【文章內(nèi)容簡介】 致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成像所用的頻率范圍在 2~5MHz 之間，常用為 3~（每秒振動(dòng) 1 次為 1Hz，1兆 Hz=10^6Hz,即每秒振動(dòng) 100 萬次，可聞波的頻率在 16~20KHZ 之間） 。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聞聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聞聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等。我們把能夠?qū)崿F(xiàn)超聲能量與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換的器件稱為超聲波換能器。 一般情況下，超聲波換能器既能用于發(fā)射又能用于接收。當(dāng)工作頻率很低（在人的聽覺范圍內(nèi)）就會(huì)產(chǎn)生噪音。當(dāng)頻率低于 20KHz 時(shí)，工作噪音不僅變得很大，而且可能超出職業(yè)安全與保健法或其他條例所規(guī)定的安全噪音的限度。在考慮到測距要有足夠的能量，通常選擇 40KHz 頻率的超聲波 [2]。 超聲波技術(shù)在距離測量中的應(yīng)用超聲測距是一種利用單片機(jī)控制超聲波的輪流發(fā)射，并且通過單片機(jī)記錄和讀取發(fā)射超聲波和接收回波的時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出測量的距離。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物理定位儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面達(dá)到很高的要求。目前超聲波測距已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測距原理設(shè)計(jì)各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機(jī)為核心的測距儀器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測、顯示、報(bào)警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠。本文主要論述了利用 S52 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測距的原理以及實(shí)現(xiàn)的方法。該系統(tǒng)主要是利用超聲波探測傳感器發(fā)送超聲波來測試相對應(yīng)的距離。工作時(shí)，超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖。超聲波遇障礙物反射回來一個(gè)反射波，這個(gè)反射波被超聲波接收器收到，也向單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖。最后由單片機(jī)裝置對接受信號依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出該設(shè)備與障礙物之間的距離。它不僅可以利用在車輛行駛輔助系統(tǒng)中，還可以單獨(dú)作為測距儀器或者與其他檢測設(shè)備結(jié)合使用。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。這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。超聲波測距是一種極有潛力的測距方法，近距范圍內(nèi)超聲測距有其不受光線影響，結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特點(diǎn)。超聲波測量的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是：環(huán)境介質(zhì)可以為空氣，液體或固體，適用范圍廣泛。更重要的是超聲波檢測降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免工人在惡劣工作環(huán)境下（高，低溫，強(qiáng)輻射等）受到傷害，還大大提高了測量精度，可靠性高；另外，超聲波測距還可以應(yīng)用到其他的功能系統(tǒng)中，例如在機(jī)器人避障系統(tǒng)；移動(dòng)機(jī)器人避障的超聲測距系統(tǒng)，智能機(jī)器人管家和簡易智能電動(dòng)車自動(dòng)避障系統(tǒng)；自動(dòng)剎車系統(tǒng)和倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，液位測量系統(tǒng)中超聲波測距也有其重要的應(yīng)用。 超聲波傳感器基礎(chǔ)知識超聲波可以由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波傳感器正是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及原理在本設(shè)計(jì)中，我們采用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波信號與電信號的轉(zhuǎn)換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）的作用下產(chǎn)生變形，從而使物質(zhì)本身極化，在物體相對的表面出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作。圖21 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩級外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間為外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時(shí)它就是超聲波接收換能器了，超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲波測距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的 [3]。測距的公式表示為：s=vt/2 或 s=vT式中 s 為測量的距離長度；v 為超聲波在空氣中的傳播速度；t 為測量距離傳播的時(shí)間差(T 為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。第 3 章 相關(guān)知識介紹 單片機(jī)基礎(chǔ)知識單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、程序存儲(chǔ)器 ROM、各種 I/O 端口和基本功能單元（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。單片機(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。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) [4]。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。中斷 內(nèi)部總線時(shí)鐘 OSC中央處理器CPU程序存儲(chǔ)器ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM各種 I/O 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器CTC外部設(shè)備圖 31 典型單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 單片機(jī)的分類及發(fā)展單片機(jī)的分類 A單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，根據(jù)目前的發(fā)展情況，從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。（1）通用型/專用型：這是按單片機(jī)適用范圍來進(jìn)行區(qū)分。通用型單片機(jī)不是為某種專門用途設(shè)計(jì)的；專用型單片機(jī)是針對一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成 ADC 接口等功能的溫度測量控制電路。（2）總線型/非總線型：這是按單片機(jī)是否提供并行總線來進(jìn)行區(qū)分?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成于一單片內(nèi)，因此在許多情況下可以不需要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。（3）工控型/家電型：這是按照單片機(jī)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的，還可以按照多種方法進(jìn)行劃分 [5]。單片機(jī)的分類 B20 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＃?）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。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)型單片機(jī)，除片內(nèi)增加了 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器以外，還集成有定時(shí)器捕捉/比較寄存器、監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog)、總線控制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機(jī)由于其片內(nèi)資源豐富且功能強(qiáng)大，主要在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用。（3）16 位單片機(jī) 16 位單片機(jī)是在 1983 年以后發(fā)展起來的。這類單片機(jī)的特點(diǎn)是：CPU 是 16 位的，運(yùn)算速度普遍高于 8 位機(jī)，有的單片機(jī)尋址能力高達(dá) 1MB，片內(nèi)含有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換電路，支持高級語言。這類單片機(jī)主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的控制器。（4）32 位單片機(jī) 32 位單片機(jī)的字長為 32 位，是單片機(jī)的頂級產(chǎn)品，具有極高的運(yùn)算速度。近年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新發(fā)展，32 位單片機(jī)的市場前景看好 [6]。單片機(jī)的發(fā)展趨勢目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢。（1）CMOS 技術(shù)。 近年，由于 CHMOS 技術(shù)的進(jìn)步，大大地促進(jìn)了單片機(jī)芯片采用 CMOS 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。（2）低功耗。單片機(jī)的功耗已下降許多，靜態(tài)電流甚至降到 1uA 以下；使用電壓在 3～6V 之間，完全能夠適應(yīng)于電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。（3）低電壓。幾乎所有的單片機(jī)都有 WAIT、STOP 等省電運(yùn)行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3～6V 范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已可達(dá)1～2V。目前 供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。（4）低噪聲與高可靠性。為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機(jī)內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。（5）大容量。以往單片機(jī)內(nèi)的 ROM 為 1KB～4KB，RAM 為 64～128B。但在需要復(fù)雜控制的場合，該存儲(chǔ)容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，須運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲(chǔ)器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB，RAM 最大為 2KB。（6）高性能。主要是指進(jìn)一步改變 CPU 的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度。由于這類單片機(jī)有極高的指令速度，可以使用軟件模擬其 I/O 功能，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。（7）小容量、低價(jià)格。與上述相反，以 4 位、8 位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動(dòng)向之一。這類單片機(jī)的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。（8）外圍電路內(nèi)裝。這也是單片機(jī)發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的 CPU、ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA 控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時(shí)器、液晶顯示驅(qū)動(dòng)器、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)用的鎖相電路等。（9）串行擴(kuò)展技術(shù)。隨著低價(jià)位 OTP（One Time Programble）及各種特殊類型片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，推動(dòng)了單片機(jī)“單片”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是 I2C、SPI 等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化 [7]。 AT89S52 單片機(jī)的功能特點(diǎn)AT89S 系列單片機(jī)是繼 AT89C 系列之后推出的功能更強(qiáng)的新產(chǎn)品。AT89S 系列與AT89C 系列相比，運(yùn)算速度有了較大的提高，它的靜態(tài)工作頻率為 0^33MHz，片內(nèi)集成有雙數(shù)據(jù)指針 DPTR、定時(shí)監(jiān)視器(watch dog timer，又稱看門狗)、低功耗休閑狀態(tài)及關(guān)電方式、關(guān)電方式下的中斷恢復(fù)等諸多功能，極大地滿足了各種不同的應(yīng)用要求。AT89S52 單片機(jī)是 AT89S 系列中的增強(qiáng)型高檔機(jī)產(chǎn)品，它片內(nèi)存儲(chǔ)器容量是AT89S51 的一倍，即片內(nèi) 8KB 的 Flash 程序存儲(chǔ)器和 256B 的 RAM。另外，它還增加了一個(gè)功能極強(qiáng)的、具有獨(dú)特應(yīng)用的 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 2 等多種功能。其具有如下特點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)上：AT89S 系列片內(nèi)含 ISP 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器；AT89S 系列新增了斷電標(biāo)志、可編程監(jiān)視器（看門狗） 、中斷恢復(fù)等。在功能上：（部分功能是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的改變而新增）引腳功能：管腳幾乎相同,變化的有,在 AT89S 中 , 具有第二功能,即這 3 個(gè)引腳的第二功能組成了串行 ISP 編