加上100％的努力才有可能獲得成功的喜悅。</p><p>　　總之，在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中盡管走了很多的彎路，但是還是學(xué)到了不少知識(shí)，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析、設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開發(fā)過(guò)程中所

54、用到的開發(fā)方法和工具。動(dòng)手能力與自學(xué)能力得到了鍛煉與提高，對(duì)待事物的態(tài)度也發(fā)生了變化。理論總是離不開實(shí)踐的，設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，盲目地追尋理論知識(shí)根本不足以解決任何問(wèn)題，一味的死研究課本是不會(huì)真正掌握單片機(jī)的。只有真正動(dòng)手去做才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，提高能力。</p><p>　　最后，本次課程設(shè)計(jì)的完成，離不開指導(dǎo)老師在整個(gè)過(guò)程中的悉心指導(dǎo)，也離不開同學(xué)們?cè)诤附雍驼{(diào)試過(guò)程中的大力支持，在這里對(duì)他們表示真誠(chéng)的感謝和由

55、衷的敬意。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1] 《單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)》.張毅剛、彭喜元著.電子工業(yè)出版社.2010年</p><p>　　[2]《MCS-51 系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)》. 何立民著.北京航空航天大學(xué)出版社.1990年</p><p>　　[3]《單

56、片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》 劉守義著.西安電子科技大學(xué)出版社.2003年</p><p>　　[4]《單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)指導(dǎo)》. 李光飛著.北京航空航天大學(xué)出版社，2003年</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　OUT BIT P1.2 ;發(fā)射控制</p><p>　　BUT BIT P3.3&

57、lt;/p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p><b>　　SJMP STA</b></p><p><b>　　ORG 0003H</b></p><p>　　LJMP INTX0</p><p><b>　　ORG

58、000BH</b></p><p>　　LJMP INTT0</p><p><b>　　STA:</b></p><p><b>　　CLR OUT</b></p><p>　　MOV TMOD,#22H </p><p>　　MOV TH1,#0F3H

59、 ;波特率2400</p><p>　　MOV TL1,#0F3H</p><p>　　ANL PCON,#7FH</p><p>　　MOV SCON,#50H</p><p>　　MOV TH0,#197 ;定時(shí)58.8uS</p><p>　　MOV TL0,#197</p><p>

60、;<b>　　SETB EA</b></p><p><b>　　SETB ET0</b></p><p><b>　　SETB IT0</b></p><p><b>　　SETB TR1</b></p><p>　　ST0:JB BUT,ST0<

61、/p><p><b>　　MOV R0,#0</b></p><p><b>　　DJNZ R0,$</b></p><p><b>　　JB BUT,$</b></p><p>　　ST1:JNB BUT,$</p><p><b>　　CLR

62、P1.4</b></p><p><b>　　CLR F0</b></p><p><b>　　CLR EX0</b></p><p><b>　　CLR TR0</b></p><p>　　MOV TL0,#197</p><p>　　MO

63、V DPTR,#0 ;存放結(jié)果</p><p>　　SETB OUT ;發(fā)射8-10個(gè)周期40KHZ超聲波</p><p><b>　　SETB TR0</b></p><p>　　LCALL DELY </p><p><b>　　CLR OUT</b></p>

64、<p><b>　　SETB EX0</b></p><p>　　JNB P1.4,$</p><p>　　;顯示程序，41h為最高位，43h為最低位</p><p>　　DISPLAY:MOV R1,#41H</p><p>　　MOV R5,#0FDH</p><p>　　PLAY

65、:MOV A,R5</p><p>　　MOV P0,#0FFH</p><p><b>　　MOV P2,A</b></p><p><b>　　MOV A,@R1</b></p><p>　　MOV DPTR, #AAA</p><p>　　MOVC A,@

66、A+DPTR</p><p><b>　　MOV P0,A</b></p><p>　　LCALL DL1MS</p><p>　　MOV R1,#42H</p><p>　　MOV A,#0FBH</p><p>　　MOV P0,#0FFH</p><p><b&

67、gt;　　MOV P2,A</b></p><p><b>　　MOV A,@R1</b></p><p>　　MOV DPTR, #TAB</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p><b>　　MOV P0,A</b></p><p>　

68、　LCALL DL1MS</p><p>　　MOV R1,#43H</p><p>　　MOV A,#0F7H</p><p>　　MOV P0,#0FFH</p><p><b>　　MOV P2,A</b></p><p><b>　　MOV A,@R1</b><

69、/p><p>　　MOV DPTR, #TAB</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p><b>　　MOV P0,A</b></p><p>　　LCALL DL1MS</p><p>　　JNB BUT,ST1</p><p>　　LJMP DISP

70、LAY </p><p><b>　　LJMP ST0</b></p><p>　　AAA: DB 40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,78H,00H,10H</p><p>　　TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H</p><p

71、>　　DL1MS:MOV R6,#14H</p><p>　　DL1:MOV R7,#19H</p><p><b>　　DJNZ R7,$</b></p><p>　　DJNZ R6,DL1</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　INTX0:

72、JB F0,INTX1 ;第一次中斷為盲區(qū)中斷，第2次為有效，關(guān)閉第3次。</p><p><b>　　CPL F0</b></p><p>　　LJMP INTX2</p><p>　　INTX1:CLR TR0</p><p>　　MOV SBUF,DPH</p><p>

73、;<b>　　JNB TI,$</b></p><p><b>　　CLR TI</b></p><p>　　MOV SBUF,DPL</p><p><b>　　JNB TI,$</b></p><p><b>　　CLR TI</b></p>

74、;<p><b>　　CLR EX0</b></p><p><b>　　SETB P1.4</b></p><p><b>　　MOV A,DPL</b></p><p>　　MOV B,#100</p><p><b>　　DIV AB</b&

75、gt;</p><p><b>　　MOV 41H,A</b></p><p><b>　　MOV A,B</b></p><p><b>　　MOV B,#10</b></p><p><b>　　DIV AB</b></p><p&

76、gt;<b>　　MOV 42H,A</b></p><p><b>　　MOV 43H,B</b></p><p>　　BBB:ANL DPH,#01H</p><p><b>　　MOV A,DPH</b></p><p>　　CJNE A,#01H,intx2</p

77、><p><b>　　MOV A,43H</b></p><p>　　ADD A,#06H</p><p><b>　　DA A</b></p><p><b>　　MOV 43H,A</b></p><p>　　ANL 43H,#0FH</p>

78、<p><b>　　SWAP A</b></p><p>　　ANL A,#0FH</p><p>　　MOV R3,A ;十位要加r3，再加5</p><p><b>　　MOV A,42H</b></p><p><b>　　ADD A,R3</b>&

79、lt;/p><p><b>　　DA A</b></p><p><b>　　MOV 42H,A</b></p><p>　　ANL 42H,#0FH</p><p><b>　　SWAP A</b></p><p>　　ANL A,#0FH</p&g

80、t;<p>　　MOV R2,A ;百位要加r2再加2</p><p>　　MOV A,42H </p><p>　　ADD A,#05H</p><p><b>　　DA A</b></p><p><b>　　MOV 42H,A</b></p>&l

81、t;p>　　ANL 42H,#0FH</p><p><b>　　SWAP A</b></p><p>　　ANL A,#0FH</p><p>　　MOV R4,A ;百位要加r4，r2和2</p><p><b>　　MOV A,41H</b></p><p>

82、　　ADD A,#02H</p><p><b>　　ADD A,R4</b></p><p><b>　　ADD A,R2</b></p><p>　　MOV 41H,A </p><p>　　INTX2:RETI</p><p>　　INTT0:INC DPTR<

83、/p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　DELY:MOV R0,#100</p><p><b>　　DJNZ R0,$</b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　END <