【正文】 令的全體稱為“指令系統(tǒng)”(Instruction System)。所謂程序就是采用指令系統(tǒng)中的指令根據(jù)題目要求排列起來的有序指令的集合。通常，設(shè)計(jì)人員采用指令的匯編符(即助記符)形式編程，這種程序設(shè)計(jì)稱為“匯編語言程序設(shè)計(jì)” 。為了弄清單片機(jī)的工作原理，現(xiàn)以如下的 Y=5+10 求和程序來說明單片機(jī)的工作過程。第一條指令的含義是把 05H 傳送到累加器 A 中；第二條指令是加法指令，它把累加器 A 中的 5 和立即數(shù) 10 相加，結(jié)果保留到累加器 A 中；第三條是停機(jī)指令，機(jī)器執(zhí)行后處于動(dòng)態(tài)停機(jī)狀態(tài)。從此，單片機(jī)開始迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支。迄今為止，市售單片機(jī)產(chǎn)品已達(dá) 60 多個(gè)系列，600 多個(gè)品種。(1)4 位單片機(jī) 4 位單片機(jī)的控制功能較弱，CPU 一次只能處理 4 位二進(jìn)制數(shù)。(2)8 位單片機(jī) 8 位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令。這類單片機(jī)由于其片內(nèi)資源豐富且功能強(qiáng)大，主要在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用。這類單片機(jī)的特點(diǎn)是：CPU 是 16 位的，運(yùn)算速度普遍高于 8 位機(jī)，有的單片機(jī)尋址能力高達(dá)1MB，片內(nèi)含有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換電路，支持高級(jí)語言。(4)32 位單片機(jī) 32 位單片機(jī)的字長(zhǎng)為 32 位，是單片機(jī)的頂級(jí)產(chǎn)品，具有極高的運(yùn)算速度。2．8 位單片機(jī)的新發(fā)展目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，尤其是 8 位單片機(jī)已成為當(dāng)前單片機(jī)的主流。其中數(shù)字 9 表示內(nèi)含 Flash 存儲(chǔ)器，C 表示 CMOS 工藝。圖 42 AT89C 單片機(jī)管腳圖AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。1．主要特性：4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：100 寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10 年三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定32 可編程 I/O 線5 個(gè)中斷源 低功耗的閑置和掉電模式GND：接地。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 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 門電流，當(dāng) P2 口被寫“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 門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(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：來自反向振蕩器的輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2 應(yīng)不接。4．芯片擦除：整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。此外，AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的一些基本知識(shí)，如單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單片機(jī)的工作原理等，只有詳細(xì)了解單片機(jī)的工作原理，才能更好的使用單片機(jī)，用單片機(jī)來設(shè)計(jì)電路。它的特點(diǎn)是內(nèi)含 Flash 存儲(chǔ)器，采用 CMOS 工藝，這種型號(hào)的芯片是目前應(yīng)用得最普遍的一種。我們所使用的 AT89C51 是標(biāo)準(zhǔn)型的，本章詳細(xì)介紹了它的特性和參數(shù)。首先測(cè)試發(fā)射電路對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù)，先用信號(hào)源給發(fā)射電路輸入端一個(gè)40kHz 的方波信號(hào)，峰峰值為 。40kHz 的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到 40kHz 的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。s，半周期為 。由于 12M 晶振的單片機(jī)的時(shí)間分辨率是 1181。s 或 13181。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約 的方波。高于20kHz 時(shí)的機(jī)械波稱為超聲波，媒質(zhì)包括氣體、液體和固體。 c 也是復(fù)數(shù)，其實(shí)數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)(每單位距離強(qiáng)度或幅度的衰減)有關(guān)，測(cè)量后者可求得媒質(zhì)中的損耗。從式(51)可知，聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān)，因此，利用聲速測(cè)量距離，就要考慮這些因素對(duì)聲速影響。氣體中聲速受溫度的影響最大。圖 51 空氣中溫度聲速圖由式(52)和圖 51 可見，當(dāng)溫度 θ 從 0～40℃變化時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生 7%的聲速變化，因此，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，計(jì)算時(shí)必須根據(jù)溫度進(jìn)行聲速修正。相對(duì)而言，單片機(jī)的時(shí)間分辨率還是不太高，如晶振頻率為 12MHz 時(shí)，時(shí)間分辨率為 1181。隨機(jī)誤差由于測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律變化的，為了減少其影響，可在同一位置處多次重復(fù)測(cè)量 xi，然后取平均值 x 作為測(cè)量的真值 [10]。其提高測(cè)距精度的措施如下：1. 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期。2. 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)。3. 提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差。例如：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)置計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶振頻率 6MHz 時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 ，此時(shí)在空氣中的測(cè)距時(shí)間量化誤差為 ；當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 1MHz，此時(shí)測(cè)距時(shí)間量化誤差為 。4. 補(bǔ)償溫度對(duì)傳播聲速的影響。溫度傳感器 LM92 的溫度測(cè)試分辨率為 ℃，－10℃至+85℃準(zhǔn)確度為177。用 AT89C51 的通用 I/O 端口能很容易的模擬 I2C 總線的讀寫時(shí)序，LM92 高精度溫度測(cè)量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。 本章小結(jié)在本章里，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了調(diào)試和分析。如何減小系統(tǒng)的誤差，是設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)必需要考慮的問題。結(jié)論本課題介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)。超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方式以及它的一些特性。單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制部分，采用 Atmel公司生產(chǎn)的 AT89C51 芯片。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 六反向器，通過它對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。本系統(tǒng)的 LED 顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機(jī)軟件譯碼。本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高、速度快、控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。10cm 內(nèi)。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學(xué)習(xí)中會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析、設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開發(fā)過程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法。這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的。從電路的設(shè)計(jì)到調(diào)試整個(gè)過程中，我都從羅老師那里學(xué)會(huì)了很多專業(yè)方面的知識(shí)。感謝主樓六樓實(shí)驗(yàn)室的各位老師和師兄們?yōu)槲姨峁﹩纹瑱C(jī)仿真器和示波器等實(shí)驗(yàn)儀器，沒有他們的支持和幫助，我的畢設(shè)也不能順利進(jìn)行。最后感謝我的家人、朋友對(duì)我的支持。在這個(gè)系統(tǒng)里，被反射出的波形被作為二維的圖像，并且屬于那個(gè)種類的一個(gè)目標(biāo)是瞬間模式從參考數(shù)據(jù)到一條組合的邏輯電路中匹配認(rèn)出的。模式匹配被從參考數(shù)據(jù)直接創(chuàng)建的一條組合的邏輯電路所攜帶。由于 5 種原料作為種類下落，獲得的結(jié)果顯示了一個(gè)差不多 100%的識(shí)別率，并且當(dāng)種類是傾向于材料，角度和距離的結(jié)合時(shí)，高的識(shí)別結(jié)果是為幾乎所有的材料獲得的。在兩種模式之間的距離被連續(xù)計(jì)算，并且這種未知的模式屬于的種類是基于結(jié)果的估計(jì)之上[1,2]。為了達(dá)到實(shí)時(shí)處理，一種傳統(tǒng)方法和大規(guī)模的硬件供應(yīng)是必要的。這種方法使用一種遺傳算法(GA)，由 GA 設(shè)計(jì)組合的邏輯電路和從模型數(shù)據(jù)中直接創(chuàng)建模式識(shí)別的一條集成電路。因此，我們?yōu)楦?jiǎn)單的模式比較這種組合的邏輯電路提出一種設(shè)計(jì)方案[4]。自從用這種方法從模型數(shù)據(jù)中創(chuàng)造了一個(gè)直接電路，一個(gè)識(shí)別電路可能在比利用 CA 方法更短的制作時(shí)間內(nèi)被創(chuàng)造出來。通常，信息從用超聲波傳感器反射出的波以只存在或者不存在量程范圍內(nèi)的障礙或者遠(yuǎn)離目標(biāo)信息中獲得。在裁判員 4 的系統(tǒng)里，快速傅里葉變換算法(FFT)反射波的波形被用作種類識(shí)別的一個(gè)特征。屬于未知數(shù)據(jù)的種類通過一種涉及到這個(gè)反射波的 FFT 波形的模式匹配來進(jìn)行推斷的。我們使用這種方法識(shí)別未知物體的材料，它的效力已經(jīng)被檢驗(yàn)。這種方法的前提是在硬件中實(shí)施，期望可以通過使用一條組合的邏輯電路實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別，應(yīng)用于航空，例如自動(dòng)化運(yùn)輸工具，將隨著這種系統(tǒng)的進(jìn)一步延伸而成為可能。那時(shí)，用測(cè)量的波形數(shù)據(jù)和其他種類方法的對(duì)比的種類實(shí)驗(yàn)，通過證明被提議方法的特征來估計(jì)提議方法。首先，超聲波放電來測(cè)量物體，并且超聲波傳感器收到被反射的波。傳輸數(shù)據(jù)的 35－kHz 到 45－kHz 區(qū)域被用于識(shí)別。圖 1 顯示 5個(gè) FFT 波形樣品，(a)木頭,(b)鐵，(c)紙板，(d)海綿和(e)塑料。如圖 1，每種材料中的波形顯示了特征的不同。因此， 我們相信一物體材料可以圖樣識(shí)別與 FFT 反映出的波形來識(shí)別每種物體材料的特征。這張圖被叫為參考數(shù)據(jù)。 參考數(shù)據(jù)是每種類識(shí)別的基礎(chǔ)。參考數(shù)據(jù)的最大值和最小值表明數(shù)據(jù)與描述被測(cè)量的對(duì)象的特征的波形不符合的范圍。 2 σ 間隔范圍內(nèi)[10]。 2 σ(f)里，如果培訓(xùn)用數(shù)據(jù)的數(shù)量足夠大，幾乎所有數(shù)據(jù)根據(jù)反射出的相同對(duì)象的波決定的未知波形相信在極大和極小參考數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)被觀察到。在提議系統(tǒng)內(nèi)，從超聲波傳感器那里獲得的未知波形成數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)作為二維的數(shù)據(jù)處理。如果未知的波形數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)被重疊，相配的過程阻塞，并且如果未知的波形數(shù)據(jù)在最大和最少的參考數(shù)據(jù)中，未知的波形數(shù)據(jù)被推斷屬于保存參考數(shù)據(jù)的種類，并且這被作為識(shí)別結(jié)果確定。顯示的坐標(biāo)系統(tǒng)被在測(cè)量環(huán)境過程中使用。在這些實(shí)驗(yàn)過程中，在數(shù)字里顯示的金屬形成的物體是測(cè)量目標(biāo)。在 3 圖中，超聲波傳感器被安排有左右接受器和在中心內(nèi)的輸出器。在 FFT 之后處理，數(shù)據(jù)是對(duì)識(shí)別電路的輸入。 識(shí)別電路被提出的識(shí)別方法是一個(gè)運(yùn)算法則，在數(shù)據(jù)匹配過程中，這個(gè)法則可以被作為一條組合的邏輯電路的硬件來執(zhí)行。 匹配電路當(dāng)決定來自于一條組合的邏輯電路時(shí)， 參考數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)被量化成PQ 二維的形式，每排進(jìn)行比較。從而，P 組合的邏輯電路(有 Q 輸入)來比較一個(gè)波形數(shù)據(jù)。一條組合的邏輯電路把少量參考數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。為了創(chuàng)建比較這對(duì)排的組合的邏輯電路，從參考數(shù)據(jù)中創(chuàng)建一份真實(shí)的表格。等于或者超過參考數(shù)據(jù)的最大量的區(qū)域被調(diào)整到“0” ， 最小量被調(diào)整到“1” ，并且其他區(qū)域被調(diào)整到涉及不到的區(qū)域(“x”)。通過增加不被關(guān)注的真實(shí)表格，由于測(cè)量條件，識(shí)別電路吸收波形內(nèi)的變化，例如隨著溫度的變化。輸入數(shù)據(jù)被類似量化。然后每排輸入數(shù)據(jù)被選出，對(duì)相應(yīng)排的組合的邏輯電路的輸入，與參考數(shù)據(jù)相比。在圖 5，R(x，y)描述被量化的參考數(shù)據(jù)的象素價(jià)值，x 是排號(hào)碼和 y 是欄數(shù)。F(X 4)代表 4 排的組合的邏輯電路的輸出量。如果輸入數(shù)據(jù)是在最大和最小的參考數(shù)據(jù)內(nèi)， 所有排的組合的邏輯電路的輸出量成為“1” 。 電路的簡(jiǎn)化當(dāng)組合邏輯電路被創(chuàng)建時(shí)，當(dāng)真實(shí)表格被制作成一條沒有被修正的電路時(shí)，所有數(shù)據(jù)值都成一排被引用， 組合邏輯電路的輸入的數(shù)量隨決定增加而增加，并且電路規(guī)模變得更大。如圖 4， “0”、“1” 和“x”(不要關(guān)心 )三個(gè)區(qū)域存在于被量化的參考數(shù)據(jù)， 以及“0”和“1”的兩個(gè)區(qū)域存在于輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)這種特征用于匹配過程，通過利用臨近的不相關(guān)的兩個(gè)輸入值來實(shí)現(xiàn)?？梢钥吹饺绻诹炕瘏⒖紨?shù)據(jù)的 m 排里 從 R(m, Q–3) 到 R(m, 2)不被關(guān)注，在 m的被量化的參考數(shù)據(jù)排不關(guān)心，匹配整個(gè)排只由從所有輸入數(shù)據(jù) U(m，Q1)到U(m，0)的 U(m，Q2)∧U(m，1) 的計(jì)算變得可能。. 識(shí)別電路的構(gòu)造圖 7 顯示提議識(shí)別電路的整個(gè)結(jié)構(gòu)。為在早先階段比較記述的參考數(shù)據(jù)和從每個(gè)邏輯電路計(jì)算“1”輸出量的數(shù)值的一個(gè)計(jì)數(shù)器，而從一個(gè)組合邏輯電路中構(gòu)建一個(gè)電路