【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 原理 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。頻率在 16~2 104Hz 之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于 16Hz 的機(jī)械波，稱為次聲波；高于 2 104Hz 的機(jī)械波，稱為超聲波。當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射，折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。 為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超 聲波和接受超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波物位傳感器，也稱超聲波物位換能器或超聲波探頭。 超聲波物位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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波，發(fā)射超聲波；而在收到反射回來超聲波波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。壓電效應(yīng)分為逆效應(yīng)與順效應(yīng)，超聲波物位傳感器是可逆的元件，超聲波的發(fā)送器利用的就是壓電逆效的逆效應(yīng)。壓電逆效應(yīng)如圖 所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形。若在圖 （ a） 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 （ b）所示極性的電壓，外部 正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。若外部施加的極性變反，如圖 （ c）所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。 6 圖 超聲波物位傳感器檢測(cè)方式 （ 1）穿透式超聲波物位傳感器的檢測(cè)方式 當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測(cè)距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測(cè)物體使用 100mm 100mm 的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。 (2)限定距離式超聲波物位傳感器的檢測(cè)方式 當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測(cè)物體時(shí)，僅檢測(cè)電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測(cè)物體的檢測(cè)面為平面時(shí)，則可檢測(cè)透明體。若被檢測(cè)物體相對(duì)傳感器的檢測(cè)面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測(cè)到被測(cè)物體。若被檢測(cè)物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測(cè)到被測(cè)物體。 （ 3）限定范圍式超聲波物位傳感器的檢測(cè)方式 在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波 束時(shí)，則被檢測(cè)物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測(cè)到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測(cè)范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍。 （ 4）回歸反射式超聲波物位傳感器的檢測(cè)方式 回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場(chǎng)合。若反射面為固定的平面物體，則可用回歸反射式超聲波傳感器長(zhǎng)度方向上縮短 177。 + U （ a ）） 長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng) 177。 + U （ b） （ c） 極化 壓電陶瓷 177。 電極 A 電極 B 7 的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。 這種超聲波物位傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測(cè)透明的物體。利用超 聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號(hào)控制被測(cè)物體反射的超聲波的檢測(cè)時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。 超聲波物位傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成 超聲波物位傳感器系統(tǒng)主要有發(fā)射電路，接收電路和控制部分等組成。如圖 所示 圖 單片機(jī) STC89C52 發(fā)射 電路 接收 電路 8 4 STC89C52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，控制能力強(qiáng)，可靠性高，性價(jià)比高，易于廣泛的應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如通信工具，智能家具， 智能儀表等。 由于本設(shè)計(jì)使用 STC89C52 單片機(jī)為控制器，因而在設(shè)計(jì)之前先熟悉 STC89C52 單片機(jī)。 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)固定邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，完成對(duì)實(shí)際裝置的計(jì)算，控制等功能。 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單片機(jī)雖然型號(hào)眾多，但他們的結(jié)構(gòu)卻基本相同，主要包括中央處理器（ CPU），存儲(chǔ)器（程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），定時(shí) /計(jì)數(shù)器，并行接口，串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元。 單片機(jī)的分類及發(fā)展 單片機(jī)的分 類 按單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)進(jìn)行分類，單片機(jī)主要分為 4 位， 8 位， 16 位和 32 位。本設(shè)計(jì)使用的是 STC 公司的 8 位單片機(jī)。 單片機(jī)的發(fā)展 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是與微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展是分不開的，具體分為五個(gè)階段。 （ 1）（ 1971~1976 年）：初步階段。這一階段， 4 位邏輯控制器件發(fā)展到 8 位，它們只含有微處理器，并配有 RAM， ROM 等。代表產(chǎn)品有 Intel4004,Intel8008 等。 （ 2）（ 1976~1980 年）：低性能階段。這一階段，在一塊芯片上完成了 8 位 CPU，并行 I/O 接口，定時(shí) /計(jì) 數(shù)器， RAM， ROM 等的集成。代表產(chǎn)品有 MC6800， Intel8048等。 （ 3）（ 1980~1983 年）：高性能階段。這一階段，在原來單片機(jī)的基礎(chǔ)上增加了中斷系統(tǒng)，串口， A/D 轉(zhuǎn)換接口等功能模塊，并提高了存儲(chǔ)器的容量。代表產(chǎn)品有Intel8051,MC146805 等。 （ 4）（ 1983~1990 年）： 16 位機(jī)階段。這一階段， CPU 位 16 位，運(yùn)算能力更強(qiáng)；代 9 表產(chǎn)品有 Intel8098 等。 （ 5）（ 1990 年至今） :新一代單片機(jī)階段。這一階段，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)，集成度，速度，功能，可靠性等性能指標(biāo)上有了很大的變 化。代表產(chǎn)品有 C8051F040， MSP430等。 STC89C52 單片機(jī)的簡(jiǎn)介 STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部主要包含 9 個(gè)功能部件，即 CPU(運(yùn)算器，控制器和專用寄存器組 )，程序存儲(chǔ)器（ ROM 和 Flash 存儲(chǔ)器），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），定時(shí) /計(jì)數(shù)器，并行輸入 /輸出（ I/O）接口（ P0~P3 接口），全雙工串行接口，中斷系統(tǒng)，時(shí)鐘電路和內(nèi)部總線。 STC89C52 單片機(jī)采用 40 引腳雙列直插式封裝（ DIP）如圖 所示 以下為 STC89C52 的各個(gè)引腳的功能 （ 1）主電源線 VCC（ 40 引腳）：接 +5v 電源正端。 GND（ 20 引腳）：接電源地端。 （ 2）外接晶體線 XTAL1（ 19 引腳）：接外部晶體振蕩器的一端 XTAL2（ 18 引腳）：接外部晶體振蕩器的另一端。 （ 3） I/O 端口線 ① P0 口（ 32~39 引腳）： ~ 統(tǒng)稱為 P0 口，是一個(gè) 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口，其中 為最高位。 P0 口可應(yīng)用于兩種不同的情況下：在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向 I/O 端口，用于傳輸用戶的輸入 /輸出數(shù)據(jù)；在接片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)，當(dāng) CPU 訪問 片外存儲(chǔ)器時(shí) P0 口為地址 /數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，即先傳輸片外存儲(chǔ)器低 8 位地址，然后傳送 CPU對(duì)外存儲(chǔ)器的讀 /寫數(shù)據(jù)。 ② P1 口（ 1~8 引腳）： ~ 統(tǒng)稱為 P1 口，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向口， 為最高位。在 52 子系列單片機(jī)中， 作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的計(jì)數(shù)脈沖輸入端 T2， 作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX。 ③ P2 口（ 21~28 引腳）： ~ 統(tǒng)稱為 P2 口，也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向口， 為 最高位。 P2 口具有兩種功能，一種是可作為準(zhǔn)雙向 I/O 端口使用，另一種是與 P0 口配合，在外接片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 端口且尋址范圍超過 256B 時(shí)，用于傳輸片外存儲(chǔ)器高 8 位地址。 ④ P3 口（ 10~17 引腳）： ~ 統(tǒng)稱為 P3 口，也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向口， 為最高位。 P3 口也具有兩種功能，一是作為準(zhǔn)雙向口使用，此外 P3 口 10 的每一條口線都有專門的第二功能。 （ 4）控制線 RST/VPD（ 9 引腳）：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位 /備用電源引腳。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端 ，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定的起振時(shí)間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms 以上才能保證有效復(fù)位。當(dāng) VCC 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源為內(nèi)部 RAM 供電，以保證 RAM 中的數(shù)據(jù)信息不丟失，使復(fù)電后能繼續(xù)正常運(yùn)行。 PSEN（ 29 引腳）：片外的程序存儲(chǔ)器的讀選擇信號(hào)，低電平時(shí)有效。當(dāng)訪問片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，該信號(hào)處于無效狀態(tài)。 ALE/PROG（ 30 引腳）：地址鎖存允許信號(hào)。 ALE 在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出 2 個(gè)脈沖，在訪問片外程序存儲(chǔ)器期間，下降沿用于控制鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址；在不訪問片外程序存儲(chǔ)器期間，可作為對(duì)外輸出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)或用于定時(shí)，此頻率為振蕩頻率的 1/6。但要注意，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間， ALE 會(huì)跳過一個(gè)脈沖，此時(shí)就不能作為時(shí)鐘輸出了。 EA/VPP（ 31 引腳）： EA 為片外程序存儲(chǔ)器選用端。該引腳低電平有效時(shí)，只選用片外程序存儲(chǔ)器，對(duì)于無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的 8031，該引腳必須接地。當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， PC 值超過 4KB/8KB 時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部程序存儲(chǔ)器。在Flash 編程期間，該引腳用于接 12V的編程電源。 11 5 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距基本原理 為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接受超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，也稱超聲波換能器或超聲波探頭。 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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 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(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便， 計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。 超聲波測(cè)距時(shí)，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動(dòng)周圍的空氣振動(dòng)而工作的，超聲波發(fā)射器開始向一個(gè)方向發(fā)射一束超聲波，同時(shí)開啟計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波通過空氣介質(zhì)傳播，當(dāng)遇到障礙物就馬上反射回來，超聲波接收器接受到反射回來的波就停止計(jì)時(shí)器。因?yàn)槌暡ǖ膫鞑ニ俣纫话銥?340m/s，再根據(jù)傳播的時(shí)間 t，就可以算出發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的距離 s，也就是 s=340 t/2。另外波速和溫度有一定的關(guān)系，溫度在 0℃以上是溫度和波速成正比，即溫度越高，波速越大。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與制作 總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)由 STC89C52 單片機(jī)， 12864 液晶顯示模塊，溫度采集模塊，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接受模塊，報(bào)警模塊， D/A 轉(zhuǎn)換模塊，壓頻轉(zhuǎn)換模塊，電源模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 超聲波發(fā)射模塊 超聲波接受模塊 12864液晶顯示模塊 溫度采集模塊 報(bào)警模塊 D/A轉(zhuǎn)換模塊 壓頻轉(zhuǎn)換模塊 電源模塊 STC89C52 單片機(jī) 12 單片機(jī)最小系統(tǒng) 52 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路一般包括工作電源，振蕩電路和復(fù)位電路等，單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 圖 小系統(tǒng)電路 （ 1）單片機(jī)的工作電源 52 單片機(jī)的 40 腳接 5V電源， 20 腳接地，為單片機(jī)提供工作電源。 （ 2）單片機(jī)的復(fù)位電路 復(fù)位也就是把單片機(jī)的 PC 值初始化， 52 單片機(jī)的 RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，當(dāng)持續(xù) 24 個(gè)振蕩脈沖 周期的時(shí)間以上時(shí)即可復(fù)位；為了保證單片機(jī)系統(tǒng)非?？煽繌?fù)位，復(fù)位電路必須保證引腳 RST 腳要有 10ms 以上的高電平。只要引腳 RST 保持高電平，單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng) RST 引腳變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候，單片機(jī)才退出復(fù)位。 復(fù)位操作一般有上電復(fù)位以及手動(dòng)復(fù)位。 上電復(fù)位就是在上 電時(shí)，通過一外接電容加給 RST 引腳一段時(shí)間的高電平，這個(gè)高電平隨著 Vcc 對(duì)電容的充電而慢慢降低，也就是 RST 引腳的高電平持續(xù)的時(shí)間由電容12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U?STC89C52RC12345678161514131211109R0