畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距

1、<p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　目　　錄1</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p>　　第1章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)3</p><p>　　1.1 超聲波測(cè)距的原理3</p>&l

2、t;p>　　1.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)3</p><p>　　1.2.1 總體設(shè)計(jì)方案3</p><p>　　1.2.2發(fā)射電路的設(shè)計(jì)4</p><p>　　1.2.3接收電路的設(shè)計(jì)5</p><p>　　1.2.4顯示模塊的設(shè)計(jì)6</p><p>　　1.3超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)7</

3、p><p><b>　　1.4本章小結(jié)9</b></p><p><b>　　第2章 緒論10</b></p><p>　　2.1 課題背景，目的和意義10</p><p>　　2.2兩種常用的超聲波測(cè)距方案10</p><p>　　2.2.1基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)

4、10</p><p>　　2.2.2基于CPLD的超聲波測(cè)距系統(tǒng)11</p><p>　　2.3課題主要內(nèi)容12</p><p>　　第3章 超聲波傳感器13</p><p>　　3.1超聲波傳感器的原理與特性13</p><p>　　3.1.1原理13</p><p>　　3.1.2

5、特性14</p><p>　　3.2超聲波傳感器的檢測(cè)方式15</p><p>　　3.3超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成16</p><p>　　3.4本章小結(jié)17</p><p>　　第4章 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介18</p><p>　　4.1單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)18</p><p>　　4

6、.1.1單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)18</p><p>　　4.1.2單片機(jī)的基本工作原理20</p><p>　　4.2單片機(jī)的分類及發(fā)展21</p><p>　　4.3單片機(jī)AT89C51的特性22</p><p>　　4.4本章小結(jié)25</p><p>　　第5章 電路調(diào)試及誤差分析26</p>

7、<p>　　5.1電路的調(diào)試26</p><p>　　5.2系統(tǒng)的誤差分析26</p><p>　　5.2.1聲速引起的誤差26</p><p>　　5.2.2單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響27</p><p>　　5.4本章小結(jié)28</p><p><b>　　結(jié)論29</b>&l

8、t;/p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　附錄131</b></p><p><b>　　附錄236</b></p><p><b>

9、　　附錄338</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測(cè)距方案中，超聲波測(cè)距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測(cè)量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。</p><p>　　本報(bào)告詳細(xì)

10、的介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測(cè)距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以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。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。</p><p>　　一

11、 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　1.1 超聲波測(cè)距的原理</p><p>　　單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波, 從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離</p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　式(1-1)中的c為超聲波在空氣中傳播的速度

12、。</p><p>　　限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍，減少測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，表1-1列出了幾種不同溫度下的波速。</p><p>

13、　　表1-1 聲速與溫度的關(guān)系</p><p>　　波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間t，即可求得距離S。其系統(tǒng)原理框圖如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖</p><p>　　單片機(jī)AT89C51發(fā)出短暫的40kHz信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單

14、片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。</p><p>　　在下一節(jié)里，我們將詳細(xì)介紹超聲波測(cè)距儀的各部分電路的設(shè)計(jì)思路及方法。</p><p>　　1.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　1.2.1 總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　由單片機(jī)AT89C51編程產(chǎn)生

15、40kHz的方波，由P3.6口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離,并由單片機(jī)控制顯示出來。</p><p>　　該測(cè)距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接

16、收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖1-2所示。</p><p><b>　　圖1-2 時(shí)序圖</b></p><p>　　單片機(jī)在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出

17、距離。</p><p>　　1.2.2發(fā)射電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　由單片機(jī)產(chǎn)生的40kHz的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是一個(gè)信號(hào)放大電路，本課題所選用的是74HC04集成芯片，圖1-3為發(fā)射電路圖。</p><p><b>　　圖1-3 發(fā)射電路</b></p><p>

18、　　74HC04內(nèi)部集成了六個(gè)反向器，同時(shí)具有放大的功能。74HC04的管腳如圖1-4所示。</p><p>　　圖1-4 74HC04管腳圖</p><p>　　1.2.3接收電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)比較弱，必需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了LM741對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，接收電路如圖1-5所示。</p&

19、gt;<p><b>　　圖1-5 接收電路</b></p><p>　　超聲波探頭接收到超聲波后，通過聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一正弦信號(hào)，其頻率為傳感器的中心頻率，即40kHz。該信號(hào)通過C1高通濾波后經(jīng)LM741放大，最后經(jīng)二極管整形后輸出到單片機(jī)中斷口。LM741是一單運(yùn)放集成芯片，圖1-6為L(zhǎng)M741管腳圖。</p><p>　　圖1-6 LM741管腳圖

20、</p><p>　　1.2.4顯示模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　LED(Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。</p><p>　　LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。圖1-7示出了八段LED數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原理圖。圖1-7(a)為八段共陰數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖1-7(b)是它的原理圖，圖1-7(c)為八段共陽L

21、ED顯示管原理圖。八段LED顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號(hào)是a、b、c、d、e、f、g和SP，分別與同名管腳相連。七段LED顯示管比八段LED少一只發(fā)光二極管SP，其他與八段相同。</p><p>　　圖1-7 八段LED數(shù)碼顯示管原理和結(jié)構(gòu)</p><p>　　單片機(jī)對(duì)LED管的顯示可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是各LED管能穩(wěn)定地同時(shí)顯示各自字形；動(dòng)態(tài)顯示是指各LED輪流地一

22、遍一遍顯示各自字符，人們由于視覺器官惰性，從而看到的是各LED似乎在同時(shí)顯示不同字形。</p><p>　　為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本，單片機(jī)控制系統(tǒng)通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。但是由于本系統(tǒng)所用的單片機(jī)引腳少，剩余引腳很多，而且也只需顯示三位字符，所以，采用了靜態(tài)的顯示方式，且采用了軟件譯碼，這樣單片機(jī)引腳輸出可直接接到LED顯示管上。這樣省去了外部復(fù)雜的譯碼電路。</p><p&

23、gt;　　1.3超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時(shí)利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能開始計(jì)時(shí)，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變?cè)趩纹瑱C(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，然后通過軟件譯碼，將數(shù)據(jù)輸出P0、P1和P2口顯示。</p><p>　　程序流程圖如圖1-8

24、，(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。</p><p>　　(a) (b) (c)</p><p>　　圖1-8 程序流程圖</p><p>　　用單片機(jī)編程產(chǎn)生40kHz方波，可用延時(shí)程序和循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)。先定義一個(gè)延時(shí)函數(shù)delays()，然后可

25、用for語句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時(shí)改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。部分程序如下：</p><p>　　void delays() {} //延時(shí)函數(shù)</p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(a=0;a<200

26、;a++) //產(chǎn)生100個(gè)40KHz的方波</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P36=!P36; //每循環(huán)一次，輸出引腳取反</p><p>　　delays() ;</p><p><b>　　}</b></p>&l

27、t;p><b>　　}</b></p><p>　　單片機(jī)每隔一段時(shí)間產(chǎn)生一串40kHz方波，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波，產(chǎn)生中斷信號(hào)后，單片機(jī)執(zhí)行中斷程序。在中斷程序中，先讓定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，然后讀取時(shí)間，通過時(shí)間計(jì)算出所測(cè)距離，輸出結(jié)果。</p><p><b>　　中斷程序如下：</b></p><p>　　

28、void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO中斷服務(wù)程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uint bwei,shwei,gwei;</p><p>　　uchar DH,DL;</p><p>　　ulong COUNT;</p

29、><p>　　ulong num;</p><p>　　TR0=0 ; //停止計(jì)數(shù)</p><p><b>　　DH=TH0;</b></p><p><b>　　DL=TL0;</b></p><p>　　COUNT=TH0*256+

30、TL0;</p><p>　　num= (344*COUNT)/20000; //計(jì)算距離</p><p>　　bwei=num/100; //取百位</p><p>　　gwei=(num-bwei*100)/10; //取十位</p><p>　　shwei=num%10;

31、 //取個(gè)位</p><p>　　P1=tab[bwei]; //輸出百位</p><p>　　P0=tab[shwei]; //輸出十位</p><p>　　P2=tab[gwei]; //輸出個(gè)位</p><p><

32、;b>　　TH0=0;</b></p><p><b>　　TL0=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　本系統(tǒng)的LED顯示采用了靜態(tài)顯示方式，并用單片機(jī)內(nèi)部軟件譯碼。這樣簡(jiǎn)單方便，省去了復(fù)雜的外部譯碼電路。</p><p>　　軟件譯碼只需要定

33、義一個(gè)數(shù)組便可，程序語句如下：</p><p>　　uchar data tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};</p><p>　　這是共陽LED顯示從0到9的字形碼。</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>

34、　　本章是該課題的重點(diǎn)，全面介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)思路，給出了硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)。在硬件電路的設(shè)計(jì)中，分別詳細(xì)介紹了發(fā)射電路，接收電路及顯示模塊的設(shè)計(jì)方法。軟件編程部分，給出了整個(gè)程序的思路以及程序流程圖。</p><p><b>　　二 緒論</b></p><p>　　2.1 課題背景，目的和意義</p><p>　　傳感器技術(shù)

35、是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測(cè)量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度較高。</p><p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于

36、汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對(duì)單片機(jī)的理解和應(yīng)用。</p><p>　　2.2兩種常用的超聲波測(cè)距方案</p><p>　　2.2.1基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)</p><p>　　基于單片

37、機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為40kHz的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經(jīng)反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖</p><p>　　這種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收

38、到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(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，結(jié)果輸出給LED顯示[1]。</p><p>　　利用單片機(jī)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，測(cè)距精度高，而且單片機(jī)控制方便，計(jì)算簡(jiǎn)單。許多超聲波測(cè)距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　2.2.2基于CPLD的超聲波測(cè)

39、距系統(tǒng)</p><p>　　這種測(cè)距系統(tǒng)采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，運(yùn)用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)編寫程序，使用MAX+plusII軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。</p><p>　　CPLD器件內(nèi)

40、部的宏單元是其最基本的模塊，能獨(dú)立地編程為D觸發(fā)器、T觸發(fā)器、RS觸發(fā)器或JK觸發(fā)器工作方式或組合邏輯工作方式。它的這種特性非常適用于本系統(tǒng)，可將本系統(tǒng)所需要的分頻功能、計(jì)數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由MAX來實(shí)現(xiàn)，而只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡▊鞲衅?、接收和發(fā)送電路，即可組成一個(gè)測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的超聲波測(cè)距儀。</p><p>　　本系統(tǒng)利用CPLD器件控制超聲波的發(fā)射，并對(duì)超聲波

41、發(fā)射至接收的往返時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)算結(jié)果在LED上顯示出來。配合使用MAX+plusII開發(fā)軟件，可集設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程于一體，集成度高，開發(fā)周期短。其系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 基于CPLD的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖</p><p>　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射40kHz的超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)，MAX7128S內(nèi)的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。超聲波在

42、空氣中傳播，途中碰到障礙物就會(huì)立即返回來。超聲波接收器收到反射波后就將回波信號(hào)送到CPLD，CPLD立即停止計(jì)數(shù)。CPLD所計(jì)的時(shí)間就是超聲波從傳感器到被測(cè)物的往返時(shí)間。超聲波在空氣中的傳播速度如設(shè)定為332m/s，根據(jù)計(jì)數(shù)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=332t/2。CPLD開始計(jì)數(shù)后，只要傳感器收到回波，CPLD就立即停止計(jì)數(shù)，即只有最先返回的超聲波才起作用，也就是說超聲波測(cè)距儀總是測(cè)得離傳感器最近的物體

43、的距離[2]。</p><p>　　本系統(tǒng)采用先進(jìn)的CPLD器件，高性能、低成本地實(shí)現(xiàn)了距離的測(cè)定。</p><p><b>　　2.3課題主要內(nèi)容</b></p><p>　　通過上節(jié)介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到工業(yè)要求。本課題研究的測(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。</p><p

44、>　　通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(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反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為V，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。</p><p>　　本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。接收電路的輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟

45、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，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)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(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,結(jié)果輸出給LED顯示。</p><p>　　利用本測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量，范圍應(yīng)在30cm～200cm內(nèi)，其最大誤差控制在10cm。</p>

46、<p><b>　　三 超聲波傳感器</b></p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，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，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。</p><p>　　電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特

47、性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的因有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。<

48、;/p><p>　　在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)之前，我們首先來了解一下有關(guān)超聲波傳感器方面的知識(shí)。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測(cè)方式以及超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。 </p><p>　　3.1超聲波傳感器的原理與特性</p><p><b>　　3.1.1原理</b></p><p>　　人們可以聽到的聲音頻率為20H

49、z～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz～8kHz。</p><p>　　超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。</p><

50、p>　　超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，分解力也變高。</p

51、><p>　　超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖3-1所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在圖a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。若外部施加的極性變

52、反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。</p><p>　　圖3-1 壓電逆效應(yīng)</p><p>　　超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分

53、支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。</p><p>　　采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發(fā)送器的雙晶振子(諧振頻率為40kHz)上施加40kHz的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是就能發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲

54、波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負(fù)極的電壓。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。</p><p><b>　　3.1.2特性</b></p><p

55、>　　現(xiàn)以MA40S2R接收器和MA40S2S發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表3-1示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標(biāo)稱頻率為40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。</p><p>　　表3-1 超聲波傳感器MA40S2R/S的特性</p><p>　　超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標(biāo)

56、稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。</p><p>　　MA40S2R/S傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)稱頻率。</p><p>　　圖3-2表示傳感器方向性的特性，

57、這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度，因此，適用于物體檢測(cè)與防犯報(bào)警裝置等。</p><p>　　另外，對(duì)于這種傳感器，一般來說溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。</p><p>　　圖3-2 傳感器的方向性</p><p>　　3.2超聲波傳感器的檢測(cè)方式</p>&l

58、t;p>　　1.穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式</p><p>　　當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測(cè)距離約1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測(cè)物體使用100mm×100mm的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。</p><p>　　2.限定距離式超聲波傳感器的檢測(cè)方式</p><p>　　當(dāng)

59、發(fā)送超聲波束碰到被檢測(cè)物體時(shí)，僅檢測(cè)電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測(cè)物體的檢測(cè)面為平面時(shí)，則可檢測(cè)透明體。若被檢測(cè)物體相對(duì)傳感器的檢測(cè)面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測(cè)到被測(cè)物體。若被檢測(cè)物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測(cè)到被測(cè)物體。</p><p>　　3.限定范圍式超聲波傳感器的檢測(cè)方式</p><p>　　在距離設(shè)定范圍內(nèi)

60、放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測(cè)物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測(cè)到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測(cè)范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍。</p><p>　　4.回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式</p><p>　　回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場(chǎng)合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反

61、射式超聲波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。</p><p>　　這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測(cè)透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號(hào)控制被測(cè)物體反射的超聲波的檢測(cè)時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。</p><p>　　3.3超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成</p>&

62、lt;p>　　超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成，如圖3-3所示。發(fā)送器常使用直徑為15mm左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射。除穿透式超聲波傳感器外，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。</p><p>　　圖3-3 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成<

63、/p><p>　　控制部分判斷接收器的接收信號(hào)的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。對(duì)于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調(diào)整回路的門信號(hào)，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號(hào)的時(shí)間或?qū)挾?，可以自由改變檢測(cè)物體的范圍。</p><p>　　超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為12~24V±10%，再經(jīng)傳感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。

64、</p><p>　　超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路?？捎卸喾N方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡(jiǎn)單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實(shí)際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來選用其振蕩電路[3]。</p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p

65、>　　本章我們?cè)敿?xì)介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理產(chǎn)生超聲波的。</p><p>　　超聲波傳感器有四種檢測(cè)方式，分別為穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式、限定距離式超聲波傳感器的檢測(cè)方式、限定范圍式超聲波傳感器的檢測(cè)方式和回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式。</p><p>　　超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成。</p&

66、gt;<p>　　四 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的，在介紹電路設(shè)計(jì)之前，我們先來簡(jiǎn)單了解一下單片機(jī)的工作原理，由于本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)是以Atmel公司的8位單片機(jī)AT89C51為核心的，所以，在本章先簡(jiǎn)單的介紹一下AT89C51的一些特性。</p><p>　　4.1單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)</p>

67、<p>　　單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機(jī)種。</p><p>　　通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖?/p>

68、及外部設(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。</p><p>　　4.1.1單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　與單片機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)是一種多片機(jī)系統(tǒng)。它是由中央處理器(CPU)芯片、ROM芯片、RAM芯片和I/O接口芯片等通過印刷電路板上

69、總線(地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB)連成一體的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中，中央處理器(CPU)的字長(zhǎng)長(zhǎng)，功能強(qiáng)大；ROM和RAM的容量很大；I/O接口的功能也大，這是單片機(jī)無法比擬的。因此，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與微型計(jì)算機(jī)十分相似，是一種集微型計(jì)算機(jī)主要功能部件于同一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，并由此而得名。</p><p>　　由圖4-1可見，中央處理器(CPU)是通過內(nèi)部總線與ROM、RAM、I/O接口以及定時(shí)器/

70、計(jì)數(shù)器相連的，這個(gè)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但并不好理解。為此，在分析單片機(jī)工作原理前，先對(duì)圖4-1中各部件作一基本介紹是十分必要的。</p><p><b>　　1.存儲(chǔ)器</b></p><p>　　在單片機(jī)內(nèi)部，ROM和RAM存儲(chǔ)器是分開制造的。通常，ROM存儲(chǔ)器容量較大，RAM存儲(chǔ)器的容量較小，這是單片機(jī)用于控制的一大特點(diǎn)。</p><p><

71、;b>　　(1)ROM </b></p><p>　　ROM(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)一般為1~32K字節(jié)，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲(chǔ)器。由于單片機(jī)主要在控制系統(tǒng)中使用，因此一旦該系統(tǒng)研制成功，其硬件和應(yīng)用程序均已定型。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi)ROM中，根據(jù)片內(nèi)ROM的結(jié)構(gòu)，單片機(jī)又可分為無ROM型、ROM型和EPROM(Erasable Pr

72、ogrammable Read Only Memory,可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)型三類。近年來，又出現(xiàn)了EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)和Flash型ROM存儲(chǔ)器。</p><p>　　無ROM型單片機(jī)特點(diǎn)是片內(nèi)不集成ROM存儲(chǔ)器，故應(yīng)用程序必須固化到外接的ROM存儲(chǔ)器芯片中，才能構(gòu)成有完整功能的單片機(jī)應(yīng)

73、用系統(tǒng)。ROM型單片機(jī)內(nèi)部，其程序存儲(chǔ)器是采用掩膜工藝制成的，程序一旦固化進(jìn)去便永遠(yuǎn)不能修改。EPROM型單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器是采用特殊FAMOS管構(gòu)成的，程序一旦寫入，也可以通過特殊手段加以修改。因此，EPROM型單片機(jī)是深受研制人員歡迎的。 </p><p><b>　　(2)RAM</b></p><p>　　通常，單片機(jī)片內(nèi)RAM(Random Access

74、 Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)容量為</p><p>　　64～256字節(jié)，最多可達(dá)48K字節(jié)。RAM主要用來存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。</p><p>　　2.中央處理器(CPU)</p><p>　　中央處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要像電子線路那樣畫出它的全部電路原理圖來加以分析介紹是根本不可能的。下面簡(jiǎn)單概述一下幾個(gè)主要部分的工作

75、原理。</p><p><b>　　(1)運(yùn)算器</b></p><p>　　運(yùn)算器用于對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作；其操作順序在控制器控制下進(jìn)行。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元ALU、累加器A、通用寄存器R0、暫存器TMP和狀態(tài)寄存器PSW等五部分組成。</p><p>　　累加器A(Accumulator)是一個(gè)具有輸入/輸出能力的移位寄存器，由

76、8個(gè)觸發(fā)器組成。TR(Temporary Register,暫存器)也是一個(gè)8位寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算術(shù)邏輯單元)主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對(duì)累加器A和暫存器TMP中兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操作。PSW(Program Status Word，程序狀態(tài)字)也由8位觸發(fā)器組成，用于存放ALU操作過程中形成的狀態(tài)。</p><p

77、><b>　　(2)控制器</b></p><p>　　控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞。控制器由指令部件、時(shí)序部件和微操作控制部件等三部分組成。</p><p>　　指令部件是一種能對(duì)指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控制信號(hào)的邏輯部件，也是控制器的核心。指令是一種能供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分。時(shí)序部件由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈

78、沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號(hào)。微操作控制部件可以為ID(Instruction Decoder，指令譯碼器)輸出信號(hào)配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可與外部進(jìn)來的控制信號(hào)組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。</p><p><b>　　3.內(nèi)部總線</b></p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部總線是CPU連接片內(nèi)各主要部件的紐帶，是各類

79、信息傳送的公共通道。內(nèi)部總線主要由三種不同性質(zhì)的連線組成，它們是地址線、數(shù)據(jù)線和控制線/狀態(tài)線。</p><p>　　地址線主要用來傳送存儲(chǔ)器所需要的地址碼或外部設(shè)備的設(shè)備號(hào)，通常由CPU發(fā)出并被存儲(chǔ)器或I/O接口電路所接收。數(shù)據(jù)線用來傳送CPU寫入存儲(chǔ)器或經(jīng)I/O接口送到輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以傳送從存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備經(jīng)I/O接口讀入的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)線通常是雙向信號(hào)線。控制/狀態(tài)線有兩類：一類是CPU發(fā)出的控制命

80、令，如讀命令、寫命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲(chǔ)器或外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請(qǐng)求、存儲(chǔ)器忙和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)等。</p><p>　　4.I/O接口和特殊功能部件</p><p>　　I/O接口電路有串行和并行兩種。串行I/O用于串行通信，它可以把單片機(jī)內(nèi)部的并行8位數(shù)據(jù)(8位機(jī))變成串行數(shù)據(jù)向外傳送，也可以串行接收外部送來的數(shù)據(jù)并把它們變成并行數(shù)據(jù)送給CPU處理。并行I/O口電路可以使單片

81、機(jī)和存儲(chǔ)器或外設(shè)之間并行地傳送8位數(shù)據(jù)(8位機(jī))。</p><p>　　4.1.2單片機(jī)的基本工作原理</p><p>　　單片機(jī)是通過執(zhí)行程序來工作的，機(jī)器執(zhí)行不同程序就能完成不同的運(yùn)算任務(wù)。因此，單片機(jī)執(zhí)行程序的過程實(shí)際上也體現(xiàn)了單片機(jī)的基本工作原理。為此，先從指令程序談起。</p><p>　　1.單片機(jī)的指令系統(tǒng)和程序編制</p><p&

82、gt;　　前面已經(jīng)介紹，指令是一種可以供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，故它又稱為指令碼(Instruction Code)。指令碼由操作碼(Operation Code)和地址碼(Address Code)構(gòu)成：操作碼用于指示機(jī)器執(zhí)行何種操作；地址碼用于指示參加操作的數(shù)在哪里。其格式為：</p><p>　　指令碼的二進(jìn)制形式既不便于記憶，又不便于書寫，故人們通常采用助記符形式來表示，表4-1所列。</p>

83、<p>　　表4-1 指令的三種形式</p><p>　　指令的集合或指令的全體稱為“指令系統(tǒng)”(Instruction System)。微處理器類型不同，它的指令系統(tǒng)也不一樣。所謂程序就是采用指令系統(tǒng)中的指令根據(jù)題目要求排列起來的有序指令的集合。</p><p>　　程序的編制稱為“程序設(shè)計(jì)”。通常，設(shè)計(jì)人員采用指令的匯編符(即助記符)形式編程，這種程序設(shè)計(jì)稱為“匯編語言程序設(shè)

84、計(jì)”。顯然，設(shè)計(jì)人員如果不熟悉機(jī)器的指令系統(tǒng)是無法編出優(yōu)質(zhì)高效的程序的。</p><p>　　2.單片機(jī)執(zhí)行程序的過程</p><p>　　為了弄清單片機(jī)的工作原理，現(xiàn)以如下的Y=5+10求和程序來說明單片機(jī)的工作過程。</p><p>　　7405HMOVA，#05H；A←05H</p><p>　　240AHADDA，#0A

85、H；A←5+10</p><p>　　80FEHSJMP$；停機(jī)</p><p>　　該程序由三條指令組成，每條指令均為雙字節(jié)指令(即第一字節(jié)為操作碼，第二字節(jié)為地址碼)。第一條指令的含義是把05H傳送到累加器A中；第二條指令是加法指令，它把累加器A中的5和立即數(shù)10相加，結(jié)果保留到累加器A中；第三條是停機(jī)指令，機(jī)器執(zhí)行后處于動(dòng)態(tài)停機(jī)狀態(tài)。</p><p>

86、;　　4.2單片機(jī)的分類及發(fā)展</p><p>　　1974年,美國(guó)仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一臺(tái)單片微型計(jì)算機(jī)F8,該機(jī)由兩塊集成電路芯片組成,結(jié)構(gòu)奇特,具有與眾不同的指令系統(tǒng),深受民用電器和儀器儀表領(lǐng)域的歡迎和重視。從此，單片機(jī)開始迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支。</p><p><b>　　1．單片機(jī)的分類</b>

87、</p><p>　　20世紀(jì)80年代以來，單片機(jī)有了新的發(fā)展，各半導(dǎo)體器件廠商也紛紛推出自己的產(chǎn)品系列。迄今為止，市售單片機(jī)產(chǎn)品已達(dá)60多個(gè)系列，600多個(gè)品種。按照CPU對(duì)數(shù)據(jù)處理位數(shù)來分，單片機(jī)通常可以分為以下四類。</p><p>　　(1)4位單片機(jī) 4位單片機(jī)的控制功能較弱，CPU一次只能處理4位二進(jìn)制數(shù)。這類單片機(jī)常用于計(jì)算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器中的控制器。

88、</p><p>　　(2)8位單片機(jī) 8位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全。和4位機(jī)相比，它不僅具有較大的存儲(chǔ)容量和尋址范圍，而且中斷源、并行I/O接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)都有不同程度的增加，并集成有全雙工串行通信接口。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令。特別是8位機(jī)中的高性能增強(qiáng)型單片機(jī)，除片內(nèi)增加了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以外，還集成有定時(shí)器捕捉/比較寄存器、監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog)、總線控

89、制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機(jī)由于其片內(nèi)資源豐富且功能強(qiáng)大，主要在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用。</p><p>　　(3)16位單片機(jī) 16位單片機(jī)是在1983年以后發(fā)展起來的。這類單片機(jī)的特點(diǎn)是：CPU是16位的，運(yùn)算速度普遍高于8位機(jī)，有的單片機(jī)尋址能力高達(dá)1MB，片內(nèi)含有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路，支持高級(jí)語言。這類單片機(jī)主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的

90、控制器。</p><p>　　(4)32位單片機(jī) 32位單片機(jī)的字長(zhǎng)為32位，是單片機(jī)的頂級(jí)產(chǎn)品，具有極高的運(yùn)算速度。近年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新發(fā)展，32位單片機(jī)的市場(chǎng)前景看好。</p><p>　　2．8位單片機(jī)的新發(fā)展</p><p>　　目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，尤其是8位單片機(jī)已成為當(dāng)前單片機(jī)的主流。8位單片機(jī)的新發(fā)展具體體現(xiàn)在如下四個(gè)方

91、面：</p><p>　　(1)CPU功能增強(qiáng)</p><p><b>　　(2)內(nèi)部資源增多</b></p><p>　　(3)引腳的多功能化</p><p>　　(4)低電壓和低功耗[4]</p><p>　　4.3單片機(jī)AT89C51的特性</p><p>　　AT8

92、9C系列單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的一款標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)。其中數(shù)字9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，C表示CMOS工藝。其管腳圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 AT89C單片機(jī)管腳圖</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高

93、性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈

94、活性高且價(jià)廉的方案。</p><p><b>　　1．主要特性：</b></p><p>　　·與MCS-51 兼容 </p><p>　　·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 </p><p>　　壽命：100寫/擦循環(huán)</p><p>　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年</p>

95、<p>　　·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz</p><p>　　·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定</p><p>　　·128×8位內(nèi)部RAM</p><p>　　·32可編程I/O線</p><p>　　·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><b&

96、gt;　　·5個(gè)中斷源 </b></p><p><b>　　·可編程串行通道</b></p><p>　　·低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 </p><p><b>　　2．管腳說明：</b></p>

97、;<p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p><b>　　GND：接地。</b></p><p>　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口

98、作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P

99、2口為一個(gè)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)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

100、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：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。</p><p>　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：</p><p>

101、;　　P3.0 RXD(串行輸入口)</p><p>　　P3.1 TXD(串行輸出口)</p><p>　　P3.2 /INT0(外部中斷0)</p><p>　　P3.3 /INT1(外部中斷1)</p><p>　　P3.4 T0(記時(shí)器0外部輸入)</p><p>　　P3.5 T1(記時(shí)器1外部輸入)<

102、/p><p>　　P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)</p><p>　　P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)</p><p>　　P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。</p><p>　　ALE/PR

103、OG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如

104、果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　　/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器(0000H-FFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將

105、內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。</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：來自反向振蕩器的輸出。</p><p><b>　　3．振蕩器特性：</b></p>&

106、lt;p>　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p><b>　　4．芯片擦除：</b></p><p>　　

107、整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。</p><p>　　此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存R

108、AM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。</p><p><b>　　4.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的一些基本知識(shí)，如單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單片機(jī)的工作原理等，只有詳細(xì)了解單片機(jī)的工作原理，才能更好的使用單片機(jī)，用單片機(jī)來設(shè)計(jì)電路。</p><p>　　本系統(tǒng)所用的單片機(jī)是Atmel

109、公司生產(chǎn)的AT89C51，DIP封裝，40引腳。它的特點(diǎn)是內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，采用CMOS工藝，這種型號(hào)的芯片是目前應(yīng)用得最普遍的一種。AT89系列的單片機(jī)可分為標(biāo)準(zhǔn)型、低檔型和高檔型三類，均屬于8位機(jī)。我們所使用的AT89C51是標(biāo)準(zhǔn)型的，本章詳細(xì)介紹了它的特性和參數(shù)。</p><p>　　五 電路調(diào)試及誤差分析</p><p><b>　　5.1電路的調(diào)試</b>

110、;</p><p>　　通過多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路各部分進(jìn)行了測(cè)量、調(diào)試和分析。</p><p>　　首先測(cè)試發(fā)射電路對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù)，先用信號(hào)源給發(fā)射電路輸入端一個(gè)40kHz的方波信號(hào)，峰-峰值為3.8V。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號(hào)峰-峰值放大到10V左右。</p><p>　　40kHz的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波，由于

111、聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。</p><p>　　該測(cè)距電路的40kHz方波由單片機(jī)編程產(chǎn)生，方波的周期為1/40ms，即25µs，半周期為12.5µs。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于12M晶振的單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1µs，所以只能產(chǎn)生半

112、周期為12µs或13µs的方波信號(hào)，頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約38.46kHz的方波。</p><p>　　5.2系統(tǒng)的誤差分析</p><p>　　5.2.1聲速引起的誤差</p><p>　　聲波是媒質(zhì)中傳播的質(zhì)點(diǎn)的位置、壓強(qiáng)和密度對(duì)相應(yīng)靜止值的擾動(dòng)。高于20kHz 時(shí)的機(jī)械波稱為超

113、聲波，媒質(zhì)包括氣體、液體和固體。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強(qiáng)波，對(duì)一般流體媒質(zhì)而言，聲波是一種縱波，傳播速度為</p><p><b>　　(5-1)</b></p><p>　　式(5-1)中E為媒質(zhì)的彈性模量，單位kg/mm2；ρ為媒質(zhì)的密度，單位kg/mm3；E 為復(fù)數(shù)，其虛數(shù)部分代表損耗; c也是復(fù)數(shù)，其實(shí)數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)(每單位距離