【正文】 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，信息技術(shù)主要包括計(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。 課題主要內(nèi)容本課題研究的測距系統(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。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)中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求執(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?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。當(dāng)聲波的振動頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽不見了。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為1～5兆赫。可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石等。理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個(gè)物體振動的能量與振動頻率成正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動的頻率很高，因而能量很大。這就是超聲波加濕器的原理。利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠療效。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)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到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)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，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)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。表21 聲速與溫度的關(guān)系溫度（℃）－30－20－100102030100聲速(m/s)313319325323338344349386聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。如圖22所示： 超聲波發(fā)射 障礙物 S H θ超聲波接收圖21 超聲波的測距原理 （21） （22）式中:L兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: (23)式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。當(dāng)需要測量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(3—4)變?yōu)? (25) 所以,只要需要測量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測量的距離H。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中傳播速度為340米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，所以此系統(tǒng)測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離測量。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)。而以單片機(jī)為核心的測距儀器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測、顯示等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定、可靠。尤其值得一提的是，出8位CPU外，還具備一個(gè)很強(qiáng)的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的位微計(jì)算機(jī)，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。位處理在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程測控等方面極為有效；而8位處理則在數(shù)據(jù)采集和處理等方面具有明顯長處。利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波；超聲波信號的接收采用74LS04電路進(jìn)行放大后的信號進(jìn)行頻率監(jiān)視和控制。可對測得數(shù)據(jù)優(yōu)化處理；AT89C51還控制顯示電路，用LED數(shù)字顯示。它主要由單片機(jī)、超聲波發(fā)射及接收電路、超聲波傳感器、LED顯示電路電路組成。它把構(gòu)成一臺計(jì)算機(jī)的主要功能部、器件，如CPU（進(jìn)行運(yùn)算、控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口等）、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等集中在一塊芯CPU（進(jìn)行運(yùn)算、控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設(shè)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）。本設(shè)計(jì)的MCU采用的是DIP（Dual Inline Package塑料雙列直插式）封裝的AT89C51高性能8位單片機(jī)。AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。圖41 AT89S51的引腳圖AT89C51的引腳功能有： 1) 主電源引腳VSS——第20腳，電路接地電平。2) 時(shí)鐘源XTAL1——第19腳，一般外接晶振的一個(gè)引腳，它是片內(nèi)反相放大器的輸入端口。XTAL1——第18腳，接外部晶振的另一個(gè)引腳，它是片內(nèi)反相放大器的輸出端口。3) 控制、選通或復(fù)用RST/VPD——第9腳，RESET復(fù)位信號輸入端口。在VCC掉電期間，此引腳(即VPD)可接通備用電源，以保持片內(nèi)RAM信息不受破壞。當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲器時(shí)，ALE信號的負(fù)跳變將P0口上的低8位地址送入鎖存器。要注意的是：每當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖?！?9腳，訪問外部程序存儲器選能信，低電平有效。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 信號不出現(xiàn)。欲使CPU公訪問外部程序存儲器（地址0000HFFFFH），端必須保持低電平（接地）。Flash存儲器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個(gè)TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。P1口——第1~8腳，具有內(nèi)部上拉電路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P2口——第21~28腳，具有內(nèi)部上拉電路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P3口——第10~17腳，具有內(nèi)部上拉電路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。它的每一位均可獨(dú)立定義為第一功能的I/O口或第二變異功能。 基本工作原理：(1)采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號。測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。3 電氣參數(shù)：電氣參數(shù)HCSR04 超聲波模塊工作電壓DC 5 V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測量角度15 度輸入觸發(fā)信號10uS 的 TTL 脈沖輸出回響信號輸出 TTL 電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm4 超聲波時(shí)序圖： 圖43 超聲波時(shí)序圖 超聲波時(shí)序圖 以上時(shí)序圖表明你只需要提供一個(gè) 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平并檢測回波。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。5 實(shí)物規(guī)格:圖44 實(shí)物規(guī)格第五章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) HCSR04發(fā)射與接收電路采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號。 圖51 HCSR04發(fā)射與接收電路 顯示電路 顯示電路如圖，四位LED組成動態(tài)掃描電路，由AT89C51的P1口輸出。當(dāng)距離測量結(jié)束并調(diào)用顯示程序，就會顯示距離大小，顯示兩位小數(shù)。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)位，即ms。 當(dāng)人按下按鈕S1時(shí)，使電容C1通過R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，實(shí)現(xiàn)手動復(fù)位。 時(shí)鐘電路當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，單片機(jī)的XATL1和XATL2用來接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，晶體一般可以選擇3M~24M，電容選擇30pF左右。 圖54 時(shí)鐘電路第六章 系統(tǒng)軟件