【正文】 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)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動探測和識別；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)識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測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)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。 因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的意義。 單片機(jī)發(fā)展歷史 目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高 性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢。 由于 CHMOS 技術(shù)的進(jìn)入，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的 CMOS 化。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以 80C51 取代 8051 為標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片的原因。因為單片機(jī)芯片多數(shù)是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。 CMOS 電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了 HMOS（高密度、高 速度 MOS）和 CHMOS工藝。 CHMOS 和 HMOS 工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的 CHMOS 電路已達(dá)到 LSTTL 的速度，傳輸延遲時間小于 2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于 TTL 電路。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。 低功耗化，單片機(jī)的功耗已從 Ma 級，甚至 1uA 以下；使用電壓在 3~6V 之間，完全適應(yīng)電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。低電壓化，幾乎所有的單片機(jī)都有 WAIT、 STOP 等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在3~6V 范圍內(nèi)工作。低 電壓供電的單片機(jī)電源下限已可達(dá) 1~2V。目前 供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。 低噪聲與高可靠性為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機(jī)內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。大容量化，以往單片機(jī)內(nèi)的 ROM 為 1KB~4KB， RAM 為 64~128B。但在需要復(fù)雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，須運用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB， RAM 最大為 2KB。高性能化，主要是指進(jìn)一步 改進(jìn) CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運行速度。現(xiàn)指令速度最高者已達(dá) 100MIPS（ Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加強(qiáng)了位處理功能、中斷和定時控制功能。這類單片機(jī)的運算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出 10 倍以上。由于這類單片機(jī)有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其 I/O 功能，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。 隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小、功能將列強(qiáng)。在單片 機(jī)家族中， 80C51 系列是其中的佼佼者，加之 Intel公司將其 MCS –51系列中的 80C51 內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名 IC 制造廠商，如 Philips、 NEC、 Atmel、 AMD、華邦等，這些公司都在保持與 80C51 單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了 80C51 的許多特性。這樣， 80C51 就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為 80C51 系列。 80C51 單片機(jī)已成為單片機(jī)發(fā)展的主流。專家認(rèn)為，雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明， 80C51 可能最終形成事實上的標(biāo)準(zhǔn) MCU。 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 2 超聲波測距儀系統(tǒng)的硬件和軟件的功能分析 超聲波測距的設(shè)計原理論證 超聲波測距儀的設(shè)計思路 超聲波是指頻率高于 20KHz 的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。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具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在 收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（ time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，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)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 /秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。 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量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。 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量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。 超聲波測距原理 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 υ 在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速 。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 表 1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表 溫度（ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 超聲波測距儀原理框圖 根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，可以采用 STC89S51單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖 . STC89C51L E D 顯 示超 聲 波 接 收超 聲 波 發(fā) 送掃 描 驅(qū) 動 圖 超聲波測距儀原理框圖 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 電超聲波測距儀系統(tǒng)的軟件方案論證 根據(jù)超聲波測距儀系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計要分為 5 個模塊：鍵盤輸入模塊，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊 ，數(shù)碼管顯示模塊，報警模塊。 超 聲 波 測 距 儀 系 統(tǒng) 模 塊鍵盤輸入模塊超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊顯示模塊報警模塊 圖 超聲波測距儀系統(tǒng) 模塊 系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤時，需要手按下鍵盤將其復(fù)位，從而使的程序重新開始運作。 當(dāng)電路所測的距離小于設(shè)計的安全距離時 ，報警模塊會發(fā)出聲光報警信號。 顯示模塊能時刻顯示電路所測的距離，從而起直觀的觀察所測的距離。 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置，超聲波發(fā)射模塊會按照預(yù)定的時間間隔進(jìn)行超聲波的發(fā)射。 當(dāng)超聲波被所測的物體遮擋，超聲波會被反射回來 時，超聲波接收模塊會將其接收，用發(fā)射與接收的時間差進(jìn)行計算所測距離。 3 超聲波測距儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件設(shè)計部分是超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，硬件的電路設(shè)計及相關(guān)硬件的知識是本章敘述的重點。除此之外，以下部分還會分別闡述本設(shè)計運用到的各個模塊的特性和原理，以及所能實現(xiàn)的功能。 STC89C51 簡介 STC89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大的 STC89C51 單片 機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。 STC89C51 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ， 2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線，STC89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程 ， 但不可以在線編程 (S 系列的才支持在線編程 )。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 STC89C51 有 PDIP、 PQFP/TQFP 及 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 主要功能特性： 兼 容 MCS51 指令系統(tǒng) 8k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 時鐘頻率 024MHz 2 個串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個外部中斷源 共 6 個中斷源 2 個讀寫中斷口線 3 級加密位 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 STC89C51 各引腳功能及管腳電壓 概述： STC89C51 為 40 腳雙列直插封裝的 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主 IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。 P0~P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中， P0 端口（ 32~39 腳）被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應(yīng)功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11 腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1 的 SDAS（ 18 腳）和 SCLS（ 19 腳）端口， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義 為握手信號功能端口，連接主板 CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口， 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫 ―1‖時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 ―1‖，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。與 AT89C51 不同之處是， 和 還可分別作為定時 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和輸入（ ），參見表2。 Flash 編程和程序校驗期間， P1 接收低 8 位地址。表 2 為 和 的第二功能 。 表 2 引腳及功能特性 引腳號 功能特性 T2，時鐘輸出 T2EX（定時 /計數(shù)器 2） P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口 P2 寫 ―1‖，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入