【文章內(nèi)容簡介】 上 100dB 以上帶寬 6kHz 以上(－80dB) 7kHz 以上(90dB)電容 1600pF 1600pF絕緣電阻 100MΩ 以上溫度特性 －20~+60℃范圍內(nèi)靈敏度變化在 10dB 以內(nèi)超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)稱頻率。圖 32 表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報(bào)警裝置等。另外，對于這種傳感器，一般來說溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖 32 傳感器的方向性 超聲波傳感器的檢測方式當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí)，檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測物體使用100mm100mm 的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測物體時(shí)，僅檢測電位器設(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。若被檢測物體的檢測面為平面時(shí)，則可檢測透明體。若被檢測物體相對傳感器的檢測面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測到被測物體。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)，則被檢測物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測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，檢測范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍?；貧w反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。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)控制被測物體反射的超聲波的檢測時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成，如圖33 所示。發(fā)送器常使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射。除穿透式超聲波傳感器外，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測。圖 33 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成控制部分判斷接收器的接收信號(hào)的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。對于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調(diào)整回路的門信號(hào)，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號(hào)的時(shí)間或?qū)挾?，可以自由改變檢測物體的范圍。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為12~24V177。10%，再經(jīng)傳感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路?？捎卸喾N方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實(shí)際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來選用其振蕩電路 [3]。 本章小結(jié)本章我們詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理產(chǎn)生超聲波的。超聲波傳感器有四種檢測方式，分別為穿透式超聲波傳感器的檢測方式、限定距離式超聲波傳感器的檢測方式、限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式和回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式。超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成。第 4 章 AT89C51 單片機(jī)簡介本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的，在介紹電路設(shè)計(jì)之前，我們先來簡單了解一下單片機(jī)的工作原理，由于本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)是以 Atmel 公司的 8 位單片機(jī) AT89C51 為核心的，所以，在本章先簡單的介紹一下 AT89C51 的一些特性。 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機(jī)種。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。因此，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(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。圖 41 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與單片機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)是一種多片機(jī)系統(tǒng)。它是由中央處理器(CPU)芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和 I/O 接口芯片等通過印刷電路板上總線(地址總線AB、數(shù)據(jù)總線 DB 和控制總線 CB)連成一體的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中，中央處理器(CPU)的字長長，功能強(qiáng)大；ROM 和 RAM 的容量很大；I/O 接口的功能也大，這是單片機(jī)無法比擬的。因此，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與微型計(jì)算機(jī)十分相似，是一種集微型計(jì)算機(jī)主要功能部件于同一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，并由此而得名。由圖 41 可見，中央處理器(CPU)是通過內(nèi)部總線與 ROM、RAM、I/O 接口以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器相連的，這個(gè)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但并不好理解。為此，在分析單片機(jī)工作原理前，先對圖 41 中各部件作一基本介紹是十分必要的。在單片機(jī)內(nèi)部，ROM 和 RAM 存儲(chǔ)器是分開制造的。通常，ROM 存儲(chǔ)器容量較大，RAM 存儲(chǔ)器的容量較小，這是單片機(jī)用于控制的一大特點(diǎn)。(1)ROM ROM(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)一般為 1~32K 字節(jié)，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲(chǔ)器。由于單片機(jī)主要在控制系統(tǒng)中使用，因此一旦該系統(tǒng)研制成功，其硬件和應(yīng)用程序均已定型。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi) ROM 中，根據(jù)片內(nèi) ROM 的結(jié)構(gòu)，單片機(jī)又可分為無 ROM 型、ROM型和 EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)型三類。近年來，又出現(xiàn)了 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)和 Flash 型 ROM 存儲(chǔ)器。無 ROM 型單片機(jī)特點(diǎn)是片內(nèi)不集成 ROM 存儲(chǔ)器，故應(yīng)用程序必須固化到外接的 ROM 存儲(chǔ)器芯片中，才能構(gòu)成有完整功能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。ROM 型單片機(jī)內(nèi)部，其程序存儲(chǔ)器是采用掩膜工藝制成的，程序一旦固化進(jìn)去便永遠(yuǎn)不能修改。EPROM 型單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器是采用特殊 FAMOS 管構(gòu)成的，程序一旦寫入，也可以通過特殊手段加以修改。因此，EPROM 型單片機(jī)是深受研制人員歡迎的。 (2)RAM通常，單片機(jī)片內(nèi) RAM(Random Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)容量為64～256 字節(jié)，最多可達(dá) 48K 字節(jié)。RAM 主要用來存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。(CPU)中央處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要像電子線路那樣畫出它的全部電路原理圖來加以分析介紹是根本不可能的。下面簡單概述一下幾個(gè)主要部分的工作原理。(1)運(yùn)算器運(yùn)算器用于對二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作；其操作順序在控制器控制下進(jìn)行。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元 ALU、累加器 A、通用寄存器 R0、暫存器 TMP和狀態(tài)寄存器 PSW 等五部分組成。累加器 A(Accumulator)是一個(gè)具有輸入/輸出能力的移位寄存器，由 8 個(gè)觸發(fā)器組成。TR(Temporary Register,暫存器)也是一個(gè) 8 位寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算術(shù)邏輯單元)主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對累加器 A 和暫存器 TMP 中兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操作。PSW(Program Status Word，程序狀態(tài)字)也由 8 位觸發(fā)器組成，用于存放 ALU 操作過程中形成的狀態(tài)。(2)控制器控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞?？刂破饔芍噶畈考?、時(shí)序部件和微操作控制部件等三部分組成。指令部件是一種能對指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控制信號(hào)的邏輯部件，也是控制器的核心。指令是一種能供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分。時(shí)序部件由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號(hào)。微操作控制部件可以為 ID(Instruction Decoder，指令譯碼器)輸出信號(hào)配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可與外部進(jìn)來的控制信號(hào)組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。單片機(jī)內(nèi)部總線是 CPU 連接片內(nèi)各主要部件的紐帶，是各類信息傳送的公共通道。內(nèi)部總線主要由三種不同性質(zhì)的連線組成，它們是地址線、數(shù)據(jù)線和控制線/狀態(tài)線。地址線主要用來傳送存儲(chǔ)器所需要的地址碼或外部設(shè)備的設(shè)備號(hào)，通常由CPU 發(fā)出并被存儲(chǔ)器或 I/O 接口電路所接收。數(shù)據(jù)線用來傳送 CPU 寫入存儲(chǔ)器或經(jīng) I/O 接口送到輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以傳送從存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備經(jīng) I/O 接口讀入的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)線通常是雙向信號(hào)線?？刂?狀態(tài)線有兩類：一類是CPU 發(fā)出的控制命令，如讀命令、寫命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲(chǔ)器或外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請求、存儲(chǔ)器忙和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)等。I/O 接口電路有串行和并行兩種。串行 I/O 用于串行通信，它可以把單片機(jī)內(nèi)部的并行 8 位數(shù)據(jù)(8 位機(jī))變成串行數(shù)據(jù)向外傳送，也可以串行接收外部送來的數(shù)據(jù)并把它們變成并行數(shù)據(jù)送給 CPU 處理。并行 I/O 口電路可以使單片機(jī)和存儲(chǔ)器或外設(shè)之間并行地傳送 8 位數(shù)據(jù)(8 位機(jī))。 單片機(jī)的基本工作原理單片機(jī)是通過執(zhí)行程序來工作的，機(jī)器執(zhí)行不同程序就能完成不同的運(yùn)算任務(wù)。因此，單片機(jī)執(zhí)行程序的過程實(shí)際上也體現(xiàn)了單片機(jī)的基本工作原理。為此，先從指令程序談起。前面已經(jīng)介紹，指令是一種可以供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，故它又稱為指令碼(Instruction Code)。指令碼由操作碼(Operation Code)和地址碼(Address Code)構(gòu)成：操作碼用于指示機(jī)器執(zhí)行何種操作；地址碼用于指示參加操作的數(shù)在哪里。其格式為：操作碼 地址碼 指令碼的二進(jìn)制形式既不便于記憶，又不便于書寫，故人們通常采用助記符形式來表示，表 41 所列。表 41 指令的三種形式指令的二進(jìn)制形式 指令的十六進(jìn)制形式 指令的匯編形式01110100 data1 74 data1 MOV A,data1。A←data100100100 data2 24 data2 ADD A,data2。 A←data1+data210000000 1111110 80 FE SJMP $。停機(jī)指令的集合或指令的全體稱為“指令系統(tǒng)”(Instruction System)。微處理器類型不同，它的指令系統(tǒng)也不一樣。所謂程序就是采用指令系統(tǒng)中的指令根據(jù)題目要求排列起來的有序指令的集合。程序的編制稱為“程序設(shè)計(jì)” 。通常，設(shè)計(jì)人員采用指令的匯編符(即助記符)形式編程，這種程序設(shè)計(jì)稱為“匯編語言程序設(shè)計(jì)” 。顯然，設(shè)計(jì)人員如果不熟悉機(jī)器的指令系統(tǒng)是無法編出優(yōu)質(zhì)高效的程序的。為了弄清單片機(jī)的工作原理，現(xiàn)以如下的 Y=5+10 求和程序來說明單片機(jī)的工作過程。7405H MOV A，05H ；A←05H240AH ADD A，0AH ；A←5+1080FEH SJMP $ ；停機(jī)該程序由三條指令組成，每條指令均為雙字節(jié)指令(即第一字節(jié)為操作碼，第二字節(jié)為地址碼)。第一條指令的含義是把 05H 傳送到累加器 A 中；第二條指令是加法指令，它把累加器 A 中的 5 和立即數(shù) 10 相加，結(jié)果保留到累加器 A 中；第三條是停機(jī)指令，機(jī)器執(zhí)行后處于動(dòng)態(tài)停機(jī)狀態(tài)。 單片機(jī)的分類及發(fā)展1974 年,美國仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一臺(tái)單片微型計(jì)算機(jī) F8,該機(jī)由兩塊集成電路芯片組成,結(jié)構(gòu)奇特,具有與眾不同的指令系統(tǒng),深受民用電器和儀器儀表領(lǐng)域的歡迎和重視。從此，單片機(jī)開始迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支。1．單片機(jī)的分類20 世紀(jì) 80 年代以來，單片機(jī)有了新的發(fā)展，各半導(dǎo)體器件廠商也紛紛推出自己的產(chǎn)品系列。迄今為止，市售單片機(jī)產(chǎn)品已達(dá) 60 多個(gè)系列，600 多個(gè)品種。按照 CPU 對數(shù)據(jù)處理位數(shù)來分，單片機(jī)通?？梢苑譃橐韵滤念悺?1)4 位單片機(jī) 4 位單片機(jī)的控制功能較弱，CPU 一次只能處理 4 位二進(jìn)制數(shù)。這類單片機(jī)常用于計(jì)算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器中的控制器。(2)8 位單片機(jī) 8 位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全。和 4 位機(jī)相比，它不僅具有較大的存儲(chǔ)容量和尋址范圍，而且中斷源、并行 I/O 接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)都有不同程度的增加，并集成有全雙工串行通信接口。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令。特別是 8 位機(jī)中的高性能增強(qiáng)型單片