【正文】 51 芯片為核心的超聲波測(cè)距儀，74LS04 組成的超聲波發(fā)射電路、并有超聲波處理模塊 CX20226A、液晶顯示等器件組成，包括單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)復(fù)位電路、LCD 顯示電路語音播報(bào)電路。主要實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距并指示功能。依據(jù)實(shí)際的測(cè)量精度要求添加溫度補(bǔ)償電路。本系統(tǒng)成本低廉，功能實(shí)用。本設(shè)計(jì)框圖如圖 所示：超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路 控制電路 計(jì)數(shù)顯示電路4圖 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖4第 2 章 系統(tǒng)方案論證本章節(jié)闡述超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)原理，測(cè)距技術(shù)選型。通過對(duì)比各類型控制器選擇單片機(jī)為控制器并最終選擇 AT89S51 單片機(jī)，并說明了選擇原因以及功能、特性。在超聲波發(fā)生器的選擇上選用了適合近距離測(cè)量的電氣方式超聲波發(fā)生器并采用反射波方式進(jìn)行測(cè)距。超聲波接收傳感器采用了性價(jià)比較高的壓電晶片，其工作頻率、靈敏度下文將會(huì)介紹。顯示單元通過分析各類型顯示屏采用了 12864 液晶顯示屏。 超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)原理超聲波測(cè)距儀工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出 40khz 的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接受器將接受到得超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行辨別、計(jì)算，得出距離數(shù)并顯示和送語音播報(bào)模塊播報(bào)。其計(jì)算公式為： S=340t/2 () 超聲波測(cè)距技術(shù)選型超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF（time of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 340米/秒，由控制器負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，控制單元使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí) [3]。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、控制對(duì)象和現(xiàn)有條件本系統(tǒng)硬件電路采用由單片機(jī)最小系統(tǒng)、5溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路無線通信電路以及語音播報(bào)電路構(gòu)成。本超聲波測(cè)距儀的具體工作過程如下，單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生40kHz的頻率信號(hào)來驅(qū)動(dòng)超聲傳感器。每次發(fā)射包含6個(gè)脈沖左右,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，得到從發(fā)射到接收的時(shí)間 t 后,單片機(jī)讀取溫度值補(bǔ)償聲速,利用測(cè)距公式可計(jì)算出被測(cè)距離，同時(shí)由無線通信模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳到下位機(jī)進(jìn)行顯示和語音播報(bào)。系統(tǒng)總體；。超聲波接收放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時(shí)器 單片機(jī)控制 無線發(fā)射器超聲波發(fā)射器 放大電路圖 發(fā)射模塊無線接收單片機(jī)控制液晶顯示語音播報(bào)圖 接收模塊6 控制器選型 控制器可分為 DSP、FPGA、單片機(jī)等。本設(shè)計(jì)通過對(duì)比分析選擇了單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器。下面分別對(duì)這三種控制器進(jìn)行論述，并說明的選擇單片機(jī)作為控制器的理由。DSP 控制器：DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為 0 或 1 的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片?！　SP 微處理器（芯片）一般具有如下主要特點(diǎn)： 　?。?）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； 　?。?）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)； 　?。?）片內(nèi)具有快速 RAM，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問； 　?。?）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （5）快速的中斷處理和硬件 I/O 支持；FPGA 控制器：FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（Configurable Logic Block） 、輸出輸入模塊 IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL 及 CPLD 器件）相比，F(xiàn)PGA 具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA 利用小型查找表（161RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè) D 觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng) I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到 I/O 模塊。FPGA 的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與 I/O 間的聯(lián)接方式，并最終決定了 FPGA 所能實(shí)現(xiàn)的功能， FPGA 允許無限次的編程。單片機(jī)控制器：?jiǎn)纹⑿陀?jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它把中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價(jià)格低廉、抗干擾能力7強(qiáng)且可靠性高等特點(diǎn)，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的前端裝置。單片機(jī)的主要特點(diǎn)有：（1）具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。（2）集成度高、體積小、可靠性高。（3）控制功能強(qiáng)。（4）低電壓，低功耗。通過以上的分析， DSP控制器功能很強(qiáng)大性能也很好，但是對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，有些很好的功能可能用不上而且DSP 成本較高，而 FPGA的性能同樣很好，但本設(shè)計(jì)有些功能FPGA不能很好的滿足。因此控制器的選擇為單片機(jī)。 單片機(jī)選型單片機(jī)又分為很多種類，例如AVR、凌陽(yáng)單片機(jī)和51單片機(jī)等等，下面對(duì)單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析論述。AVR單片機(jī)：ATMEL公司研制開發(fā)的一種新型單片機(jī)， PIC單片機(jī)相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行速度較快；芯片內(nèi)部的Flash、EEPROM、SRAM容量較大；所有型號(hào)的Flash、EEPROM都可以反復(fù)燒寫、全部支持在線編程燒寫；多種頻率的內(nèi)部RC 振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，零外圍電路也可以工作；IO口可以以推換驅(qū)動(dòng)的方式輸出高、低電平，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD、DA模數(shù)器；PWM；SPI 、USART、 TWI、I2C通信口；豐富的中斷源等。凌陽(yáng)單片機(jī)：整合了多個(gè)常用的功能模塊，讓我們?cè)谶M(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)候不用外加過多的硬件就可方便的完成一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這就是人們常說的SoC（System on chip）技術(shù)；耗電少，可以滿足很多手提設(shè)備、掌上設(shè)備低能耗的需求；可方便的用來實(shí)現(xiàn)聲音錄制、播放，Midi音樂合成和語音識(shí)別；可方便的完成一系列乘加的運(yùn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)處理比較容易；芯片里具備在線仿真調(diào)試電路，使調(diào)試和程序下載更加方便，也把仿真器和燒錄器的成本給節(jié)省下來了。51單片機(jī)：有優(yōu)異的性價(jià)比；集成度高、體積小、有很高的可靠性；控制作用強(qiáng)；擴(kuò)展性能好，非常容易構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。以上三種單片機(jī)的開發(fā)過程和編程思維都是相似的。AVR單片機(jī)功能強(qiáng)大，功8耗低，一般小型都可以滿足。而凌陽(yáng)單片機(jī)是一款功能強(qiáng)大的語音處理單片機(jī)。51單片機(jī)比較基礎(chǔ)、成熟，一般教學(xué)都用這種單片機(jī)。因此，對(duì)于本系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和要求，在此選用51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制核心。51 單片機(jī)全稱 AT89S51 單片機(jī)，是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含有 4K bytes 的課反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度。非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS—51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89S51 單片機(jī)可以為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。由于其集成度高，體積小且可靠性強(qiáng)，有很好的擴(kuò)展性能易于構(gòu)成多種應(yīng)用系統(tǒng)，所以我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)里采用 AT89S51 單片機(jī)。 AT89S51 主要性能參數(shù)及功能AT89S51 單片機(jī)性能參數(shù)有：與 MCS—51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；4K 字節(jié)可以重復(fù)擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器； 1000 吃擦寫周期；全靜態(tài)操作范圍為 0Hz—24Hz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM；32 個(gè)可編程 I/O 口線；6 個(gè)中斷源；可編程串行 UART 通道；低功耗空閑和掉電模式。AT89S51 提供以下功能：k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器；128 字節(jié)內(nèi)部 RAM；32 個(gè)I/O 口線；兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器； 一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)；一個(gè)雙工串行口通信；片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51 可以降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)點(diǎn)工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，當(dāng)允許 RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 超聲波發(fā)生器選型超聲波發(fā)生器可以分為兩類：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。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)。9超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式 [4]。測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器