基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)

1、封面目錄摘 要1一. 緒論2二超聲波測(cè)距的原理32.1 超聲波的基本理論32.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理7三. 系統(tǒng)硬件的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)83.1 系統(tǒng)原理和框圖83.2 功能模塊的設(shè)計(jì)83.2.1 單片機(jī)介紹83.2.1.1 AT89C51管腳說(shuō)明93.2.1.2 AT89C51主要特性10芯片擦除113.2.2 超聲波測(cè)距模塊HC-SR04113.2.2.1 產(chǎn)品特點(diǎn)113.2.2.2 基本原理123.2.2.3 電氣參數(shù)123.2.2.4 超聲波時(shí)序圖12四. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)131. 程序設(shè)計(jì)思路132. 程序流程圖133. 程序14五. 總結(jié)15六. 致謝16七. 參考文獻(xiàn)17八附錄181.原

2、理圖182.PCB圖193.主程序19摘 要基于傳統(tǒng)的測(cè)距方法在很多特殊場(chǎng)合：如帶腐蝕的液體，強(qiáng)電磁干擾，有毒等惡劣條件下，測(cè)量距離存在不可克服的缺陷，超聲波測(cè)距能很好的解決此類的問(wèn)題。本系統(tǒng)主要以AT89C51單片機(jī)為核心，結(jié)合超聲波測(cè)距模塊HC-SR04、數(shù)碼管、蜂鳴器等硬件平臺(tái)，對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理、數(shù)碼管顯示、單片機(jī)的應(yīng)用等進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距模塊，AT89C51，數(shù)碼管。AbstractIn many special occasions, traditional measuring distance methods based on the existence of

3、 insurmountable distance measuring defects, such as the measurement of corrosion in the liquid with strong electromagnetic interference, toxic and other adverse conditions. The ultrasonic range can be a very good solution to the problem. This system mainly uses AT89C51 microcontroller as the core，ha

4、rdware platform combined with the HC-SR04 ultrasonic ranging module，digital tube，buzzer etc. Analyzed and validated the principle of ultrasonic ran，digital tubes display，the application of single-chip microcomputer etc.Keywords: ultrasonic ranging module，AT89C51，Digital tube.一. 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距

5、儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無(wú)庸置疑，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化

6、智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。在基于傳統(tǒng)的測(cè)力距離存在不可克服的缺陷。例如，液面測(cè)量就是一種距離測(cè)量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過(guò)給電或脈沖來(lái)檢測(cè)液面，電極長(zhǎng)期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測(cè)量距離就可以解決這些問(wèn)題，因此超聲波測(cè)量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測(cè)量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測(cè)距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基

7、于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過(guò)采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來(lái)計(jì)算出距離，其測(cè)量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。二超聲波測(cè)距的原理2.1 超聲波的基本理論 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(guó)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(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。超聲技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射

8、、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(tīng)覺(jué)閾值之外的振動(dòng)，其頻率范圍在1010Hz，其中通常的頻率大約在103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(wú)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(guò)程中有如下的特性和作用：2.1.1 超聲波的傳播速度超聲波在介質(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)

9、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C=（）式中 介質(zhì)的密度； 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。（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)。 （細(xì)棒） （薄板） （無(wú)限介質(zhì)）式中 E楊氏模具； 泊松

10、系數(shù)； K體積彈性模具； G剪片彈性模。(2)橫波聲速公式為 （無(wú)限介質(zhì)） 在固體中，介于05之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。 2.1.2 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(guò)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2.1.2所示：圖 超聲波的反射和折射 (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(guò)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2.1.2所示。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩式

11、求得： 式中：分別為聲波的入射角和反射角；分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速滿足折射定律關(guān)系式：。當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即，則： 如果sin>，入射波完全被反射，在相鄰兩個(gè)介質(zhì)中沒(méi)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： 式中：距離聲源x=0處的聲壓和聲強(qiáng)； 超聲波與聲波間的距離； A衰減系數(shù)，單位為（奈培/厘米）。(

12、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，振幅和不等，波程差為d的兩個(gè)波干涉為例，該兩個(gè)波合成振幅為，其中為波長(zhǎng)。從上式看出，當(dāng)d=0或d=（為整數(shù)）時(shí)，合成振幅達(dá)到最大值；當(dāng)d=時(shí)，合成振幅為最小值。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)d的奇數(shù)倍時(shí)，兩波相互抵消合成幅度為0。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過(guò)程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大。有時(shí)足

13、以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(2) 空化作用在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程稱為空化。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 2.1.4 超聲波傳感器超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使

14、壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。也就是說(shuō)，若在壓電晶片兩邊加以頻率為的交流電電壓時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣的張弛，當(dāng)落在音頻范圍內(nèi)時(shí)便會(huì)發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機(jī)械振動(dòng)作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時(shí)，那么壓電晶片也會(huì)產(chǎn)生與振動(dòng)頻率相同的微弱的交流信號(hào)。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 2.1.4.1 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 2.1.4.2 超聲波外部結(jié)構(gòu) 2.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲測(cè)距大致

15、有以下方法： 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離； 測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t，故被測(cè)距離為 S=12vt。本測(cè)量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變 。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì): 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15時(shí)）。X2是

16、聲波返回的時(shí)刻，X1是聲波發(fā)聲的時(shí)刻，X2-X1得出的是一個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值，假定X2-X1=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時(shí)間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下： 圖 2.2測(cè)距原理三. 系統(tǒng)硬件的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)原理和框圖超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件組成如圖3-1所示。本系統(tǒng)主要由AT89C51單片機(jī)及其外圍電路、超聲波發(fā)送接收模塊、數(shù)碼管顯示電路、蜂鳴器報(bào)警電路等四部分組成。 C P U數(shù)碼管顯示電路蜂鳴器報(bào)警電路超聲波發(fā)送接收模塊電源圖3-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖啟動(dòng)超聲波模塊發(fā)送，計(jì)時(shí)等待接收，并經(jīng)過(guò)計(jì)算，將測(cè)到的結(jié)果通過(guò)三位共陽(yáng)數(shù)碼管顯

17、示出來(lái)，當(dāng)超時(shí)沒(méi)有接收到超聲波回復(fù)時(shí)，數(shù)碼管顯示三個(gè)負(fù)號(hào)，表示距離太遠(yuǎn)，當(dāng)測(cè)量距離低于40cm而大于30cm時(shí)，點(diǎn)亮LED提示，當(dāng)測(cè)量距離低于30cm時(shí)，亮燈并啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。3.2 功能模塊的設(shè)計(jì)3.2.1 單片機(jī)介紹單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)，即將運(yùn)算器，控制器，輸入輸出接口，部分存儲(chǔ)器以及其他一些邏輯部件集成在一個(gè)芯片上，故可以把單片機(jī)看成是一個(gè)不帶外部設(shè)備的微型計(jì)算機(jī)，相當(dāng)于一個(gè)沒(méi)有顯示器，沒(méi)有鍵盤，不帶監(jiān)控程序的單板機(jī)。 由于單片計(jì)算機(jī)具有體積小，重量輕，耗電少，功能強(qiáng)和價(jià)格低等特點(diǎn)，又由于數(shù)據(jù)大多是在芯片內(nèi)傳送處理，所以運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)

18、。單片機(jī)從七十年代問(wèn)世以來(lái)，在二十多年的時(shí)間里，發(fā)展異常迅速，并已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。單片機(jī)具有通訊接口，用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，單片機(jī)與主機(jī)可并行工作，大大地提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，所以在網(wǎng)絡(luò)通訊領(lǐng)域也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)

19、器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。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。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C51外形及引腳排列如圖2-1所示。 圖 AT89C51外形及引腳圖3.2.1.1 AT89C51管腳說(shuō)明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位

20、。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：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流P1口管腳寫(xiě)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。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。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(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口

21、當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。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(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。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。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)情況下都使用P3口的第二功能。P3.0 RXD：串行輸入口P3.1 TXD：串行輸出口P3.2 /INT0：

22、外部中斷0P3.3 /INT1：外部中斷1P3.4 T0：記時(shí)器0外部輸入P3.5 T1：記時(shí)器1外部輸入P3.6 /WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器P3.7 /RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)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FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。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。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。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(guò)一個(gè)ALE

23、脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。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。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。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（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V

24、編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.2.1.2 AT89C51主要特性* 與MCS-51 兼容* 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器* 壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)* 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年* 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz* 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定* 128*8位內(nèi)部RAM* 32可編程I/O線* 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器* 5個(gè)中斷源* 可編程串行通道* 低功耗的閑置和掉電模式* 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路3.2.1.3芯片擦除整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確

25、的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。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。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.2.2 超聲波測(cè)距模塊HC-SR043.2.2.1 產(chǎn)品特點(diǎn)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器

26、、接收器與控制電路。原理圖如圖所示：圖3.2.2.1 HC-SR04模塊電路圖3.2.2.2 基本原理(1) 采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，提供至少10us的高電平信號(hào)；(2) 啟動(dòng)后，模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；(3) 如果有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。(4) 測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s)/2；3.2.2.3 電氣參數(shù)表3.2.2.3 HC-SR04電氣參數(shù)電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC 5V工作電流15mA工作頻率40KHz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm輸入出發(fā)信號(hào)10us

27、的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL電平信號(hào)，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm3.2.2.4 超聲波時(shí)序圖圖3.2.2.4 超聲波模塊時(shí)序圖如圖為超聲波模塊發(fā)送接收的時(shí)序圖，表明只要提供一個(gè)10us以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40KHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。四. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1. 程序設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)采用軟件查詢的方法，檢測(cè)超聲波模塊接收管腳的回波信號(hào)情況。當(dāng)信號(hào)為0時(shí)，表示沒(méi)有回波信號(hào)，此時(shí)等待信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，?dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，程序繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)開(kāi)

28、啟定時(shí)器T0，直到回波信號(hào)消失才關(guān)閉，此時(shí)測(cè)到的時(shí)間就是回波信號(hào)的高電平脈寬時(shí)間長(zhǎng)度。定時(shí)器T1用來(lái)數(shù)碼管顯示，并且每個(gè)500ms作為一個(gè)周期，發(fā)送一次超聲波。2. 程序流程圖開(kāi)始系統(tǒng)、液晶屏初始化回波？啟動(dòng)模塊發(fā)送超聲波開(kāi)啟定時(shí)器T0關(guān)閉定時(shí)器T0NY回波？NY根據(jù)溫度計(jì)算距離LCD顯示距離30cm<距離<40cm？Y超時(shí)？NLCD顯示負(fù)號(hào)閃燈提示Y距離>700cm？NYN距離<30cm？閃燈提示、蜂鳴器報(bào)警Y讀取溫度并計(jì)算聲速LCD顯示溫度開(kāi)始 圖4.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)主軟件流程圖3. 程序具體程序見(jiàn)附錄。五. 總結(jié) 在此次有關(guān)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓我感覺(jué)到了單片

29、機(jī)的復(fù)雜深度性，它很貼切我們的日常生活，無(wú)所不在，應(yīng)用無(wú)處不有，它并不是想象中的那么簡(jiǎn)單，也并非是無(wú)法克服的堡壘。以上基于單片機(jī)的超聲波的測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了：電路分析、數(shù)字、模擬電路和單片機(jī)、EDA、傳感器、C語(yǔ)言等方面的知識(shí)，另外還有選材購(gòu)買、動(dòng)手制作等方面。所以具有很高的參考價(jià)值，同時(shí)，該設(shè)計(jì)的方案也是來(lái)源于生活中廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。設(shè)計(jì)硬件之前，要首先收集好有關(guān)的基礎(chǔ)性資料，應(yīng)備有良好的應(yīng)用類參考書(shū)和專業(yè)類參考書(shū)。對(duì)于有關(guān)的科技期刊和專利文獻(xiàn)，也要經(jīng)常閱讀以便了解最新的發(fā)展情況，借鑒現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)，避免重復(fù)勞動(dòng)。在設(shè)計(jì)中，要充分了解所用芯片的使用條件及輸入輸出的特性，這樣才能

30、避免因使用錯(cuò)誤而多走彎路。電路設(shè)計(jì)部分應(yīng)該有的精神就是廣集資料。只憑借自己頭腦中的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。哪里出現(xiàn)了問(wèn)題，就要翻書(shū)本，或上網(wǎng)查資料。當(dāng)然也要開(kāi)動(dòng)自己的腦筋怎樣使系統(tǒng)電路更完美。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮單片機(jī)的記憶運(yùn)算、判斷控制能力，避免采用復(fù)雜的、穩(wěn)定性較差的模擬電路。單片機(jī)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以前構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)需用用很多的數(shù)字模擬器件或者電路單元來(lái)構(gòu)建，系統(tǒng)可靠性差、缺乏靈活性、維護(hù)不便、成本高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化等諸多缺點(diǎn)。單片機(jī)的應(yīng)用解決了很多問(wèn)題，現(xiàn)在只要寫(xiě)一個(gè)軟件，通過(guò)單片機(jī)和一些簡(jiǎn)單的外接電路就可以實(shí)現(xiàn)具有很多功能的、而且具有智能化的系統(tǒng)，同時(shí)可方便升級(jí)維護(hù)。所以單片機(jī)

31、的應(yīng)用廣泛，在日常生活和生產(chǎn)中占用重要位置。所以我們?cè)O(shè)計(jì)選擇了單片機(jī)的系統(tǒng)其說(shuō)明我們深深的意識(shí)到它的重要作用。最后我非常感謝學(xué)校和老師給我們這么好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，讓我親身去體會(huì)一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的艱難性，第一次站在一個(gè)設(shè)計(jì)者的角度去看，體會(huì)到了他們的艱辛，同時(shí)我也感受到了老師對(duì)我們的付出，對(duì)我們的精心指導(dǎo)，讓我順利完成這次學(xué)習(xí)任務(wù)。六. 致謝 時(shí)間真的過(guò)的好快，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)之際。距離離校的日子已日趨臨近，畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。在此我真的要感謝我的指導(dǎo)老師*老師。在本次論文設(shè)計(jì)過(guò)程中，*老師對(duì)該設(shè)計(jì)從選題的審核、構(gòu)思、修改到最后定稿的過(guò)程中，自始至終都傾注時(shí)間、經(jīng)歷和心血。由于我自身經(jīng)驗(yàn)缺乏

32、，所以一開(kāi)始真的無(wú)法下手，設(shè)計(jì)進(jìn)程也很緩慢，而此時(shí)老師不僅僅在設(shè)計(jì)方面給予引導(dǎo)，在選材方面也給予參考，特別是她多次詢問(wèn)寫(xiě)作進(jìn)程，并為我指導(dǎo)，幫助我開(kāi)拓思路，這些付出和關(guān)心讓我堅(jiān)定了能夠完成這次設(shè)計(jì)的信心。而我在老師的指導(dǎo)下，也不敢松懈，盡可能早的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。*老師以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)之道、寬厚仁慈的胸懷、積極樂(lè)觀的生活態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神為我樹(shù)立了一輩子學(xué)習(xí)的典范，她的教誨與鞭策將激勵(lì)我在學(xué)習(xí)和生活的道路上開(kāi)拓創(chuàng)新。她淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。真的發(fā)自內(nèi)心的說(shuō)一句：*老師，謝謝您。最后，我要向百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱，評(píng)議和參與本人論文

33、答辯的各位老師真心地表示感謝，謝謝你們。七. 參考文獻(xiàn)【1】 胡萍.超聲波測(cè)距儀的研制.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2003.10【2】 時(shí)德剛，劉嘩.超聲波測(cè)距的研究.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002.10 【3】 華兵.MCS-51單片機(jī)原理應(yīng)用.武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社，2002 .5【4】李華.MCU-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1993. 6【5】 陳光東.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版).武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.4【6】 徐淑華，程退安，姚萬(wàn)生.單片機(jī)微型機(jī)原理及應(yīng)用.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999. 6.【7】 蘇長(zhǎng)贊.紅外線與超聲波

34、遙控.北京：人民郵電出版社，1993.7【8】 張謙琳.超聲波檢測(cè)原理和方法.北京：中國(guó)科技大學(xué)出版社，1993.10【9】 九州.放大電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè).沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.5【10】 樊昌元，丁義元. 高精度測(cè)距雷達(dá)研究.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2000.10【11】 蘇偉，鞏壁建.超聲波測(cè)距誤差分析.傳感器技術(shù)，2004.【12】 永學(xué)等.1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20及應(yīng)用.電子產(chǎn)品世界，2003.12【13】 勝全.D18B20數(shù)字溫度計(jì)在微機(jī)溫度采集系統(tǒng)中的序編制. 南京：南京大學(xué)出版社1998. 3【14】 恒清，張靖.加強(qiáng)單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力的方法.通化

35、師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004 .10八附錄1.原理圖圖8.1 系統(tǒng)原理圖2.PCB圖圖8.2 系統(tǒng)PCB圖3.主程序/*/ #include <AT89x51.H>/器件配置文件#include <intrins.h>#define RX P2_7/接收端口#define TX P2_6/發(fā)送端口#define BEEP P2_0/蜂鳴器端口#define LED P0_6/蜂鳴器端口unsigned int time=0;/定義發(fā)送到接收的時(shí)間unsigned int timer=0;/定義超聲波掃描周期unsigned char posit=0;/數(shù)碼管位選端unsign

36、ed long S=0;/定義距離為0bit flag =0;/超出距離標(biāo)志位unsigned char const discode = 0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xBF,0xff/*-*/;/共陽(yáng)數(shù)碼管段選unsigned char const positon3= 0x20,0x40,0x80;/三位數(shù)碼管位選unsigned char disbuff4 = 0,0,0,0,;/*/void Display(void) /掃描數(shù)碼管if(posit=0)P1=(discodedisbuffposit)&0x7

37、f;/顯示第一位和小數(shù)點(diǎn)elseP1=discodedisbuffposit;/顯示第二位和第三位P3=positonposit;/位選if(+posit>=3)/循環(huán)，顯示三位posit=0;/*/void Conut(void)time=TH0*256+TL0;/計(jì)算時(shí)間，單位是usTH0=0;/時(shí)間清除TL0=0;/時(shí)間清除S=(time*1.7)/100; /超聲波的速度按340m/s計(jì)算，由于路程往返，需要除以2，算出來(lái)是CM，if(S>=700)|(flag=1) /超出測(cè)量范圍顯示"-" flag=0;/清除定時(shí)器T0中斷標(biāo)志位disbuff0=10; /"-"disbuff1=10; /"-"disbuff2=10; /"-"elsedi