【導讀】本文詳細介紹了一種基于單片機的超聲測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的。傳播速度為確定條件,利用反射超聲波測量待測距離。點的基礎上，分析了超聲波測距的發(fā)展及基本原理，介紹了傳感器的原理及特性。由此提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。計算此超聲波從發(fā)射出到接受的時間差從而得出被測物體到測距儀的距離。測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設計方案做了論證。統(tǒng)框圖及軟、硬件設計。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，且在測量精度方面也能達到要求。測試結(jié)果表明，該設計滿足設計要求，具有一。單片機技術(shù)研制成功的智能距離提示器的原理與方法。該智能距離提示器主要是。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。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。單片機發(fā)出短暫的40kHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；

　　

【正文】 圍的要求越來越寬。電源電壓從當初的 5v 降至 并繼續(xù)下降到 、 、 。在是否使用低電壓復位 功能時應根據(jù)具體應用情況權(quán)衡一下。 超聲 波測距系統(tǒng) 36 eft 技術(shù)新近推出的 motorola m68hc08 系列單片機采用 eft(electrical fasttransient)技術(shù)進一步提高了單片機的抗干擾能力。當振蕩電路的正弦波信號受到外界干擾時，其波形上會疊加一些毛刺。以施密特電路對其整形時，這種毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘信號。交替使用施密特電路和 rc 濾波可以使這類毛刺不起作用，這就是 eft 技術(shù)。隨著 vlsi 技術(shù)的不斷發(fā)展，電路內(nèi)部的抗干擾技術(shù)也在不斷發(fā)展之中。 軟件方面的措施 是 單片機本身在指令設計上也有一 些抗干擾的考慮。非法指令復位或非法指令中斷是當運行程序時遇到非法指令或非法尋址空間能產(chǎn)生復位或中斷。單片機應用系統(tǒng)程序是事先寫好的，不可能有非法指令或?qū)ぶ?。一定是系統(tǒng)受到干擾， cpu 讀指令時出錯了。 以上提到的是當前廣泛使用的單片機應該具有的內(nèi)部抗干擾措施。在選用單片機時，要檢查一下這些性能是否都有，以求設計出可靠性高的系統(tǒng)。 在應用軟件設計方面，設計者都有各自的經(jīng)驗。這里要提醒的是最后對不用的 rom 要做處理。原則是萬一程序落到這里可以自恢復。用于單片機系統(tǒng)的干擾抑制元件 ： 去耦電容每個集成電路的電源、地 之間應配置一個去耦電容，它可以濾掉來自電源的高頻噪聲。作為儲能元件，它吸收或提供該集成電路內(nèi)部三極管導通、截止引起的電流變化 (di/dt)，從而降低系統(tǒng)噪聲。要選高頻特性好的獨石電容或瓷片電容作去耦電容。每塊印制電路板電源引入的地方要安放一只大容量的儲能電容。由于電解電容的纏繞式結(jié)構(gòu)，其分布電感較大，對濾 除高頻干擾信號幾乎不起作用。使用時要與去耦電容成對使用。鉭電容則比電解電容效果更好 。 軟件體系結(jié)構(gòu)是對軟件各高層抽象的理解，必須在較早階段對軟件進行體系結(jié)構(gòu)層的分析，其中算法和數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)的選擇處在軟件體系結(jié)構(gòu)的較低層次上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的問題包括：用一系列組件來組織一個系統(tǒng)，全局控制結(jié)構(gòu)，通信、同步和數(shù)據(jù)存取協(xié)議，設計元件之間功能的劃分，物理的分布方式，系統(tǒng)運行狀況的估計和測量，演化方向，設計模式的選擇等，這些都是設計階段的軟件體系結(jié)構(gòu)。 傳統(tǒng)星載軟件的設計方法、開發(fā)手段已不能適應日益復雜的需求，采用微內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)作為軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種縮短開發(fā)周期、調(diào)試方便有效的快速解超聲 波測距系統(tǒng) 37 決方案。經(jīng)過比較，在采用 32 位微處理器的前提下選用 Vxworks 嵌入式實時操作系統(tǒng)。 如圖 91： 圖 91 縱橫結(jié)合型體系結(jié)構(gòu)設計 軟件體系結(jié)構(gòu)分析與總體設計 普遍的體系結(jié)構(gòu)有： 管道和過濾器型 這種體系結(jié)構(gòu)中每個組件有一系列輸入和一系列輸出，一個組件從它的入口讀取數(shù)據(jù)流，在它的出口產(chǎn)生數(shù)據(jù)流。組件就是過濾器，在組件之間傳送數(shù)據(jù)的接口即管道。 面向?qū)ο蟮慕M織方式 數(shù)據(jù)和它的原始操作是封裝在對象內(nèi)部，對象通過事件驅(qū)動來 協(xié)同工作。對象要保證內(nèi)部數(shù)據(jù)的正確性和對外實現(xiàn)方法的隱藏性。共享存儲體型 包含兩種不同的組件，中心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代表當前狀態(tài)，一系列獨立的組件來操縱中心數(shù)據(jù)存儲，并通過中心存儲體相互通訊。 超聲 波測距系統(tǒng) 38 解釋機型 用軟件產(chǎn)生的一個虛擬機，模仿其他機器，解釋并執(zhí)行特定的指令序列。垂直型包含一系列類，并將它們組織成層次和線索。層次是在相同抽象層次的一系列類。線索是一類子系統(tǒng)，它們之間存在調(diào)用與被調(diào)用的關系，在執(zhí)行后，完成一個子系統(tǒng)的功能。 層次型 一個分層系統(tǒng)中，每一層向它的上一層提供服務，同時使用它的下一層提供的服務 。這種結(jié)構(gòu)支持基于抽象層次的設計、演化和重用。層次型又分為橫向型、縱向型與縱橫結(jié)合型。 橫向體系結(jié)構(gòu)，是指某一個軟件系統(tǒng)可分為多個層次，層次之間的組件關系較為簡單，只有上層組件調(diào)用下層組件的關系，而同一層次內(nèi)部各組件之間的聯(lián)系較為密切，相互之間傳送消息比較頻繁。在采用體系結(jié)構(gòu)的基礎上，按信息流來劃分邊界，信息流內(nèi)部再劃分子系統(tǒng)。 縱向體系結(jié)構(gòu)中包含層次和線索兩個概念。層次是指在相同的抽象層次上的一系列組件，而線索是子系統(tǒng)的特例，指所包含的一系列組件用于完成一個功能?？v向的軟件結(jié)構(gòu)具有可理解性、可適應性 、可重用性。 縱橫結(jié)合型體系結(jié)構(gòu)中，一個組件不僅在垂直方向與其他組件發(fā)生關系，同時在水平方向也與其他組件發(fā)生作用。針對衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的需求，軟件系統(tǒng)采用縱橫結(jié)合型體系結(jié)構(gòu)。 在姿軌控軟件結(jié)構(gòu)設計上要力求簡單，模塊化結(jié)構(gòu)的軟件易于單獨開發(fā)而后集成，在按照共同的數(shù)據(jù)接口開發(fā)后，便于測試，若在軌運行過程中出現(xiàn)問題，易于查找錯誤和排除錯誤，從而到達提高可靠性的目的。在設計小衛(wèi)星軟件系統(tǒng)的過程中，可以借鑒 “ 模塊化公用艙 ” 和 “ 軟件總線 ” 思想，對星載嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)采用模塊化軟構(gòu)件來設計軟件的功能模塊，從而提高軟件開 發(fā)的效率、程序的質(zhì)量，并改進維護方式。 從軟件角度，姿軌控軟件主要完成以下功能：設置系統(tǒng)工作模式、部件工作狀態(tài)；接收星務總線傳來的軌道參數(shù)、在軌編程信息等；實時采集數(shù)據(jù)并進行處理；根據(jù)控制律，計算控制指令，對太陽或地球跟蹤定向；在軌檢測、系統(tǒng)重構(gòu)等?？蓪⑿禽d控制計算機軟件分為三部分：系統(tǒng)引導程序、系統(tǒng)軟件、應用軟件。 超聲 波測距系統(tǒng) 39 設計流程與任務調(diào)度方式 如圖 92所示 ： 圖 92 設計流程圖 超聲 波測距系統(tǒng) 40 操作系統(tǒng)為應用軟件和其它模塊提供運行環(huán)境和多任務管理。應用軟件通過設備驅(qū)動模塊采集敏感部件的姿態(tài)信息和 GPS 接 收機的軌道信息，進行控制規(guī)律的解算，并通過設備驅(qū)動模塊控制執(zhí)行機構(gòu)和太陽帆板。程序和數(shù)據(jù)注入模塊通過數(shù)據(jù)總線獲得地面的程序或者數(shù)據(jù)注入到應用軟件；遙測遙控數(shù)據(jù)管理模塊通過數(shù)據(jù)總線與地面測控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 姿軌控應用程序在實現(xiàn)上由多個任務協(xié)同工作完成，在結(jié)構(gòu)上分為多任務調(diào)度管理任務 (或稱為Schedule 任務 )、遙測遙控任務、故障診斷及系統(tǒng)重構(gòu)任務、程序和數(shù)據(jù)注入任務、系統(tǒng)工作模式管理任務、姿態(tài)確定與控制、軌道控制等應用任務模塊。 作為多任務操作系統(tǒng)，為了突出實時性，降低系統(tǒng)調(diào)度的開銷，它的任 務并不是真正的任務而是線程。姿軌控系統(tǒng)各個任務可以工作在系統(tǒng)級或者應用級，而且有許多不同的運行方式，這些都可以在使用中自由選擇，軟件設計人員有很大的靈活性。因此在姿軌控軟件的設計中，要充分考慮到嵌入式軟件的設計特點，合理利用它的特性。 在整個姿軌控系統(tǒng)中多任務管理任務工作于系統(tǒng)級，其他的任務均工作于應用級。工作于系統(tǒng)級的任務有更高的權(quán)限且受到操作系統(tǒng)的保護，這樣可以防止應用程序?qū)ο到y(tǒng)程序的誤操作， Schedule 任務負責對其他任務的管理，工作于系統(tǒng)級。在其他的任務中與硬件相關的底層任務優(yōu)先級較高，其中 故障檢測與恢復任務級別最高，其次是遙測遙控管理任務，最后是姿態(tài)系統(tǒng) I/O 任務。 在姿軌控軟件系統(tǒng)中，所有的任務都被設置成可以被中斷的工作方式，以充分發(fā)揮硬件中斷的作用，在一定程度上提高了程序運行的并行度。在任務調(diào)度上，所有任務都工作在可剝奪的調(diào)度方式下，即在任何時刻，只要有一個任務進入就緒狀態(tài)而且優(yōu)先級高于正在運行的任務，則立即掛起當前的任務，轉(zhuǎn)而執(zhí)行新的任務，直到這個任務執(zhí)行完成后，再喚醒原來被掛起的低優(yōu)先級任務。 多任務調(diào)度管理的仿真實現(xiàn) 用開發(fā)工具 Tornado，運用系統(tǒng)集成仿真器 VXSIM 來進行任務模塊調(diào)度的仿真。仿真時考慮一種特殊情況：遙測遙控任務打斷模式管理任務的執(zhí)行，但在遙測遙控任務執(zhí)行的過程中，系統(tǒng)發(fā)生了故障，則遙測遙控任務也被故障恢復執(zhí)行工作模式管理任務。 針對衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的需求，應用軟件系統(tǒng)采用縱橫結(jié)超聲 波測距系統(tǒng) 41 合型層次體系結(jié)構(gòu)。通過姿軌控系統(tǒng)工作模式管理模塊對各應用軟件任務模塊的調(diào)用來完成姿軌控應用軟件系統(tǒng)的功能。在每執(zhí)行完一個任務后，自動讀取任務模塊調(diào)度表中的下一個任務，通過計算，確定下次任務開始執(zhí)行的時間，并開始計時，時間到達后，據(jù)飛行任務模式字等內(nèi)容創(chuàng)建并運行相應的姿軌控應用任務模塊。對于需要再次調(diào)用的任務在運行完后掛起，等下次用時激活運行即可；對于不會再次調(diào)用的任務則在運行完后刪除，以免占用空間。 根據(jù)衛(wèi)星的工作模式，采用二維結(jié)構(gòu)體數(shù)組 Table[][]來定義任務模塊調(diào)度表。作為數(shù)組元素的構(gòu)體變量包括任務名、任務優(yōu)先級、任務標志位等，其中任務名、任務標志位定義為字符串數(shù)組， 采用雙重循環(huán)語句來讀寫任務模塊調(diào)度表，調(diào)用相應任務模塊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的管理，完成姿態(tài)軌道控制任務。模塊調(diào)度表定義為維數(shù)組，為系統(tǒng)工作模式數(shù)，為當前工作模式下需調(diào)用的最大任務模塊數(shù)。 超聲 波測距系統(tǒng) 42 結(jié) 論 通過這次應用系統(tǒng)設計，在很大程度上提高了自己的獨立思考能力和單片機的專業(yè)知識，也深刻了解寫一篇應用系統(tǒng)的步驟和格式，有過這樣的一次訓練，相信在接下來的日子我們都會了，而且會做得更好。 我所寫的系統(tǒng)主要根據(jù)目前節(jié)智能化電風扇技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)實際的應用特點和要求，采用了自動化的結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)對電風扇轉(zhuǎn)速的自動控制。 系統(tǒng)以單片機 AT89C51 為核心部件，單片機系統(tǒng)完成對環(huán)境溫度信號的采集、處理、顯示等功能 。用 Protel 軟件繪制電路原理圖和 PCB 電路印刷板圖，由Protues 軟件進行訪 真測試，利用 MCS51 匯編語言編制 ,運行程序該系統(tǒng)的主要特點是 : 1)適用性強，用戶只需對界面參數(shù)進行設置并啟動系統(tǒng)正常運行便可滿足不同用戶對最適合溫度的要求，實現(xiàn)對最適溫度的實時監(jiān)控。 2)系統(tǒng)成本低廉，操作非常簡單，隨時可以根據(jù)軟件編寫新的功能加入產(chǎn)品。操作界面可擴展性強，只要稍加改變，即可增加其它按鍵的使用功能。 本系統(tǒng)在當今提倡人性化設計和健康產(chǎn)品的環(huán)境下具有非常好的市場前景。 本設計在模擬檢測中運行較好，但采樣據(jù)不太穩(wěn)定。功能上的缺憾是對于兩個檔之間的臨界溫度處理不好，并且檔位太少。還有待改進。 以單片機技術(shù)運用于為核心的智能溫控風扇，結(jié)合簡單電路電機控制，在結(jié)構(gòu)小巧美觀，設計簡單靈活，使用方便安全，具有易于安裝、易于操作、易于維護等特點。 超聲波測距離因其人性化設計、成本價格低廉，且應用技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定可靠，具有良好的可移植性和擴展性，不僅能夠滿足于普通家庭需要，也十分適用于辦公室工作環(huán)境、特別是針對于學生宿舍、工廠員工住宿將會是不錯的選擇，一旦投放市場，相信將會得到廣大消費者的青睞。 超聲 波測距系統(tǒng) 43 致謝 很感慨， 我的畢業(yè)設計終于完成了。 雖然中間有著不完美 ，但卻是我自己不斷地查閱資料、思考和動手的結(jié) 果。 大學生活使我懂得了許多，在這期間我在學校過的很充實，這篇畢業(yè)論文的完成，與我的周圍的人是分不開的，在此表示感謝。 首先要特別感謝我的畢業(yè)設計指導老師 李明 老師。非常感謝他在學校工作那么忙的情況下，還非常辛勤地指導我們的畢業(yè)論文。在技術(shù)或是論文設計的說明論文中他都以非常嚴謹?shù)膽B(tài)度給了我許多寶貴的意見。 大學生活結(jié)束，似水流年的日子里，我開始期待明天。 超聲 波測距系統(tǒng) 44 參考文獻 [1] 竇敬仁，張弟寧 . 電工與電子技術(shù)基礎 . 人民交通出版社， 2020. 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