【正文】 31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10U1AT89C51K3K2K1a b c d e f g dp 1 2 3 4a a a ab b b bc c c cd d d de e e ef f f fg g g g560R9R10R11R12R13R14R15R16750R17R18R19R20Q1 Q2 Q3 Q45V 圖 數(shù)碼管顯示電路 本設計采用定時中斷的方式產(chǎn)生 40KHZ 的方波信號，發(fā)射電路主要由反向器 74LS04和超聲波換能器 T40 構(gòu)成，單片機 端口輸出的 40kHz 方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲 波的發(fā)射速度?？梢苑€(wěn)定清晰顯示測量結(jié)果。 顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管 ,位選為 P2^2—P2^5，使用 9012 三極管作為位驅(qū)動。再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。 系統(tǒng)主要功能包括： （ 1）超聲波的發(fā)射、接收，并根據(jù)計時時間計算測量距離； （ 2） LED 顯示器顯示距離； （ 3）鍵盤接收用戶命令并處理； （ 4）報警電路用于上下限報警。它主要由單片機、超聲波發(fā)射及接收電路、超聲波傳感器、鍵盤、 LED 顯示電路、報警電路及電源電路組成。其中， VCC 接 5V的電源電壓， GND 為接地引腳， TRIG 為觸發(fā)控制信號輸入， ECHO為回響信號輸出。 HCSR04 超聲波模塊有四個引腳，分別是： VCC、 GND、 TRIG 和 ECHO。 測量距離 =（高電平的時間 *聲速（ 340m/s）） /2。 （ 2）模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號輸出。 HCSR04 超聲波測距模塊可提供 2cm400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到 3mm,模塊包括超聲波發(fā)生器、超聲波接收器以及控制電 路。它的每一位均可獨立定義為第一功能的 I/O 口或第二變異功能。雙功能復用口，可驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL負載。當單片機訪問存儲器時，用做高 8 位地址總線；在對片內(nèi)程 序存儲器（ EPROM 型）進行程序編程和校驗時，亦用做高 8 位地址總線。在對片內(nèi)程序存儲器（ EPROM 型）進行程序編程和校驗時，用做低 8 位地址總線。在訪問數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 （ 4） 多功能 I/O 端 口 P0 口 ——第 32~39 腳， 8 位漏極開路雙向 I/O 端口。需注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。 /VPP/EA ：外部訪問允許。當 AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。 PROG 為第二功能，當對片內(nèi)程序存儲器編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。在非訪問外部存儲器 期間， ALE 仍以1/6 振蕩頻率固定不變地輸出，因此它可對個輸出或用于定時目的。 PROGALE/ ——第 30 腳，輸出允許地址鎖存信號。當單片機正常工作時，由該引腳輸入脈寬為 2個以上機器周期的高電平復位信號到單片機。當采用外部振蕩信號源泉時，此引腳為外部振蕩信號的輸入端口，與信號源相連接。當直接采用外部信號時，此引腳應接地。 VCC——第 40 腳，正常運行和編程校驗 +5V 電源。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。同時， STC89C51 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。引腳圖如 圖 所示。 STC89C51 是一個低功耗高性能單片機， 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 2個 16位可編程定時計數(shù)器 ,2個全雙工串行通信口， AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也 可以在線編程。 本設計的 MCU 采用的是 DIP（ Dual Inline Package 塑料雙列直插式）封裝的 STC89C51高性能 8 位單片機。它把構(gòu)成一臺計算機的主要功能部、器件，如 CPU（進行運算、控制）、 RAM（數(shù)據(jù)存儲）、 ROM（程序存儲）、輸入 /輸出設備（例如：串行口、并行輸出口等）、中斷系統(tǒng)、定時 /計數(shù)器等集中在一塊芯CPU（進行運算、控制）、 RAM（數(shù)據(jù)存儲）、 ROM（程序存儲）、輸入 /輸出設備（例如：串行口、并行輸出口等）制功能，所以又稱為微控制器 MCU（ Microcontroller Unit）。 系統(tǒng)最終方案 通過各個模塊的分析與論證，并綜合考慮各種因素，決定系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （ 1）控制模塊：用 STC89C51 單片機作為主控制器； （ 2）超聲波發(fā)射接收模塊 :HCSR04 超聲波模塊； （ 3）顯示模塊：四位一體共陽極數(shù)碼管； (4) 報警模塊：蜂鳴器和發(fā)光二極管。所以， 8051 有頻率時，則其輸出引腳的電平將從 “1”變?yōu)?“0”，這種電平的變化可以作為單片機對接收探頭的接收情況進行實時監(jiān)控，可對測得數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，并采用高低限的報警， STC89C51 還控 制顯示電路，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示。以 8051 為內(nèi)核的單片機系列，其硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件齊全、功能強等特點。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。 因為超聲波在 標準空氣中 傳播速度為 米 /秒，由單片機負責計時，單片機使用 晶振，所以此系統(tǒng)測量精度理論上可以達到毫米級。 設計思路 我們可以通過尺、激光等測距 原理來實現(xiàn)距離測量，但通過尺測量速度慢，效率低；激光測距精度高速度快，但成本高。測量距離時，將超聲波傳感器對準反射物發(fā)射超聲波，并開始計時，超聲波在空氣中傳播到達障礙物后被反 射回來，傳感器接收到反射脈沖后立即停止計時，然后根據(jù)超聲波的傳播速度和計時時間就能計算出兩端的距離。反之，如果兩電極間未加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片做振動，將機械能轉(zhuǎn)換成電信號，這時它就是超聲波接收器了。 壓電式超聲波發(fā)生器的原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用 壓電晶體的諧振來工作的。電氣方式包括電壓型、磁致伸縮型和電動型等：機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 超聲波測距的原理 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器。超聲波測距作為輔助視覺系統(tǒng)與其它視覺系統(tǒng)（如 CCD 圖像傳感器）配合使用，可實現(xiàn)整個視覺功能，具有自動探測前方障礙物、自動減速或剎車的功能，是未來高級小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。在機器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機器，有著廣泛的應用前景的前提下，其關鍵技術(shù)取決于機器人失卻系統(tǒng)設計的精確于否。微波超聲的重點放在微波電子器件，已經(jīng)制成了超聲波延遲線、聲電放大器、聲電濾波器、脈沖壓縮濾波器等。在農(nóng)業(yè)中，可以用超聲波對有機體細胞的殺傷的特性來進行消毒滅菌，對作物種子進行超聲波處理，有利于種子發(fā)芽和作物增產(chǎn)。大功率超聲可用于機械加工，使超聲波在拉管、拉絲、擠壓和鉚接等工藝中得到應用。超聲波清洗和加工處理可以應用于切割、焊接、噴霧、乳化、電鍍等工藝過程中。包括超聲波檢測、超聲波探傷、超聲波診斷、超聲波治療等。 超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負載信息的載體或媒介（如 B 超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當其強度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu) 。 山西大學工程學院 4 (6) 超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠的距離。 (4) 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 (2) 超聲波可傳遞很強的能量。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性 ──超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射 本領很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，該特性就越顯著。 超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)上的區(qū)別。超聲波是指振動頻率大于 20200Hz 以上的，其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的一般上限（ 20200Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動形式。尤其值得一提的是， 8051 單片機除 8 位 CPU 外，還具備一個很強的位 處理器，它實際上是一個完整的位微計算機，即包含完整的位 CPU，位 RAM、 ROM（ EPROM），位尋址寄存器、 I/O 口和指令集。 以單片機為核心的測距儀器可以實現(xiàn)預置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定、可靠。一些傳統(tǒng) 的距離測量方式在某些特定的場合的使用存在著不可避免的缺陷，如：液面測量就是一個距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖檢測液面，電極長期浸泡在水中或其它液體中，極易被腐蝕、電解，從而失去靈敏性。超聲測量另一個突出優(yōu)點是 :環(huán)境介質(zhì)可以為空氣、液體或固體，適用范圍廣泛。山西大學工程學院 2 有很大的發(fā)展前景。因此超聲波作為非接觸測量手段，己越來越引起人們的重視。其次，超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中 。 課題的提出及研究意義 課題的提出 測距的原理和方法有很多，根據(jù)其信息載體的不同可歸納為光學方法、無線電方法和超聲波方法。如對于城市給排水系統(tǒng)設計中箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)的設計，其控制 的核心部分就是超聲波測距儀的研制。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領域。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋 笛等。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求， 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應用越來越廣泛，而超聲波測量 精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在 20kHz 以上的聲波，它屬于機械波的范疇。 ultrasound。 本作品成本低，可抗性相對較高，測得的距離能夠清晰穩(wěn)定的顯示在四位 數(shù)碼管 上，且小巧輕便，應用起來比較方便。此超聲波測距系統(tǒng)是基于 51單片機，由 HCSR04超聲波測距模塊，數(shù)碼管，阻容元件，蜂鳴器等組成，系統(tǒng)帶有距離報警功能， 報警通過蜂鳴器和 LED做出反應，并且系統(tǒng)報警距離可通過按鍵隨時更改。山西大學工程學院 I 基于單片機的超聲波測距儀的設計 摘要 本設計介紹了基于單片機設計的超聲波測距儀的原理：由 STC89C51控制定時器產(chǎn)生超聲波脈沖并計時，計算超聲波自發(fā)射至接收的往返時間，從而得到測量距離。并且在數(shù)據(jù)處理中設置了 距離的高低限 ，用四位 LED數(shù)碼管顯示距離，同時當超過 限值 時用蜂鳴器實現(xiàn)報警。超聲波測距模塊可提供 2cm—400cm的非接觸 式感測功能，測距精度可達到 3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器以及控制電路。 關鍵詞 ： STC89C51；超聲波；測距 山西大學工程學院 II Ultrasonic rangefinder design based on single chip microputer Abstract This design describes the chip design based on the principle of ultrasonic range fin