【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中的波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向的信息很容易檢測(cè)出來(lái)，因而具有很高的分辨力，且其準(zhǔn)確度也較其它方法高；此外，超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。目前，基于超聲波精確測(cè)距的需求也越來(lái)越大，如油庫(kù)和水箱液面的精確測(cè)量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測(cè)和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測(cè)等。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，它涉及到了現(xiàn)代的工業(yè)，軍事等等方面，它的發(fā)展 快慢同時(shí)也標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的發(fā)展速度，對(duì)于它的研究永遠(yuǎn)不會(huì)停止，人們要求它能夠使測(cè)距更簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，普遍；使它的硬件更容易實(shí)現(xiàn)。為此，本文根據(jù)超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)了一種以 MCS51 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 基于單片機(jī)和 SMC1602 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 第 1 章 緒論 概述 本系統(tǒng)中的超聲波信號(hào)由 80C51 單片機(jī)產(chǎn)生，它可通過(guò) 口輸出一個(gè) 40kHz 的脈沖信號(hào)，并持續(xù)發(fā)射 216s。原始信號(hào)是 5Vpp。該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)行放大 3 倍后，可驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)出 15Vpp、 40kHz 的脈沖超聲波。由于接收頭與發(fā)射頭配對(duì)，因此，接受后可將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)行放大 5 倍后加至高通有源濾波電路濾除低頻雜波，當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)程序 計(jì)算得到所測(cè)距離后，再將 其轉(zhuǎn)化成 ASCII 碼送到 液晶顯示器 。 課題的總體設(shè)計(jì)及思路 超聲波測(cè)距的基本工作原理是測(cè)量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間，由超聲波傳播時(shí)間和傳播速度來(lái)確定距離障礙物的距離，即所謂的脈沖 —— 回波方式。該方式的基本電路框圖如圖 11 所示。由發(fā)射傳感器、發(fā)射電路、接收傳感器、接收放大電路、回波信號(hào)處理電路和單片機(jī)控制電路等幾部 分組成。 單 片 機(jī)發(fā) 射 電路信 號(hào) 處理接 受 電路s被測(cè)物體 圖 11 超聲波測(cè)距原理框圖 發(fā)射電路通常是一個(gè)工作頻率為 40kHz的多諧振蕩器，該振蕩器可由 555 時(shí)基集成電路或其他電路構(gòu)成多諧振蕩器電路型式。多諧振蕩 器 受單片機(jī)控制，產(chǎn)生一定數(shù)量的發(fā)射脈沖 (通常為 5～ 16個(gè) )，用于驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器，并激勵(lì)出超聲波在空氣中傳播，遇障礙物反射而返回。 超聲波接收傳感器通過(guò)壓電轉(zhuǎn)換的原理，將由障礙物返回的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于該信號(hào)幅度較小 (幾到十幾毫伏 )，因此須由低噪聲放大、 40kHz 帶通濾波電路將回波信號(hào)放大到一定幅度，且干擾成分較少，并由回波信號(hào)處 理電路轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量和距離的顯示。 單片機(jī)根據(jù)脈沖發(fā)射時(shí)間和接收到回波的時(shí)間計(jì)算出時(shí)間差 t，即超聲波在空氣中傳播的時(shí)間，并由式 (11)： ctS 21? （ ） 計(jì)算出距離 S，式中參數(shù) c 是超聲波在空氣中的傳播速度 。 本設(shè)計(jì)是在 次基礎(chǔ)上加上單片機(jī)并在液晶顯示器上顯示出來(lái)。所以它的原理框圖如圖 12 所示 ： XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 發(fā) 射 探 頭接 受 電 路檢 波 電 路發(fā) 射 電 路接 受 探 頭AT89C51單片機(jī)SMC1602液晶顯示器 圖 12 基于單片機(jī)的 SMC 超聲波測(cè)距原理框圖 基于單片機(jī)和 SMC1602 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 第二章 硬件電路的設(shè)計(jì) AT89C51單片機(jī) AT89C51 單片機(jī)是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)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（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，使其為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了靈活性高且價(jià)廉的解決方案。 下面是對(duì)單片機(jī) AT89C51 主要特性進(jìn)行了一些描述 ： 1. 主要性能參數(shù)： ●與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容； ●4K 字節(jié)可重擦寫(xiě) Flash 存儲(chǔ)器； ●1000 次擦寫(xiě)周期； ●全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz； ●三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； ●128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM； ●32 個(gè)可編程 I/O 口線； ●2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； ●5 個(gè)中斷源； ●可編程串行 UART 通道； ●低功耗空閑和掉電模式； ●工作溫度： 55℃ ～ +125℃ ； ●儲(chǔ)藏溫度 ： 65℃ ～ +150℃ ； ●任一引腳對(duì)地電壓 ： ～ +； ●最高 工作電壓 ： ； ●直流輸出電流 ： ； 芯片 引腳介紹： XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 3 93 83 72 62 52 42 33 53 33 22 12 23 63 42 71 13 02 81 02 9p 1 0 p 0 0R X Dp 2 7p 2 1p 2 5p 2 4p 2 3p 2 2p 2 0p 0 7p 0 6p 0 5p 0 4p 0 3p 0 2p 0 1P S E NA E L / PT X Dp 2 6p 1 7p 1 6p 1 5p 1 4p 1 2p 1 3p 1 18 9 C 5 1I N T 0I N T 1T 1T 0E A / V PX 2X 1R E S E TW RR D 圖 21 89C51 引腳圖 VCC： 電源 VSS：地 P0 口： 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P0 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)， 引腳 用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時(shí)， P0 口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口：具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL邏輯電平。對(duì) P1 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在 Flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 P2 口：具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)四個(gè) TTL邏輯電平。對(duì) P2 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL） 。在訪問(wèn)外 部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉電阻發(fā)送 1。在使用 8 位地址訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 在 Flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口也接收高位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)四個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P3 端口 寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口亦作為 AT89C51 特殊功能（第二功能）使用， P3 口還具有以下特殊功能 ： RXD() 串行輸入口 TXD() 串行 輸出口 基于單片機(jī)和 SMC1602 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 INT0() 外部中斷 0 INT1() 外部中斷 T0() 定時(shí)器 0 外部輸入 T1() 定時(shí)器 1 外部輸入 WR() 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào) RD() 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào) RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)， RST 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/ PROG ：控制信號(hào)（ ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在 Flash 編程時(shí)，此引腳（ PROG ）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來(lái)做為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 脈沖將會(huì)跳過(guò)。如果需要，通過(guò)將地址為 8EH 的特殊功能寄存器（ SFR）的 D0 位置“ 1”， ALE 操作將無(wú)效。這一位置“ 1”， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時(shí)有效。否則， ALE 將被微弱拉高。這個(gè) ALE 使能標(biāo)志位（地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。 PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（ PSEN ）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng) AT89C51從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)， PSEN 在每個(gè)機(jī)器 周期 被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN 將不被激活。 EA /VPP：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令， EA 必須接地。 為執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。 在 Flash 編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 復(fù)位電路 本系統(tǒng)的復(fù)位電路主要是用 CAT810， CAT810 的主要性能如下： CAT809 和 CAT810 是微控制器監(jiān)控電路，用來(lái)監(jiān)控?cái)?shù)字系統(tǒng)的電源。在工業(yè)級(jí)溫度范圍的應(yīng)用中可直接代替 MAX809 和 MAX810。 CAT809 和 CAT810 產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在電源電壓低于預(yù)置的閾值時(shí)和電源電壓上升到該閾后的 140ms內(nèi)有效。由于 Catalyst半導(dǎo)體運(yùn)用了底層浮動(dòng)閘（ floating gate）技術(shù) AE2TM，因此器件可以供任何特定的復(fù)位閾值。 7 個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的閾值可支持+、 +、 + 和 + 的系統(tǒng)。 CAT809 的 RESET 是推挽輸出（低有效）， CAT810 的 RESET 也是推挽輸出（高有XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 效）。 電源的快速瞬態(tài)變化可忽略，當(dāng) Vcc低至 時(shí)輸出可保證仍處于正確狀 態(tài)。 CAT809/810 可工作在整個(gè)工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)（－ 40℃～ +85℃），包含 3 腳 SOT23和 SC70 兩種封裝形。 閾值后綴選擇器指定閾值電壓閾值后綴名稱(chēng)： (1)管腳配置 C A T 8 1 0213G N D3 腳 S O T 2 3R E S E T 圖 22 CAT810 引腳圖 (2)管腳 描述 表 21 CAT810 管腳說(shuō)明 管腳號(hào) 名稱(chēng) 描述 CAT809 CAT810 1 1 GND 地 2 － RESET 復(fù)位低有效。 RESET 在 Vcc 降到低于復(fù) 位閾值時(shí)有效，并在 Vcc 上升到大于復(fù)位閾值后的至少 140ms 內(nèi)仍保持低電平。 － 2 RESET 復(fù)位高有效。 RESET 在 Vcc降低到低于復(fù)位閾值時(shí)有效，并在 Vcc 上升到大于復(fù)位閾值后的至少 140ms 內(nèi)仍保持高電平。 3 3 Vcc 監(jiān)控的電源電壓。 基于單片機(jī)和 SMC1602 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 (3)典型工作特性 : Vcc＝正常范圍， TA=－ 40℃～ +85℃，除非特別說(shuō)明。典型值在 TA=+25℃和 Vcc＝5V（ L/M/J 版本）、 Vcc＝ （ T/S 版本）、 Vcc＝ 3V（ R 版本）、和 Vcc＝ （ Z 版本）得到。 Vcc低于 時(shí)的有效復(fù)位。 為了確保 CAT809 的 RESET 管腳在 Vcc低于 時(shí)的狀態(tài)可知，建議在 RESET 和GND 之間連接一個(gè) 100k? 的下拉電阻，電阻的阻值不作嚴(yán)格限制。對(duì)于 CAT810，則需要在 RESET 和 Vcc之間連接一個(gè)上拉電阻。 VccCAT 810G NDRESET100 k電源。 圖 23 Vcc低于 時(shí) RESER 有效圖 V c cC A T 8 0 9G N DR E S E T 圖 24 Vcc低于 時(shí) RESET 有效 (4)雙向復(fù)位管腳的連接 : CAT809/810 可與 uP/uC 的雙向復(fù)位管腳相連。通過(guò)在 CAT809/810 的復(fù)位輸出和uP/uC 的雙向復(fù)位管腳之間串聯(lián)一個(gè) 。