【導讀】我們生活的是一個三維的空間，物體與物體之間有著其相對的位置。從最初的用腳步去丈量，到后來的具有統(tǒng)一標準的尺子測量。已經(jīng)形成了一系列應。用于各行的不同精度的尺子，基本滿足了我們?nèi)粘Ｉ詈涂茖W研究的需求。社會的發(fā)展又有許多關(guān)于測量距離的新問題被提出來。布局等能否安全方便的測量出目標距離。另外，在一些場合里能否實時動態(tài)測量目標。都是傳統(tǒng)的靜態(tài)測量方法解決不了的。實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。了該超聲波測距系統(tǒng)中所選用的AT89C51單片機、SMC1602液晶顯示驅(qū)動器的主要特點，最后給出了該超聲波測距系統(tǒng)的軟件主程序和中斷程序流程圖。

　　

【正文】 211 設(shè)定顯示器或光標移動方向一覽表 指令序號 指令功能 指令編碼 執(zhí)行時間 RS R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 4 設(shè)定顯示器或光標移動方向 0 0 1 0 0 0 1 S/C R/L 40us 功能：使光標移動或使整個顯示字幕移位，根據(jù) S/C、 R/L 的變化情況設(shè)置。如下表所示 S/C R/L 設(shè)定情況 0 0 使光標左移一個，且 AC 值減 1 0 1 使光標右移一格，且 AC 值加 1 1 0 顯示器上字符全部左移一個 ，但光標不動 1 1 顯示器上字符全部右移一格，但光標不動 功能設(shè)定 XX 大學 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 表 212 設(shè)定功能一覽表 指令序號 指令功能 指令編碼 執(zhí)行時間 RS R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 5 功能設(shè)定 0 0 1 0 0 1 DL N F 40us 功能： 1：設(shè)定數(shù)據(jù)的長度， DL=1 時，數(shù)據(jù)為 8 位（ DB7～ DB0）； DL=0 時，數(shù)據(jù)為4 位（ DB7～ DB4） 2:設(shè)定顯示的行數(shù)， N=1 時，顯示 2 行（ DB7～ DB4）； N=0 時，顯示 1 行（ DB3～DB0） 3：設(shè)定字形， F=1 時，選定 5 10 點陣字型 設(shè)定 CGRAM 地址指令 表 213 設(shè)定 CGRAM 地址指令一覽表 指令序號 指令功能 指令編碼 執(zhí)行時間 RS R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 6 設(shè)定 CGRAM地址 0 0 1 0 1 CGRAM 的地址（ 7 位） 40us 功能：設(shè)定下一個要存入數(shù)據(jù)的 CGRAM 的地址 讀取忙碌信號或 AC 地址指令 表 214 讀取忙碌信號或 AC 地址指令一覽表 指令序號 指令功能 指令編碼 執(zhí)行時間 RS R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 6 讀取忙碌信號或 AC地址指令 0 1 1 BF、 AC 的內(nèi)容 7 位（ AC0～ AC6） 40us 功能： BF 的內(nèi)容，當 BF=1 時在忙碌中，無法接受微處理 器 送給字符型液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)；當 BF=0 時，可以接受微處理器 送來的數(shù)據(jù) 2：讀取地址計數(shù)器（ AC）的內(nèi)容 基于單片機和 SMC1602 的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 18 數(shù)據(jù)寫入到 DDRAM 或 CGRAM 中的指令 表 215 數(shù)據(jù)寫入到 DDRAM 或 CGRAM 中的指令一覽表 指令序號 指令功能 指令編碼 執(zhí)行時間 RS R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 6 數(shù)據(jù)寫入到DDRAM 或CGRAM 中 1 0 1 要寫入到字符型液晶顯示模塊的 D7～ D0 這 8 位數(shù)據(jù) 40us 功能： 1：將字符碼寫入 DDRAM，以使字符型液晶顯示出相應的字符 2：將使用者自己設(shè)計的圖形存入 CGRAM 從 CGRAM 或 DDRAM 讀出數(shù)據(jù)的指令 表 216 從 CGRAM 或 DDRAM 讀出數(shù)據(jù)的指令一覽表 指令序號 指令功能 指令編碼 執(zhí)行時間 RS R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 6 從 CGRAM 或DDRAM 讀取數(shù)據(jù) 1 1 1 讀出的 D7～ D0 這 8 位數(shù)據(jù) 40us 功能：讀取 DDRAM 或 CGRAM 中的內(nèi)容 控制器接口時序說明 (1)操作時序 圖 213 操作時序 (2) 寫操作時序 XX 大學 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 214 寫操作時序 (3) 時序參數(shù) 表 217 時序參數(shù) 時序參數(shù) 符號 極限值 單位 測試條件 最小值 典型值 最大值 E 信號周期 ct 400 ns 引腳 E E 脈沖寬帶 pwt 150 ns E 上升沿 /下降沿時間 Rt , Ft 25 ns 地址建立時間 1spt 30 ns 引腳 E、 RS、 R/W 地址保持時間 1HDt 10 ns 數(shù)據(jù)建立時間（讀操作） Dt 100 ns 引腳 DB0～ DB7 數(shù)據(jù)保持時間（讀操作） 2HDt 20 ns 數(shù)據(jù)保持時間（寫操作） 2SPt 40 ns 數(shù)據(jù)保持時間（寫操作） 2HDt 10 ns 本設(shè)計采用的 SMC1602 液晶顯示器，工作電路 圖如 215所示： 基于單片機和 SMC1602 的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 20 圖 215 顯示電路 時間增益補償電路 超聲波在空氣中傳播時，聲強會隨傳播距離的增加而減小，這就是所說的衰減現(xiàn)象，造成超聲波衰減的因素是由于聲束本身的擴散以及以及由于反射、散射等原因造成的聲強度減弱。顯然，這一類衰減沒有使聲波的總能量減少，只是使其偏離了原來的傳播方向而轉(zhuǎn)移到其他方向上去了。設(shè)最初的聲強為 I0，在經(jīng)過 x距離后，由于吸收衰減，聲強 變?yōu)?I，則超聲波的吸收可以用式 ()表示 ： ateII ?? 0 () 式中， α為空氣衰減系數(shù)。 由上式可知，超聲波在空氣中傳播時，隨著傳播距離的增加，其總能量逐漸減弱，其規(guī)律是按指數(shù)形式衰減。因此，在不同距離上的回波脈沖幅度，由于其聲程不同，造成的吸收程度也不同，使回波脈沖幅度的差異很大，由于在回波脈沖信號處理中通常采用比較器電路，將回波脈沖 (形狀為鐘形 )跟一固定的基準電壓作比較，將回波脈沖整形為方波；由于不同距離的回波脈沖幅度差異較大，回波到達時間產(chǎn)生不確定性，導致測量誤差產(chǎn)生。 如果 探頭發(fā)出的超聲波，經(jīng) x距離到達某反射面，并經(jīng)原路返回，其入射聲強和反射聲強分別是 Ii和 Ir，由式 ()可得： axir eII ?? () 從中可以看出，因為吸收而使聲強增益 L 減少的分貝數(shù) (dB)為： eaxeIII axri lg20lg10lg10 2 ??? () actaxL ??? () 式中， c 為聲波在空氣中的傳播速 度， t 為傳播過程中經(jīng)歷的時間。由于空氣衰減系數(shù) α ，傳播速度 c均能確定，由此可以證明：超聲波在 x傳播距離上幅度減少的分貝數(shù)與超聲波穿過該距離的時間 t 成正比。即隨著時間的增加，聲強增益 L逐漸減小。 因而，必須對衰減上的回波進行增益補償。依式 ()，可以把接收的增益 G(dB 值 )與回波時間 t 成正比，或者增益 G與回波時間 t成指數(shù)增加關(guān)系。補償衰減的幅度，最終使接收器接收的信號保持不變。因而從較遠距離反射的回波信號的放大倍數(shù)較大，而XX 大學 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 距離較近的反射信號，也就是時間上較早到達的回波信號的放大倍數(shù)較小，由此進行的幅度補償 稱為時間增益補償 (Time Gain Compensation， TGC)，也稱靈敏度時間補 (STC)。如圖 216所示。 信號強度距離信 號 強 度 距 離衰 減 白 線回波振幅距離增益補償距離回波振幅距離不 同 距 離 的 回波 振 幅距 離 補 償 增 益白 線相 應 補 償 后 的波 形( a ) ( b )( c )( d ) 圖 216 靈敏度時間補 圖 216 中， (a)， (b)分別表示信號強度隨距離衰減曲線和不同距離的回波幅度；(c)， (d)分別表示距離補償增益曲線及相應補償后的波形?？梢?，經(jīng)過時間增益補償，不同距離的回波幅度不再衰減，保持常數(shù)。 時間增益補償電路是一種放大倍數(shù)隨時問呈指數(shù)增加關(guān)系的一種放大器，設(shè)計中增益控制采用了數(shù)字電位器，并利用 單片機的強大功能，將單片機內(nèi)部事先設(shè)定的補償數(shù)據(jù)對數(shù)字電位器進行衰減狀態(tài)控制，可進行精確的時間增益補償。利用單片機控制數(shù)字電位器，電路實現(xiàn)簡單且補償特性能根據(jù)實際情況調(diào)整，充分利用了單片機軟件資源，在實際使用中收到了較好的效果。 在采用了時間增益補償電路后，回波信號幅度得到了相對的穩(wěn)定。但由于壓電陶瓷片的慣性、滯后等現(xiàn)象，及超聲波脈沖在空氣中傳播本身存在的多重反射路徑等現(xiàn)象，導致回波信號被展寬，造成了回波正確到達時間的不確定性，對測量精度造成較大的影響。另外由于各種障礙物反射率的不同，對超聲波的吸收程度也不 一致，在研究中發(fā)現(xiàn)仍會使回波信號幅度造成一定的波動，影響了時間檢測的精度。因而須在回波信號處理上采取措施，以消除所造成的誤差。 回波信號處理電路由包絡檢波電路和時間檢測電路兩部分組成。 包絡檢波電路沒有采用普通的二極管線性檢波電路，由于二極管的正向?qū)妷翰恍∮?，在檢波 1V以下的小信號時，誤差很大。因此采用有源全波整流電路。即把二極管置于運算放大器的反饋回路中，即使輸入電壓的峰值小于 ，檢波性能仍十分 精確，如圖 217所示 基于單片機和 SMC1602 的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 22 圖 217 有源全波整流電路原理圖 電路由半波整流電路 A1和反 相加法運算放大器 A2組成。在 R1=R2 的條件下，輸入電壓 Ui 與 U1 的關(guān)系為： )0(0 ?? ii UU 當 () )0( ??? ii UUiU 當 () Ui與 U1由反相加法放大器 A2 求和，在 Ui0時， U1=0，由于 R3=R5，所以 Uout=Ui，Uout為正。 在 Ui0時， U1=Ui，由于 R4=，所以 Uout=2U1Ui，故有： iout UU ? () 這樣，不論輸入信號極性如何，輸出信號總為正，實現(xiàn)了全波整流，電容 C的作用是濾波，從而實現(xiàn)了線性包絡檢波，相當于把超聲頻率提高了 1 倍，即提高了時間分辨率，并克服了普通二極管檢波電路存在著非線性等缺點。 回波信號處理電路的關(guān)鍵部分是時間檢測電路。通常的情形是采用具有固定閥值電平的比較器電路，將經(jīng)過檢波后的回波信號與一固定閥值電平在一比較器電路中進行比較，比較器輸出的翻轉(zhuǎn)時間就是回波到達時間，但由于 回波信號被展寬及回波信號幅度一定程度的波動，造成時間檢測產(chǎn)生誤差，因而在設(shè)計中把回波幅度的峰值時間點作為回波到達時間，即設(shè)置一微分電路和過零檢測電路。 XX 大學 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 第三章 軟件設(shè)計 超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C語言和匯編語言混合編程 。 主程序流程圖 本超聲測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序、溫度補償子程序及顯示子程序組成。主程序流程圖如圖 311所示 。超聲測距，最重要的就是對發(fā)射信號的控制及接收測量的時機控制 .在設(shè)計中， AT89C521對發(fā)射的控制就是對 40kHz 方波產(chǎn)生電路的控制。由 AT89C51 的 口控制超聲波發(fā)射電路以 6個脈沖的序列發(fā)射出去，在程序中用延時實現(xiàn) .脈沖發(fā)射同時打開定時器 T0開始計時，發(fā)射后等待 1ms 打開外部中斷 INT0，等待回波反射到接收探頭。等待 1ms的原因是，超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波一般都會存在余波干擾，有部分聲波會直接傳到接收探頭，經(jīng)接收電路放大后，系統(tǒng)就會把它誤認為是檢測的回波信號，發(fā)射后等待1ms可以避免檢測到余波信號，當然這也會導致測量盲區(qū)的存在。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化定 時 器 中 斷子 程 序延 時 1 m s外 部 中 斷 子 程 序修 正 聲 速 計算 距 離有 回 波顯 示 結(jié) 果YN 圖 31 主程序流程圖 基于