【正文】 8031 系列的單片機(jī)，如今隨著閃存 ROM技術(shù)的進(jìn)一步深入， 8031 單片機(jī)足的發(fā)展令人矚目，成為世界使用最為廣泛的 8 位單片機(jī)之一，其中最具有代表性的型號(hào)是 ATMEL 公司 的為我們平時(shí)所使用的 AT89 子系列。上市的許多大型公司都有各自不同版本的 51子系列的向下兼容單片機(jī)型推出在我們學(xué)習(xí)的單片機(jī)中，最為基礎(chǔ)的應(yīng)該算是 51 單片機(jī)了，如圖 23 所示 。 圖 23 51 單片機(jī)原理圖 51 單片機(jī)的主要性能： （ 1）數(shù)據(jù)位為 8 位的 CPU，程序存儲(chǔ) 器 (ROM)的內(nèi)存大小為 4kB(52 系列的為 8KB)。 （ 2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)的內(nèi)存大小為 128B， 52 系列的有 256B 的 RAM。 （ 3）總共有 32 條 I/O 口線，指令有 111 條，其中大部分是單字節(jié)的指令 。 8 （ 4）總共有專用 寄存器 21 個(gè) 。 （ 5）共兩個(gè)可以進(jìn)行編程的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，內(nèi)部中斷源 5 個(gè)，可以選擇 2 級(jí)優(yōu)先級(jí)權(quán)（ 52 有 6 級(jí)優(yōu)先權(quán)） 。 （ 6）可以實(shí)現(xiàn)全雙工的 串行通信 。 （ 7） 51 單片機(jī)的 外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器可以 尋址的空間 為 64Kb。 （ 8） 51 單片機(jī)的外部 程序存儲(chǔ)器 可以 尋址的最大空間為 64kB； （ 9） 邏輯操作具有按位尋址的功能。 51 單片機(jī)的主要部分 : （ 1） CPU：由運(yùn)算控制器和邏輯控制器組成，還包括中斷和外部 特殊功能的寄存器 ； （ 2） RAM：用來放置需要讀寫的數(shù)據(jù)，比如說一些運(yùn)算的過程性結(jié)果、最終性結(jié)果以及將要顯示出來的數(shù)據(jù)； （ 3） ROM：用來存放運(yùn)行過程中的程序、一些原始性數(shù)據(jù)和表格； （ 4） I/O 口：四組 8 位共 32 個(gè)并行的 I/O 口， 既可作為數(shù)據(jù)的輸入接口，也可作為數(shù)據(jù)的輸出接口板，本次設(shè)計(jì)中 P1 口接有上拉電阻，其他口如果想要做為一般的輸入輸出口，既需要接上拉電阻； （ 5） T/C：兩個(gè)內(nèi)部自帶的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，通過我們的設(shè)置，其既可以應(yīng)用于定時(shí)的模式，也可以應(yīng)用于計(jì)數(shù)的模式中； （ 6）主要有復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。 51 系列的主要產(chǎn)品 ： （ 1） Intel 公司的主要產(chǎn)品有： 80C3 80C5 87C51， 80C3 80C5 87C52 等； （ 2） ATMEL 公司的主要產(chǎn)品有： STC89C5 STC89C5 STC89C2051 等； （ 3）諸如此類的公司 Philips 公司、華邦公司、 Dallas 公司、 Siemens 等公司的許多產(chǎn)品。 外圍電路 框圖 如圖 24 所示。 5 1 單 片 機(jī)液 晶 顯示上 位 機(jī)超 聲 波 測(cè)距9 0 5 無線 傳 輸 9 圖 24 51 單片機(jī)控制框圖 蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的算法實(shí)現(xiàn) 蛇的運(yùn)動(dòng)方式： （ 1）婉蜒運(yùn)動(dòng) 所有的蛇都可以以這種方式向前爬行。爬行時(shí)，蛇體在地面上作水平波狀彎曲，使彎曲處的后邊施力于粗糙的地面上，由地面的反作用力推動(dòng)蛇體前進(jìn)，如果把蛇放在平滑的玻璃板上，那它就寸步難行，無法以這種方式爬行了 ，當(dāng)然，不必因此為蛇擔(dān)憂，因?yàn)樵谧匀唤缡遣粫?huì)有像玻璃那樣光滑的地面，如圖 25 所示 。 圖 25 蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng) 圖 26 蛇的直線蠕動(dòng) （ 2）直線式蠕動(dòng) 在自然界中，蛇 利用脊柱從頭傳到尾的間歇收縮，毒蛇能夠筆直的前行，如同蚯蚓一樣。 速度可達(dá)幾厘米每秒。這種運(yùn)動(dòng)方式是身軀比較龐大的蛇在非緊急情況下的運(yùn)動(dòng)方式，在比較平的地面上行進(jìn)時(shí)較佳，如圖 26 所示 。 （ 3）蠕動(dòng) 此運(yùn)動(dòng)方式是 在豎直平面上的波動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是效率較高，且與地面的相對(duì)滑動(dòng)較小，但存在穩(wěn)定性問題，如圖 27 所示 。 10 圖 27 蛇的蠕動(dòng)圖 28 眼鏡蛇式運(yùn)動(dòng) （ 4）橫波運(yùn)動(dòng) 大多數(shù)蛇利用這種運(yùn)動(dòng)方式，身體的每一部分都非常成功的經(jīng)過地面上的同一點(diǎn)，沒有靜止的接觸。肌肉的收縮與伸長(zhǎng)形成的波從頭傳遞到尾部。比較適用于凸凹不平的地面。一條曼巴（非洲一種樹蛇）在 43 米的距離內(nèi)的最大速度是 11km/h，如圖 29。 （ 5）眼鏡蛇式運(yùn)動(dòng) 在水平平面的波動(dòng)和伸縮運(yùn)動(dòng)的合成，效率很高，但是與地面的相對(duì)滑動(dòng)也很大。通過對(duì)蛇的運(yùn)動(dòng)方式的分析可見：無論哪一 種運(yùn)動(dòng)方式，蛇的運(yùn)動(dòng)都可以看成是一列行波的傳遞，如圖 28。 圖 29 波的傳遞 圖 210 蛇的運(yùn)動(dòng) (1)YZ 平面沿 Z 方向－豎直平面波，實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式； (2)XZ 平面沿 Z 方向－水平平面波，產(chǎn)生蜿蜒運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式； (3)YZ、 XZ 平面沿 Z 方向 — 復(fù)合空間波，產(chǎn)生螺旋側(cè)移等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方式； 鑒于機(jī)器蛇實(shí)現(xiàn)的便利性，我們選擇了蠕動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，如圖 210 所示。 考慮簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)模式－蠕動(dòng)如圖 21 212 和式 2 22 所示 。 0)( ?zX (21) )]ψ/λ/(π2[)( ++= TtxA S inzY (22) 假定機(jī)器蛇的關(guān)節(jié)沿生成的軌跡運(yùn)動(dòng)，則可用“截圓法”求取各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)。再利用余弦定理求取關(guān)節(jié)角 ，如圖 21 212 所示 。 圖 211 起始位置 圖 212 末了位置 通過編寫程序，設(shè)定周期離散數(shù) 36，我們得到了一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)的角度數(shù)據(jù)， 11 數(shù)據(jù)為 36 個(gè)角度值，其余關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)與此關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)是一樣的，只是有相位差而已，如表 21 所示。 Charangle_x_r1[36]={90,85,80,75,70,65,60,55,50,45,40,35,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,105,110,115,120,115,110,105,100,95} 設(shè)定相位差為 6，則六個(gè)關(guān)節(jié)為一個(gè)波長(zhǎng)，數(shù)據(jù) 的傳輸如下表 ： 表 21 蛇的運(yùn)動(dòng)傳輸 關(guān)節(jié) 一 二 三 四 五 六 ?? T1 90 60 30 60 90 120 T2 85 55 35 65 95 115 T3 80 50 40 70 100 110 T4 75 45 45 75 105 105 T5 70 40 50 80 110 100 T6 65 35 55 85 115 95 我們可以得到一個(gè)完整、平滑、比較自然的單個(gè)波峰，蠕動(dòng)波形前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。為保證蛇體運(yùn)動(dòng)時(shí)波形的延續(xù)性，我們?cè)O(shè)計(jì)在 6 節(jié)蛇體內(nèi)傳遞兩個(gè)波形，這樣在傳遞波形時(shí)，就可以保證波形的連續(xù)性（因?yàn)樯唧w的節(jié)數(shù)限制波形數(shù)）。同時(shí)，調(diào)節(jié)蛇體運(yùn)動(dòng)的水平和垂直的相位差，以及水平面內(nèi)和垂直平面內(nèi)的相位差，我們也可以得到不同的運(yùn)動(dòng)方式。 超聲波測(cè)距原理 超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對(duì)超聲波的研究特別活躍。 超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成 的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動(dòng)輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測(cè)超聲。 超聲波是聽覺閾值之外的振動(dòng)，其頻率范圍在 104 —— 1012 Hz，其中通常的頻率大約在 104 —— 3 610 之間。超聲波在超聲場(chǎng)（被超聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，如果超聲波的波長(zhǎng)與超聲 場(chǎng)相比，超聲場(chǎng)很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長(zhǎng)與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用： 1 超聲波的傳播速度 12 超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量多采 用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中，其傳播速度 CgL =（aBρ1 ） 21 式中 ρ —— 介質(zhì)的密度； aB —— 絕對(duì)壓縮系數(shù)。 可以推導(dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度 TC G += （ T 為環(huán)境溫度）。 超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況： (1)縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度 其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān) ，如式 （ 23）、（ 24）、 （ 25） 所示 。 21)ρ(ECq= （細(xì)棒） （ 23） 212 ])μ1(ρ[ += ECq （薄板） （ 24） 2121 )ρ 34(])μ21)(μ1(ρ )μ1([ GKEC q +=+ += （無限介質(zhì)） （ 25） 式中 E—— 楊氏模具； μ—— 泊松系數(shù)； K—— 體積彈性模具； G—— 剪片彈性模。 (2)橫波聲速公式為 2121 )ρ(])μ1(2ρ[ GEC q =+= （無限介質(zhì)） (26) 在固體中， 式 (26)的 μ 介于 0—— 5 之間，因此一般可視為橫 波聲速為縱波的一半。 2 超聲波的物理性質(zhì) 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時(shí)，一部分被反射；另一部分透射過 13 圖 213 反射及折射圖 界面 ，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖213 所示。 (1) 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖 213 所示。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由 (27)、 (28)兩式求得： 1121122ρ2ραcosβcosρραcosβcosccccR+= (27) 11221122ρρβcosαcosρρ2ccccT+= (28) 式中： β,α —— 分別為聲波的入射角和反射角； 2211 ρ,ρ cc —— 分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中 21,cc 為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速 21,cc 滿足折射定律關(guān)系式 (29)： 21βsinαsin cc= 。 (29) 當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即 0βα == ，則 如（ 210）、（ 211） ： 11221122ρρ1ρρ1ccccR+= (210) 14 11221122ρρ1ρρ2ccccT+= (211) 如果 sinα 21cc ， 入射波完全被反射，在相鄰兩個(gè)介質(zhì)中沒有折射波。 如果超聲波斜入射到兩個(gè)固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時(shí)，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱波，而且還產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。 (2)超聲波的衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。在平面波的情況下，距離聲源 x 處的聲壓 p 和聲強(qiáng) I 的衰減規(guī)律如下： Axepp ?? 0 AxeII 20 ?? 式中： 00,Ip —— 距離聲源 x=0 處的聲壓和聲強(qiáng)； x—— 超聲波與聲波間的距離； A—— 衰減系數(shù)，單位為 cmNp/ （奈培 /厘米）。 (3)超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。若以兩個(gè)頻率相同，振幅 1? 和 2? 不等，波程差為 d 的兩個(gè)波干涉為例，該兩個(gè)波合成振幅為 212122211 )λπ2c