【正文】 電路和 LED 顯示器組成。其時(shí)序圖如圖 12 所示。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間 t，由此便可計(jì)算出距離。圖 13 發(fā)射電路74HC04 內(nèi)部集成了六個(gè)反向器，同時(shí)具有放大的功能。圖 14 74HC04 管腳圖 接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)比較弱，必需經(jīng)過(guò)放大。圖 15 接收電路超聲波探頭接收到超聲波后，通過(guò)聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一正弦信號(hào)，其頻率為傳感器的中心頻率，即 40kHz。LM741 是一單運(yùn)放集成芯片，圖 16 為L(zhǎng)M741 管腳圖。LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。圖 17(a)為八段共陰數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖 17(b)是它的原理圖，圖 17(c)為八段共陽(yáng) LED 顯示管原理圖。七段 LED 顯示管比八段 LED 少一只發(fā)光二極管 SP，其他與八段相同。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是各LED 管能穩(wěn)定地同時(shí)顯示各自字形；動(dòng)態(tài)顯示是指各 LED 輪流地一遍一遍顯示各自字符，人們由于視覺器官惰性，從而看到的是各 LED 似乎在同時(shí)顯示不同字形。但是由于本系統(tǒng)所用的單片機(jī)引腳少，剩余引腳很多，而且也只需顯示三位字符，所以，采用了靜態(tài)的顯示方式，且采用了軟件譯碼，這樣單片機(jī)引腳輸出可直接接到 LED 顯示管上。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時(shí)利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能開始計(jì)時(shí)，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變?cè)趩纹瑱C(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，然后通過(guò)軟件譯碼，將數(shù)據(jù)輸出P0、P1 和 P2 口顯示。 (a) (b) (c)圖 18 程序流程圖用單片機(jī)編程產(chǎn)生 40kHz 方波，可用延時(shí)程序和循環(huán)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。部分程序如下：void delays() {} //延時(shí)函數(shù)void main(){ for(a=0。a++) //產(chǎn)生 100 個(gè) 40KHz 的方波 { P36=!P36。 }}單片機(jī)每隔一段時(shí)間產(chǎn)生一串 40kHz 方波，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波，產(chǎn)生中斷信號(hào)后，單片機(jī)執(zhí)行中斷程序。中斷程序如下：void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO 中斷服務(wù)程序{ uint bwei,shwei,gwei。 ulong COUNT。 TR0=0 。 DL=TL0。 num= (344*COUNT)/20220。 //取百位 gwei=(numbwei*100)/10。 //取個(gè)位 P1=tab[bwei]。 //輸出十位 P2=tab[gwei]。 TL0=0。這樣簡(jiǎn)單方便，省去了復(fù)雜的外部譯碼電路。這是共陽(yáng) LED 顯示從 0 到 9 的字形碼。在硬件電路的設(shè)計(jì)中，分別詳細(xì)介紹了發(fā)射電路，接收電路及顯示模塊的設(shè)計(jì)方法。第 2 章 緒論 課題背景，目的和意義傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。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(cè)量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。超聲波測(cè)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(chǎng)例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。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。超聲波波經(jīng)反射物反射回來(lái)后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。圖 21 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖這種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。利用單片機(jī)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，測(cè)距精度高，而且單片機(jī)控制方便，計(jì)算簡(jiǎn)單。 基于 CPLD 的超聲波 測(cè)距系統(tǒng)這種測(cè)距系統(tǒng)采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，運(yùn)用 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)編寫程序，使用 MAX+plusII 軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。它的這種特性非常適用于本系統(tǒng)，可將本系統(tǒng)所需要的分頻功能、計(jì)數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由 MAX 來(lái)實(shí)現(xiàn)，而只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡▊鞲衅?、接收和發(fā)送電路，即可組成一個(gè)測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的超聲波測(cè)距儀。配合使用 MAX+plusII 開發(fā)軟件，可集設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程于一體，集成度高，開發(fā)周期短。圖 22 基于 CPLD 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射 40kHz 的超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)，MAX7128S 內(nèi)的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。超聲波接收器收到反射波后就將回波信號(hào)送到 CPLD，CPLD 立即停止計(jì)數(shù)。超聲波在空氣中的傳播速度如設(shè)定為 332m/s，根據(jù)計(jì)數(shù)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，即：s=332 t/2。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的 CPLD 器件，高性能、低成本地實(shí)現(xiàn)了距離的測(cè)定。本課題研究的測(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。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。接收電路的輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離,結(jié)果輸出給 LED 顯示。第 3 章 超聲波傳感器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測(cè)方式以及超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz 等。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。若在圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b 所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。若外部施加的極性變反，如圖 c 所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過(guò)金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。傳感器的標(biāo)稱頻率為 40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。圖 32 表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度，因此，適用于物體檢測(cè)與防犯報(bào)警裝置等。圖 32 傳感器的方向性 超聲波傳感器的檢測(cè)方式當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過(guò)時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無(wú)物體通過(guò)。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。若被檢測(cè)物體的檢測(cè)面為平面時(shí)，則可檢測(cè)透明體。若被檢測(cè)物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測(cè)到被測(cè)物體。另外，檢測(cè)范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測(cè)透明的物體。 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成，如圖33 所示。除穿透式超聲波傳感器外，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于限定范圍式超聲波傳感器，通過(guò)控制距離調(diào)整回路的門信號(hào)，可以接收到任意距離的反射波。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為12~24V177。超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路。為此，在實(shí)際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來(lái)選用其振蕩電路 [3]。超聲波傳感器有四種檢測(cè)方式，分別為穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式、限定距離式超聲波傳感器的檢測(cè)方式、限定范圍式超聲波傳感器的檢測(cè)方式和回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式。第 4 章 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)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(lái)簡(jiǎn)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(cè)距系統(tǒng)是以 Atmel 公司的 8 位單片機(jī) AT89C51 為核心的，所以，在本章先簡(jiǎn)單的介紹一下 AT89C51 的一些特性。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機(jī)種。因此，單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。圖 41 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與單片機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)是一種多片機(jī)系統(tǒng)。其中，中央處理器(CPU)的字長(zhǎng)長(zhǎng)，功能強(qiáng)大；ROM 和 RAM 的容量很大；I/O 接口的功能也大，這是單片機(jī)無(wú)法比擬的。由圖 41 可見，中央處理器(CPU)是通過(guò)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。在單片機(jī)內(nèi)部，ROM 和 RAM 存儲(chǔ)器是分開制造的。(1)ROM ROM(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)一般為 1~32K 字節(jié)，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲(chǔ)器。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi) ROM 中，根據(jù)片內(nèi) ROM 的結(jié)構(gòu)，單片機(jī)又可分為無(wú) ROM 型、ROM型和 EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)型三類。無(wú) ROM 型單片機(jī)特點(diǎn)是片內(nèi)不集成 ROM 存儲(chǔ)器，故應(yīng)用程序必須固化到外接的 ROM 存儲(chǔ)器芯片中，才能構(gòu)成有完整功能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。EPROM 型單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器是采用特殊 FAMOS 管構(gòu)成的，程序一旦寫入，也可以通過(guò)特殊手段加以修改。 (2)RAM通常，單片機(jī)片內(nèi) RAM(Random Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)容量為64～256 字節(jié)，最多可達(dá) 48K 字節(jié)。(CPU)中央處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要像電子線路那樣畫出它的全部電路原理圖來(lái)加以分析介紹是根本不可能的。(1)運(yùn)算器運(yùn)算器用于對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作；其操作順序在控制器控制下進(jìn)行。累加器 A(Accumulator)是一個(gè)具有輸入/輸出能力的移位寄存器，由 8 個(gè)觸發(fā)器組成。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算術(shù)邏輯單元)主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對(duì)累加器 A 和暫存器 TMP 中兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操作。(2)控制器控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞。指令部件是一種能對(duì)指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控制信號(hào)的邏輯部件，也是控制器的核心。時(shí)序部件由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號(hào)。單片機(jī)內(nèi)部總線是 CPU 連接片內(nèi)各主要部件的紐帶，是各類信息傳送的公共通道。地址線主要用來(lái)傳送存儲(chǔ)器所需要的地址碼或外部設(shè)備的設(shè)備號(hào)，通常由CPU 發(fā)出并被存儲(chǔ)器或 I/O 接口電路所接收。因此，數(shù)據(jù)線通常是雙向信號(hào)線。I/O 接口電路有串行和并行兩種。并行 I/O 口電路可以使單片機(jī)和存儲(chǔ)器或外設(shè)之間并行地傳送 8 位數(shù)據(jù)(8 位機(jī))。因此，單片機(jī)執(zhí)行程序的過(guò)程實(shí)際上也體現(xiàn)了單片機(jī)的基本工作原理。前面已經(jīng)介紹，指令是一種可以供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，故它又稱為指令碼(Instruction Code)。其格式為：操作碼 地址碼 指令碼的二進(jìn)制形式既不便于記憶，又不便于書寫，故人們通常采用助記符形式來(lái)表示，表 41 所列。A←data100100100 data2 24 data2 ADD A,data2。停機(jī)指令的集合或指