畢業(yè)設(shè)計----超聲波測距電路的設(shè)計

1、<p><b>　　目　　錄</b></p><p>　　1.目 錄...............................................................................................................................................1</p>

2、<p>　　2.摘 要........................................................................................................................................2</p><p>　　3.引 言....................................

3、...........................................................................................................3 </p><p>　　4. 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計...........................................................................

4、............................................4</p><p>　　4.1 超聲波測距的原理....................................................................................................................4</p><p>

5、　　4.2超聲波測距系統(tǒng)電路的設(shè)計......................................................................................................5</p><p>　　4.2.1 總體設(shè)計方案..............................................................

6、......................................................5</p><p>　　4.2.2發(fā)射電路的設(shè)計...................................................................................................................6</p>&

7、lt;p>　　4.2.3接收電路的設(shè)計...................................................................................................................6</p><p>　　4.2.4顯示模塊的設(shè)計.............................................

8、......................................................................7</p><p>　　4.3超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計......................................................................................................8</p&

9、gt;<p>　　4.4小結(jié)............................................................................................................................................10</p><p>　　5緒 論..........................

10、....................................................................................................................11</p><p>　　5.1 課題背景，目的和意義................................................................

11、............................................11</p><p>　　5.2超聲波測距方案.........................................................................................................................11</p><p

12、>　　5.2.1基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)..........................................................................................11</p><p>　　5.3課題主要內(nèi)容......................................................................

13、.......................................................12</p><p>　　6 超聲波傳感器...................................................................................................................................

14、13</p><p>　　6.1超聲波傳感器的原理與特性.....................................................................................................13</p><p>　　6.1.1原理.............................................

15、.........................................................................................13</p><p>　　6.1.2特性..................................................................................................

16、....................................14</p><p>　　6.2超聲波傳感器的檢測方式.........................................................................................................15</p><p>　　6.3超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成

17、.........................................................................................................16</p><p>　　6.4小結(jié)...................................................................................

18、..........................................................17</p><p>　　7 AT89C51單片機簡介.......................................................................................................................18&

19、lt;/p><p>　　7.1單片機基礎(chǔ)知識........................................................................................................................18</p><p>　　7.1.1單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)............................

20、.................................................................................18</p><p>　　7.1.2單片機的基本工作原理..................................................................................................

21、...21</p><p>　　7.2單片機的分類及發(fā)展................................................................................................................22</p><p>　　7.3單片機AT89C51的特性.........................

22、.................................................................................23</p><p>　　7.4小結(jié)............................................................................................................

23、................................25</p><p>　　8. 電路調(diào)試及誤差分析.....................................................................................................................26</p><p>　　8.1電路的調(diào)試

24、................................................................................................................................26</p><p>　　8.2系統(tǒng)的誤差分析.......................................................

25、.................................................................26</p><p>　　8.2.1聲速引起的誤差.................................................................................................................26&l

26、t;/p><p>　　8.2.2單片機時間分辨率的影響.................................................................................................27</p><p>　　8.4小結(jié).......................................................

27、.....................................................................................28</p><p>　　結(jié) 論.......................................................................................................

28、........................................29</p><p>　　致 謝 詞………………………………………………………………………………………...29</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………………………………...30</p><p>　　附 錄………………………………………………

29、…………………………………………31</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優(yōu)點，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。</p><p>　　本課題詳細

30、介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51單片機的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞

31、：超聲波 單片機 測距 AT89C51</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，測距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個問題。就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波技術(shù)將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前

32、景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測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，它將朝著更高定位更高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求?！　〔捎贸暡y量大氣中的地面距離，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境(如含粉塵)具有一定的適應(yīng)能力。因此，用途極度廣泛。例如:測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，利用超

33、聲波測量地面距離的方法，是利用光電技術(shù)實現(xiàn)的，超聲測距儀的優(yōu)點是：儀器造價比光波測距儀低，省力、操作方便。　　超聲測距儀在先進的機器人技術(shù)上也有應(yīng)用，把超聲波源安裝在機器人身上，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時接收由障礙物反射回波來確定機器人的自身位置，用它作為傳感器控制機器人等等。由于超聲波易于定向發(fā)射，方向性好，</p><p><b>　　超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計</b></p>

34、;<p>　　4.1 超聲波測距的原理</p><p>　　單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波, 從而測出發(fā)射和接收回波的時間差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。</p><p&

35、gt;　　限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在四個因素：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。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍，減少測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法。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>　　表1-1 聲速與溫度的關(guān)系<

36、/p><p>　　波速確定后，只要測得超聲波往返的時間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 超聲波測距系統(tǒng)框圖</p><p>　　單片機AT89C51發(fā)出短暫的40kHz信號，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)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機中斷程序，讀出時間t，再由系統(tǒng)軟件

37、對其進行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至LED數(shù)碼管進行顯示。</p><p>　　在下一節(jié)里，我們將詳細介紹超聲波測距儀的各部分電路的設(shè)計思路及方法。</p><p>　　4.2超聲波測距系統(tǒng)電路的設(shè)計</p><p>　　4.2.1 總體設(shè)計方案</p><p>　　由單片機AT89C51編程產(chǎn)生40kHz的方波，由P3.6口輸出，再

38、經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(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，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。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離,并由單片機控制顯示出來。</p><p>　　該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機相連

39、接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖1-2所示。</p><p><b>　　圖1-2 時序圖</b></p><p>　　單片機在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。</p><

40、p>　　1.2.2發(fā)射電路的設(shè)計</p><p>　　由單片機產(chǎn)生的40kHz的方波需要進行放大，才能驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動電路其實就是一個信號放大電路，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>　　74HC04內(nèi)部集成了六個反向器，

41、同時具有放大的功能。74HC04的管腳如圖1-4所示。</p><p>　　圖1-4 74HC04管腳圖</p><p>　　4.2.3接收電路的設(shè)計</p><p>　　超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號，此時的信號比較弱，必需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了LM741對接收到的信號進行放大，接收電路如圖1-5所示。</p><p><b

42、>　　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，其頻率為傳感器的中心頻率，即40kHz。該信號通過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中斷口。LM741是一單運放集成芯片，圖1-6為LM741管腳圖。</p><p>　　圖1-6 LM741管腳圖</p><p&g

43、t;　　4.2.4顯示模塊的設(shè)計</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)簡單，價格便宜。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LED顯示管原理圖。八段LED顯示管由八

44、只發(fā)光二極管組成，編號是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>　　單片機對LED管的顯示可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點是各LED管能穩(wěn)定地同時顯示各自字形；動態(tài)顯示是指各LED輪流地一遍一遍顯示各自字符，人們由于視覺器官惰

45、性，從而看到的是各LED似乎在同時顯示不同字形。</p><p>　　為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本，單片機控制系統(tǒng)通常采用動態(tài)掃描顯示。但是由于本系統(tǒng)所用的單片機引腳少，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>　　4.3超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)

46、計</p><p>　　單片機編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數(shù)功能開始計時，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負跳變在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，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，(a)為主程序流程圖，(b)為定時中

47、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>　　用單片機編程產(chǎn)生40kHz方波，可用延時程序和循環(huán)語句實現(xiàn)。先定義一個延時函數(shù)delays()，然后可用for語句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時改變

48、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() {} //延時函數(shù)</p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(a=0;a<200;a++) //產(chǎn)生10

49、0個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><p><b>　　}

50、</b></p><p>　　單片機每隔一段時間產(chǎn)生一串40kHz方波，同時定時器開始計時，當(dāng)收到回波，產(chǎn)生中斷信號后，單片機執(zhí)行中斷程序。在中斷程序中，先讓定時器停止計數(shù)，然后讀取時間，通過時間計算出所測距離，輸出結(jié)果。</p><p><b>　　中斷程序如下：</b></p><p>　　void intersvro(void

51、) 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><p>　　ul

52、ong num;</p><p>　　TR0=0 ; //停止計數(shù)</p><p><b>　　DH=TH0;</b></p><p><b>　　DL=TL0;</b></p><p>　　COUNT=TH0*256+TL0;</p><

53、;p>　　num= (344*COUNT)/20000; //計算距離</p><p>　　bwei=num/100; //取百位</p><p>　　gwei=(num-bwei*100)/10; //取十位</p><p>　　shwei=num%10; //取個位<

54、;/p><p>　　P1=tab[bwei]; //輸出百位</p><p>　　P0=tab[shwei]; //輸出十位</p><p>　　P2=tab[gwei]; //輸出個位</p><p><b>　　TH0=0;</

55、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，并用單片機內(nèi)部軟件譯碼。這樣簡單方便，省去了復(fù)雜的外部譯碼電路。</p><p>　　軟件譯碼只需要定義一個數(shù)組便可，程序語句如下：<

56、/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>　　緒論</b></p><p>　　5.1 課題背景，目的和意義</p&g

57、t;<p>　　傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計算機技術(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，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且測量精度較高。</p><

58、;p>　　超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_、機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實意義。對本課題的研究與設(shè)計，還能進一步提高自己的電路設(shè)計水平，深入對單片機的理解和應(yīng)用。</p><p>　　5.2兩種常用的超聲波測距方案</p><p>　　5.2.1基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)</p&

59、gt;<p>　　基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機編程產(chǎn)生頻率為40kHz的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路放大，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 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)框圖</p><p>　　這種以單片機為核心的超聲波測

60、距系統(tǒng)通過單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離，結(jié)果輸出給LED顯示[1]。</p><p>　　利用單片機準(zhǔn)確計時，測距精度高，而且單片機控制方便，計算簡單。許多超聲波測距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計方法。</p><p&g

61、t;<b>　　5.3課題主要內(nèi)容</b></p><p>　　通過上節(jié)介紹我們知道，以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計簡單、方便，而且測精度能達到工業(yè)要求。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。</p><p>　　通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，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

62、計時。超聲波在空氣中的傳播速度為V，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。</p><p>　　本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。接收電路的輸出端接單片機的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片機

63、的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離,結(jié)果輸出給LED顯示。</p><p>　　利用本測距系統(tǒng)測量，范圍應(yīng)在30cm～200cm內(nèi)，其最大誤差控制在10cm。</p><p><b>　　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)計和制成了許

64、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、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的

65、。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的因有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。</p><p>　　在設(shè)計超聲波測距系統(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。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測方式以及

66、超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。 </p><p>　　6.1超聲波傳感器的原理與特性</p><p><b>　　6.1.1原理</b></p><p>　　人們可以聽到的聲音頻率為20Hz～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。<

67、;/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，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單。</p><p>　　超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個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。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就

68、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，則檢測距離變短，分解力也變高。</p><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

69、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，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。</p><p>　　圖3-1 壓電逆效應(yīng)</p><p&

70、gt;　　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，在長度方向上，一片伸長，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(振動板)接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于

71、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與縮短，于是就能發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲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，另一面為負極的電壓。若接

72、收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進行振動，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>　　6.1.2特性</b></p><p>　　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

73、壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各自使用并聯(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)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進

74、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)生超聲波時要充分考慮到這一點以免逸出標(biāo)稱頻率。</p><p>　　圖3-2表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報警裝置等。</p><p>　　另外，對于這種傳感器，一般來說溫度越高

75、，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時，不僅在外部進行溫度補償，在傳感器內(nèi)部也要進行溫度補償。</p><p>　　圖3-2 傳感器的方向性</p><p>　　6.2超聲波傳感器的檢測方式</p><p>　　1.穿透式超聲波傳感器的檢測方式</p><p>　　當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時，檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷

76、有無物體通過。這種方式的檢測距離約1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測物體使用100mm×100mm的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。</p><p>　　2.限定距離式超聲波傳感器的檢測方式</p><p>　　當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測物體時，僅檢測電位器設(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。若被檢測物體的檢測面為平面時，則可檢測透明體。若被檢測物體相對

77、傳感器的檢測面為傾斜時，則有時不能檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀，實際使用超聲波傳感器時一定要確認是否能檢測到被測物體。</p><p>　　3.限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式</p><p>　　在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時，則被檢測物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測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，檢測范圍也可以是由距離切換開關(guān)

78、設(shè)定的范圍。</p><p>　　4.回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式</p><p>　　回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反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

79、波替代光電傳感器的光，因此，可檢測透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點，調(diào)整用門信號控制被測物體反射的超聲波的檢測時間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。</p><p>　　6.3超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成</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，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能量轉(zhuǎn)換為

80、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)生機械振動，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進行檢測。</p><p>　　圖3-3 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　控制部分判斷接收器的接收信號的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。對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，

81、可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號的時間或?qū)挾?，可以自由改變檢測物體的范圍。</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。</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，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波

82、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>　　6.4小結(jié)</b></p><p>　　本章我們詳細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

83、種檢測方式，分別為穿透式超聲波傳感器的檢測方式、限定距離式超聲波傳感器的檢測方式、限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式和回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式。</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><p>　　AT89C51單片機簡介</p><p>　　本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)是基于單片機控制的，在介紹電路設(shè)計之前，

84、我們先來簡單了解一下單片機的工作原理，由于本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)是以Atmel公司的8位單片機AT89C51為核心的，所以，在本章先簡單的介紹一下AT89C51的一些特性。</p><p>　　7.1單片機基礎(chǔ)知識</p><p>　　單片微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。單片微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是一種非

85、?；钴S且頗具生命力的機種。</p><p>　　通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。</p><p>　　7.1.1單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　單片機內(nèi)部

86、結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　與單片機相比，微型計算機是一種多片機系統(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)連成一體的完整計算機系統(tǒng)。其中，中央處理器(CPU)的字長長，功能強大；ROM和RAM的容量很大；I/O接口的功能也大，這是單

87、片機無法比擬的。因此，單片機在結(jié)構(gòu)上與微型計算機十分相似，是一種集微型計算機主要功能部件于同一塊芯片上的微型計算機，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接口以及定時器/計數(shù)器相連的，這個結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但并不好理解。為此，在分析單片機工作原理前，先對圖4-1中各部件作一基本介紹是十分必要的。</p><p><b

88、>　　1.存儲器</b></p><p>　　在單片機內(nèi)部，ROM和RAM存儲器是分開制造的。通常，ROM存儲器容量較大，RAM存儲器的容量較小，這是單片機用于控制的一大特點。</p><p><b>　　(1)ROM </b></p><p>　　ROM(Read Only Memory，只讀存儲器)一般為1~32K字節(jié)，

89、用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲器。由于單片機主要在控制系統(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)，單片機又可分為無ROM型、ROM型和EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可編程只讀存儲器)型三類。近年來，又出現(xiàn)了EEPROM(Electrically Erasable Progra

90、mmable Read Only Memory,電擦除可編程只讀存儲器)和Flash型ROM存儲器。</p><p>　　無ROM型單片機特點是片內(nèi)不集成ROM存儲器，故應(yīng)用程序必須固化到外接的ROM存儲器芯片中，才能構(gòu)成有完整功能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。ROM型單片機內(nèi)部，其程序存儲器是采用掩膜工藝制成的，程序一旦固化進去便永遠不能修改。EPROM型單片機內(nèi)部的程序存儲器是采用特殊FAMOS管構(gòu)成的，程序一旦寫入，也

91、可以通過特殊手段加以修改。因此，EPROM型單片機是深受研制人員歡迎的。 </p><p><b>　　(2)RAM</b></p><p>　　通常，單片機片內(nèi)RAM(Random Access Memory，隨機存取存儲器)容量為</p><p>　　64～256字節(jié)，最多可達48K字節(jié)。RAM主要用來存放實時數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧

92、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。下面簡單概述一下幾個主要部分的工作原理。</p><p><b>　　(1)運算器</b></p><p>　　運算器用于對二進制數(shù)進行算

93、術(shù)運算和邏輯操作；其操作順序在控制器控制下進行。運算器由算術(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)是一個具有輸入/輸出能力的移位寄存器，由8個觸發(fā)器組成。TR(Temporary Register,暫存器)也是一個8位寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算

94、術(shù)邏輯單元)主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對累加器A和暫存器TMP中兩個操作數(shù)進行四則運算和邏輯操作。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><b>　　(2)控制器</b></p><p>　　控制器是發(fā)布操作命令的機構(gòu)，是計算機的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中

95、樞?？刂破饔芍噶畈考r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指令進行分析、處理和產(chǎn)生控制信號的邏輯部件，也是控制器的核心。指令是一種能供機器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分。時序部件由時鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時脈沖信號。微操作控制部件可以為ID(Instruction Decoder，指令譯碼器)輸出信號配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可與外

96、部進來的控制信號組合，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>　　單片機內(nèi)部總線是CPU連接片內(nèi)各主要部件的紐帶，是各類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器所需要的

97、地址碼或外部設(shè)備的設(shè)備號，通常由CPU發(fā)出并被存儲器或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)線通常是雙向信號線?？刂?狀態(tài)線有兩類：一類是CPU發(fā)出的控制命令，如讀命令、寫命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲器或外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請求、存儲器忙和系統(tǒng)復(fù)位信號等。</p><p>　　4.I/O接口和特

98、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，它可以把單片機內(nèi)部的并行8位數(shù)據(jù)(8位機)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口電路可以使單片機和存儲器或外設(shè)之間并行地傳送8位數(shù)據(jù)(8位機)。</p><p>　　7.1.2單片機的基本工作原理</p><p>　　單

99、片機是通過執(zhí)行程序來工作的，機器執(zhí)行不同程序就能完成不同的運算任務(wù)。因此，單片機執(zhí)行程序的過程實際上也體現(xiàn)了單片機的基本工作原理。為此，先從指令程序談起。</p><p>　　1.單片機的指令系統(tǒng)和程序編制</p><p>　　前面已經(jīng)介紹，指令是一種可以供機器執(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(Ad

100、dress Code)構(gòu)成：操作碼用于指示機器執(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><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

101、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”。通常，設(shè)計人員采用指令的匯編符(即助記符)形式編程，這種程序設(shè)計稱為“匯編語言程序設(shè)計”。顯然，設(shè)計人員如果不熟悉機器的指令系統(tǒng)是無法編出優(yōu)質(zhì)高效的程序的。</p><p>　　2.單片機執(zhí)行程序的過程</p><

102、p>　　為了弄清單片機的工作原理，現(xiàn)以如下的Y=5+10求和程序來說明單片機的工作過程。</p><p>　　7405HMOVA，#05H；A←05H</p><p>　　240AHADDA，#0AH；A←5+10</p><p>　　80FEHSJMP$；停機</p><p>　　該程序由三條指令組成，每條指令

103、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；第三條是停機指令，機器執(zhí)行后處于動態(tài)停機狀態(tài)。</p><p>　　7.2單片機的分類及發(fā)展</p><p>　　1974年,美國仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一臺單片微型計算機F8,該機由兩塊集成

104、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，單片機開始迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍也在不斷擴大，現(xiàn)已成為微型計算機的重要分支。</p><p><b>　　1．單片機的分類</b></p><p>　　20世紀(jì)80年代以來，單片機有了新的發(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，市售單片機產(chǎn)品已達60多個系列，6

105、00多個品種。按照CPU對數(shù)據(jù)處理位數(shù)來分，單片機通常可以分為以下四類。</p><p>　　(1)4位單片機 4位單片機的控制功能較弱，CPU一次只能處理4位二進制數(shù)。這類單片機常用于計算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器中的控制器。</p><p>　　(2)8位單片機 8位單片機的控制功能較強，品種最為齊全。和4位機相比，它不僅具有較大的存儲容量和尋址范圍，而且中斷源、并行I

106、/O接口和定時器/計數(shù)器個數(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位機中的高性能增強型單片機，除片內(nèi)增加了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以外，還集成有定時器捕捉/比較寄存器、監(jiān)視定時器(Watchdog)、總線控制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機由于其片內(nèi)資源豐富且功能強大，主要在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器和辦公自動化系統(tǒng)中應(yīng)用。</p><p>　　(3)

107、16位單片機 16位單片機是在1983年以后發(fā)展起來的。這類單片機的特點是：CPU是16位的，運算速度普遍高于8位機，有的單片機尋址能力高達1MB，片內(nèi)含有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路，支持高級語言。這類單片機主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計算機外部設(shè)備的控制器。</p><p>　　(4)32位單片機 32位單片機的字長為32位，是單片機的頂級產(chǎn)品，具有極高的運算速度。近年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新發(fā)