畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)超聲波倒車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、1 緒論1.1 超聲波檢測發(fā)展概述 現(xiàn)在，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，無損檢測在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，研制，使用部門已被卓有成效的運(yùn)用，1981年美國前總統(tǒng)里根在給美國無損檢測學(xué)會(huì)成立40周年大會(huì)的賀信中就說過：“無損檢測能夠給飛機(jī)和空間飛行器，發(fā)電廠，船舶，汽車和建筑物等帶來更大程度的可靠性。沒有它，我們就不可能享有目前在這些領(lǐng)域和其他領(lǐng)域的領(lǐng)先地位?！睙o損檢測正在以迅猛之勢向縱深發(fā)展，客觀的需要畢竟是一種專業(yè)可以發(fā)展的最大動(dòng)力。超聲波檢測技術(shù)作為無損檢測技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過程中起著重要的作用，它提供了評價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。由于其信號的高頻特性，超

2、聲波檢測早期僅使用模擬量信號的分析，大部分檢測設(shè)備僅有a掃描形式，需要通過有經(jīng)驗(yàn)的無損檢測人員對信號進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié)論，對檢測和分析人員的要求較高，因此，人為因素對檢測的結(jié)果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動(dòng)化檢測。八十年代后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國內(nèi)也相繼出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波檢測設(shè)備，并成為超聲波檢測的發(fā)展方向。目前國內(nèi)外在超聲波檢測領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波檢測儀器的發(fā)展速度很快。國內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。隨著檢測技術(shù)研究的不斷深入，對超聲波檢測儀器的功能要求也越

3、來越高。由于單數(shù)碼顯示的超聲檢測儀會(huì)給測讀帶來較大的測試誤差，因此要求以后生產(chǎn)的超聲檢測儀能夠具有雙顯及其內(nèi)部帶有單片機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。目前，計(jì)算機(jī)市場價(jià)格大幅下降，若采用非一體化超聲波檢測儀器，則計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，這實(shí)際上是最大的節(jié)約。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。高智能化檢測儀器只能滿足檢測條件，當(dāng)使用環(huán)境，重復(fù)性測試內(nèi)容等基本情況一樣時(shí)，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器的設(shè)計(jì)也應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，來滿足用戶的要求。綜上所述，我國超

4、聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號已超過國外同類儀器水平。1.2 設(shè)計(jì)的背景、目的和意義傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測量精度較高。超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因

5、此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。對本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對單片機(jī)的理解和應(yīng)用。1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、方便，而且測精度能達(dá)到工業(yè)要求。本課題研究的超聲波倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。接收電路的

6、輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離,結(jié)果輸出給led顯示。2 單片機(jī)超聲波測距報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)該超聲波測距報(bào)警系統(tǒng)初步計(jì)劃是小范圍的測距。本章從整體結(jié)構(gòu)角度討論了測距系統(tǒng)的組成及一些系統(tǒng)主要參數(shù)。2.1 超聲波測距系統(tǒng)的總體方案系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及器件的選擇也正是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1

7、 超聲波測距報(bào)警硬件電路圖發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧電路中有調(diào)諧線圈（有時(shí)裝在探頭內(nèi)），諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其震動(dòng)發(fā)出超聲。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率40khz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷ν粋€(gè)發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計(jì)就相對簡單一些。但是，每一個(gè)實(shí)

8、際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個(gè)極限值之后，會(huì)對傳感器的內(nèi)部電路造成不可回復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過這個(gè)極限值。同時(shí)，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是主要由放大電路，檢波電路構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到

9、對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。但是由于超聲傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對于回波的接收和處理造成了相當(dāng)程度的影響。2.2 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮系統(tǒng)的主要參數(shù)有傳感器的指向角、測距的工作頻率、聲速、脈沖寬度、測量盲區(qū)等，下面做介紹并闡述。2.2.1 傳感器的指向角傳感器的指向角是聲束半功率的夾角，是影響測距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長，傳感器半徑r有關(guān)。 （720/）*r*sin(/2)=1.615 (2-1)選f0=40khz時(shí)，=c/f0=8.5mm。當(dāng)f0選定后，指向角近似與傳感器半徑成反比。指向角越

10、小，空間分辨率越高，則要求傳感器半徑r越大。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=6.3mm，故=2*arcsin(1.615/720*r)=751。2.2.2 測距儀的工作頻率空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40khz左右。太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。傳感器的工作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收 ，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮：第一、如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質(zhì)對聲波

11、的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減少聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。第二、工作頻率越高，對相同尺寸的換能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。第三、從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在40khz，定為44khz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來困難。2.2.3 聲速由公式（2-1），聲速的精確程度線性的

12、決定了測距系統(tǒng)的測量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為： v=331.4+0.607t(mm/ms) （2-2）式中t是溫度。由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算為340mm/ms。2.2.4 發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時(shí)與信號的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過寬的脈沖寬度會(huì)增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。在

13、具體設(shè)計(jì)中，比較了24微秒（一個(gè)40khz脈沖方波），120微秒（5個(gè)40khz脈沖方波）的發(fā)射脈沖寬度。此時(shí)，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量比較適中。2.2.5 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(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)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)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量評價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)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(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離

14、，稱為盲區(qū)，具體分析如下：當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號雖然只維持一個(gè)極短時(shí)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(jī)械慣性左右）。因此，在一段較長時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平vm；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭越來越遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時(shí)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(dá)到規(guī)定的閥值vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收放大器有輸入信號。3 單片機(jī)倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)各組成單元方案設(shè)計(jì)3.

15、1 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)由單片機(jī)產(chǎn)生的40khz的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是一個(gè)信號放大電路，本課題所選用的是74hc04集成芯片，圖3-1為發(fā)射電路圖。圖3-1 發(fā)射電路74hc04內(nèi)部集成了六個(gè)反向器，同時(shí)具有放大的功能。74hc04的管腳如圖3-2所示。圖3-2 74hc04管腳圖3.2 接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號，此時(shí)的信號比較弱，必需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了lm741對接收到的信號進(jìn)行放大，接收電路如圖3-3所示。圖3-3 接收電路超聲波探頭接收到超聲波后，通過聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一正弦信號，其頻率為傳感器的中心頻率，即40k

16、hz。該信號通過c1高通濾波后經(jīng)lm741放大，最后經(jīng)二極管整形后輸出到單片機(jī)中斷口。lm741是一單運(yùn)放集成芯片，圖3-4為lm741管腳圖。圖3-4 lm741管腳圖3.3 顯示模塊的設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以是led發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是crt監(jiān)視器或者屏幕較大的lcd液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示的led驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。由于全程顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，用3個(gè)led數(shù)碼管表示距離的cm數(shù)值

17、。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管led顯示器常用兩種驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的led通以恒定的電流，即每一位led顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的i/o接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中cpu開銷小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而所謂動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的led通以脈沖電流，即采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的com端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮，這時(shí)led的亮度就是通

18、斷的平均亮度。考慮各種因素，本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。本設(shè)計(jì)選用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的i/o口。8155的pa口作為led的字形輸出口，為提高顯示亮度，采用8路反相驅(qū)動(dòng)器74ls06以提高驅(qū)動(dòng)能力。圖3-5 系統(tǒng)顯示電路3.4 系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)報(bào)警電路由一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)喇叭組成。r25的阻值1k，r26的阻值為10k。對于二級運(yùn)算放大，都采用f007芯片。兩級放大電路均是負(fù)反饋接法，即反相比例運(yùn)算電路。而反相比例運(yùn)算電路中，輸入信號從反相輸入端輸入，同相輸入端接地。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，即u-=u+，i-=i+=0?？傻胾+=0。而所謂“虛短”是由于

19、理想集成運(yùn)放au0趨近與無窮。所以可以認(rèn)為兩個(gè)輸入端之間的差模電壓近似為零，即uid=u+0。即u-=u+，而u0具有一定值。由于兩個(gè)輸入端間的電壓為零，而又不是短路，故稱“虛短”。而“虛斷”是由于理性集成運(yùn)放的輸入電阻rid趨近與無窮，故可以認(rèn)為輸入端不取電流，即i-=i+0。這樣，輸入端相當(dāng)于斷路，而又不是斷開，故稱“虛斷”。而電路中，反相輸入端與地端等電位，但又不是真正接地，這種情況稱為“虛地”。所以ii=ui/ri，if=(u_-u0)/rf=_u0/rf,因?yàn)閕-=0,ii=if，可得u0=-rf*ui/ri。故可將信號進(jìn)行放大。圖3-6 系統(tǒng)報(bào)警電路當(dāng)單片機(jī)at89c51通過p1.

20、0，p1.1，p1.2三個(gè)i/o口，發(fā)射出超聲波的信號，即輸出一個(gè)高電平給這三個(gè)i/o口，大約5v的電壓，同時(shí)單片機(jī)計(jì)數(shù)器t0開始計(jì)時(shí)。則信號經(jīng)過三極管t1，t2，t3進(jìn)行放大。使電流達(dá)到t40-16的工作電流，從而發(fā)射出超聲波。當(dāng)t40-16發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射回來，這時(shí)接收器r40-16便會(huì)將反射回來的超聲波接收，并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過運(yùn)算放大器的兩極放大，將信號送給lm567的輸入端，當(dāng)lm567的輸入端電流大于25ma時(shí)，其8號輸出引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號，使得單片機(jī)at89c51產(chǎn)生一個(gè)中斷。這樣，計(jì)數(shù)器便停止計(jì)數(shù)。單片機(jī)把計(jì)得的時(shí)間差進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)s=170*t這個(gè)公式來計(jì)

21、算車與障礙物的距離，并把運(yùn)算結(jié)果以十進(jìn)制的方式送到七段led顯示電路去顯示。如果距離小于0.5m，則單片機(jī)at89c51便給p1.5口一個(gè)信號，使得報(bào)警電路工作，實(shí)現(xiàn)報(bào)警2。3.5 單片機(jī)復(fù)位電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的rst引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使rst保持高電平。只要rst

22、保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位電路通常采用一下幾種方式：第一、 上電自動(dòng)復(fù)位在通電瞬間，由于rc電路充電過程中，rst端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機(jī)復(fù)位。圖3-7 上電復(fù)位電路第二、 按鍵電平復(fù)位通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的。圖3-8 晶振電路電路中的c1和c2一般取30pf左右，而晶體振蕩器的頻率范圍通常是1.212mhz，而電路中采用6mhz，晶體振蕩器的頻率越高，振蕩頻率就越高。4 系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn)4.1 單片機(jī)硬件介紹4.1.1 單片機(jī)基礎(chǔ)知識單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(microcontroller)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)

23、算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機(jī)種。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：cpu(central processing unit，中央處理器)、存儲(chǔ)器和i/o接口電路等。因此，單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。4.1.2 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖4-1 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與單片機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)是一種多片機(jī)系統(tǒng)。它是由中央處理器(cpu)芯片、rom芯片、ram芯片和i/o接口芯片等通過印刷電路板上總線(地址總線ab、數(shù)據(jù)總線db和控制總線cb)連成一體的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中，中央處理器(c

24、pu)的字長長，功能強(qiáng)大；rom和ram的容量很大；i/o接口的功能也大，這是單片機(jī)無法比擬的。因此，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與微型計(jì)算機(jī)十分相似，是一種集微型計(jì)算機(jī)主要功能部件于同一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，并由此而得名。由圖4-1可見，中央處理器(cpu)是通過內(nèi)部總線與rom、ram、i/o接口以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器相連的，這個(gè)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但并不好理解。為此，在分析單片機(jī)工作原理前，先對圖4-1中各部件作一基本介紹是十分必要的。第一、存儲(chǔ)器在單片機(jī)內(nèi)部，rom和ram存儲(chǔ)器是分開制造的。通常，rom存儲(chǔ)器容量較大，ram存儲(chǔ)器的容量較小，這是單片機(jī)用于控制的一大特點(diǎn)。(1) romrom(read on

25、ly memory，只讀存儲(chǔ)器)一般為132k字節(jié)，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲(chǔ)器。由于單片機(jī)主要在控制系統(tǒng)中使用，因此一旦該系統(tǒng)研制成功，其硬件和應(yīng)用程序均已定型。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi)rom中，根據(jù)片內(nèi)rom的結(jié)構(gòu)，單片機(jī)又可分為無rom型、rom型和eprom(erasable programmable read only memory,可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)型三類。近年來，又出現(xiàn)了eeprom(electrically erasable programmable read only memory,電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)和flash型rom存儲(chǔ)器。無rom

26、型單片機(jī)特點(diǎn)是片內(nèi)不集成rom存儲(chǔ)器，故應(yīng)用程序必須固化到外接的rom存儲(chǔ)器芯片中，才能構(gòu)成有完整功能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。rom型單片機(jī)內(nèi)部，其程序存儲(chǔ)器是采用掩膜工藝制成的，程序一旦固化進(jìn)去便永遠(yuǎn)不能修改。eprom型單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器是采用特殊famos管構(gòu)成的，程序一旦寫入，也可以通過特殊手段加以修改。因此，eprom型單片機(jī)是深受研制人員歡迎的。(2) ram通常，單片機(jī)片內(nèi)ram(random access memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)容量為64256字節(jié)，最多可達(dá)48k字節(jié)。ram主要用來存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。第二、中央處理器(cpu)中央處理

27、器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要像電子線路那樣畫出它的全部電路原理圖來加以分析介紹是根本不可能的。下面簡單概述一下幾個(gè)主要部分的工作原理。(1)運(yùn)算器運(yùn)算器用于對二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作；其操作順序在控制器控制下進(jìn)行。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元alu、累加器a、通用寄存器r0、暫存器tmp和狀態(tài)寄存器psw等五部分組成。(2)累加器累加器a(accumulator)是一個(gè)具有輸入/輸出能力的移位寄存器，由8個(gè)觸發(fā)器組成。tr(temporary register,暫存器)也是一個(gè)8位寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。alu(arithmetic and logical unit，算術(shù)邏輯單元)主要由加法器、

28、移位電路和判斷電路等組成，用于對累加器a和暫存器tmp中兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操作。psw(program status word，程序狀態(tài)字)也由8位觸發(fā)器組成，用于存放alu操作過程中形成的狀態(tài)。(3)控制器控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞?？刂破饔芍噶畈考?、時(shí)序部件和微操作控制部件等三部分組成。指令部件是一種能對指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控制信號的邏輯部件，也是控制器的核心。指令是一種能供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分。時(shí)序部件由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號。微操作控制部件可以為id(instruc

29、tion decoder，指令譯碼器)輸出信號配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可與外部進(jìn)來的控制信號組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。第三、內(nèi)部總線單片機(jī)內(nèi)部總線是cpu連接片內(nèi)各主要部件的紐帶，是各類信息傳送的公共通道。內(nèi)部總線主要由三種不同性質(zhì)的連線組成，它們是地址線、數(shù)據(jù)線和控制線/狀態(tài)線。地址線主要用來傳送存儲(chǔ)器所需要的地址碼或外部設(shè)備的設(shè)備號，通常由cpu發(fā)出并被存儲(chǔ)器或i/o接口電路所接收。數(shù)據(jù)線用來傳送cpu寫入存儲(chǔ)器或經(jīng)i/o接口送到輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以傳送從存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備經(jīng)i/o接口讀入的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)線通常是雙向信號線?？刂?狀態(tài)線有兩類：一類是cpu發(fā)

30、出的控制命令，如讀命令、寫命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲(chǔ)器或外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請求、存儲(chǔ)器忙和系統(tǒng)復(fù)位信號等。第四、i/o接口和特殊功能部件i/o接口電路有串行和并行兩種。串行i/o用于串行通信，它可以把單片機(jī)內(nèi)部的并行8位數(shù)據(jù)(8位機(jī))變成串行數(shù)據(jù)向外傳送，也可以串行接收外部送來的數(shù)據(jù)并把它們變成并行數(shù)據(jù)送給cpu處理。并行i/o口電路可以使單片機(jī)和存儲(chǔ)器或外設(shè)之間并行地傳送8位數(shù)據(jù)(8位機(jī))。4.1.3 單片機(jī)的基本工作原理單片機(jī)是通過執(zhí)行程序來工作的，機(jī)器執(zhí)行不同程序就能完成不同的運(yùn)算任務(wù)。因此，單片機(jī)執(zhí)行程序的過程實(shí)際上也體現(xiàn)了單片機(jī)的基本工作原理。為此，先從指令程序談起。第

31、一、單片機(jī)的指令系統(tǒng)和程序編制指令是一種可以供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，故它又稱為指令碼(instruction code)。指令碼由操作碼(operation code)和地址碼(address code)構(gòu)成：操作碼用于指示機(jī)器執(zhí)行何種操作；地址碼用于指示參加操作的數(shù)在哪里。其格式為：操作碼地址碼 指令碼的二進(jìn)制形式既不便于記憶，又不便于書寫，故人們通常采用助記符形式來表示，表4-1所列。表4-1 指令的三種形式指令的二進(jìn)制形式指令的十六進(jìn)制形式指令的匯編形式01110100 data174 data1mov a,#data1;adata100100100 data224 data2add a,

32、#data2; adata1+data210000000 111111080 fesjmp $;停機(jī)指令的集合或指令的全體稱為“指令系統(tǒng)”(instruction system)。微處理器類型不同，它的指令系統(tǒng)也不一樣。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。程序的編制稱為“程序設(shè)計(jì)”。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)”。顯然，設(shè)計(jì)人員如果不熟悉機(jī)器的指令系統(tǒng)是無法編出優(yōu)質(zhì)高效的程序的。第二、單片機(jī)執(zhí)行程序的過程為了弄清單片機(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。7405hmova，

33、#05h；a05h240ahadda，#0ah；a5+1080fehsjmp$；停機(jī)該程序由三條指令組成，每條指令均為雙字節(jié)指令(即第一字節(jié)為操作碼，第二字節(jié)為地址碼)。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)。4.1.4 單片機(jī)的分類及發(fā)展1974年,美國仙童(fairchild)公司研制出世界上第一臺單片微型計(jì)算機(jī)f8,該機(jī)由兩塊集成電路芯片組成,結(jié)構(gòu)奇特,具有與眾不同的指令系統(tǒng),深受民用電器和儀器儀表領(lǐng)域的歡迎和重視。從此，單片機(jī)開始迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)

34、大，現(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支。第一、單片機(jī)的分類20世紀(jì)80年代以來，單片機(jī)有了新的發(fā)展，各半導(dǎo)體器件廠商也紛紛推出自己的產(chǎn)品系列。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。按照cpu對數(shù)據(jù)處理位數(shù)來分，單片機(jī)通常可以分為以下四類。(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)。這類單片機(jī)常用于計(jì)算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器中的控制器。(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。和4位機(jī)相比，它不僅具有較大的存儲(chǔ)容量和尋址范圍，而且中斷源、并行i/o接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)都有不同程度的增加，并集成有全雙工串行通信接

35、口。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令。特別是8位機(jī)中的高性能增強(qiáng)型單片機(jī)，除片內(nèi)增加了a/d和d/a轉(zhuǎn)換器以外，還集成有定時(shí)器捕捉/比較寄存器、監(jiān)視定時(shí)器(watchdog)、總線控制部件和晶體振蕩電路等。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。(3) 16位單片機(jī) 16位單片機(jī)是在1983年以后發(fā)展起來的。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，支持高級語言。這類單片機(jī)主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的控制器。(4

36、) 32位單片機(jī) 32位單片機(jī)的字長為32位，是單片機(jī)的頂級產(chǎn)品，具有極高的運(yùn)算速度。近年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新發(fā)展，32位單片機(jī)的市場前景看好。第二、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。8位單片機(jī)的新發(fā)展具體體現(xiàn)在如下四個(gè)方面：(1) cpu功能增強(qiáng)(2) 內(nèi)部資源增多(3) 引腳的多功能化(4) 低電壓和低功耗34.1.5 單片機(jī)at89c51的特性at89c51系列單片機(jī)是atmel公司生產(chǎn)的一款標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)。其中數(shù)字9表示內(nèi)含flash存儲(chǔ)器，c表示cmos工藝。其管腳圖如圖4-2所示。 at89c51 at89c205

37、1圖4-2 at89c51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(fperomfalsh 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)。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)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

38、精簡版本。at89c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。第一、主要特性與mcs-51 兼容 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年全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級程序存儲(chǔ)器鎖定1288位內(nèi)部ram32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)鐘電路第二、管腳說明vcc：供電電壓gnd：接地p0口：p0口為一個(gè)8位漏級開路雙向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。在fiash編程

39、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“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口當(dāng)用于外部程

40、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，當(dāng)對外部八位地址數(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。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。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，這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下所示：p3.0 rxd(串行輸入口)p3.1 txd(串行輸出口)p3.2 /int0(外部中斷0

41、)p3.3 /int1(外部中斷1)p3.4 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)器寫選通)p3.7 /rd(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)p3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。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)間。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，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對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)

42、，將跳過一個(gè)ale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，置位無效。/psen：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號。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。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平，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

43、也用于施加12v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：來自反向振蕩器的輸出。第三、振蕩器特性xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，xtal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。第四、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組合，并保持ale管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被

44、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。4.2 超聲波傳感器硬件介紹4.2.1 超聲波傳感器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超

45、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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的因有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測方式以及超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。 4.2.2 超聲波傳感器的原理及特性人們可以聽到的聲音頻率為20hz20khz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的

46、聲音，即20hz以下的聲音稱為低頻聲波，20khz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100hz8khz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振

47、頻率(中心頻率)有23khz、40khz、75khz、200khz、400khz等。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。超聲波傳感器是利用壓電效應(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。所謂壓電逆效應(yīng)如圖4-3所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在圖4-3a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖4-3b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(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖4-3c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在

48、長度方向上縮短。圖4-3 壓電逆效應(yīng)超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發(fā)送器的雙晶振子(諧振頻率為40khz)上施加40khz的高

49、頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就能發(fā)送40khz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負(fù)極的電壓。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大?，F(xiàn)以ma40s2r接收器和ma40s2s發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表4-2示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標(biāo)稱頻率為40khz，這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)

50、諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。表4-2 超聲波傳感器ma40s2r/s的特性種類特性ma40s2r接收ma40s2s發(fā)送標(biāo)稱頻率40khz靈敏度74db以上100db以上帶寬6khz以上(80db)7khz以上(90db)電容1600pf1600pf絕緣電阻100m以上溫度特性20+60范圍內(nèi)靈敏度變化在10db以內(nèi)數(shù)據(jù)來源： 2005年4月傳感器技術(shù)及其應(yīng)用超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整

51、和阻抗匹配。ma40s2r/s傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)稱頻率。圖4-4表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報(bào)警裝置等。另外，對于這種傳感器，一般來說溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖4-4 傳感器的方向性4.2.3 超聲波傳感器的檢測方式第一、穿透式超聲波傳感器的檢測方式當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí)，檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測距離約1m，作為

52、標(biāo)準(zhǔn)被檢測物體使用100mm100mm的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。第二、限定距離式超聲波傳感器的檢測方式當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測物體時(shí)，僅檢測電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測物體的檢測面為平面時(shí)，則可檢測透明體。若被檢測物體相對傳感器的檢測面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測到被測物體。第三、限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物

53、體通過。另外，檢測范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍。第四、回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號控制被測物體反射的超聲波的檢測時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。4.2.4 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以

54、及電源部分構(gòu)成，如圖4-5所示。發(fā)送器常使用直徑為15mm左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射。除穿透式超聲波傳感器外，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測。圖4-5 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成控制部分判斷接收器的接收信號的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。對于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調(diào)整回路的門信號，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號的時(shí)間或?qū)挾龋梢宰杂筛淖儥z測物體的范圍。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為1

55、224v10%，再經(jīng)傳感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路?？捎卸喾N方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實(shí)際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來選用其振蕩電路4。4.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)以上所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：第一、 信號控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、顯示電路等的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟

56、件中，要完成增益控制信號、門控信號、發(fā)射脈沖信號、峰值采集信號、遠(yuǎn)近控制信號的時(shí)序及輸出。第二、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在ram中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。第三、 信號處理ram中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為：s=0.5*v*t=0.5*v*(tr*n)其中，t為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間，tr為方波信號作為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率，n為計(jì)數(shù)器的值。在這個(gè)部分中，信號處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換5。第四、 數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用三位led表示。由于采用了單片機(jī)at89c51并考慮整個(gè)系統(tǒng)的控制流程，整個(gè)系統(tǒng)軟件都有at89c51系列單片機(jī)匯編語言實(shí)現(xiàn)。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)