【文章內(nèi)容簡介】 C=C0+179。 T℃ 式中： C0 為零度時的聲波速度 332m/s； T 為實際溫度 (℃ )。 對于超聲波測距精度要求達到 1mm 時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。鄭俊瑯：基于單片機控制超聲波測距儀的設計 6 例如當溫度 0℃時超聲波速度是 332m/s, 30℃時是 350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為 18m/s。若超聲波在 30℃的環(huán)境下以 0℃的聲速測量 100m 距離所引起的測量誤差將達到 5m，測量 1m 誤差將達到 5mm。 超聲波 發(fā)生器可以分為兩類：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、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。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。 單片機實現(xiàn)測距的原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 tr，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C 為超聲波波速 。 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋 范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關 。 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 7 3 系統(tǒng) 硬件設計 系統(tǒng) 結(jié)構 設計 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(jié)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(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整，使測量精度能夠達到要求。整體結(jié) 構圖包括超聲波發(fā)射電路 、超聲波接收電路 、放大電路、比較震蕩電路、 單片機電路 、鍵盤輸入電路、電源電路、復位電路、 顯示電路 、 溫度測量電路 及溫度補償電路 等幾部分模塊組成。 超聲波測距系 統(tǒng)結(jié)構 圖如圖 31 所示； 圖 31超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構圖 單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用 比較 電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，用 溫度測量電路測量當時的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用 軟件 對超聲波的傳播速度進行調(diào)整，使測量精度能夠達到要求。再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。 用復位電路重置系統(tǒng)后可進行下一次測試。 超聲波 接收電路 放大 電路 超聲波 發(fā)射電路 放大 電路 比較 電路 震蕩 電路 單片機 AT89C51 鍵盤 輸入 復位 電路 溫度傳感器 DS18B20 電源 電路 4 位 LED 顯示器 R40 超聲波傳感器 T40 超聲波傳感器 鄭俊瑯：基于單片機控制超聲波測距儀的設計 8 AT89C51 單片機簡介 AT89C51 單片機的功能 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051 是一 種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 該系列單片機引腳如圖 所示。 EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10U1AT89C51 圖 AT89C51單片機 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 9 AT89C51 單片機主要特性 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級程序存儲器鎖定 128179。 8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 AT89C51 提供以下標準功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 AT89C51 管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P0 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 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) /地址的低八位。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 外部必須接上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)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(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為低八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)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(nèi)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。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下 所示： 口管腳 備選功能 鄭俊瑯：基于單片機控制超聲波測距儀的設計 10 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信 號。 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間。 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。 /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)。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)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）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 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(nèi)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(qū)動器件， XTAL2 應不接。有余輸入至內(nèi)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。 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 11 DS18B20 溫度傳感器簡介 溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場上銷售的有雙金屬片、 銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導體熱敏電阻等。以半導體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應用廣泛，這是因為在元件允許工作條件范圍內(nèi)，半導體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點，而且制造工藝簡單、價格低廉。半導體熱敏電阻按溫度特性熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度上升而增加）和負溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度上升而下降）。 本設計采用的是美國 Dallas 半導體公司的不銹鋼封裝的 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。DS18B20 是采用專門設計的不銹鋼外殼，僅有 的壁厚，具有很小的蓄熱量，采用導熱 性高的密封膠，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。 DS18B20 支持“一線總線”接口（ 1Wire），測量溫度范圍為 55176。 C～ +125176。 C，在 10～ +85176。 C 范圍內(nèi) ,精度為177。 176。 C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝； DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器的主要性能如下： 1) 適用電壓為 3V～ 5V； 2) 9～ 12 位分辨率可調(diào)，對應的可編程溫度分別為 ℃、 ℃、 ℃、 ℃； 3) TO9 SOIC 及 CSP 封裝可選； 4) 測溫范圍： 55℃～ 125℃； 5) 精度： 10℃～ 85℃范圍內(nèi)177。 ℃； 6) 無需外部元件，獨特的一線接口，電源和信號復合在一起； 7) 每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，零功耗等待。 該系列溫度傳感器引腳如圖 VDD3I/O2GND1U2DS18B20 圖 DS18B20 溫度傳感器 鄭俊瑯：基于單片機控制超聲波測距儀的設計 12 T R40 超聲波傳感器簡介 超聲波傳感器的基本介紹 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā) 生振動產(chǎn)生的，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。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，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