【導(dǎo)讀】方面的知識(shí)，樹立正確的設(shè)計(jì)思想。根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬。件結(jié)構(gòu)電路，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，掌握簡(jiǎn)單的一般設(shè)計(jì)方法和步驟。聲波方法測(cè)量物體間的距離。形成一個(gè)完整模型，并能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制要求，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)單片機(jī)課程，具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力。超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到日常實(shí)用的要求。

　　

【正文】 ，從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS51系列單片機(jī)的軟件，這從近年來(lái)各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。運(yùn)行 Keil 軟件需要 Pentium或以上的 CPU， 16MB或更多 RAM、 20M以上空閑的硬盤空間、 WIN9 NT、 WIN20WINXP 等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對(duì)于使用 51系列單片機(jī)的愛(ài)好者來(lái)說(shuō)是十分必要的，如果你使用 C 語(yǔ)言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選（目前在國(guó)內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機(jī)也很可能只支持該軟件），即使不使用C 語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)事半功倍。 圖 41 Keil 軟件圖標(biāo) Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)基本知識(shí) Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)基本知識(shí)。 1. 系統(tǒng)概述 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用 C 來(lái)開發(fā)，體會(huì)更加深刻。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 kei 23 l C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹 Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 2. Keil C51 單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)，如圖 (1)所示，其中 uVision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。然后分別由 C51及 A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件 (.OBJ)。目標(biāo)文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng) L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件 (.ABS)。 ABS 文 件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器 dScope51 或 tScope51 使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 使用獨(dú)立的 Keil 仿真器時(shí)，注意事項(xiàng) ： * 仿真器標(biāo)配 的晶振，但可以在仿真器上的晶振插孔中換插其他頻率的晶振。 * 仿真器上的復(fù)位按鈕只復(fù)位仿真芯片，不復(fù)位目標(biāo)系統(tǒng)。 * 仿真芯片的 31 腳（ /EA）已接至高電平，所以仿真時(shí)只能使用片內(nèi) ROM，不能使用片外 ROM；但仿真器外引插針中的 31 腳并不 與仿真芯片的 31 腳相連，故該仿真器仍可插入到擴(kuò)展有外部 ROM（其 CPU 的 /EA引腳接至低電平）的目標(biāo)系統(tǒng)中使用。 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 Keil 的特點(diǎn) 1 全功能的源代碼編輯器 2 器件庫(kù)用來(lái)配置開發(fā)工具設(shè)置 3 項(xiàng)目管理器用來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)用戶的項(xiàng)目 4 集成的 MAKE 工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用 5 所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對(duì)話框形式的 6 真正的源代碼級(jí)的對(duì) CPU 和外圍器件的調(diào)試器 7 高級(jí)的 GDI(AGDI)接口用在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和 Monitor51進(jìn)行通信 本次設(shè)計(jì)的匯編語(yǔ)言編程環(huán)境就是 Keil，由它和仿真軟件 Proteus 關(guān)聯(lián)，進(jìn)行單片機(jī)的仿真和調(diào)試。 24 軟件流程圖 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)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。匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，所以本設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫程序。 系統(tǒng)軟件編制時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時(shí)還要進(jìn)行存儲(chǔ)空間、寄存器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計(jì)中 7 HC04推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器， 40 kHz方波，而 (INT0)則被用來(lái)接收回波。定時(shí)器 T1， T0均工作在工作方式 1，為 16位計(jì)數(shù)， T1定時(shí)器被用來(lái)開啟一次測(cè)距過(guò)程以它的溢出為標(biāo)志開始一個(gè)發(fā)射測(cè)量循環(huán)， T0定時(shí)器是用來(lái)計(jì)算脈沖往返時(shí)間，它們的初值均設(shè)為 0。 系統(tǒng)初始化后就啟動(dòng)定時(shí)器 T1從 0開始計(jì)數(shù)，此時(shí)主程序進(jìn)入等待，當(dāng)?shù)竭_(dá) 65 ms時(shí) T1溢出進(jìn)入 T1中斷服務(wù)子程序；在 T1中斷服務(wù)子程序中將啟動(dòng)一次新的超聲波發(fā)射，此時(shí)將在 40 kHz的方波，同時(shí)開啟定時(shí)器 T0計(jì)時(shí)，為了避免直射波的繞射，需要延遲 1 ms后再開 INT0中斷允許； INT0中斷允許打開后，若此時(shí) (INT0)引腳出現(xiàn)低電平則代表收到回波信號(hào)，將提出中斷請(qǐng)求進(jìn)入 INT0中斷服務(wù)子程序，在INT0中斷服務(wù)子程序中將停止定時(shí)器 T0計(jì)時(shí)，讀取定時(shí)器 T0時(shí)間值到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)設(shè)置接收成功標(biāo)志；主程序一旦檢測(cè)到接收成功標(biāo)志，將調(diào)用測(cè)溫子程序，采集超聲波測(cè)距時(shí)的環(huán)境溫度，并換算出準(zhǔn)確的聲速，存儲(chǔ)到 RAM存儲(chǔ)單元中；單片機(jī)再調(diào)用距離計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì) 算出傳感器到目標(biāo)物體之間的距離；此后主程序調(diào)用顯示子程序進(jìn)行顯示；若超過(guò)設(shè)定的最小報(bào)警距離還將啟動(dòng)揚(yáng)聲器報(bào)警；當(dāng)一次發(fā)射、接收、顯示的過(guò)程完成后，系統(tǒng)將延遲 100 ms重新讓 T1置初值，再次啟動(dòng) T1以溢出，進(jìn)入下一次測(cè)距。如果由于障礙物過(guò)遠(yuǎn)，超出量程，以致在 T0溢出時(shí)尚未接收到回波，則顯示“ERROR” 重新回到主流程進(jìn)入新一輪測(cè)試。 主程序的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用的是渡越時(shí)間法進(jìn)行測(cè)距．所姒要測(cè)出超聲波收、發(fā)之間的時(shí)間 t，則距離 s=vt/2. 電路的工作時(shí)序如圖 42所示，其中 a 脈沖為發(fā)送端的置位 脈沖，同時(shí)作為計(jì)時(shí)器的起始脈沖， b 脈沖為虛假脈沖 (由繞射產(chǎn)生，應(yīng)避開 )； a、 b的時(shí)間間隔為盲區(qū)；c 脈沖為接受端接收到的有效回波脈沖，用于停止計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)。程序的主要任務(wù)就是檢測(cè) a、 c脈沖，以啟停計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，進(jìn)而得出時(shí)間，再由數(shù)據(jù)處理計(jì)算出實(shí)際距離，然后供顯示 [14]。 25 a a ab c b c b 圖 42 脈沖工作時(shí)序圖 超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出的一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器 R 所接受。這樣只要計(jì)算出發(fā)生信號(hào) 到接受返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計(jì)算公式： S=C*T/2 (41) 為被測(cè)物與測(cè)距器的距離， C 為聲速， T 為聲波來(lái)回所用的時(shí)間聲速 C 與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并給顯示端 P0 和 P2 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲 波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 1ms(這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因 )后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用 12MHz 的晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離 ,設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃ 時(shí)的聲速為 344 m/s S=(C*T0)/2 =172T0/10000cm （ 42） （其中 T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值）測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式 LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。主程序框圖如圖 43所示。 26 初 初 初初 初 初 初 初 初 初初 初 初 初初 初 初 初 初 初 初初 初初初 圖 43 主程序流程圖 子程序的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò) P1． 0端口發(fā)送 2個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約 40 kHz的方波，脈沖寬度約為 12us，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷 0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào) (INT0引腳出現(xiàn)低電平 )，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷程序后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 TD停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器溢出中斷將外中斷 0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2以表示此次測(cè)距不成功。 當(dāng)單片機(jī)開始工作后進(jìn)入定時(shí)中斷子程序 ,由程序控制發(fā)出要 求頻率的脈沖使發(fā)射接收部分開始工作。單片機(jī)進(jìn)入等待階段且計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí) ,當(dāng)有中斷時(shí)進(jìn)入定時(shí)中斷子程序進(jìn)行判斷，如有回波則進(jìn)入外部中斷子程序 ,若沒(méi)有則跳出程序重新開始。 子程序的流程圖如圖 44與 45所示。 27 初 初 初 初 初 初初 初 初 初 初 初初 初 初 初 初初 初 初 初初 初 初 初初 初 初初 初初初 圖 44 定時(shí)中斷子程序 子程序還應(yīng)該有延時(shí)部分。延時(shí)子程序的作用就是在超聲波發(fā)生的同時(shí)延遲一定時(shí)間，再打開中斷，為的就是防止在超聲波發(fā)射時(shí)接收器就接收到反射波。這樣就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差，所以需要延遲一定時(shí)間。本次設(shè)計(jì)在軟件編寫中采用 1ms的延遲時(shí)間。 28 初 初 初 初 初 初初 初 初 初 初初 初 初 初初 初 初 初初 初 初初 初 圖 45 外部中斷子程序 29 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 仿真軟件簡(jiǎn)介 本次設(shè)計(jì)所采用的仿真軟件是 Protuus ，與其關(guān)聯(lián)的程序編寫軟件是 Keil uVision，本節(jié)就 Proteus軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 Proteus是英國(guó) Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。 Proteus主要由ISIS和 ARES兩部分組成， ISIS的主要功能是原理圖設(shè)計(jì)及與電路原理圖的交互仿真， ARES主要用于印制電路板的設(shè)計(jì)。 它運(yùn)行于 Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是： ① 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232動(dòng)態(tài)仿真、 I2C調(diào)試器、 SPI調(diào)試器、鍵盤和 LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 ② 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有： 68000系列、 8051系列、 AVR系列、 PIC12系列、 PIC16系列、 PIC18系列、 Z80系列、 HC11系列以及各種外圍 芯片。 ③ 提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2等軟件。 ④ 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C(jī)和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。 圖 51為 Proteus的構(gòu)成圖。 圖 51 Proteus的構(gòu)成圖 30 圖 52為 Proteus的界面。 圖 52 Proteus 的界面 硬件仿真 圖 53 為發(fā)射電路在 Proteus 中的 仿真圖 ，以檢測(cè)發(fā)射電路的穩(wěn)定性和實(shí)用性 。在發(fā)射電路的輸入端接脈沖信號(hào)發(fā)生器，然后在輸出端接示波器以觀察輸出波形。檢查好電路并設(shè)置好參數(shù)，點(diǎn)左下角的開始按鈕開始仿真。點(diǎn)擊菜單欄中的調(diào)試選項(xiàng)觀察示波器的波形。 示波器的波形圖如圖 54 所示?？梢杂^察到，在示波器的 A項(xiàng)輸出為 12us 左右的方波信號(hào)，頻率為 40kHz，幅值為 。 31 圖 53 發(fā)射電路仿真圖 圖 54 示波器輸出波形圖 由于接收電路在 Proteus 中出現(xiàn)元器件短缺的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)并沒(méi)有進(jìn)行接收 電路的仿真，但經(jīng)過(guò)查資料，由本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的接收電路在穩(wěn)定性以及放大檢波方面可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。 將 發(fā)射電路與顯示電路和單片機(jī)連接，如圖 55 所示。 32 圖 55 Proteus仿真圖 系統(tǒng)調(diào)試 將 Proteus與 Keil關(guān)聯(lián)好，編譯好程序，在 proteus中設(shè)計(jì)好電路圖，就可以進(jìn)行本系統(tǒng)的仿真。但由于在仿真時(shí) Proteus中元器件庫(kù)中出現(xiàn)了很多器件短缺的問(wèn)題，此仿真并沒(méi)有進(jìn)行成功，所以本節(jié)只對(duì)系統(tǒng)調(diào)試做一些說(shuō)明。 超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，其中超聲波的發(fā)射和接收采用 Φ10 超聲波換能器 TCT4010F1（ T 發(fā)射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時(shí)