【正文】 入對單片機(jī)的理解和應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且測量精度較高。 城市污水給人們帶來了困擾，因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。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 [1]。 設(shè)計要求 為 ： 設(shè)計出超聲波測距系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)電路。 要求可以進(jìn)行實物演示。本文的目標(biāo)是通過通過此說明這種測距系統(tǒng)的原理，硬件電路及軟件流程圖，使讀者對這種系統(tǒng)有一個全面的理解。第二章為本次設(shè)計的一些方案以及一些方案論證。第六章是對本系統(tǒng)的一些補(bǔ)充說明，主要是誤差 問題。為了增加所測量的覆蓋范圍，減少測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射 /接收的設(shè)計方法。 圖 21 超聲波測距系統(tǒng)框圖 單片機(jī)發(fā)出短暫的 40kHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機(jī)中斷程序，讀出時間 t，再由 系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至 LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 當(dāng)它的 兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變 。 CPU 的選型 本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的，在選擇 CPU之前，我們先來簡單了解一下單片機(jī)的工作原理 。因此， 一個單片機(jī)只需要與 適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。 P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7VP D/ R S TP 3 . 0 / R X DP 3 . 1 / T X DP 3 . 2 / I N T OP 3 . 3 / I N T 1P 3 . 4 / T 0P 3 . 5 / T 1P 3 . 6 / W RP 3 . 7 / R DX T A L 2X T A L 1VS S1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 04 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 32 22 1V C CP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7VP P/ E AP R O G / A L EP S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 08 0 5 1 圖 22 51系列單片機(jī)的封裝引腳圖 5l系列單片機(jī)提供以下功能： 4 kB存儲器； 256 BRAM； 32條 I/O口 線 ； 2個 16位 定時／計數(shù)器； 5個 2級中斷源； 1個全雙向的串行口以及時鐘電路。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下 構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。超聲波的發(fā)射的電路，起放大作用。 超聲波發(fā)射電路的目的主要就是對單片機(jī)發(fā)出的 40kHz的信號進(jìn)行放大，再由超聲波發(fā)射探頭發(fā)出。圖 23與圖 24為這兩種原理的 流程圖 。發(fā)射部分的電路。 圖 25所示的電路與 圖 28所示的電路都是由三極管構(gòu)成的，圖 25中因為有兩個三 10 極管，所以其放大倍數(shù)有所增加，但三極管放大強(qiáng)度和效果并沒有圖 26中的 74HC04好，并且其穩(wěn)定性和可靠性也不如 74HC04高。 D 1D 2C 1C 2L M 7 4 1C 3C 4C 5R 3R 4R 1R 2R 5I N T O+V C C 圖 29 由 LM741組成的放大濾波電路 超聲波探 頭 接收到超聲波后，通 過 聲 電轉(zhuǎn)換 ， 產(chǎn) 生一正弦信號，其 頻 率 為傳 感器的中心 頻 率，即 40kHz。 11 3 4 8L M 5 6 756 7 1 2SR 1R 2+ 5 V+ 5 VR 3R 4C 1C 2R 5R 6C 3C 3C 4I N T O++L M 3 5 8 AL M 3 5 8 B 圖 210 由 LM567組成的放大檢波電路 C X 2 0 1 0 6V C CI N T OI N 2 3 G N D 5 6 O U T V C CC 1R 1C 2C 3R 2C 4R 3R0 . 0 5 6u F4 . 7 k1 u F2 2 0 k3 3 0 p F2 2 k3 . 3 u F 圖 211 由 CX20206集成芯片組成的接收電路 12 RC 1R 1R 2D 1D 2R 3C 2T L 0 8 4 AT L 0 8 4 BR 4R 5C 4C 33 9 3+ 2 . 5 5 V+ 2 . 5 V+ 2 . 5 5 VR 6+ 1 2 VI N T O+++ 圖 212 放大整形的接收電路 圖 29所示的電路是將接收到的信號經(jīng)過濾波放大并經(jīng)過 一個加法電路整定成一個穩(wěn)定的高電平信號，再送至單片機(jī)，但經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，其穩(wěn)定性并不好，而且參數(shù)的設(shè)定比較麻煩，所以本次設(shè)計不用其作為接收電路。 13 第三章 硬件設(shè)計 總體方案設(shè)計 由單片機(jī) 8051編程產(chǎn)生 40kHz 的方波，由 ，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路 相連 ,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接 ,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、發(fā)射電路和接收檢波電路三部分組成。編程由單片機(jī) 端口輸出 40 kHz 左右的方波脈沖信號，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號分成兩路，送給一個由 74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測量距離要求， 最后送給超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。 74HC04的管腳如圖 33所示。 15 V C CA 6Y 6A 5Y 5 A 4 Y 4A 1 Y 1 A 2 Y 2 A 3 Y 3 G N D7654321891 11 21 31 41 0 圖 33 74HC04的管腳圖 接收電路的設(shè)計 由于超聲波在空氣中傳播 ,其能量會隨傳輸 距離的增大而減小 ,從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號一般比較弱 (接收電壓為 mV 級 ) ,所以在設(shè)計超聲波接收電路時 ,要有較大的放大倍數(shù)；為減小環(huán)境噪聲對回波信號的影響 ,也要考慮選用濾波特性較好的電路 ,使回波易于檢測 。 其中的前置放大器具有 通過外部所接電阻，將其內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率 f0設(shè)置為 40 kHz，就可以接收放大超聲波電信號，并整形 輸出負(fù)脈沖電壓。 只要通過單片機(jī)來來計算發(fā)射信號時到收到信號是產(chǎn)生下降沿這段時間的長度，再通過數(shù)學(xué)計算，轉(zhuǎn)化為距離，然后在顯示器上顯示。 CX20206A 的引腳注釋： l 腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ 。 3 腳：該腳與 GND 之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 。 17 6 腳：該腳與 GND 之間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短?？傇鲆娲笮∮?② 腳外接的 R1, C1 決定， R1越小或 C越大，增益越高。 18 顯示電路的設(shè)計 LED 顯示器結(jié)構(gòu)與原理 LED 顯示器由 7條發(fā)光二極管組成顯示字段，有的還帶有一個小數(shù)點 dp。 abcdefgd pabcdefgd pabcdefgd p1 2 3 4 59 8 7 6+ 5 Vfgc o m a be d c o m c d p1 0a )b )c ) 圖 36 7段 LED 顯示塊 a) 共陰極 b）共陽極 c) 管腳配置 點亮 LED 顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。顯示位的亮度既跟導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)。顯示電路采用簡單實用的 4位共陽 LED 數(shù)碼管，位碼用 PNP 三極管 9012驅(qū)動。本次設(shè)計所采用的是前者，主要由超聲波發(fā)射器 TCT4010F1和超聲波接收器 TCT4010S1兩部分組成。是超圣檢測中最常見的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測 裝置的重要組成部分。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成，這種超聲波傳感器需要的壓電材料較少，價格較便宜，且非常適合應(yīng)用于氣體和液體介質(zhì)中。 25%pF 允許輸入電壓 20V 21 第四章 軟件設(shè)計 匯編語言簡介 用二進(jìn)制編碼表示的機(jī)器語言指令由于閱讀困難，寫起來費力，且難以記憶，因此在微機(jī)控制中采用匯編語言（用助記符和專門的語言規(guī)則表示指令的功能和特征）指令來編寫程序。若一條指令中有標(biāo)號區(qū)段，標(biāo)號代表該指令第一個字節(jié)所存放的存儲器單元的地址，故標(biāo)號又稱為符號地 址，在匯編時，把該地址賦值給標(biāo)號。根據(jù)指令的不同功能，操作數(shù)可以有 3個、2 個、 1個或沒有操作數(shù)。程序設(shè)計者對指令或程序段作簡要的功能說明，在閱讀程序，尤其是在調(diào)試時將會帶來很多方便。機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼，用于 MCS51單片機(jī)的匯編軟件有早期的 A51，隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS51系列單片機(jī)的軟件，這從近年來各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。 圖 41 Keil 軟件圖標(biāo) Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)基本知識 Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)基本知識。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 kei 23 l C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。 使用獨立的 Keil 仿真器時，注意事項 ： * 仿真器標(biāo)配 的晶振，但可以在仿真器上的晶振插孔中換插其他頻率的晶振。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 系統(tǒng)軟件編制時應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時還要進(jìn)行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。如果由于障礙物過遠(yuǎn)，超出量程，以致在 T0溢出時尚未接收到回波，則顯示“ERROR” 重新回到主流程進(jìn)入新一輪測試。這樣只要計算出發(fā)生信號 到接受返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。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，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離 ,設(shè)計時取 20℃ 時的聲速為 344 m/s S=(C*T0)/2 =172T0/10000cm （ 42） （其中 T0 為計數(shù)器 T0 的計數(shù)值）測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式 LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。進(jìn)入該中斷程序后就立即關(guān)閉計時器 TD停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。 子程序的流程圖如圖 44與 45所示。本次設(shè)計在軟件編寫中采用 1ms的延遲時間。 它運行于 Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是： ① 實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE電路仿真相結(jié)合。 ③ 提供軟件調(diào)試功能。 圖 51為 Proteus的構(gòu)成圖。檢查好電路并設(shè)置好參數(shù)，點左下角的開始按鈕開始仿真。 31 圖 53 發(fā)射電路仿真圖 圖 54 示波器輸出波形圖 由于接收電路在 Proteus 中出現(xiàn)元器件短缺的問題，本設(shè)計并沒有進(jìn)行接收 電路的仿真，但經(jīng)過查資料，由本設(shè)計所應(yīng)用的接收電路在穩(wěn)定性以及放大檢波方面可以滿足本設(shè)計的要求。 超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波的發(fā)射和接收采用 Φ10 超聲波換能器 TCT4010F1（ T 發(fā)射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時