【文章內(nèi)容簡介】 // TR1=1。 //啟動定時器 1 EA=1。 while(TH1 30)。//等待測量的結(jié)果，周期 毫秒（可用中斷實現(xiàn)） TR1=0。 //關(guān)閉定時器 1 EX0=0。 //關(guān)閉外部中斷 if(succeed_flag==1) { distance_data=outeH。 //測量結(jié)果的高 8 位 distance_data=8。 //放入 16 位的高 8 位 distance_data=distance_data|outeL。//與低 8 位合并成為 16 位結(jié)果數(shù)據(jù) distance_data*=12。 //因為定時器默認為 12 分頻 distance_data/=58。 //微秒的單位除以 58 等于厘米 } //為什么除以 58 等于厘 if(succeed_flag==0) { distance_data=0。 //沒有回波則清零 test = !test。 //測試燈變化 } distance[i]=distance_data。 //將測量結(jié)果的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū) i++。 if(i==3) { distance_data=(distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3])/4。 pai_xu()。 distance_data=distance[1]。 a=distance_data。 if(b==a) CONT_1=0。 if(b!=a) CONT_1++。 if(CONT_1=3) { CONT_1=0。 b=a。 conversion(b)。} i=0。 } }} 外部中斷程序說明 圖 12 定時器中斷服務(wù)子程序外部中斷清單如下：void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO 中斷服務(wù)程序{ uint bwei,shwei,gwei。 uchar DH,DL。 ulong COUNT。 ulong num。 TR0=0 。 //停止計數(shù) DH=TH0。 DL=TL0。 COUNT=TH0*256+TL0。 num= (344*COUNT)/20220。 //計算距離 bwei=num/100。 //取百位 gwei=(numbwei*100)/10。 //取十位 shwei=num%10。 //取個位 P1=tab[bwei]。 //輸出百位 P0=tab[shwei]。 //輸出十位 P2=tab[gwei]。 //輸出個位 TH0=0。 TL0=0。}3 超聲波傳感器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的因有振蕩頻率時，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。反之，如果兩極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。在設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)之前，我們首先來了解一下有關(guān)超聲波傳感器方面的知識。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測方式以及超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。 超聲波傳感器的原理與特性 原理人們可以聽到的聲音頻率為 20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz 以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為 100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz 等。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖 13 所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。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，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。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，在長度方向上縮短。圖 13 壓電逆效應(yīng)超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動板)接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發(fā)送器的雙晶振子(諧振頻率為 40kHz)上施加 40kHz 的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就能發(fā)送 40kHz 頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負極的電壓。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進行振動，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。 特性現(xiàn)以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表 31 示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標稱頻率為 40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各自使用并聯(lián)諧振頻率。表 2 超聲波傳感器 MA40S2R/S 的特性種類特性 MA40S2R 接收 MA40S2S 發(fā)送標稱頻率 40kHz靈敏度 －74dB 以上 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，大部分是在標稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率較大，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稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時要充分考慮到這一點以免逸出標稱頻率。圖 14 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，不僅在外部進行溫度補償，在傳感器內(nèi)部也要進行溫度補償。圖 14 傳感器的方向性 超聲波傳感器的檢測方式 穿透式超聲波傳感器的檢測方式當物體在發(fā)送器與接收器之間通過時，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，作為標準被檢測物體使用100mm100mm 的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。 限定距離式超聲波傳感器的檢測方式當發(fā)送超聲波束碰到被檢測物體時，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，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，則有時不能檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀，實際使用超聲波傳感器時一定要確認是否能檢測到被測物體。 限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時，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。 回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式回歸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，調(diào)整用門信號控制被測物體反射的超聲波的檢測時間，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15 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)生機械振動，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進行檢測。圖 15 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，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號的時間或?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。4 AT89C51 單片機簡介本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)是基于單片機控制的，在介紹電路設(shè)計之前，我們先來簡單了解一下單片機的工作原理，由于本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)是以 Atmel 公司的 8 位單片機 AT89C51 為核心的，所以，在本章先簡單的介紹一下 AT89C51 的一些特性。 單片機基礎(chǔ)知識單片微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。單片微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機種。通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、存儲器和 I/O 接口電路等。因此，單片機只需要與適當?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 16 所示。圖 16 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)與單片機相比，微型計算機是一種多片機系統(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)連成一體的完整計算機系統(tǒng)。其中，中央處理