【正文】 型、磁致伸縮型和電動型等 。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應(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，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 22 所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。 開 始 測 量處 理 信 號超 聲 波 接 收探 頭超 聲 波 發(fā) 送探 頭顯 示 結(jié) 果信 號 放 大發(fā) 送 超 聲 波 信 號并 開 定 時 器關(guān) 定 時 器 并 計 算數(shù) 據(jù)被測物 圖 23 超聲波測距系統(tǒng)框圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 、 超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路 、報警輸出電路、供電電路等幾 部分。單片機(jī)用 端 口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號， 端口 監(jiān)測 超聲波接收電路輸出的返回信號。 系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、 報警模塊 、 接收模塊鍵盤模塊和供電單元組成。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件 可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片 機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 STC89C52 各端口 STC89C52 單片機(jī)如右圖 32所示 GND：地 作為輸出口用時，每位能驅(qū)動 8個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“ l”可作為高 阻抗輸入端用。在 F1ash編程時， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時， 輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉 電阻。 P1口： Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I／ O口， Pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4個 TTL邏輯門電路。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRi 指令）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。 P3 口輸出緩沖P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .5 M O S I6P 1 .6 M I SO7P 1 .7 S CK8RS T9P 3 .010P 3 .111P 3 .212P 3 .313P 3 .414P 3 .515P 3 .616P 3 .717X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P S E N29A L E30EA31P 0 .732P 0 .633P 0 .534P 0 .435P 0 .336P 0 .237P 0 .138P 0 .039V c c40 S T C8 9C 52河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL邏輯門電路。作輸入端時，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻輸出電流。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 外部方式的時鐘電路如圖 34 所示 這種情況下，外部時鐘脈沖接到 XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2則懸空。 圖 33 內(nèi)部方式時鐘電路 圖 34 外部方式時鐘電路 復(fù)位 及其主要功能 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 表 31 單片機(jī) 寄存器的復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TCON 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0P3 FFH SCON 00H IP XX000000B SBUF 不定 IE 0X000000B PCON 0XXX0000B TMOD 00H 表 32 STC89C52主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8K 可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 時鐘頻率 024MHz 2 個串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個外部中斷源 共 6 個中斷源 2 個讀寫中斷口線 3 級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 超聲波測距 單片機(jī)系統(tǒng) 超聲波測距單片機(jī)系統(tǒng)主要由： STC89C52 單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路、電源濾波部份構(gòu)成。如圖 35。而在芯片外部 1XTAL 和 2XTAL 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。在設(shè)計電路板時，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。 程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。 因為按鍵脈沖復(fù)位是利用 RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。 由 K1， K2 組成測距系統(tǒng)的按鍵電路 ,用于設(shè)定超聲波測距報警值。 超聲波發(fā)射電路 關(guān)于發(fā)射電 路，三極管為開關(guān)管， 40KHZ 的脈沖通過單片機(jī)的引腳輸出到三極管的基極，那么三極管的發(fā)射極也是 40KHZ 的脈沖，再經(jīng)過中周的放大，驅(qū)動發(fā)射探頭， 在這里的作用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩產(chǎn)端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測量距離。如圖 36所示。 放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號，即把多個脈沖波解調(diào)成多個大脈沖波 ， 這里使用的是 I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓 。 D6的作用 是整流作用，而且能使電流方向始終流向后端的三極管 。 其接收單元如下圖 37所示。 (1) 動態(tài)顯示：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃“ a, b, c, d, e, f, g, dp“的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 由位選通控制電路控制，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼， 但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，但是能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，功耗更低。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58 ＝ 40 根 I/O 端口來驅(qū)動，要知道一個 89C52單片機(jī)可用的 I/O 端口才 32 ，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。只需能顯示 09 的數(shù)字，且顯示穩(wěn)定無閃爍即可。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)由 7個發(fā)光二極管組成 ,行成一個日字形 ,它門可以共陰極 ,也可以共陽極，通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字 ,這就是它的工作原理。 本系統(tǒng)采用三位一體 L E D 共陽 數(shù)碼管顯示所測距離值，如圖 38。 圖 38 顯示 電路 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 報警輸出電路 為提高測測距系統(tǒng)的實用性，本測距系統(tǒng)的報警輸出提供開關(guān)量信號及聲響信號兩種方式。 方式二：報警信號由單片機(jī) 口輸出，提供聲響報警信號，電路由電阻 R三極管 BG蜂鳴器 BY 組成，當(dāng)測量值低于事先設(shè)定的報警值時，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴 ? ..” 報警聲響信號，測量值高于設(shè)定的報警值時，停止發(fā)出報警聲響。 圖 39 報警輸出電路 電源電路 為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮了由 USB 口供電，調(diào)試時直接由電腦 USB 口供電。 由于 本測距系統(tǒng) 采用的是LED 數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時，系統(tǒng)工作電流約為 3045mA，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計的可靠正常工作，系統(tǒng)的供電方式 采用 交流 AC6V， 6伏交流是經(jīng)過整流二極管D1D4整流成脈動直流后，經(jīng)慮波電容 C1慮波后形成直流電， 電源電路采用普通可調(diào)電源供電，該電源不含穩(wěn)壓器，所以在設(shè)計中需要用穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓，我們選用 LM7805來獲得穩(wěn)定的 +5V 直流電壓， LM7805引腳排列和典型應(yīng)用如河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 下圖 310所示。 濾波電 容采用 220uF 電解和 104 瓷片電容并聯(lián)使用，電磁兼容的實踐證明，此電容組合組成的并聯(lián)電容電路使用效果很好。 圖 310 供電單元電路圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)程序設(shè)計 超聲波測距的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序 等 組成。 超聲波測距 的 程序 原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。距離的計算公式為： d=s/2=(ct)/2 。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化， 設(shè)定時器 0 為計數(shù)，設(shè)定時器 1 定時 。 進(jìn)行程序主程序后，進(jìn)行定時測距判斷，當(dāng)測距標(biāo)志位 ec=1 時，開始 測量，程序 設(shè)計中，超聲波測距頻度是 45次 /秒。當(dāng)調(diào)用 超聲波 測距子程序后，首先由單片機(jī)產(chǎn)生 4 個頻率為 超聲波脈沖 ，加載的超聲波發(fā)送頭上。當(dāng)檢測到 腳的電平由高轉(zhuǎn)為低電平時，立即停止 T0 計時。 設(shè)計時取 20℃時的聲速為 344m/s 則有： d=(ct)/2=172T 0/10000cm 其中， T0為計數(shù)器 T0的計算值。 超聲波測距程序流程圖 依據(jù)以上思路，制作出 超聲波測距程序流程圖 ，該流程圖包括 系統(tǒng)程序流程圖和超聲波測距子程序流程圖，如下圖 41 和 42所示。 //開中斷 TMOD=0x11。 //定時器 0中斷允許 TH0=0xD8。 //設(shè)定時值為 20200us（ 20ms） TR0=1。 TR1=0。 mq=40。 csbsc()。 k1=1。 sx=0。 //測量次數(shù) while(1) { if (ec==1) { ec=0。 //調(diào)用超聲波測量 } bgcl()。 //調(diào)用轉(zhuǎn)換段碼功能模塊 scanLED()。 //發(fā)出聲響 } else sx=0。} jpcl()。 TH1=0x00。 csbint=1。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 20 delay(1700)。 csbout=1。 i=yzsj。 while(csbint) //判斷接收回路是否收到超聲波的回波 { i++。 } TR1=0。 s=s*256+TL1。 csbint=1。 //計算測量結(jié)果 jsz=jsz/2。 CSBFS: mov R6,8h 。 buffer[1]=0x93。 } else if (jszmq) {