【正文】 片內(nèi) RAM 地址 00H~1FH 即 R0~R7） 、 專用寄存器包括程序計(jì)數(shù)器（ PC） 、累加器 A、寄存器 B、程序狀態(tài)寄存器 （ PSW）、 指針堆棧 （ SP） 、數(shù)據(jù)指針 （ DPTR） 2. 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是單片機(jī)的 3 大部件之一，主要用來存儲(chǔ)信息（即數(shù)據(jù)與程序）。它的功能是從程序存儲(chǔ)器中提取指令，送到指令寄存器，在送入指令譯碼器進(jìn)行譯碼，并通過定時(shí)和控制電路，在規(guī)定時(shí)刻發(fā)出各種操作所需要的內(nèi)部控制信息及 CPU 外部所需要的控制信號(hào)，如 ALE、RD 和 WR 等，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的各種操作。 (2) 控制器 控制器 包括時(shí)鐘發(fā)生器、定時(shí)控制邏輯、指令寄存器、指令譯碼器、程序計(jì)數(shù)器 PC、程序地址寄存器、數(shù)據(jù)指針寄存器 DPTR 和堆棧指針 SP 等。s,乘法指令為 4181。 算術(shù)邏輯運(yùn)算部件可以進(jìn)行加、減、乘、除四則運(yùn)算，也可以進(jìn)行與或非異或等邏輯運(yùn)算，還可以執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送、移位、判斷和程序轉(zhuǎn)移等功能。 中央處理器由運(yùn)算器、定時(shí)控制部件和寄存器通過總線連接而成的一個(gè)整體。 51 系列單片機(jī)是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼。為此，在分析單片機(jī)工作原理前，先對(duì)圖 中各部件作一基本介紹是十分必要的 。目前電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛使用的是 8 位單片機(jī) 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 單片微型計(jì)算機(jī) (SingleChip Microputer)簡稱單片機(jī)。 圖 聲速與溫度的關(guān)系 圖 可 以推導(dǎo)得出，溫度和波速大概有 c=+ 這樣的規(guī)律，波速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間 t，即可求得距離 S。接收裝置對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測距離。 由于是利用超聲波測距，要測量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù) 定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有的得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。因此，用途極度廣泛。超聲波在空氣中的傳播速度為 v，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物 的距離 (s)，如圖 ，即： 2vts? 反 射 物L(fēng) 圖 超 聲波測距原理圖 這就是所謂的時(shí)間差測距法。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性 。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 超聲波外部結(jié)構(gòu) 超聲波測距的原理 ： 聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為 0f 的交流電電壓時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣的張弛，當(dāng) 0f 落在音頻范圍內(nèi)時(shí)便會(huì)發(fā) 出聲音。 超聲波傳感器 超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。 （ 4） 超聲波的聲壓特性 理工大學(xué)學(xué)士論文 5 當(dāng) 聲波進(jìn)入某物體時(shí) ,由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。物資分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動(dòng)速度的平方?jīng)Q定的 ,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢 ?因?yàn)楫?dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波 頻率 — 樣，分子振動(dòng)的頻率決定了分子振動(dòng)的速度。對(duì)于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的。 （ 2）吸收特性 聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的部分能量。 超聲波特性 （ 1） 束射特性 由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。 理工大學(xué)學(xué)士論文 4 2 超聲波測距系統(tǒng) 超聲波 超聲波是聽覺閾值之外的振動(dòng)，其頻率范圍在 104 ——1012 Hz，其中通常的頻率大約在 104 ——3 10? 6 Hz 之間。針對(duì)這一矛盾，金元郁 ]17[ 等提出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單套小波束角傳感器做扇形掃描的方法，即步 進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角 [1]，測距系統(tǒng)便在當(dāng)前的角度上測取一個(gè)距離信息，結(jié)合當(dāng)前的掃描角度，就得到 了一個(gè)較為精確，而且兼有距離、方向的位置信息。 （ 6）超聲波探測器測量分辨力和探測角度范圍的矛盾 超聲波測距選用大波束角探測器，可以滿足探測范圍要求，但分辨能力較差，難于準(zhǔn)確地提供目標(biāo)的邊界信息。特別在近距離探測中，它是主要背景干擾。因此，安裝傳感器過程中，兩個(gè)探頭之間距離應(yīng)大于 3cm ]15[ ，從而降低超聲波旁瓣對(duì)測距系統(tǒng)精度的影響 （ 5）混響信號(hào)干擾 混響信號(hào)是由于水中介質(zhì)及界面等非目標(biāo)物對(duì)發(fā)射信號(hào)的反向散射波在接收點(diǎn)疊加而產(chǎn)生的。 （ 4）超聲波旁瓣影響 接收傳感器在超聲波發(fā)射結(jié)束后接收到的第一個(gè)波一般是串?dāng)_直通波。 QiangLi,Zhang ]14[ 提出增大余振衰減系數(shù)的方法，來加速余振的衰減。這段時(shí)間由于無法檢測超聲波傳播距離，從而出現(xiàn)盲區(qū)。 （ 3）盲區(qū) 發(fā)射超聲波時(shí)，超聲波換能器在驅(qū)動(dòng)脈沖結(jié)束后，會(huì)由于慣性繼續(xù)振動(dòng)，產(chǎn)生余振。 （ 2）回波信號(hào)幅值隨傳播距離增大呈指數(shù)規(guī)律衰減 回波信號(hào)幅值隨傳播距離增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，使得接收傳感器接 收到的回波信號(hào)隨著測量距離的增大而大幅減小，給回波前沿的準(zhǔn)確定位帶來困難，造成測量精度降低。 理工大學(xué)學(xué)士論文 2 現(xiàn)階段常見問題的分析及解決 方案 （ 1）超聲波傳播波速不恒定 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨周圍環(huán)境 （溫度、壓力等）的變化而變化，其中溫度的影響最為明顯。因此超聲波測距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。 因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路 限高等行業(yè)中。對(duì)本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對(duì)單片機(jī)的理解和應(yīng)用。 超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液 位、井深、管道長度等場合。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。理工大學(xué)學(xué)士論文 1 1 緒 論 課題背景 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測量精度較高。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。 課題研究意義 由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對(duì)象顏色等的影響， 較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點(diǎn)。可在不同環(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。 利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。同時(shí) 由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽 車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。常溫下，超聲波的傳播速度為 340m/s，溫度每升高 1℃ ，聲速增加約為 m/s，因此超聲波測距中一般采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，即在?shù)據(jù)處理中對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償。在回路上串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) （ AGV），使得電路放大倍數(shù)隨著測量距離的增大而相應(yīng)規(guī)律地增加，可有效解決該問題。余振期間，由于無法區(qū)分回波信號(hào)與余振信號(hào)，因此必須等余振停止或衰減到足夠小后，才能允許接收傳感器接受信號(hào)。 為了減小盲區(qū)，即盡快讓余振衰減到零或足夠小，馬志敏 ]13[ 提出自動(dòng)根據(jù)測量距離遠(yuǎn)近調(diào)控發(fā)射功率的方法，即自動(dòng)根據(jù)距離的遠(yuǎn)近來調(diào)整發(fā)射拖尾波覆蓋信號(hào)的寬度，從而消除拖尾波的干擾。郗曉田提出通過減小電容上電壓最大值 U 的初值來加速余振衰減的方法，也可在一定程度上減小盲區(qū)。它是超聲波信號(hào)由近源的波束旁瓣或通過換能器 繞射，直接到達(dá)接收傳感器造成的 ]15[ 。其本身是一種回波，且包含的信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)相近，不能被一般濾波電路或算法消除。測距時(shí)，可以根據(jù)時(shí)間變理工大學(xué)學(xué)士論文 3 化，控制接收放大電路的增益，以實(shí)現(xiàn)對(duì)混響信號(hào) 幅值的抑制 ]16[ 。然而如果采用小波束角探測器，可以滿足分辨能力的需要，但探測范圍很難滿足要求。該方法有效彌補(bǔ)了大波束角探測器分辨能力差，小波束角探測器探測范圍不足的缺點(diǎn)。超聲波在超聲場（被超 聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大 ，則折射率也愈大。對(duì)于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。 （ 3） 超聲波的能量傳遞特性 超聲波之所以能在各個(gè)工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。頻率愈高速度愈大。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。由于聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。 壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。反之，如果由超聲波機(jī)械振動(dòng)作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時(shí)，那么壓電晶片也會(huì)產(chǎn)生與振動(dòng)頻率相同的微弱的交流信號(hào)。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。 超聲波是指振動(dòng)頻率大于20xx0Hz 以上的 ,其每秒的振動(dòng)次 數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（ 20xx0Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。 到 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空理工大學(xué)學(xué)士論文 6 氣中傳播，途中碰 障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 采用超聲波測量大氣中的地面距離，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境 (如含粉塵 )具有一定的適應(yīng)能力。例如 :測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，利用超聲波 測量地面距離的方法，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測距儀的優(yōu)點(diǎn)是 ： 儀器造價(jià)比光波測距儀低，省力、操作方便。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲 波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅 度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收裝置的靈敏度。超聲波理工大學(xué)學(xué)士論文 7 的波速 c 與溫度有關(guān)，圖 顯示 了幾種不同溫度下的波速。 51 單片機(jī)簡介 本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的，在介紹電路設(shè)計(jì)之前，我們先來簡單了解一下單片機(jī)的工作原理，由于本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)是以 STC 公司的 8 位單片機(jī) STC90C52 為核心的，所以，在本章先簡單的介紹一下 STC90C52 的一些特性。它在一塊芯片上集成了中央處理器 （ Central Processing Unit,CPU），只讀存儲(chǔ)器（ Read Only Memory,ROM），隨機(jī)存儲(chǔ)器 （ Random Access Memory,ROM） ，定時(shí) /計(jì)數(shù)以及 I/O(Input/Output)接口等部件，這些部件構(gòu)成了一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī) 。 理工大學(xué)學(xué)士論文 8 中 央 處 理 器 （ C P U ）R A M并 行 I / O 接 口R O M串 行 I / O 接 口時(shí) 鐘 系 統(tǒng) 定 時(shí) 器 / 計(jì) 數(shù) 器外 部 元 件內(nèi)部總線復(fù) 位中 斷電 源TT X DR X D 圖 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由圖 可見，中央處理器 (CPU)是通過內(nèi)部總線與 ROM、 RAM、 I/O 接口以及定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器相連的，這個(gè)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但并不好理解。