【正文】 各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(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 仿真軟件簡介 本次設計所采用的仿真軟件是 Protuus ，與其關聯(lián)的程序編寫軟件是 Keil uVision，本節(jié)就 Proteus軟件進行簡單介紹。 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 定時中斷子程序 子程序還應該有延時部分。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器溢出中斷將外中斷 0關閉，并將測距成功標志字賦值 2以表示此次測距不成功。主程序框圖如圖 43所示。距離計算公式： S=C*T/2 (41) 為被測物與測距器的距離， C 為聲速， T 為聲波來回所用的時間聲速 C 與溫度有關，如溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。 主程序的設計 本設計采用的是渡越時間法進行測距．所姒要測出超聲波收、發(fā)之間的時間 t，則距離 s=vt/2. 電路的工作時序如圖 42所示，其中 a 脈沖為發(fā)送端的置位 脈沖，同時作為計時器的起始脈沖， b 脈沖為虛假脈沖 (由繞射產(chǎn)生，應避開 )； a、 b的時間間隔為盲區(qū)；c 脈沖為接受端接收到的有效回波脈沖，用于停止計時器的計時。本設計中 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)則被用來接收回波。 Keil 的特點 1 全功能的源代碼編輯器 2 器件庫用來配置開發(fā)工具設置 3 項目管理器用來創(chuàng)建和維護用戶的項目 4 集成的 MAKE 工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應用 5 所有開發(fā)工具的設置都是對話框形式的 6 真正的源代碼級的對 CPU 和外圍器件的調(diào)試器 7 高級的 GDI(AGDI)接口用在目標硬件上進行軟件調(diào)試以及和 Monitor51進行通信 本次設計的匯編語言編程環(huán)境就是 Keil，由它和仿真軟件 Proteus 關聯(lián)，進行單片機的仿真和調(diào)試。 * 仿真器上的復位按鈕只復位仿真芯片，不復位目標系統(tǒng)。然后分別由 C51及 A51編譯器編譯生成目標文件 (.OBJ)。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 1. 系統(tǒng)概述 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。 計算機不能直接識別用匯編語言指令編寫的程序，必須通過匯編程序吧它翻譯成機器碼 ，這個翻譯過程稱為匯編。上例中操作數(shù)區(qū)段包含 2個操作數(shù) A 和 0C0H，它們之間用逗號分隔開。 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。一條匯編語言指令中最多包含 4個區(qū)段，如下所示： 標號：操作碼 操作數(shù)；注釋 4 個區(qū)段之間要用分隔符分開，標 號區(qū)段與操作碼區(qū)段之間用冒號 “ ： ” 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 “ ； ” 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）。當壓電晶片受發(fā)射電脈沖刺激后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。它們都是利用壓電材料（如石英、壓電陶瓷等）等的壓電效應進行工作的。單片機系統(tǒng)及顯示電路如圖 [12]。動態(tài)顯示器因其硬件成本較低，多數(shù)位顯示時常常采用。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止，這種方式，每一顯示位都需要一個 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)較少的場合。將 7段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當某個字段的陽極為高電平時，對應的字段就點亮。 C1 取值過大時將造成頻率響應變差，通常取為 luf,C2 為檢波電容， 一般取 , CX20206采用峰值檢波方式，當 C2 容量較大時將變成乎均值檢波，瞬態(tài)響應靈敏度會變低， C2較小時雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會發(fā)生較大變動，容易造成解調(diào)出錯而產(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上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。 4 腳：接地端。 2 腳：該腳與 GND 之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。 實驗證明，用 CX20206A接收超聲波（無信號時輸出高電平）具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。 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)的紅外遙控信號接收集成電路 ， 是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點 ， 可用來完成信號的放大、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 器具有自動增益控制功能 ，可以保證在超聲傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時 ， 放大器有較高的增益 ,在近距離輸入信號強時放大器不會過載 ； 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 ， 可避免外磁場對電路的干擾 ， 可靠性較高 。 單片機 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換 能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。發(fā)射部分的電路，如圖 32 所示。 14 發(fā)射電路的設計 由單片機產(chǎn)生的 40kHz 的方波需要進行放大，才能驅動超聲波傳感器發(fā)射超聲波 ，發(fā)射驅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。其時序圖如圖 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。 圖 210所示電路因為 LM567檢波芯片 在噪聲幾十 mV到 幾百 mV時自身相應時間誤差也能到毫秒級 ，其誤差較大，而且 LM567的響應時間過長，所以本次設計也不采用這種電路。 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。 圖 27中的由 555集成芯片 構成的發(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輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間 [7]。 超 聲 波 接 收 器 放 大 電 路 整 形 濾 波 電 路單 片 機顯示電路超 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計的電路有很多，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能夠接收到信號比較強并且無其他明顯干擾的 40kHz的波形 ，使單片機能夠在接收到此信號后停止計時。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的多種單片機后，我選擇了本科期間學習最多，也是最為熟悉的 8051單片機，此單片機具有成本低，實用性強的特點，雖然在功能和操作上較其他一些新型單片機稍差，但 8051可以滿足本次設計的所有要求。 空閑方式： CPU停止工作，而讓 RAM、定時 /計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 5l系列單片機中典型芯片 (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 16b的定時／計數(shù)器 T0和 T1， 4個 8位的 I/O端口： P0，P1， P2， P3，一個全雙功串行通信口等組成。 單片 機基礎 知識 單片微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ７粗?，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波本時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，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)設計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 [2]，表 21 列出了幾種不 同溫度下的波速。 4 第二章 方案分析 超聲波測距的原理 單片機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 2ctS? (21) 式 (21)中的 c 為超聲波在空氣中傳播的速度。在第三章里詳細介紹了本次設計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，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，超聲 3 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計時。 設計目標 是 形成一個完整模型，并能夠實現(xiàn)各種控制要求，進行現(xiàn)場演示。 設計硬件電路，能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距 離。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產(chǎn)業(yè)領域。而設計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設計研制的核心部分。 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。 傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的主要內(nèi)容之一。 關鍵詞 ： 超聲波，單片機，測距， 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。 學生應交出的設計文件（論文）： 畢業(yè)設計說明書一本（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（資料）： 單片機原理與應用 一些芯片的參考資料 相關論文 對選題學生的基本要求： 系統(tǒng)的學習過單片機課程，具有較強的動手能力。 要求采用 MCS51單片機作為主控 CPU，能夠 實時檢測和顯示距離值。 1 太 原 理 工 大 學 畢業(yè)設計（論文）任務 書 設計題目： 基于 51 單片機的超聲波測距系統(tǒng) 設計任務： 綜合運用有關課程的知識，了解超聲波測距原理，掌握有關超聲波測距方面的知識，樹立正確的設計思想。 設計硬件電路，能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 設計目標： 形成一個完整模型，并能夠實現(xiàn)各種控制要求，進行現(xiàn)場演示。該系統(tǒng)電路設計合理、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日常 實 用的要求 。對本課題的研究與設計，還能進一步提高自己的電路設計水平，深