【文章內容簡介】 和接受根據(jù)超聲波傳播的時間來計算
出傳播距離。實用的測距方法有兩種一種是在被測距離的兩端一端發(fā)射另一
端接收的直接波方式適用于身高計一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射
波方式適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。
測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電
效應的傳感器常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當?shù)乃p
衰減的程度與頻率的高低成正比而頻率高分辨率也高故短距離測量時應選擇高
頻率的傳感器而長距離測量時應用低頻率的傳感器【14】。
超聲波接收傳感器
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材
料可以有許多種。晶片的大小如直徑和厚度也各不相同因此每個探頭的性能是
不同的我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括
工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和
晶片的共振頻率相等時輸出的能量最大靈敏度也最高。
工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高特別時診斷用超聲波探頭使用
功率較小所以工作溫度比較低可以長時間地工作而不至于失效。醫(yī)療用的超聲
探頭的溫度比較高需要單獨的制冷設備【15】。
靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大靈敏度高反之靈敏
度低。因此超聲波接受傳感器應該應用集成電路CX20106ACX20106A是一款紅
外線檢波接收的專用芯片常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的本頁完第 13 頁 共 40 頁 載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近可以利用它制作超聲波檢
測接收電路。實驗證明用Cx20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)具有很好
的靈敏度和較強的抗干擾能力【16】。
顯示單元選擇
顯示單元是計算機系統(tǒng)開發(fā)時使用的主要設備之一它可將計算機的運算結
果、中間結果、存儲器地址以及存儲器、寄存器中的內容顯示出來從而實現(xiàn)人機
對話?？梢宰鲲@示器的有LED,LCD,CRT等。CRT就是常見的顯像管式的顯示器。
優(yōu)點是顏色視覺效果好視角寬可靠性高便宜缺點是體積大耗電多有微量
的X射線輻射。LED就是發(fā)光二極管。LED一般適合做大屏幕的顯示設備最突
出的優(yōu)點那就是屏幕尺寸可以不受限制亮度可以做的很高其他的如顯色性、對
比度等都不如CRT顯示器。考慮到各種綜合因素本設計采用LED顯示器【17】。
系統(tǒng)整體方案的論證
超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受根據(jù)超聲波傳播的時間來計算
出傳播距離。實用的測距方法有兩種一種是在被測距離的兩端一端發(fā)射另一
端接收的直接波方式適用于身高計一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射
波方式適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。
測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電
效應的傳感器常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當?shù)乃?br />減衰減的程度與頻率的高低成正比而頻率高分辨率也高故短距離測量時應選
擇頻率高的傳感器而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。








本頁完第 14 頁 共 40 頁 3 系統(tǒng)硬件結構設計 超聲波測距儀的硬件設計思想
按設計要求根據(jù)超聲波測距原理以AT89S51單片機系統(tǒng)為核心開發(fā)超
聲波液位檢測系統(tǒng)。它的各部分電路的說明如下
1AT89S51單片機最小系統(tǒng)是超聲波測量儀的核心部分其主要任務是
發(fā)出40KHz的脈沖串用來驅動超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波
通過定時器T1對超聲波的傳輸時間進行計時
根據(jù)測出的時間和有關參數(shù)計算出距離、體積等數(shù)據(jù)
控制參數(shù)的輸入和數(shù)據(jù)的顯示
2超聲波發(fā)射電路的作用是將單片機送來的40KHz的脈沖信號放大以滿
足超聲波發(fā)射傳感器的驅動要求。
3超聲波接收電路主要包括電壓放大、帶通濾波、電壓比較和中斷信號輸
出等部分。它是用來對接收到的回波進行放大和整形即將回波信號轉換成單片機
的中斷信號。
AT89S51芯片的功能特點
AT89S51功能介紹
作為超聲波測距系統(tǒng)的核心部件單片機的選擇對整個系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至
關重要的作用。面向工控領域的單片處理器目前廣泛應用的有51系系列8位單
片機及面向大量數(shù)字信號處理領域的數(shù)字信號處理器(DSP)。
DSP 器件在工控領域的應用從長遠看是一個必然的趨勢但目前 DSP 器件
的使用偏重于高端應用領域對于智能儀表所開發(fā)的功能得不到充分利用不能很
好的體現(xiàn)器件優(yōu)勢。51單片機具有開發(fā)技術成熟、應用廣泛等優(yōu)點尤其是在
ATMEL公司將Flash存儲技術應用到單片機產(chǎn)品中將Flash存儲技術與Intel公
司的MCS51核心技術相結合形成了AT89系列單片機。
AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓高性能CMOS 8位單片機片
內含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128位的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器
RAM器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)兼容標準
MCS51指令系統(tǒng)內置通用 8 位中央處理器CPU和 Flash 存儲單元功能本頁完第 15 頁 共 40 頁 強大。AT89S51單片機的高性價比可靈活應用于各種控制領域【18】。
AT89S51芯片 按設計要求根據(jù)超聲波測距原理以AT89S51單片機系統(tǒng)為核心電路開
發(fā)超聲波測距儀。它的部分引腳和功能具體說明如下
1VCC供電電源提供掉電、空閑、正常工作電壓。
2GND接地。
3P0口P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口每腳可吸收8TTL門電流。
當P1口的管腳第一次寫1時被定義為高阻態(tài)輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存
儲器它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時P0 口作為原碼輸
入口當FIASH進行校驗時P0輸出原碼此時P0外部必須被拉高。
4P1口P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口P1口緩沖器
能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后被內部上拉為高可用作輸入
P1口被外部下拉為低電平時將輸出電流這是由于內部上拉的緣故。在FLASH本頁完第 16 頁 共 40 頁 編程和校驗時P1口作為第八位地址接收。
5P2口P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口P2口緩沖器可接
收輸出4個TTL門電流當P2口被寫“1”時其管腳被內部上拉電阻拉高
且作為輸入。并因此作為輸入時P2口的管腳被外部拉低將輸出電流。這是由
于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行
存取時P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時它利用內部上拉優(yōu)勢當
對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2
口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
6P3口P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口可接收輸出4個
TTL門電流。當P3口寫入“1”后它們被內部上拉為高電平并用作輸入。作為
輸入由于外部下拉為低電平P3口將輸出電流ILL這是由于上拉的緣故。
7RST復位輸入。當振蕩器復位器件時要保持RST腳兩個機器周期的
高電平時當8051通電時鐘電路開始工作在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期
以上的高電平系統(tǒng)即初始復位。初始化后程序計數(shù)器PC指向0000HP0P3
輸出口全部為高電平堆棧指針寫入07H其它專用寄存器被清“0”。RESET由
高電平下降為低電平后系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而初始復位不
改變RAM包括工作寄存器R0R7的狀態(tài)。
8ALE/PROG當訪問外部存儲器時地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存
地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間此引腳用于輸入編程脈沖。在平時ALE
端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作
對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時
將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時 ALE
只有在執(zhí)行MOVXMOVC指令是ALE才起作用。另外該引腳被略微拉高。如
果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止置位無效。
9PSEN外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間每
個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時這兩次有效的/PSEN信
號將不出現(xiàn)。
10EA/VPP當/EA保持低電平時在此期間外部程序存儲器
0000HFFFFH不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時/EA將內部本頁完第 17 頁 共 40 頁 鎖定為RESET當/EA端口保持高電平時此間內部程序存儲器。在FLASH編程
期間此引腳也用于施加12V編程電源VPP。
11XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。
12XTAL2來自反向振蕩器的輸出。
13振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反
向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘
源驅動器件XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器
因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。
14芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制
信號組合并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中代碼陣
列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前該操作必須被執(zhí)行。
此外AT89S51設有穩(wěn)態(tài)邏輯可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯支持兩種軟
件可選的掉電模式。在閑置模式下CPU停止工作。但RAM定時器計數(shù)器
串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下保存RAM的內容并且凍結振蕩器禁
止所用其他芯片功能直到下一個硬件復位為止。
AT89S51單片機最小系統(tǒng)
時鐘電路晶振采用12MHZ由CC2晶振組成震蕩電路為單片機提供
內部時鐘由單片機計時采用
12MHZ晶振可以使此系統(tǒng)測量值理論上達到毫米級。
復位電路采用上電復位電路簡單使用方便在程序跑飛時不用重啟單
片機電源就可以實現(xiàn)復位。電源系統(tǒng)瞬間斷電或電壓突然下降將使單片機陷入混
亂狀態(tài)電源系統(tǒng)恢復正常后單片機系統(tǒng)難以恢復正常解決這一問題的有效方
法就是采用復位電路。當電壓斷電或者低于某個值的時候便給單片機一個復位信
號讓單片機有準備的保存重要數(shù)據(jù)。通過復位電路可以使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到較大
的提高從而在一定程序上減免了誤差。
 本頁完第 18 頁 共 40 頁 主模塊電路圖 超聲波發(fā)射電路
壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩
個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號其頻率等于壓電晶片的固有
振蕩頻率時壓電晶片會發(fā)生共振并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波這時它就是一
個超聲波發(fā)生器反之如果兩電極問未外加電壓當共振板接收到超聲波時將
壓迫壓電晶片作振動將機械能轉換為電信號這時它就成為超聲波接收換能器。
超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同使用時應分清器件上的標志。 反相器74SL04參數(shù)
最大額定值
電源電壓
to +
DC輸入電壓
to Vcc+
直流輸出電壓
to Vcc+
鉗位二極管電流
177。20mA
直流輸出電流每個引腳輸出
177。25mA
功耗
600mW 本頁完第 19 頁 共 40 頁 發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成
的一個電極另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極用這種推換
形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采
用兩個反向器并聯(lián)用以提高驅動能力。上位電阻RR2一方面可以提高反向器
74LS04輸出高電平的驅動能力另一方