【正文】 制分布式控制。采用軟件控制，提高了測(cè)量精度和整機(jī)的可靠性。并且靈敏度高，可靠性強(qiáng)。例如：超聲波測(cè)距儀廣泛應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于聯(lián)合收割機(jī)、液位、井深、管道長(zhǎng)度等的實(shí)時(shí)測(cè)量場(chǎng)合。因此本設(shè)計(jì)采用了以AT89S51單片機(jī)為核心低成本，高精度，LED數(shù)字顯示超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)果的硬件電路設(shè)計(jì)方法。綜合了各器件的功能，耐用性，市場(chǎng)價(jià)位等多方面因素，選件謹(jǐn)慎、適用。在文中還詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的主要芯片（AT89S51，CX20106A, TCT4010）的性能和特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試使用證明，該超聲波測(cè)試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)距精度高，性能良好，可廣泛應(yīng)用到實(shí)際中以方便觀察測(cè)試結(jié)果?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。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(guò)空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。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(zhǎng)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。斯帕拉捷習(xí)慣晚飯后到附近的街道上散步。這個(gè)現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？ 　　1793年夏天，一個(gè)晴朗的夜晚，喧騰熱鬧的城市漸漸平靜下來(lái)。當(dāng)他看到放出去的幾只蝙蝠輕盈敏捷地來(lái)回飛翔時(shí)，不由得尖叫起來(lái)。 　　斯帕拉捷為什么要把蝙蝠的眼睛蒙起來(lái)呢？原來(lái)，每當(dāng)他看到蝙蝠在夜晚自由自在的飛翔時(shí)，總認(rèn)為這些小精靈一定長(zhǎng)著一雙特別敏銳的眼睛，就不可能在黑夜中靈巧的多過(guò)各種障礙物，并且敏捷的捕捉飛蛾了。斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠憑什么來(lái)辨別前方的物體，捕捉靈活的飛蛾呢？ 　　于是，蝙蝠在空中還是飛的那么敏捷、輕松。他又捉來(lái)幾只蝙蝠，用油漆涂滿它們的全身，然而還是沒(méi)有影響到它們飛行。這次，蝙蝠可沒(méi)有了先前的神氣。 ??！蝙蝠在夜間飛行，捕捉食物，原來(lái)是靠聽(tīng)覺(jué)來(lái)辨別方向、確認(rèn)目標(biāo)的！ 　　斯帕拉捷的實(shí)驗(yàn)，揭開(kāi)了蝙蝠飛行的秘密，促使很多人進(jìn)一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“聽(tīng)”到?jīng)]有聲音的物體呢？ 　　后來(lái)人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。蝙蝠用耳朵接受到這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，靈巧的自由飛翔，捕捉食物。超聲波就像一位無(wú)聲的功臣，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域。（二）課題研究目的和意義超聲波作為測(cè)距，已經(jīng)在很多領(lǐng)域起著非常重要的作用，而且也在不知不覺(jué)之中影響我們的生活。這一設(shè)計(jì)就是本著這個(gè)宗旨出發(fā),利用超聲波的特性來(lái)為我們服務(wù)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制,并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求,因此在移動(dòng)機(jī)器人,汽車安全,海洋測(cè)量等上得到了廣泛的應(yīng)用。（三）研究?jī)?nèi)容以及方法原理本課題的研究，是為了利用超聲波，來(lái)測(cè)量比較有難度的距離，通過(guò)一系列原件（AT89S51, CX20106A ,TCT4010，LED數(shù)碼管）組成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到對(duì)困難距離的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測(cè)量。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。of利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，在把得到的距離除以2就得到了發(fā)射儀與被測(cè)物體之間的距離。表1 不同溫度下超聲波傳輸速度溫度℃3020100102030速度m/s313319325331338344349關(guān)于溫度補(bǔ)償，由于超聲波傳播速度與環(huán)境溫度有以下公式①關(guān)系：(T+)1/2 公式①式中T為攝氏溫度，C為在該溫度下的超聲波傳播速度（單位為 m/s）。用溫度去校正超聲波的傳播速度，這就是溫度補(bǔ)償。這些方法都有一定的缺陷，如線性差，電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化需要A/D轉(zhuǎn)換等。在本設(shè)計(jì)中，采用了一種高性能，低價(jià)格，數(shù)字化的溫度傳感器DS18B20來(lái)采集溫度，該數(shù)字溫度傳感器為獨(dú)特的1Wire總線接口，僅占用MCU一只引腳，具有操作簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量快，精度高（提供9—12位溫度讀數(shù)），測(cè)量溫度范圍為－55到125攝氏度，在－10到85攝氏度范圍內(nèi)精度為177。設(shè)環(huán)境溫度為T(mén)0=25攝氏度，此時(shí)超聲波傳播速度為C0=測(cè)量5m的距離用時(shí)t0=（取t0=14439us）=,得出超聲波傳播速度為：C=速度誤差為：ΔV=－測(cè)量5m產(chǎn)生的距離誤差為：Δd=ΔVt0=－2．設(shè)數(shù)字溫度傳感器給出的溫度為T(mén)=，得出超聲波傳播速度為：C=速度誤差為：ΔV=＋測(cè)量5m產(chǎn)生的距離誤差為：Δd=ΔVt0=＋由此可以看出，采用溫度補(bǔ)償法測(cè)量出的距離精度高，使用方便。建立一個(gè)超聲波測(cè)距儀 主要工作有： 。 。二、總體方案設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。所以，本設(shè)計(jì)主要采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。由于本設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能均可以由ATMEL公司的8951單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，而且它的售價(jià)相當(dāng)?shù)土?，一個(gè)在電子市場(chǎng)的價(jià)格也就6元錢左右，因此選擇它為本課題的主控制器。 此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。GND：接地。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 TXD（串行輸出口）。 /INT1（外部中斷1）。 T1（記時(shí)器1外部輸入）。 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）。I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線經(jīng)過(guò)某種運(yùn)算或變換后再寫(xiě)回到端口鎖存器只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線上面圖中的兩個(gè)三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號(hào)以完成不同的操作這是由硬件自動(dòng)完成的不需要我們操心1然后再實(shí)行讀引腳操作否則就可能讀入出錯(cuò)為什么看上面的圖如果不對(duì)端口置1端口鎖存器原來(lái)的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q^為1加到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的信號(hào)為1該場(chǎng)效應(yīng)管就導(dǎo)通對(duì)地呈現(xiàn)低阻抗,此時(shí)即使引腳上輸入的信號(hào)為1也會(huì)因端口的低阻抗而使信號(hào)變低使得外加的1信號(hào)讀入后不一定是1若先執(zhí)行置1操作則可以使場(chǎng)效應(yīng)管截止引腳信號(hào)直接加到三態(tài)緩沖器中實(shí)現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時(shí)還必須附加一個(gè)準(zhǔn)備動(dòng)作所以這類I/O口被稱為準(zhǔn)雙向口89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口接下來(lái)讓我們?cè)倏戳硪粋€(gè)問(wèn)題從圖中可以看出這四個(gè)端口還有一個(gè)差別除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能 RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。內(nèi)部電路由前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路（ABLC）、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路組成。前置放大電路限幅放大器帶通濾波器檢波器和比較器積分器斯密特觸發(fā)器ABLC12345678 圖4 CX20106A邏輯框圖CX20106A的主要技術(shù)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：1. 低電壓供電，其典型值為5V。3. 帶通濾波器的中心頻率可通過(guò)改變引腳5和電源之間的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的范圍為30—60kHz。4. 能與PIN光電二極管直接連接。6. 8引腳單列直插式塑料封裝。5kΩ。電阻值大，容量值小，則增益低；反之則高。3C2檢波電容連接端該腳與地之間接有檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容量小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動(dòng)大，容易造成遙控誤動(dòng)作。05fo帶通濾波器中心頻率設(shè)置端該腳與電源間所接電阻器，是用來(lái)設(shè)置帶通濾波器的中心頻率fo，電阻值為200kΩ時(shí)，中心頻率fo=40kHz；電阻值為220kΩ時(shí)，則中心頻率fo=38kHz。17OUT遙控指令信號(hào)輸出端該端口為集電極開(kāi)路輸出端。5最后再讓我們?cè)倏纯碈X20106A集成塊內(nèi)電路方框圖與它的典型應(yīng)用電路，見(jiàn)圖5。 圖6 TCT4010外觀圖 圖7 超聲波轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測(cè)距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。適當(dāng)改變C4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。2. 單總線數(shù)據(jù)通信?！?。5. 可選擇寄生工作方式。8．在DS18B20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。 圖11 DS18B20外觀圖 圖12 DS18B20引腳圖再來(lái)看看它的引腳圖，如上圖12：DS18B20有多種封裝形式，本課題使用的是常見(jiàn)的3長(zhǎng)針腳的封裝形式。開(kāi)漏單總線接口引腳。3VDD可選擇的VDD引腳。由于DS18B20采用的是1－Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)AT89S51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來(lái)模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來(lái)完成對(duì)DS18B20芯片的訪問(wèn)。利用外中斷0口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如圖14所示主程序首先對(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并給顯示端口P0和P2清0。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：(T+)1/2 公式① d=CT0/2+△d 公式②這樣就可以計(jì)算出測(cè)距儀與障礙物之間的距離。主程序框圖如圖15所示：圖15 超聲波測(cè)距主程序圖，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。它們的整個(gè)軟件系統(tǒng)如圖16，圖17，圖18所示： 圖16主程序流程圖 圖17定時(shí)中斷服務(wù)子程序 圖18外部中斷服務(wù)子程序五、總結(jié)與未來(lái)展望本課題到這里就基本結(jié)束了，對(duì)于本人制作的超聲波測(cè)距儀，必定還有很多的不足之處，一定要從實(shí)驗(yàn)查出紕漏，進(jìn)一步完善。關(guān)于現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，超聲波測(cè)距已經(jīng)是一種非常成熟的技術(shù)，而且它的成本低，適合于大多數(shù)需要比較精確的數(shù)據(jù)的地方，例如井深，液位，汽車倒車?yán)走_(dá)等地方。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超聲波測(cè)距的精度一定能更進(jìn)一步精確，從未能解決更多不易解決的問(wèn)題。致 謝“千里之行，始于足下。前后經(jīng)歷了四個(gè)月時(shí)間，但對(duì)于踏踏實(shí)實(shí)搞知識(shí)創(chuàng)新的人來(lái)說(shuō)，從搜集材料、投入研討到起草排版、打印輸出，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。我的導(dǎo)師汪光宅說(shuō)過(guò)：“科研工作是一項(xiàng)艱苦、寂寞并且需要全心全意投入的工作，一旦選擇了這個(gè)責(zé)任，我們就要承擔(dān)得起他人所不能承受