【正文】 各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 28 初 初 初 初 初 初初 初 初 初 初初 初 初 初初 初 初 初初 初 初初 初 圖 45 外部中斷子程序 29 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 仿真軟件簡(jiǎn)介 本次設(shè)計(jì)所采用的仿真軟件是 Protuus ，與其關(guān)聯(lián)的程序編寫軟件是 Keil uVision，本節(jié)就 Proteus軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 27 初 初 初 初 初 初初 初 初 初 初 初初 初 初 初 初初 初 初 初初 初 初 初初 初 初初 初初初 圖 44 定時(shí)中斷子程序 子程序還應(yīng)該有延時(shí)部分。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器溢出中斷將外中斷 0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2以表示此次測(cè)距不成功。主程序框圖如圖 43所示。距離計(jì)算公式： S=C*T/2 (41) 為被測(cè)物與測(cè)距器的距離， C 為聲速， T 為聲波來(lái)回所用的時(shí)間聲速 C 與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。 主程序的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用的是渡越時(shí)間法進(jìn)行測(cè)距．所姒要測(cè)出超聲波收、發(fā)之間的時(shí)間 t，則距離 s=vt/2. 電路的工作時(shí)序如圖 42所示，其中 a 脈沖為發(fā)送端的置位 脈沖，同時(shí)作為計(jì)時(shí)器的起始脈沖， b 脈沖為虛假脈沖 (由繞射產(chǎn)生，應(yīng)避開 )； a、 b的時(shí)間間隔為盲區(qū)；c 脈沖為接受端接收到的有效回波脈沖，用于停止計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)。本設(shè)計(jì)中 7 HC04推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器， 40 kHz方波，而 (INT0)則被用來(lái)接收回波。 Keil 的特點(diǎn) 1 全功能的源代碼編輯器 2 器件庫(kù)用來(lái)配置開發(fā)工具設(shè)置 3 項(xiàng)目管理器用來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)用戶的項(xiàng)目 4 集成的 MAKE 工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用 5 所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對(duì)話框形式的 6 真正的源代碼級(jí)的對(duì) CPU 和外圍器件的調(diào)試器 7 高級(jí)的 GDI(AGDI)接口用在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和 Monitor51進(jìn)行通信 本次設(shè)計(jì)的匯編語(yǔ)言編程環(huán)境就是 Keil，由它和仿真軟件 Proteus 關(guān)聯(lián)，進(jìn)行單片機(jī)的仿真和調(diào)試。 * 仿真器上的復(fù)位按鈕只復(fù)位仿真芯片，不復(fù)位目標(biāo)系統(tǒng)。然后分別由 C51及 A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件 (.OBJ)。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 1. 系統(tǒng)概述 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。 計(jì)算機(jī)不能直接識(shí)別用匯編語(yǔ)言指令編寫的程序，必須通過匯編程序吧它翻譯成機(jī)器碼 ，這個(gè)翻譯過程稱為匯編。上例中操作數(shù)區(qū)段包含 2個(gè)操作數(shù) A 和 0C0H，它們之間用逗號(hào)分隔開。 操作碼區(qū)段是指令的功能部分，不能省略，它是便于記憶的助記符。一條匯編語(yǔ)言指令中最多包含 4個(gè)區(qū)段，如下所示： 標(biāo)號(hào)：操作碼 操作數(shù)；注釋 4 個(gè)區(qū)段之間要用分隔符分開，標(biāo) 號(hào)區(qū)段與操作碼區(qū)段之間用冒號(hào) “ ： ” 隔開，操作碼與操作數(shù)之間用空格隔開，操作數(shù)與注釋區(qū)段之間用分號(hào) “ ； ” 分隔。 下表 31為 T/R4010超聲波傳感器的特性參數(shù)（ T— 發(fā)射， R— 接收， 40— 中心頻率，單位 kHZ， 10— 外殼直徑，單位 mm）。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖刺激后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。它們都是利用壓電材料（如石英、壓電陶瓷等）等的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如圖 [12]。動(dòng)態(tài)顯示器因其硬件成本較低，多數(shù)位顯示時(shí)常常采用。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，這種方式，每一顯示位都需要一個(gè) 8位輸出口控制， 19 占用硬件較多，一般僅用于顯示器位數(shù)較少的場(chǎng)合。將 7段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當(dāng)某個(gè)字段的陽(yáng)極為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮。 C1 取值過大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，通常取為 luf,C2 為檢波電容， 一般取 , CX20206采用峰值檢波方式，當(dāng) C2 容量較大時(shí)將變成乎均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度會(huì)變低， C2較小時(shí)雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會(huì)發(fā)生較大變動(dòng)，容易造成解調(diào)出錯(cuò)而產(chǎn)生誤操作。 7 腳：遙控命 令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ ，沒有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。 4 腳：接地端。 2 腳：該腳與 GND 之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。 實(shí)驗(yàn)證明，用 CX20206A接收超聲波（無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平）具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。 本文 放大 接收電路采用集成電路 CX20206A，如圖 34所示， CX20206A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號(hào)接收集成電路 ， 是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn) ， 可用來(lái)完成信號(hào)的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能， 其中的前置放大 器具有自動(dòng)增益控制功能 ，可以保證在超聲傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí) ， 放大器有較高的增益 ,在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載 ； 其帶通濾波器中心頻率可由芯片 5 腳的外接電阻調(diào)節(jié) ， 不需要外接電感 ， 可避免外磁場(chǎng)對(duì)電路的干擾 ， 可靠性較高 。 單片機(jī) 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。發(fā)射部分的電路，如圖 32 所示。 14 發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 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。其時(shí)序圖如圖 31 所示 。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來(lái)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)。 圖 210所示電路因?yàn)?LM567檢波芯片 在噪聲幾十 mV到 幾百 mV時(shí)自身相應(yīng)時(shí)間誤差也能到毫秒級(jí) ，其誤差較大，而且 LM567的響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，所以本次設(shè)計(jì)也不采用這種電路。 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。 圖 27中的由 555集成芯片 構(gòu)成的發(fā)射電路 ，其40kHz的方波脈沖是由 555振蕩產(chǎn) 生，屬于外部信號(hào)源，其操作麻煩，不易使用。圖中輸出端上拉電阻 R31，R32，一方面可以提高反向器 74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間 [7]。 超 聲 波 接 收 器 放 大 電 路 整 形 濾 波 電 路單 片 機(jī)顯示電路超 聲 波 發(fā) 射 器放 大 電 路 圖 23 放大整形濾波的電路流程圖 8 超 聲 波 接 收 器 放 大 電 路 檢 波 電 路單 片 機(jī)顯示電路超 聲 波 發(fā) 射 器放 大 電 路 圖 24 放大檢波電路的電路流程圖 根據(jù)這兩種不同原理所設(shè)計(jì)的電路有很多，本文列出以下幾 種供參考。超聲波接收電路的目的就是使單片機(jī)能夠接收到信號(hào)比較強(qiáng)并且無(wú)其他明顯干擾的 40kHz的波形 ，使單片機(jī)能夠在接收到此信號(hào)后停止計(jì)時(shí)。超聲波的接收電路，用到放大器和一些集成芯片。 CPU 的選型 在綜合考慮了 MCS51的多種單片機(jī)后，我選擇了本科期間學(xué)習(xí)最多，也是最為熟悉的 8051單片機(jī)，此單片機(jī)具有成本低，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，雖然在功能和操作上較其他一些新型單片機(jī)稍差，但 8051可以滿足本次設(shè)計(jì)的所有要求。 空閑方式： CPU停止工作，而讓 RAM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 5l系列單片機(jī)中典型芯片 (8051)采用 40引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內(nèi)部由 CPU，4kB的 ROM， 256 B的 RAM， 2個(gè) 16b的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 T0和 T1， 4個(gè) 8位的 I/O端口： P0，P1， P2， P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。 單片 機(jī)基礎(chǔ) 知識(shí) 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。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波本時(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)，就成為超聲波接收器。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器 。 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。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速 c與溫度有 關(guān) [2]，表 21 列出了幾種不 同溫度下的波速。 4 第二章 方案分析 超聲波測(cè)距的原理 單片機(jī)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 2ctS? (21) 式 (21)中的 c 為超聲波在空氣中傳播的速度。在第三章里詳細(xì)介紹了本次設(shè)計(jì)的硬件電路圖及其原理。 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 3 波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 設(shè)計(jì)目標(biāo) 是 形成一個(gè)完整模型，并能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制要求，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。 設(shè)計(jì)硬件電路，能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距 離。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。但就目前技術(shù)水平來(lái)說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。而設(shè)計(jì)研制箱涵排水疏通移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機(jī)器人的設(shè)計(jì)研制的核心部分。 隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。 關(guān)鍵詞 ： 超聲波，單片機(jī)，測(cè)距， 8051 4 DESIGN OF UlTRASONIC DISTANE TESTING SYSTEM BASED ON 51 SINGLECHIP MICROCOMPUTER ABSTRACT Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology bine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move back ward the radar , water level measuring , building construction site and some industrial scenes extensively。 學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件（論文）： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一本（包括電子文檔）； 軟件流程圖； 軟件程序（電子文檔）； 主要參考文獻(xiàn)（資料）： 單片機(jī)原理與應(yīng)用 一些芯片的參考資料 相關(guān)論文 對(duì)選題學(xué)生的基本要求： 系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過單片機(jī)課程，具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力。 要求采用 MCS51單片機(jī)作為主控 CPU，能夠 實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示距離值。 1 太 原 理 工 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 書 設(shè)計(jì)題目： 基于 51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 設(shè)計(jì)任務(wù)： 綜合運(yùn)用有關(guān)課程的知識(shí)，了解超聲波測(cè)距原理，掌握有關(guān)超聲波測(cè)距方面的知識(shí)，樹立正確的設(shè)計(jì)思想。 設(shè)計(jì)硬件電路，能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。 設(shè)計(jì)目標(biāo)： 形成一個(gè)完整模型，并能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制要求，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。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)到日常 實(shí) 用的要求 。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