【正文】 波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的C為超聲波波速 。 基于 C51 單片機(jī)超聲波測距器課程設(shè)計(jì) 6 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(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的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，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。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。 （ 3） 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路原理圖如下圖 (12)所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一 級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R1O、 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 圖（ 12） 超聲波發(fā)射電路原理圖 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(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換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器基于 C51 單片機(jī)超聲波測距器課程設(shè)計(jì) 7 件上的標(biāo)志。 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如下 圖 （ 13） 所示 ： 圖（ 13）超聲波轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)圖 （ 4）超聲波檢測接收電路設(shè)計(jì) 集成電路 CX20206A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz與測距的超聲波頻率 40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路 (如圖 14)。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20206A接收超聲波 (無信號(hào)時(shí)輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 圖（ 14） 超聲波檢測接收電路 （ 5） 單片機(jī)顯示電路 設(shè)計(jì) 顯示電路采用簡單實(shí)用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管驅(qū)動(dòng)。 基于 C51 單片機(jī)超聲波測距器課程設(shè)計(jì) 8 ◆ 綜上可得 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)圖如下圖（ 15）示 ： 本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(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)，單片機(jī)選用 AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有 4K 的 ROM，便于編程。電路原理圖如圖 24 所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路相同，故省略之。 12538764*LM3582 7 685431*LM5674 3 2 15 6 7 8*24C02*10K10K 10KXTAL1191011141521VCC402412XTAL218GND2023AT89C511KR?Res2220K22K10K30pF30PF104 1041041521uF1uF3 4 5 610 11 12 131497128*74ls1641K 1001 2 4 5 6 7 9 1038*2 位 LED 七段數(shù)碼管VCCVCCVCC20K*超聲波換能發(fā)射器*超聲波換能接收器 圖（ 15） 硬件電路設(shè)計(jì)圖 基于 C51 單片機(jī)超聲波測距器課程設(shè)計(jì) 9 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測距時(shí)），所以控制程序可采用 C 語言和匯編 語言混合編程。 （ 1） 超聲波測距儀的算法設(shè)計(jì) 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T在某 一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為： d=s/2=(c t)/2 （ 1） （其中， d為被測物與測距儀的距離， s為聲波的來回的路程， c 為聲速， t為聲波來回所用的時(shí)間。） 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 或 INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)，單片機(jī)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(shí)間差，計(jì)算距離。其部分源程序如下： RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關(guān)外部中斷 0 MOV R7, TH0 ；讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH；計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H, A ；存儲(chǔ)結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, 3CH MOV 30H, A 基于 C51 單片機(jī)超聲波測距器課程設(shè)計(jì) 10 SETB EX0 ；開外部中斷 0 POP ACC POP PSW RETI （ 2） 主程序 主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0工作模式為 16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 (這也就是測距器會(huì)有一 個(gè)最小可測距離的原因 )后，才打開外中斷 0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用 12MHz 的晶振，機(jī)器周期為 1us,當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測得被測物體與測距儀之間的距離 ,設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為 344m/s 則有： d=(C*T0)/2=172T0/10000cm（其中 T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值） 測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算 出距離，主程序采用 C語言編寫。 主程序框圖如下圖（ 21）示： 基于 C51 單片機(jī)超聲波測距器課程設(shè)計(jì) 11 圖（ 21） 主程序框圖 （ 3） 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送 2 個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約 40kHz 的方波），脈 沖寬度為 12μ s 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機(jī)INT0 端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、 右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機(jī) INT1 端口，同時(shí)單片機(jī) 和 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。 基于 C51 單片機(jī)超聲波測距器課程設(shè)計(jì) 12 ◆綜上可得主程序流程圖如下示 ： 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖 22（ a）（ b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和