【文章內容簡介】 和實用性上來說，超聲波測距在 現(xiàn)代 工業(yè)生產 應用中 是 最優(yōu)方案 的 選擇。隨著超聲波技術的發(fā)展，高端的超聲波測距模塊在精度上已經達到 mm 級別， 而超聲波測距 帶溫度補償的功能 又可以大大的 消除 溫度的影響，使測量更精確，更穩(wěn)定 。超聲波測距器 比較低廉的成本價格以及比較高的安全性能，也成為了人們選擇它的不二理由！ 表 12 給出了上述三種不同測距方式的比較。 表 12 不同測距的方式比較 方式比較 精度 造價 抗干擾 測試距離 激 光 7mm 較高 強 較長 超 聲 波 32mm 低 一般 較長 紅 外 線 20cm150cm 低 弱 短 基于 單片機 的 超聲波 測距器的設計思路 超聲波是指頻率高于 20 kHz的機械波。為了以超盧波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成此功 能 的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探5 頭。 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具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF(time of flight)。首先測出超聲波從發(fā)射至遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度即得到 2倍的聲源與障礙物之問的距離。 測量距離的方法有多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為 ，由單片機計時，單片機使 用 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中 傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利 用超聲波檢測距離，設計較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達 到要求。 超聲波發(fā)生器可以分為 2類：一是用電氣方式產生超聲波；二是用機械方式產生超聲波。該課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。 根據設計要求并綜合各方面因素，采用 AT89C51單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成， 該 系統(tǒng) 的 框圖如圖 11所示。 圖 11 超聲波測距器系統(tǒng)設計框圖 6 第二章 基于單片機的超聲波測距器的硬件系統(tǒng)設計 系統(tǒng) 總體設計 思想 整體電路的控制核心為單片機 AT89C51。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應信號進行整形及放大，以保證測量結果盡可能精確。超聲波探頭接 OUT 口實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測量電路測量當時的空氣溫度，等到把數據送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調整，使測量精度能夠達到要求。整體結構圖包括超聲波發(fā)射電路 ,超聲波接收電路 ,單片機電路 ,顯示電路與溫度測量電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號放大，接收前也要把還再次放大 基于單片機的測距器主要是基于單片機的測距系統(tǒng)，在系統(tǒng)的設計當中要以單片機為核心器件 ，共分為超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路及顯示部分。超聲波測距電路的設計框圖如圖 21 所示。 圖 21 超聲波測距電路框圖 本方案采用單片機作為控制系統(tǒng)，用單片機產生數個 40kHz 的超聲波，脈沖持續(xù)時間為 左右，時隔 反復進行。此脈沖信號作為計時的起始脈沖，由單片機輸出的端口的高頻脈沖經過 74LS04 六反相器功率放大、升壓后與超聲波探頭產生共振，使超聲波探頭工作，則超聲波由超聲波發(fā)射器發(fā)射探頭發(fā)射出去。接收電路由超聲波接收器、CX20206A 集成電路組成。使用 CX20206A 集 成電路對接收探頭收到的信號進行放大、濾波。當 CX20206A 接收到發(fā)射 40kHz 的信號時，會在倒數第二腳產生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入，停止計數器 TO 計數，并讀取TO 計數值存儲。發(fā)射超聲波時，壓電傳感器的壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。接收超聲波時，兩電極間未添加其余電，共振板接收到超聲波，將壓迫壓電晶片作為振動，從而將機械能轉換為電信號。 本系統(tǒng)按照設計的要求，主要是根據超聲波測距原理，以 AT89C51 單片機控制系統(tǒng)為核心來 設計并研究的。 以下是對超聲波測距系統(tǒng)的各部分電路的說明： 首先， AT89C51 單片機最小系統(tǒng)是本系統(tǒng)設計的核心部分，它的主要作用是：發(fā)射 40kHz的方波信號用來驅動超聲波傳感器發(fā)生超聲波信號；利用計數器 TO對超聲波從發(fā)射到接收所用的時間進行計數；根據外部中斷 O 口來檢測超聲波回波信號；根據所測出的時間及有7 關參數來計算距離；控制有關參數的輸入和顯示等。 其次，顯示電路的作用是采用動態(tài)掃描法使 4 位 LED 共陽數碼管實時顯示。超聲波發(fā)射電路的作用主要是將單片機發(fā)射過來的 40kHz 的方波信號放大加到超聲波發(fā)射傳感器兩極，用以驅動超聲波傳感器發(fā)生超聲波信號。 再次 ，超聲波檢測接收電路的作用主要是對接收到的超聲波回波進行放大和調整，將其轉換成為單片機的中斷信號。 最后，顯示電路的作用主要是根據有關參數及設計要求使系統(tǒng)按照要求發(fā)出相應的顯示內容或信號。 單片機的簡單介紹與性能特點 單片機一詞最初源于 “ SingleChip Microputer” ，簡稱 “ SCM” 。單片機也叫做 “ 微控制器 ” 或者 “ 嵌入式微控制器 ” 。它不是完成某一個邏輯功能的芯片（芯片也稱為集成電路塊，它是 1958 年 9 月 12 日，在 Robert Noyce 的領導下，科研小組發(fā)明集成電路后開始出現(xiàn)的一個名稱），而是把一個微型計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它體積小、質量輕、價格便宜，為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。 近年來，微處理器已廣泛應用于多種領域，尤其是在智能儀器儀表中的應用更是如此，這不僅引起了產品本身的變革，也深深地影響設計的理念的變革。智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，其核心在于微處理器?；谖⑻幚砥鞯闹悄芟到y(tǒng)設計，已成為目前電子設計領域的一個熱點。智能系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，一般包含微處理器、按鍵與顯示人機界面、 A/D 轉換、 D/A轉換等基本功能部件，同時也包含與應用領域相關的其他特殊部件。智能系統(tǒng)一般需要在惡劣的環(huán)境下長期連續(xù)地工作，因此在滿足功能的基礎上，其可靠性也是設計時需要考慮的一個方面，目前已經普遍應用于通信、雷達、遙控和自動控制等各個領域中。 單片機（ Microcontroller，又稱微控制器）是在一塊硅片上繼承了各種部件的微型計算機，這些部件包括中央處理器 CPU、數據存儲器 RAM、程序存儲器 ROM、定時器 /計數器和多種 I/O 接口電路。 本課題研究的主要單片機為 AT89C51 單片機，這是一款基于 8051 單片機的基礎上研制而出的一款新型單片機，其主要工作部件及原理都遵循 8051 單片機的構造及工作原理。AT89C51 是 ATMEL 公司的產品，它既擁有改進型 8051 增加的 FLAH 類型的儲存器，還擁有 MCS 8051 內核公開的技術構造。在指令方面，做到了與 8051 單片機的全方面兼容。AT89C51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制 造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 8051 引腳結構，芯片內集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89C51 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 下面就從基礎單片機的特點對單片機進行簡單的介紹。 系統(tǒng) 單片機 的選擇 系統(tǒng)單片機的選擇要基于單片機的特點，而 AT89C51 單片機是基于 8051 系列單片機的一個產品， AT89C51 單片機 是 ATMEL 公司推出的通用型單片機，它的基本型產品與傳統(tǒng)的8051 單片機只是在制作工藝方面略有不同。傳統(tǒng)的 8051 單片機 的片內存貯器 ROM 為掩膜型的，在制造芯片時已經將應用程序固化進去，使得單片機擁有了某種專項的功能。而AT89C51單片機的片內無 ROM，使用時可以根據不同的情況相應的外接 EPROM型的 ROM，這樣一來，更加方便改寫固化的應用程序。 AT89C51 單片機的一般說明 如下 ： AT89C51 具有如下特點： 40 個引腳， 8k Bytes Flash 片內程序存儲器， 256 bytes 的隨機8 存取數據存儲器（ RAM）， 32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數器 ,2 個全雙工串 行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內時鐘振蕩器。 AT89C51 的數據存儲包括 256 字節(jié)的內部 RAM，特殊功能寄存器（ SFR）， 2K 字節(jié)的片內 EEPROM 和可擴展至 64K 的外部數據存儲器。此外， AT89C51 設計和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下， CPU暫停工作，而 RAM 定時計數器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。 除了上述 的不同之處外， AT89C51 單片機與一般的 8051 單片機都具有以下的特點： 8 位 CPU；片內振蕩器及時鐘電路； 32 根 I/O 線；外部存貯器尋址范圍 ROM、 RAM 各 64K； 2 個 16 位的定時器 /計數器； 5 個中斷源； 2 個中斷優(yōu)先級；全雙工串行口；布爾處理器 。 AT89C51 單片機的一些極限參數為： 操作溫度： 0176。 C— +70176。 C；儲存溫度范圍： 65176。 C— +150176。 C； EA/VPP 腳相對于 VSS的點壓： 0V— +13V；其他任何腳相對于 VSS 的點壓： — +；每個 IO 腳的最大 IOL。 圖 AT89C51 單片機各部分組成 AT89C51 單片機的中央處理器（ CPU）是單片機的核心，它是完成運算和操作控制的關鍵。 AT89C51 單片機的中央處理器主要包括運算器和控制器兩大部分： 運算器： 運算器主要用來實現(xiàn)算術、邏輯運算和位操作。其中包括算術和邏輯運算單元ALU、累加器 ACC、 B 寄存器、程序狀態(tài)字 PSW 和兩個暫存器等。 ALU 是運算電路的核心，實質上是一個全加器，完成基本的算術和邏輯運算。算術運算包括加、減、乘、除、增量、減量 、 BCD 碼運算；邏輯運算包括 “ 與 ” 、 “ 或 ” 、 “ 異或 ” 、左移位、右移位和半字節(jié)交換，以及位操作中的位置位、位復位等。 暫存器 1和暫存器 2 是 ALU 的兩個輸入，用于暫存參與運算的數據。 ALU 的輸出也是兩個：一個是累加器，數據經運算后，其結果又通過內部總線返回到累加器；另一個是程序振蕩器和時鐘電路 數據存儲器 128 字節(jié) 程序存儲器 14KB CPU 兩個 16 位定時器 計數器 中斷 控制 總線擴展控制器 并行可編程 I/O 口 可編程 串行口 內部總線 外 部中斷 擴展控制 P0 P1 P2 P3 RXD TXD 9 狀態(tài)字 PSW，用于存儲運算和操作結果的狀態(tài)。 累加器是 CPU 使用最頻繁的一個寄存器。 ACC 既是 ALU 處理數據的來源，又是 ALU運算結果的存放單元。單片機與片外 RAM 或 I/O 擴展口進行數據交換必須通過 ACC 來進行。 B寄存器在乘法和除法指令中 作為 ALU 的輸入之一，另一個輸入來自 ACC。運算結果存于 AB 寄存器中 。 控制器：控制器是識別指令并根據指令性質協(xié)調計算機內各組成單元進行工作的部件，主要包括程序計數器 PC、 PC 增量器、指令寄存器、指令譯碼器、定時及控制邏輯電路等，其功能是控制指令的讀入、譯碼和執(zhí)行，并對指令執(zhí)行過程進行定時和邏輯控制。 AT89C51單片機中， PC是一個 16位的計數器，可對 64KB 程序存儲器進行尋址。復位時 PC 的內容是 0000H 存儲器：單片機內部的存儲器分為程序存儲器和數據存儲器。 AT89C51 單片機的程序存儲器采用 4KB 的 快速擦寫存儲器 Flash Memory,編程和擦除完全是電器實現(xiàn)。 外圍接口電路： AT89C51 單片機的外圍接口電路主要包括： 4 個可編程并行 I/O 口 ,1 個可編程串行口， 2 個 16 位的可編程定時器以及中斷系統(tǒng)等。 AT89C51 單片機的中央處理器主要構成如圖 第一章 圖 AT89C51 單片機的中央處理器主要構成 AT89C51 單片機