太陽能電池充電及保護電路

1、杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計摘 要超聲波測距在社會生活中已經(jīng)有廣泛的應用如汽車倒車雷達等。本文主要研究了一種基于單片機微處理器的超聲波測距儀。該儀器以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測量待測距離。本文闡述了儀器研制的理論基礎，介紹了具體的軟硬件設計以及相關情況。該系統(tǒng)的硬件部分主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分組成。利用單片機AT89C2051對超聲波接收信號進行處理（通過一定的算法），并將它顯示到LED上。單片機程序使用KEIL設計并調試。關鍵詞：超聲波；測距系

2、統(tǒng)；單片機ABSTRACTThe technology of measuring distance by ultrasonic signal is widely used in manysocial fields, such as backing -car radar and so on. This paper primarily investigats a kind of ultrasonic range finder based on microprocessor. This device can measure certain distance with reflected wave o

3、n condition that the speed of transmitting wave is fixed. It generally specifies the theoretical foundation of the device, introduces the software and hardware design of the device and correlative things.The part of the hardware of the system is mainly composed with the three parts as the microproce

4、ssor system and display circuit, the ultrasonic transmitting circuit and the ultrasonic receiving detection circuit.The part of software is mainly composed with main program, ultrasonic occurred sub routing, ultrasonic received interruption sub routing and display sub routing. Using the MCU AT89C205

5、1，deals the signal of the ultrasonic(through some algorithm),and shows it on the LED.Key words：ultrasonic ;ranging system ; microcontroller目 錄1引言12概述22.1 超聲與超聲的應用22.1.1 超聲的產生22.1.2 超聲的發(fā)展史22.1.3超聲的分類32.1.4超聲聲速的計算32.1.5 使用超聲波和使用激光測距的比較42.2 超聲波換能器的介紹42.2.1超聲波換能器的分類42.2.2超聲波換能器的基本原理42.2.3超聲波換能器的基本構造62.3

6、超聲波測距電路原理62.4 測量盲區(qū)72.5 超聲波的衰減82.6 主要技術指標92.7 總結93 硬件電路設計103.1 AT89C51和AT89C2051的區(qū)別103.2 硬件電路的總體設計123.3 測距原理123.4 超聲波測距系統(tǒng)的工作過程133.5超聲波測距部分硬件實現(xiàn)133.5.1 單片機系統(tǒng)部分133.5.2 顯示部分133.5.3 發(fā)射部分153.5.4 接收部分153.5.5 限制系統(tǒng)的最大可測距離的因素163.5.6 硬件電路設計總結163.6 用PROTEL繪制原理圖164 軟件設計184.1 總體方案184.2 程序流圖184.3 模塊說明194.3.1 超聲波測距儀

7、的算法設計194.3.2 主函數(shù)194.3.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收子程序204.3.4 顯示函數(shù)205制作與調試225.1硬件的制作與調試225.2 軟件的調試225.3 軟硬件結合調試23致謝25參考文獻26附件一：超聲波測距儀的程序27附件二：超聲波測距儀的硬件原理圖30杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文1引言一些傳統(tǒng)的距離測量方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷。例如，頁面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測頁面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。利用超聲波測量就可以解決這些問題。這些年來 ，隨著超聲波技術研究的不斷深

8、入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應用變得越來越普及。目前已經(jīng)廣泛地應用在機械制造、電子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領域。此外在材料科學、醫(yī)學、生物科學等領域中也占據(jù)重要地位。利用超聲波作為定位技術是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波(20kHz以上機械波),借助空氣媒質傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因人類采用仿真技能利用超聲波測距。

9、超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關相結合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。由于超聲波指向性好,能力消耗緩慢,在介質中傳播的距離較遠,因而超聲波經(jīng)常被用于距離的測量,利用超聲波檢測距離設計比較簡單,計算處理也比較簡單,并且在測量精度方面也能達到日常使用要求。超聲波測距在某些場合有著顯著的優(yōu)點，因為這種方法是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，因此它是一種非接觸式的測量所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。比如要測量有毒或有腐蝕性化學物質的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。2概述2.1 超聲與超聲的應用2.1.1 超聲的產生我們生活的世界

10、充滿了各種可聽的聲信號。在科學史上，人們很久以前對聲音信號就有了認識，聲學是最早發(fā)展的學科之一。我國兩千多年前的先秦時期，在樂律和樂器的研究方面，對聲學的發(fā)展作出了重要的貢獻。在國外，19世紀，聲學己成為具有現(xiàn)代意義的科學并發(fā)展到相當高的水平。然而由于超聲是人耳聽不到的信號，直到18世紀，人們在研究蝙蝠、海豚等動物時，才推測自然界中存在超聲。波是由某一點上開始的擾動所引起的,并按預定的方式傳輸或傳播到其他點上。聲波是一種彈性機械波，即機械振動在彈性媒質中的傳播。按線性聲學的觀點，對聲波產生的物理過程做如下定性描述。連續(xù)彈性媒質可以看作是由許多彼此緊密相連的質點組成，當彈性媒質中的質點受到某種擾

11、動時，此質點便產生偏離其平衡位置的運動，這一運動勢必推動與其相鄰質點也開始運動。隨后，由于媒質的反彈作用，該質點及相鄰質點又相繼返回其平衡位置，但因質點運動的慣性，它們又在相反方向產生上述過程。如此，媒質中質點相繼在各自的平衡位置附近往返運動，便將擾動以波動的形式傳播到周圍更遠的媒質中去，形成聲波。頻率高于人類聽覺上限頻率(約20000Hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲?，F(xiàn)代聲學已經(jīng)涵蓋了從Hz的頻率范圍，相當于從大約3小時振動一次的次聲到波長短于固體中原子間距的分子熱振動，即跨越了量級的寬廣頻段。2.1.2 超聲的發(fā)展史超聲的研究和發(fā)展，與媒質中超聲的產生和接收的研究密切相關。1883年Ga

12、lton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產生超聲。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機械型超聲換能器。山于這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進，至今仍廣泛地用于對流體媒質的超聲處理技術中。20世紀初，電子學的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應和磁致伸縮效應制成各種機電換能器。1917年，法國物理學家朗之萬(Paul Langevin)用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應用于水下探測潛艇。隨著軍事和國民經(jīng)濟各部門中超聲應用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器。

13、材料科學的發(fā)展，使得應用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機電禍合系數(shù)高、價格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導體以及塑料壓電薄膜(PVDF)等。產生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。產生和接收的波型也由單純的縱波擴大為橫波、扭轉波、彎曲波、表面波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷達、電子通信和成像技術等方面。2.1.3超聲的分類利用超聲波易于獲得指向性極好的定向聲束，超聲波在媒質中的反射、折射、衍射散射等傳播規(guī)律與可聽聲波并無質的區(qū)別，超聲在一般流體媒質(氣體、液體)中的傳播理論已較成熟。同時，當超聲在媒質中傳播時，由于聲波和媒質之間

14、的相互作用，使媒質發(fā)生一系列物理的和化學的變化，也出現(xiàn)一系列力學、光學、電、化學等超聲效應因此，就超聲的物理機制和應用目的來看，可大致分為檢測超聲和功率超聲。檢測超聲主要是利用超聲的信息載體作用，即通過超聲在媒質中的傳播、吸收、波形轉換等，提取反映媒質本身特性或內部結構的信息，達到檢測媒質性質、物體形狀或幾何尺寸、內部缺陷或結構的目的。如超聲測距、測厚、測物位、工業(yè)測井、工業(yè)無損探傷、測媒質的流速、密度、粘度、硬度等等。廣義的說，醫(yī)學上以人體為檢測對象的超聲醫(yī)學診斷，如超聲顯微鏡、超聲成像，以海洋探測及水下目標識別為目的的水聲應用等，也歸于此類。功率超聲則主要利用超聲的能量對物質的作用，即利用

15、超聲振動產生的大功率、高強度超聲波，來改變物質的性質與狀態(tài)。如超聲清洗、焊接、加工、粉碎、促進化學或生物醫(yī)學效應等。2.1.4超聲聲速的計算由于超聲有很好的指向性，超聲在某種媒質中的傳播速度較為恒定，因此超聲最常用的功能是距離測量及定位。假設超聲波通過的媒質是空氣，任何物體都能反射、吸收、折射一部分通過它自身的聲波，其比例依賴于物體自身的均衡度。反射波的振幅與目標物體上能產生反射的表面成比例。表面尺寸、形狀、方位是影響反射波強度的主要因素。目標物體的組成成份也是一個因素。一部分聲波發(fā)射到達物體表面后被反射，一部分則進入物體，在物質中傳輸，最終被遇到的物體界面反射。因此你也可以接收到來自物體內部

16、的信號，不過它是很細微的。聲波傳播涉及能量經(jīng)過空間的傳遞。從聲源發(fā)出的聲波向各個方向擴散時，聲波可能被反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收。聲波的傳輸需要一種媒質，聲波在媒質中的傳播的速度，稱為聲速。其符號為c，單位為m/s。由聲波產生的物理過程可知，聲速與質點速度是完全不同的，聲波的傳播只是擾動形式和能量的傳遞，并不把在各自平衡位置附近振動的媒質質點傳走。某種媒質中的聲速主要取決于該媒質的密度和溫度。由于氣體沒有剪切彈性，只有體積彈性，因而氣體中的聲波的傳播形式只能是縱波。也就是說，在聲擾動下，氣體媒質中的質點在各自平衡位置附近運動，形成稠密和稀疏依次交替的傳遞過程，而且，質點運動的方向與聲波

17、傳播的方向一致。聲速在相當大的頻率范圍內不隨頻率發(fā)生變化，也就是說超聲的傳播速度與可聽聲波的傳播速度是相同的，超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律與可聽聲波的并無質的區(qū)別，與一般聲波相比，超聲具有更好的定向性，并且可以穿透不透明物質。超聲在一般流體媒質(氣體、液體)中的傳播理論已較成熟?？芍暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣葹椋海?.1）其中為環(huán)境溫度。這樣，在實際測量中，我們可以根據(jù)聲速與溫度的關系作相應的溫度補償。2.1.5 使用超聲波和使用激光測距的比較基于以上介紹的超聲波的特點不難區(qū)分它們的各自的適用場合，激光測距主要用于遠程，如測月球到地球距離，或遠距離無障礙測距，而且成本要比用

18、超聲波大，因為光速為3×108M/S，而一般市場上的單片機最高頻率在十幾至幾十兆，如果測量的距離在十米左右，那么假設單片機別的都不做只是計數(shù)，出射光將在大約0.033us后返回，要求單片機CLK為1/0.033MHz，也就是說30M時鐘頻率的單片機剛發(fā)出出射激光的命令，光就已經(jīng)在它的下個CLK脈沖來到了，更別提計數(shù)了，即使使用頻率很高的單片機或其他器件如FPGA等在精度上將不能滿足需要（通常在收發(fā)間隔中得到的計數(shù)脈沖越多精度越高）。但值得注意的是，超聲波在空氣中傳播速度會隨介質溫度的升高而增大，氣溫每上升1攝式度，聲波速度增加0. 6mPs。所以在測量中要考慮溫度變化的因素，進行溫度

19、補償修正，減少測量誤差。另外超聲波在傳輸距離稍大時衰減很大，精度也隨之降低。2.2 超聲波換能器的介紹2.2.1超聲波換能器的分類為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波換能器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。2.2.2超聲波換能器的基本原理1基本原理超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需用的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體的介質中。我們知道

20、，在壓電陶瓷片上加有大小和方向不斷變化的變流電壓時，根據(jù)壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形，這種機械變形的大小和方向，是外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為fo的交流電壓，它就會產生同頻率的機械振動，這種振動推動空氣等媒質，便會發(fā)出聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產生機械波，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械的變形使壓電陶瓷晶片產生頻率與超聲機械波相同的信號。圖2-1雙壓晶片示意圖圖2-1是雙壓晶片示意圖。在上下層間施加交流電壓時，若上片的電場與極化方向相同，則下面的方向相反。因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。圖2-2是雙壓電晶片

21、的等效電路圖2-2是雙壓電晶片的等效電路。C0為靜電電容，R為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻，Cm 和Lm為機械共振回路的電容和電感。Rm為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率，即中心頻率fo，發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率fo一致；接收超聲波時，作用在其上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有頻率fo一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當所用的壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便地改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。用于測距的傳感器的中心頻率一般為40KHz。2.2.3超聲波換能器的基本構造目前較為常用的是壓電式超

22、聲波換能器。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部就夠如圖2-3所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時，它就是一個超聲波發(fā)生換能器；反之，如果兩電極間沒有外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，使機械能轉化為電信號，這是它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器再結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。圖2-3 超聲波換能器結構圖由于是利用超聲波測距，要測量預期的距離，所以產生的超聲波必須要有一定的功率和合理的頻率才能達到預定

23、的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波功率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。經(jīng)分析和大量實驗表明，頻率為40KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調制成40KHz左右、具有一定間隔的調制脈沖波信號。本測距儀使用的超聲波換能器是TCT40-12F1(T發(fā)射)和TCT40-12S1(R接收)，中心頻率是40KHz。超聲波發(fā)生/接收器的外形和通常的駐極體話筒差不多，如果發(fā)生接收是分開的兩個在安裝過程中要注意它們之間的距離大概在48CM，否則過于靠近易產生干擾。若將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來可提高抗干擾性能。2.

24、3超聲波測距電路原理由于超聲波發(fā)射與接收器件所具有的固有頻率特性，使超聲波測距系統(tǒng)可部分采用選頻電路，這具有很高的抗干擾性能。但由于這個特性，使頻分制超聲波多通道檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)起來不太方便。在多通道超聲波檢測系統(tǒng)中，一般采用碼分制。1單通道超聲波檢測電路單通道超聲波檢測電路比較簡單，其原理圖如圖2-4所示圖2-4 單通道超聲波測距電路原理圖單通道超聲波測距電路的發(fā)射器一般由超聲波信號振蕩器（由AT89C2051單片機來實現(xiàn)），驅動電路，超聲發(fā)射器件（超聲波傳感器發(fā)射TX401）構成；接收電路一般由超聲波接收器（超聲波傳感器接收RX401），前置放大器，記憶驅動電路，執(zhí)行電路構成。2多通道超聲波

25、檢測電路超聲波多通道檢測電路一般采用碼分制，圖3-2是碼分制超聲波電路的原理圖。圖2-5碼分制超聲波測距電路原理圖由圖2-5可見，碼分制超聲波測量電路與碼分制紅外遙控電路的結構基本相同，只是發(fā)射與接收的器件不同而已?？偠灾?，超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t,然后求出距離的。2.4 測量盲區(qū)在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在短時間內放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低

26、，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下:當發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振(由于機械慣性作用)。因此，在一段較長時間內，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平。當反射面離探頭越來越遠，接收和發(fā)射信號相隔時間越來越長，其幅值也越來越小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規(guī)定的闡值V，亦即

27、接收信號的幅值必須大于這一m值才能使接受放大器有輸入信號。由圖3-3，從b點以后，接收的信號低于闡值，相當于測距的遠限。另外，從圖中A點以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。從c點以后，發(fā)射信號低出闡值V，接收信號才基本擺脫發(fā)射信號干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高是，把oc這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此，cb為可測距范圍，b點就為測距遠限，其外部就為測量不到的區(qū)域。圖2-6 傳感器回波原理分析2.5 超聲波的衰減聲波在媒質中傳播時，其強度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為聲衰減。聲波的衰減主要分為以下三種主

28、要類型:吸收衰減、散射衰減和擴散衰減。其中，吸收衰減主要是由媒質的粘滯性、熱傳導及各種弛豫過程引起的:散射衰減是由于聲波在遇到媒質界面時，向不同的方向產生散射，從而導致聲波減弱;擴散衰減則是由聲源特性引起的，是因為聲波傳播過程中因波陣面的面積擴大導致的聲強減弱，若聲源輻射的是球面波(波陣面是同心球面)，其波陣面隨的平方增大，聲強隨規(guī)律減弱。聲波的描述方程與電磁波是類似的:(2.2)上式 中 ， A(x)為振幅，為傳播角頻率，為傳播時間，為傳播距離，為波速，為聲波波長。由于聲波的衰減，使得隨傳播距離的變化而變化。聲學理論證明，吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律。對沿X方向傳播的平面波而言，由于

29、不需要計算擴散衰減，則的變化規(guī)律可以由下式表示:(2.3)為聲源處質子振幅，為不變量；為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質及頻率的關系為:(2.4)其中，為介質常數(shù)，為振動頻率。在空氣中，當振動的聲波頻率時，可得，即。它的物理意義在于:超聲波在空氣媒介中傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗，在長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的1/e。而且，頻率越高，衰減系數(shù)a越大，傳播的距離也越短。在實際的應用中，一般選用30-100KHz的超聲波進行距離測量，比較的典型的頻率為40KHz。2.6 主要技術指標測量范圍：0.53m測量精度：1cm2.7 總結以上對超聲波測距的基本原理及超聲波傳感器作了

30、介紹。關于超聲波的發(fā)射電路，接收前置放大，脈沖形成與記憶電路，電源電路，以及碼分制超聲波測距電路中的編碼與解碼電路，脈沖調制與解調電路?？梢詤⒖技t外發(fā)送電路。在設計超聲波傳感器測距電路時應注意以下幾點：1.超聲波傳感器作為諧振器件，驅動時所需電流較小，一般僅為幾毫安到十幾毫安。但要有一定幅度的驅動電壓，驅動電路不加限流電阻。2.發(fā)射器驅動電壓的頻率一定要接近傳感器的中心頻率，設計時元件參數(shù)經(jīng)過比較精確的計算。調試時要注意通過頻率計來監(jiān)測頻率。要選用阻抗較高的前置放大器，以獲得較高的接收靈敏度和選擇性。3 硬件電路設計3.1 AT89C51和AT89C2051的區(qū)別AT89C51和AT89C20

31、51都是AT89系列的典型代表，價格便宜，都可以用于超聲波測距儀中。表1 AT89C51和AT89C2051主要性能表AT89C51AT89C20514KB可編程Flash存儲器（可擦寫1000次）2 KB可編程Flash存儲器（可擦寫1000次）三級程序存儲器保密兩級程序存儲器保密靜態(tài)工作頻率：0Hz24MHz靜態(tài)工作頻率：0Hz24MHz128字節(jié)內部RAM128字節(jié)內部RAM2個16位定時計數(shù)器/計時器2個16位定時計數(shù)器/計時器一個串行通訊口一個串行通訊口六個中斷源六個中斷源32條I/O引線15條I/O引線片內時鐘振蕩器一個片內模擬比較器從上表可以看出它們大體相同，由于AT89C205

32、1的IO線很少，導致它無法外加RAM和程序ROM,片內Flash存儲器也很少，但它的體積比AT89C51小的多，價格也便宜一些。由于超聲波測距儀的電路比較簡單，AT89C2051已經(jīng)足夠使用，所以使用AT89C2051作為主控制器。AT89C2051是一個2k字節(jié)可編程EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標準MCS-51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強大的微控制器，它對很多嵌入式控制應用提供了一個高度靈活有效的解決方案。AT89C2051的特點除了表中所描素的以外它還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時，CPU停止，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作?？傻綦姳４鍾AM的內容

33、，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復位。  AT89C2051有2個16位計時/計數(shù)器寄存器Timer0  Timer1。作為一個定時器，每個機器周期寄存器增加1，這樣寄存器即可計數(shù)機器周期。因為一個機器周期有12個振蕩器周期，所以計數(shù)率是振蕩器頻率的1/12。作為一個計數(shù)器，該寄存器在相應的外部輸入腳P3.4/T0和P3.5/T1上出現(xiàn)從1至0的變化時增1。由于需要二個機器周期來辨認一次1到0的變化，所以最大的計數(shù)率是振蕩器頻率的1/24，可以對外部的輸入端P3.2/INT0和P3.3/INT1編程，便于測量脈沖寬度的門。 充分利用AT89C2051

34、的片內資源，即可在很少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。圖3-1 AT89C2051的管腳圖表2 AT89C2051管腳功能管腳接腳符號方向信號IO（輸入輸出）方向與功能1219P1.0P1.7（P1）I/OP1 口：是一個8位雙向 IO 口，具有內部提升電阻，P1 口的輸出緩沖能夠吸收或者供應4個TTL 負載電流，P1接腳被寫入1后，由內部提升拉為高電位狀態(tài)，此時可做為輸入腳；做輸入時，P1口如果被外部信號拉低電位（Pull low），將因內部提升而提供電流（I）P1.0 管腳第二功能：AIN0 電壓輸入比較器P1.1 管腳第二功能：AIN1 電壓輸入比較器236911P3.0P

35、3.1 P3.2P3.5 P3.7（P3）I/OP3 口：是一個8位雙向 IO 口，具有內部提升電阻，P3 口的輸出緩沖能夠吸收或者供應4個TTL 負載電流，P1接腳被寫入1后，由內部提升拉為高電位狀態(tài)，此時可做為輸入腳；做輸入時，P1 口如果被外部信號拉低電位（Pull low），將因內部提升而提供電流（I）P3 口還做為特殊功能接腳，詳見下面列表P3.0 管腳第二功能：RXD （串行口輸入端）P3.1 管腳第二功能：TXD （串行口輸出端）P3.2 管腳第二功能：INT0 （外部中斷 0）P3.3 管腳第二功能：INT1 （外部中斷 1）P3.4 管腳第二功能：T0 （定時器 0 外部輸入

36、）P3.5 管腳第二功能：T1 （定時器 1 外部輸入）5XTAL1I時鐘振蕩器輸入腳：輸入信號接到單片機內部的反相振蕩放大器及內部時鐘脈沖發(fā)生器電路。4XTAL20時鐘振蕩器輸出腳：此腳接到單片機內部的反相振蕩放大器（Oscillator's amplifier）的輸出端1RST I復位（RESET）：一個高電位輸入此腳將重新啟動單片機程序，該信號須在振蕩器起振以后持續(xù)兩個機器周期20VCC電源正端：2.76V10GND電源地端3.2 硬件電路的總體設計根據(jù)設計要求并綜合個方面的因素，本設計決定采用AT89C2051單片機為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單

37、片機的定時器完成，超聲波測距儀系統(tǒng)設計框架如圖3-2所示。 單片機 控制器超聲波接收超聲波發(fā)射LED顯示掃描驅動圖3-2超聲波測距器系統(tǒng)設計框圖3.3 測距原理超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本論文硬件設計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為:檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波(假設傳播介質為氣體)，經(jīng)氣體介質的傳播到接收器的時間，即往返時間。往返時間與氣體介質中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即：(3.1)式中，c為超聲波在空氣中的傳播速

38、度。在文章的前面已經(jīng)說過c的計算方法。當溫度不便或者常溫時可以認為c時固定不變的。圖3-3 超聲波測距原理圖3.4 超聲波測距系統(tǒng)的工作過程1.首先，系統(tǒng)控制部分初始化整個系統(tǒng)1)初始化LED2)初始化計數(shù)控制部分，清除計數(shù)值，使之恢復為02.單片機超聲波脈沖信號，脈沖寬度為12us左右3.立刻置P3.4為“1”，打開計時器，等待回波信號。4.情況1：回波信號到達，關閉計時器，P3.5為“0”，清P3.4為“0” 情況2：回波信號沒有到達，關閉計時器，清P3.5，P3.4為“0”繼續(xù)重一開始。5.單片機讀出計數(shù)值。6.單片機將計數(shù)值進行計算后得出的距離值，顯示在LED上。3.5超聲波測距部分硬

39、件實現(xiàn)硬件電路主要分為單片機系統(tǒng)、顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路四個部分組成。下面就對每一個部分進行介紹。3.5.1 單片機系統(tǒng)部分單片機采用89C2051。采用12M高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P3.5口輸出超聲波換能器所需的40KHz方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。電路如圖3-4所示。圖3-4 單片機系統(tǒng)部分電路圖3.5.2 顯示部分顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼2千歐姆的電阻驅動，位碼用PNP的三級管9012進行驅動。顯示部分電路如圖3-6所示。數(shù)碼管的介紹：一位數(shù)碼管的接法和驅動原理：一支七段數(shù)碼

40、管實際由8個發(fā)光二極管構成，其中7個組形構成數(shù)字8的七段筆畫，所以稱為七段數(shù)碼管，而余下的1個發(fā)光二極管作為小數(shù)點。作為習慣，分別給8個發(fā)光二極管標上記號：a,b,c,d,e,f,g,h。對應8的頂上一畫，按順時針方向排，中間一畫為g，小數(shù)點為h。我們通常又將各二極與一個字節(jié)的8位對應，a(D0),b(D1),c(D2),d(D3),e(D4),f(D5),g(D6),h(D7)，相應8個發(fā)光二極管正好與單片機一個端口Pn的8個引腳連接，這樣單片機就可以通過引腳輸出高低電平控制8個發(fā)光二極的亮與滅，從而顯示各種數(shù)字和符號；對應字節(jié)，引腳接法為：a(Pn.0)，b(Pn.1)，c(Pn.2)，d

41、(Pn.3)，e(Pn.4)，f(Pn.5)，g(Pn.6)，h(Pn.7)。如果將8個發(fā)光二極管的負極（陰極）內接在一起，作為數(shù)碼管的一個引腳，這種數(shù)碼管則被稱為共陰數(shù)碼管，共同的引腳則稱為共陰極，8個正極則為段極。否則，如果是將正極（陽極）內接在一起引出的，則稱為共陽數(shù)碼管，共同的引腳則稱為共陽極，8個負極則為段極。本系統(tǒng)采用四位一體的LED顯示器，其原理與上面介紹的LED顯示器相同。在四位一體的LED顯示器中，各個相同的段連在一起（構成LED顯示器的8個引腳），再加上連接位控線的4個引腳，總共12個引腳，如圖3-5所示。通常點亮LED顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器

42、顯示一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定地導通或截止。當顯示器位數(shù)少時，適合用靜態(tài)顯示地方法。所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地循環(huán)點亮顯示器各個位（掃瞄），對于顯示器地每個位來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間有關，調整電流和時間參數(shù)，可以實現(xiàn)亮度較穩(wěn)定的顯示。本設計采用動態(tài)顯示方式。圖3-5 四位一體七段數(shù)碼管引圖3-6 顯示部分電路LED顯示使用的是四位共陽數(shù)碼管，P3（P3.0P3.3）腳進行選位，P1(P1.0p1.7)腳進行選段。當P3腳為高電平時，三極管截至，相對應的數(shù)碼管就不亮；當P3腳為低電平時，三極管導通，相對應的數(shù)碼管就亮,通過輪流使P3

43、0P33賦高低電平，達到數(shù)碼管輪流的點亮，由于視覺造成的效果顯示好象是同時亮的，這即動態(tài)掃描顯示。在選位確定之后，當P1腳為高電平時，相對應的段不亮；當P1腳為低電平時，相對應的段就亮。3.5.3 發(fā)射部分反射電路主要由反相器74LS04和超聲波換能器構成，單片機P3.5端口輸出的40KHz的方波信號一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出采用兩個反相器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上拉電阻R14和R15一方面可以提高反相器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增

44、加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。發(fā)射部分電路如圖3-7所示。圖3-7 發(fā)射部分電路3.5.4 接收部分考慮到超聲波在途中會有損耗和衰減，當超聲波返回以后所接收到的信號是非常的微弱的。為了加強超聲波的回波信號，決定采用三級管對信號進行放大，用三個IN9013三級管通過三級放大，使得單片機可以清楚的接收信號。超聲波接收電路如圖3-8所示。圖3-8 超聲波接收電路3.5.5 限制系統(tǒng)的最大可測距離的因素限制系統(tǒng)的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度，反射面的質地，反射聲波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。由此可以看出接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。3

45、.5.6 硬件電路設計總結AT89C2051單片機通過外部引腳P3.5發(fā)射2個左右超聲波脈沖信號（頻率為40KHz，脈沖寬度為12us左右），以推挽的形式反射出去，同時打開計數(shù)器，等待反射信號。反射信號通過三個三級管的放大電路將信號放大后送到單片機中。單片機再通過一定的算法對數(shù)據(jù)進行處理，完成之后，以動態(tài)掃描的形式顯示的LED上面。這就是超聲波測距儀硬件電路的基本原理。3.6 用PROTEL繪制原理圖1設計圖紙大小進入Protel 99SE的Schematic后，首先要構思零件圖，設置圖紙大小。圖紙有A0-A5、A-E、Letter、Legal及Tabloid等14種規(guī)格，圖紙大小根據(jù)電路圖的

46、規(guī)模和復雜程度而定，設置合適的圖紙大小示設計原理圖的第一步。2. 設置設計環(huán)境設置Protel 99SE的Schematic設計環(huán)境包括設置格點大小和類型，光標類型等。一般大多數(shù)參數(shù)均可用系統(tǒng)默認值，設置之后無需修改。3. 放置元件和定義元件屬性在這個階段，設計者根據(jù)電路圖的需要，將元件實體從元件庫（*.LAB）中取出放置到圖紙上，并定義放置元件的序號和元件封裝等。另外，還需要對齊放置的元件，然后根據(jù)需要設置元件參數(shù)。4 原理圖布線原理圖布線即利用Protel 99SESchematic提供的各種連線工具，用具有電氣意義的導線、網(wǎng)絡標號、端口標號和電氣連接點等連接圖紙上的元件，構成一個完整的原

47、理圖。5 調整線路調整線路即進一步調整和修改初步繪制的電路圖，使其更加美觀使用。6.原理圖繪制完畢，保存以便日后使用。4 軟件設計4.1 總體方案超聲波測距器的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷子程序及顯示子程序組成。C語言具有語言簡潔、可移植性好、表達能力強、方式靈活、可進行結構化設計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質量高、使用方便、有利于實現(xiàn)較復雜的算法等諸多優(yōu)點，況且對于2051的程序設計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，所以控制程序采用C語言編程。編譯器采用Keil uv2。該編譯器是51系列單片機程序設計的常用工具，既可用C語言，也支持匯編編譯。同時具有完善的調試功能

48、。4.2 程序流圖開始發(fā)射超聲波脈沖打開定時計算距離顯示結果系統(tǒng)初始化等待反射超聲波圖4-1 超聲波測距儀程序流程圖4.3 模塊說明4.3.1 超聲波測距儀的算法設計超聲波測距的原理在前面已經(jīng)介紹過了，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波信號遇到被測物體后反射回來，就會被超聲波接收器R接收到，此時只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)射器與反射物體的距離。該距離的計算公試為：(4.1)其中：為被測物與測距儀的距離；為聲波往返的路程；為聲速；為聲波往返所用的時間。4.3.2 主函數(shù)主函數(shù)程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器T0工作模式為16

49、位定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并將顯示端口P1清零。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時一段時間（這也是超聲波測距器會有一個最小可測距離的原因）后打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)是1us，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波往返所用的時間）按試(4.2)計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取20攝式度時的聲速344m/s，則有(4.2)其中：為計數(shù)器T0的計數(shù)器。測出距離后結果將送往LED顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有

50、利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。void main()TMOD=0x01;TCON=0x00;TH0=0;TL0=0; P3=0xff;while(1)i=10;csb_out(i);TR0=1;delay(200);while(P3_7)if(TF0=1) break;timer=(TH0<<8)+TL0;R0=0;TF0=0;distan=timer*109*17/100000;TH0=0;TL0=0;if(distan<=29&&(distan) dis_mode=0; if(distan>29) dis_mode=1;if(

51、distan=0) dis_mode=2;com_mode(dis_mode,distan);4.3.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收子程序超聲波發(fā)生子函數(shù)的作用是通過P3.5端口發(fā)送超聲波脈沖信號，脈沖寬度為25us左右（頻率約為40kHz），同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子函數(shù)比較簡單，但要求程序運行時間準確。超聲波測距儀主函數(shù)利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接受到返回超聲波信號（溢出標志位為1），計算距離，顯示結果。若計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則溢出標志位為0，則表示測距不成功。void csb_out(unsigned char i)/超聲波發(fā)生函數(shù)while

52、(i)P3_5=0;/P3_4=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/延時P3_5=1;/P3_4=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/延時i-;4.3.4 顯示函數(shù)顯示采用四位一體的共陽數(shù)碼管。void display(unsigned long distan)/顯示函數(shù)P3_2=0;/P3.2輸出低電平，選通百位數(shù)P1=pdistan/

53、100;/取出百位數(shù)，查表，輸出。delay(50);/延時P3_2=1;P3_1=0;/P3.1輸出低電平，選通百位數(shù)P1=p(distan/10)%10;/取出十位數(shù)，查表，輸出。delay(50);/延時P3_1=1;P3_0=0;/P3.0輸出低電平，選通個位數(shù)P1=pdistan%10;/取出個位數(shù)，查表，輸出。delay(50);/延時P3_0=1;5制作與調試5.1硬件的制作與調試電路設計完成之后，就要進行硬件的制作了。制作硬件電路是制作這個儀器的前提保證，所以也是非常重要的一步。首先就布局。布局的好壞是影響整個儀器的制作的。布局的第一步先要選好一塊合適的試驗版，把實物先在沒有焊

54、盤的一面布局。考慮到軟件調試和以后更換的需要，AT89C2051和74LS04要插入插座使用，所以布局時使用插座。布局時要考慮連接線的焊接，元件與元件之間盡量不要靠得太近，要留出足夠的空間給連接線，特別是接收電路和單片機以及兩個超聲換能器之間的距離。確定好了布局，接下來就是焊接了。其次是焊接。焊接實驗板是一項細致的工作。實驗板的焊接不同與成品PCB的焊接，每一根走線都要經(jīng)過測量彎角剝線焊接的過程，工作量大大增加。走線彎角要盡量走直角。有些點距離很近，走線不好焊接，就直接用焊錫短路。再是硬件的調試。硬件調試，首先是線路的檢查。焊接完實驗板后檢查器件有否錯焊、漏焊、虛焊，電解電容是否焊反，走線是否

55、正確。再用萬用表檢查兩點之間是否有虛焊。檢查無誤后，接下來就是上電，這時，AT89C2051、74LS04不要插上。在正式上電前，用萬用表量一下電源與地是否短路。短路的話，要耐心檢查、排除故障。然后進行顯示電路，用同樣的方法對顯示部分進行調試后，給單片機與數(shù)碼管段碼連接的輸出的各個引腳加高低不同的電平，在用一個高電平分別對位碼進行選種，數(shù)碼管能夠顯示，說明顯示部分電路沒有了問題。最后對發(fā)射和接收電路，用函數(shù)信號發(fā)生器把40K的方波信號直接加到發(fā)射電路的輸入端后，用示波器檢測超聲波發(fā)射的換能器，結果有方波信號。再用函數(shù)信號發(fā)生器對超聲波接收的換能器直接加40K的方波信號，用示波器對接收電路輸出端進行檢測，結果沒有方波信號，仔細檢查發(fā)現(xiàn)原來是其中一個三級管B、C之間的電阻錯接到C與電源之間，經(jīng)過改正之后，接收電路的輸出端有40K的方波信號。通過這些過程，硬件部分的調試就基本上完成了，剩下的就只有軟件和硬件之間的聯(lián)調了。5.2 軟件的調試本程序采用C語言編寫。編程環(huán)境是KEIL UV2。首先，先編每一個子模塊。包括顯示程序、超聲波發(fā)生程序和主函數(shù)，用KEIL U