超聲波測距儀的設(shè)計方案

1、東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計報告（論文）課題名稱 超聲波測距儀的設(shè)計方案專 業(yè)學(xué) 號學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 負(fù)責(zé)教師 起訖日期 工作地點 目錄第 1 章 緒論 I1.1 課題研究的背景 11.2 課題研究的意義 11.3 論文結(jié)構(gòu) 2第 2 章 超聲波測距原理 32.1 超聲波簡介 32.2 超聲波測距原理 3第 3 章 方案論證 53.1 設(shè)計思路 53.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 6第 4 章 主要元件介紹 84.1 單片機(jī) AT89C51 84.2 超聲波傳感器 T40 、 R40 1.0.4.3 溫度傳感器 DS18B20 1.1.第 5 章 硬件電路設(shè)計 1.2.5.1 超聲波發(fā)射電路 1.2.5.2 超聲波

2、接收電路 1.3.5.3 顯示電路 1.3.5.4 電源電路 1.4.超聲波測距儀的設(shè)計方案5.5 復(fù)位電路 1.4.第 6 章 軟件設(shè)計 1.5.6.1 主程序流程 1.5.6.2 子程序設(shè)計 1.7.6.2.1 超聲波發(fā)送子程序與超聲波接收中斷子程序 176.2.2 測溫子程序 1.8.6.2.3 距離計算子程序 1.9.6.2.4 顯示子程序和鍵盤掃描子程序 2.0第 7 章 軟件調(diào)試與系統(tǒng)仿真 2.1.7.1 軟件編譯調(diào)試環(huán)境 Keil 2.17.2 Keil 工程文件的建立、設(shè)置與目標(biāo)文件的獲得 2. 17.2.1 Keil 工程的建立 2.1.7.2.2 工程的詳細(xì)設(shè)置 2.3.7

3、.2.3 編譯、連接 2.5.7.3 系統(tǒng)仿真環(huán)境 Proteus 2.67.4 系統(tǒng)仿真 2.6.7.4.1 Proteus 工作界面 2.6.7.4.2 Proteus 原理圖的繪制 2.77.4.3 仿真 2.7.7.5 誤差與特性分析 2.9.結(jié)論 3.0.參考文獻(xiàn) 3.1.致 謝 3.2.附錄 1 整體電路圖 3.3.附錄 2 程序清單 3.4.摘要本設(shè)計介紹了基于單片機(jī)控制的超聲測距儀的原理： 由 AT89C51 控制定時 器產(chǎn)生超聲波脈沖并計時，計算超聲波自發(fā)射至接收的往返時間，從而得到實 測距離。并且在數(shù)據(jù)處理中采用了溫度補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整，用四位 LED 數(shù)碼管切換顯 示距離和溫度。

4、超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率在 20khz 以上。由于其指 向性強(qiáng)、方向性好、傳播能量大、傳播距離較遠(yuǎn)等特點，因此長用于測量距離。 本文介紹了基于 AT89C51 單片機(jī)的超聲波測距儀超聲波儀的軟硬件設(shè)計， 硬件 部分包括超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，顯示電路，溫度檢測電路，單片 機(jī)控制電路等。而軟件部分則包括發(fā)射子程序，接收子程序，顯示子程序，鍵 盤子程序等模塊組成。同時也介紹了超聲波測距的原理，以與其應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞： AT89C51 ，超聲波；測距；溫度補(bǔ)償；單片機(jī)； led 八段碼顯示ABSTRACTThe design introduces the principle

5、 of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMC-controlled: AT89C51 controlstime,count the timetimers to produce the ultrasonic wave pulse and of ultrasonic wave spontaneous emission to receive round-trip,thus obtains the measured distance.And the temperature compensation adjustment

6、 is used in the data processing, with four LED nixie tubes display distance or temperature by switching.Ultrasonic is a kind of the elastic medium mechanical oscillation, the frequency in more than 20 KHZ. Because of its strong, orientation, directional spread energy, spread distance is farther and

7、other characteristics, so long used to measure distance. This paper introduces the ultrasonic based on AT89C51 rangefinder ultrasonic apparatus hardware and software design, hardware including ultrasound circuit, ultrasonic receiving circuit, show circuit, temperature detectioncircuit,single chip mi

8、crocomputer control circuit, etc. And software part including launch subroutine, receiving subroutine, show procedure, the keyboard subroutines etc module. At the same time also introduces the principle of the ultrasonic ranging, as well as its application field.Keywords :AT89C51, Ultrasonic ； range

9、 finding ； Temperature compensation ；Single chip microcomputer； Eight bit code led display第 1 章 緒論1.1 課題研究的背景由于社會不斷進(jìn)步發(fā)展，人們對距離或長度測量的要求越來越高，許多傳 統(tǒng)的測距方法已經(jīng)無法滿足我們的需求，例如在液位、井深、管道長度等場合。 還有在很多要求實時測距的情況下，傳統(tǒng)的測距方法也很難完成測量的任務(wù)。 而目前能夠通過采用波在介質(zhì)中的傳播速度和時間關(guān)系進(jìn)行測量的技術(shù)主要有 激光測距、微波雷達(dá)測距和超聲波測距三種。激光和雷達(dá)測距儀造價偏高，不 利于廣泛的普與應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域

10、有其局限性。超聲波測距由于其能進(jìn)行 非接觸測量和相對較高的精度，越來越被人們所重視。于是，超聲波測距這種 新的測距方法在測距的應(yīng)用中將越來越廣。超聲波可用于非接觸測量， 具有不受光、 電磁波以與粉塵等外界因素的干 擾的優(yōu)點，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，對被測目標(biāo)無損害。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)。超 聲波的這些獨(dú)特優(yōu)點越來越受到人們的重視。目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大， 如油庫和水箱液面的精確測 量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測，汽車的倒車?yán)走_(dá)的 應(yīng)用中都有著非常重要的作用。在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化

11、 工，交通等工業(yè)領(lǐng)域也被廣泛的應(yīng)用著。超聲波測距儀作為一種新型的非常有 用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更高定位、更高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求?？梢灶A(yù)見的是超聲波測距的作用將在未 來的各個領(lǐng)域中有著非常重要的作用。1.2 課題研究的意義在現(xiàn)實生活中，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，液面測量就是一個距離測量 3 ，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電 極，通過給電或脈沖檢測液面，電極長期浸泡在水中或其它液體中，極易被腐 蝕、電解，從而失去靈敏性。而利用超聲波測量距離可以很好地解決這一問題。 目前市面上常見的超聲波測距系統(tǒng)不僅價格昂貴，體積過大

12、而且精度也不高等 種種因素，使得在一些中小規(guī)模的應(yīng)用領(lǐng)域中難以得到廣泛的應(yīng)用。為解決這 一系列難題， 本文設(shè)計了一款基于 AT89C51 單片機(jī)的低成本、 高精度、 微型化 的超聲波測距儀。1.3 論文結(jié)構(gòu)論文首先對課題的背景和意義進(jìn)行闡述，并概述了論文結(jié)構(gòu)。第 2 章先就超聲波測距的原理進(jìn)行介紹，并提出了提高測距的精度的方案 溫度補(bǔ)償，且描述了其具體補(bǔ)償方式。第 3 章針對本文采用的設(shè)計方案進(jìn)行了可行性的論證，并得出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 框圖。第 4 章介紹了設(shè)計中需要用到的主要器件，且因其在本設(shè)計的作用不同而 詳盡程序亦不同。第 5 章從整體硬件設(shè)計出發(fā)，對各部分電路進(jìn)行了詳細(xì)說明。第 6 章先給出

13、了軟件設(shè)計的整體流程圖，并且對關(guān)鍵部分軟件設(shè)計做了進(jìn) 一步的解釋。程序編譯與系統(tǒng)仿真也是本文的一個要點，所以特別分出一章來詳細(xì)介紹 了程序編譯的環(huán)境和編譯的步驟以與仿真的環(huán)境和部分仿真的效果圖。第2章超聲波測距原理2.1 超聲波簡介我們知道，當(dāng)物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為 聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為2020000赫茲。當(dāng)聲波的振動頻率大于 20000赫茲或小于20赫茲時，我們便聽不見了。 因此，我們把頻率高于 20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷 的超聲波頻率為15兆赫。超聲波具有方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集 中的聲

14、能，在水中傳播距離遠(yuǎn)等特點4。可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石等。在醫(yī)學(xué)，軍事，工業(yè)，農(nóng)業(yè)上有明顯的作用。理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個物體振動的能量與振動頻率成 正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率很高，因而能量很大。在 我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破 碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣濕度。這 就是超聲波加濕器的原理。對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥品很難血流到打患 病的部位。利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠療效。利用超 聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動而破碎。2.2 超聲波測距

15、原理超聲波是利用反射的原理測量距離的，被測距離一端為超聲波傳感器，另 一端必須有能反射超聲波的物體5。測量距離時，將超聲波傳感器對準(zhǔn)反射物 發(fā)射超聲波，并幵始計時，超聲波在空氣中傳播到達(dá)障礙物后被反射回來，傳 感器接收到反射脈沖后立即停止計時，然后根據(jù)超聲波的傳播速度和計時時間 就能計算出兩端的距離。測量距離D為(2.1 )式中c超聲波的傳播速度；1-t 超聲波發(fā)射到接收所需時間的一半，也就是單程傳播時間2由上式可風(fēng)，距離的測量精度主要取決于計時精度和傳播速度兩方面。計時精度由單片機(jī)定時器決定，定時時間為機(jī)器周期與計數(shù)次數(shù)的乘積，可選用12MHz的晶振，使機(jī)器周期為精確的 1卩s,不會產(chǎn)生累積

16、誤差，使定時間達(dá)到 1 u s超聲波的傳播速度c并不是固定不變的，傳播速度受空氣密度、 溫度和氣 體分子成分的影響，關(guān)系式為c MTT273K(2.2)式中 丫 一一氣體定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為 1.40 oR氣體普適常數(shù)，為8.314kg/mol 。T 氣體勢力學(xué)溫度，與攝氏溫度的關(guān)系是T=273K+t oM 氣體相對分子質(zhì)量，空氣為 28.8 X10-3kg/mol 。 C0 0C時的聲波速度，為 331.4m/s。由上式可見，超聲波在空氣中傳播時，受溫度影響最大，由表達(dá)式可計算 出波速與溫度的關(guān)系，如表 2.1所示。溫度越高，傳播速度越快，而且不同溫 度下傳播速度差別非常大，例如

17、0 C時的速度為 332m/s，30 C時的速度為350m/s，相差18m/s。因此，需要較高的測量精度時，進(jìn)行溫度補(bǔ)償是最有 效的措施。對測量精度要求不高時，可認(rèn)為超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s o表2.1超聲波傳播速度與溫度關(guān)系表項目數(shù)值溫度-30-20-100102030405060100聲速/( m ?s)313319325332338344350356361367388第 3 章 方案論證3.1 設(shè)計思路測量距離方法有很多種，短距離可以用尺，遠(yuǎn)距離有激光測距等，超聲波 測距適用于高精度中長距離測量。 因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中傳播速度為 331.45 米/ 秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，

18、單片機(jī)使用 12.0M 晶振，所以此系統(tǒng)測量精度理 論上可以達(dá)到毫米級 6 。目前比較普遍的測距的原理：通過發(fā)射具有特征頻率的超聲波對被攝目標(biāo) 的探測，通過發(fā)射出特征頻率的超聲波和反射回接受到特征頻率的超聲波所用 的時間，換算出距離，如超聲波液位物位傳感器，超聲波探頭，適合需要非接 觸測量場合，超聲波測厚，超聲波汽車測距告警裝置等。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波 可以用于距離測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單， 并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng) 度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度

19、測量的理想 手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲 波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn) 生的原因，提高測量時間差到微秒級 7 ，以與用溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度 的補(bǔ)償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。目前超聲波測距已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波 測距原理設(shè)計各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以 單片機(jī)為核心的測距儀器可以實現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能， 并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定、可靠。以 8051 為內(nèi)核的單片機(jī) 系列，其硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件

20、齊全、功能強(qiáng)等特點。尤其值得一提的是，出 8位CPU夕卜，還具備一個很強(qiáng)的位處理器， 它實際上是一個完整的位微計算機(jī)， 即包含完整的位 CPU，位RAM、ROM (EPROM)，位尋址寄存器、I/O 口和 指令集。所以， 8051 是雙 CPU 的單片機(jī)。位處理在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、 過程測控等方面極為有效 8 ；而 8 位處理則在數(shù)據(jù)采集和處理等方面具有明顯 長處。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，可以采用 AT89C51 單片機(jī)作為主控制器，它控制發(fā)射觸發(fā)脈沖的幵始時間與脈寬，響應(yīng)回波時刻并測量、計數(shù)發(fā)射 至往返的時間差。利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng) 驅(qū)動器驅(qū)動后推

21、動探頭產(chǎn)生超聲波；超聲波信號的接收采用鎖相環(huán)LM567對放大后的信號進(jìn)行頻率監(jiān)視和控制。一旦探頭接到回波，若接收到的信號頻率 等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由RC值決定），則其輸出引腳的電平將從“1”變?yōu)椤?o”（此時鎖相環(huán)已進(jìn)入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單 片機(jī)對接收探頭的接收情況進(jìn)行實時監(jiān)控9。可對測得數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，并采用溫度補(bǔ)償，使測量誤差降到更低限度；AT89C51還控制顯示電路，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示。3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計超聲波測距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3.1 收電路、超聲波傳感器、溫度傳感器、 系統(tǒng)主要功能包括：超聲波的發(fā)射、接收，并根據(jù)計時時間計算測量距離； 檢測空氣溫

22、度用于距離計算的補(bǔ)償；所示。它主要由單片機(jī)、超聲波發(fā)射與接 鍵盤、LED顯示電路與電源電路組成10。1)2)3)4)5)LED顯示器顯示距離、溫度； 鍵盤接收用戶命令并處理； 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不正常時，用電平式幵關(guān)與上電復(fù)位電路復(fù)位。圖3.1超聲波測距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第4章主要元件介紹4.1 單片機(jī) AT89C51單片機(jī)即單片微型計算機(jī) SCMC （ Single Chip Microcomputer ）。它把 構(gòu)成一臺計算機(jī)的主要功能部、器件，如CPU （進(jìn)行運(yùn)算、控制）、RAM （數(shù)據(jù)存儲）、ROM （程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口等）、 中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器等集中在一塊芯

23、 CPU （進(jìn)行運(yùn)算、控制）、RAM （數(shù)據(jù) 存儲）、ROM （程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口等） 制功能，所以又稱為微控制器MCU （MicrocontrollerUnit ）。相對于普通微機(jī)，單片機(jī)的體積要小得多，一般嵌入到其他儀器設(shè)備里，實現(xiàn)自動檢測與控 制11，因此也稱為嵌入式微控制器 EMCU （Embedded Microcontroller Unit）。Pl CPI IPI 2 PIJPt.4PISri tpitRXD P30T%DPllmix ri ph TO P14JJ_ pi 5出Ci 'Sn pi 7 XIAUXTALI生一4(.*腳-畑M

24、1P0 +101112)3Id13 Id37 ia19本設(shè)計的MCU采用的是DIP （Dual In-line Package 塑料雙列直插式）封 裝的AT89C51高性能8位單片機(jī)。AT89C51是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存 儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash 存儲單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的 AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51是一個低功耗高性能單片 札

25、40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出P07 EatVjuALt/PWC（I/O ）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2 個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串 行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法 進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的 微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特 別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地 降低幵發(fā)成本。其引腳圖如右圖4.1 oAT89C51的引腳功能有:圖 4.1AT89C51 的引腳圖1）主電源引腳VSS第20腳，電路接地電平。VCC第40腳，正常運(yùn)行和編程校驗 +5V電源。2）時鐘源XTAL1第19腳，一般外接晶振的一個引腳，它是片內(nèi)反相放大器的 輸入端口。當(dāng)直

26、接采用外部信號時，此引腳應(yīng)接地。XTAL1 第18腳，接外部晶振的另一個引腳，它是片內(nèi)反相放大器的 輸出端口。當(dāng)采用外部振蕩信號源泉時，此引腳為外部振蕩信號的輸入端口， 與信號源相連接。3）控制、選通或復(fù)用RST/VPD 第9腳，RESET復(fù)位信號輸入端口。當(dāng)單片機(jī)正常工作時， 由該引腳輸入脈寬為2個以上機(jī)器周期的高電平復(fù)位信號到單片機(jī)。在VCC掉電期間，此引腳（即VPD）可接通備用電源，以保持片內(nèi) RAM信息不受破壞。ALE/PROG第30腳，輸出允許地址鎖存信號。當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲 器時，ALE信號的負(fù)跳變將 P0 口上的低8位地址送入鎖存器。在非訪問外部 存儲器期間，ALE仍以1/6振

27、蕩頻率固定不變地輸出，因此它可對個輸出或 于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部存儲器時將跳過一個 ALE脈沖。PROG 為第二功能,當(dāng)對片內(nèi)程序存儲器編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。PSEN 第29腳，訪問外部程序存儲器選能信，低電平有效。當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。EA/VPP :外部訪問允許。欲使CPU公訪問外部程序存儲器（地址0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。Flas

28、h存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V編程電壓VPP o4）多功能I/O端口P0 口一一第3239腳，8位漏極幵路雙向I/O端口。作為輸出口用時， 每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8個TTL邏輯門電路，對端口寫“ 1 ”可作為高阻 抗輸入端用。在訪問數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址和數(shù) 據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1 口第18腳，具有內(nèi)部上拉電路的 8位準(zhǔn)雙向I/O端口。在對片 內(nèi)程序存儲器（EPROM型）進(jìn)行程序編程和校驗時，用做低 8位地址總線。P2 口第2128腳，具有內(nèi)部上拉電路的 8位準(zhǔn)雙向I/O端口。當(dāng)單

29、片機(jī)訪問存儲器時，用做高 8位地址總線；在對片內(nèi)程序存儲器（EPROM型） 進(jìn)行程序編程和校驗時，亦用做高 8位地址總線。P3 口第1017腳，具有內(nèi)部上拉電路的 8位準(zhǔn)雙向I/O端口。它還 提供特殊的第二變異功能。它的每一位均可獨(dú)立定義為第一功能的I/O 口或第二變異功能。第二變異功能的具體含義如表 4.2 :表4.2 P3 口的第二變異功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)器0）P3.5T1（定時/計數(shù)器1）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀

30、選通）4.2 超聲波傳感器T40、R40超聲波是指頻率高于 20kHz的機(jī)械波。超聲波在恒定環(huán)境條件下的傳播速 度不變。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）與鎳鐵鋁合金（磁致 伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT ）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時 它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成接收器和發(fā)送器。超聲 波傳感器由兩個壓電晶片和一個共振板組成，當(dāng)壓電晶片的兩極加上頻率等于其固有諧振頻率的脈沖信號時， 壓電晶片產(chǎn)生共振，并帶動共振板產(chǎn)生振動，同時帶動 壓電晶片也一起振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，稱為超聲 波接收器

31、。超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)進(jìn)行電能和超聲 波機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，也稱為超聲波換能器12。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志，但外觀基本一致。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所10 / 55超聲波測距儀的設(shè)計方案示，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工 圖4.2 T40、R40外觀作頻率一般為23-25KHZ與40-45KHZ 。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有 T/R-40-16 ，T/R-40-12 等（其中T表示發(fā)送， R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16與12表示其外徑尺寸，以毫米

32、計）。 本設(shè)計采用的就是發(fā)送超聲波傳感器T40與接收超聲波傳感器 R40,其外觀如圖4.3。4.3 溫度傳感器 DS18B20溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場上銷售的有雙 金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶與半導(dǎo)體熱敏電阻等。以半導(dǎo)體熱敏電 阻為探測元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛，這是因為在元件允許工作條件范圍內(nèi)， 半導(dǎo)體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點，而且制造工藝簡單、 價格低廉。半導(dǎo)體熱敏電阻按溫度特性熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度上升而增加）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度上升而下降）。本設(shè)計采用的是美國 Dallas半導(dǎo)體公司的不銹鋼封裝的 D

33、S18B20數(shù)字溫 度傳感器。DS18B20是采用專門設(shè)計的不銹鋼外殼，僅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄熱量，采用導(dǎo)熱性高的密封膠，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極 小的溫度延遲。DS18B20支持“一線總線”接口（ 1-Wire），測量溫度范圍為 -55 °C+125 °C，在-10+85 °C范圍內(nèi)，精度為土 0.5 °C?，F(xiàn)場溫度直接以“一 線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20 采用 3 腳 PR-35 封裝（圖 4.4）:DS18B20數(shù)字化溫度傳感器的主要性能如下：1）適用電壓為3V5V ;2）912位分辨率可調(diào)，對

34、應(yīng)的可編程溫度分別為0.5 C、0.25 C、0.125 °C、0.0625 C;3）TO-92、SOIC 與 CSP 封裝可選；4）測溫范圍：-55 C125 C;5）精度：-10 C85 C范圍內(nèi)土 0.5 C;6）無需外部元件，獨(dú)特的一線接口，電源和信號復(fù)合在一起；7）每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，零功耗等待。GND IQ UDD圖4.4PR-35封裝圖第5章硬件電路設(shè)計5.1 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖5.1所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T40構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路 經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電

35、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，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩 端13，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū) 動能力。上位電阻 R1、R2 一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動 能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。5.2 超聲波接收電路超聲波接收電路由超聲波傳感器、兩級放大電路和鎖相環(huán)電路組成。超聲 波傳感器接收到的反射波信號非常微弱，兩級放大電路用于對傳感器接收到的 信號進(jìn)行放大。鎖相環(huán)電路接收到頻率符合要求的信號后向單片機(jī)發(fā)出中斷請 求14。鎖相環(huán)LM567內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率為

36、fo 1/(1.1Rp1C2)，鎖定帶寬與C3有關(guān)。由于發(fā)送的超聲波頻率為40kHz，幫調(diào)整相關(guān)元件使鎖相環(huán)的中心頻率為40kHz，只響應(yīng)該頻率的信號，避免了其他頻率信號的干擾。當(dāng)超聲波傳感器接收到超聲波信號后，送入兩級放大器放大，放大后的信 號進(jìn)入鎖相環(huán)檢波，如果頻率為40kHz，則從8腳發(fā)出低電平中斷請求信號送單片機(jī)P3.3端，單片機(jī)檢測到低電平后停止定時器的工作。超聲波接收電路如圖5.2所示。圖5.2超聲波接收電路5.3 顯示電路顯示電路如圖5.3，四位LED組成動態(tài)掃描電路，由 AT89C51的P0 口輸 出。動態(tài)掃描時，由 P2 口控制LED的當(dāng)前顯示位。當(dāng)距離測量結(jié)束并調(diào)用顯 示程

37、序，就會顯示距離大小，顯示兩位小數(shù)。當(dāng)按下按鍵k2時，將會顯示溫度昱IP wWR2bR瞬TTEDJLLE/PFSENw-®SSSD 30 145-57T1TO plplpLFIP1F1FL鞏13/ 55超聲波測距儀的設(shè)計方案 值，延時5s后恢復(fù)顯示距離值。圖5.3顯示電路5.4 電源電路電源電路如圖5.4所示。為方便起見，本設(shè)計采用的是9V電池供電，直流 電送入三端穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓，輸出+5V穩(wěn)恒直流電，作為電路的電源。LED 是電源指示燈，通電后發(fā)光。5.5 復(fù)位電路AT89C51復(fù)位有一個專用的外部引腳 RESET，外部可通過此引腳輸入一個 正脈沖使單片機(jī)復(fù)位。所謂復(fù)位，就

38、是強(qiáng)制單片機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)到確定的初始狀態(tài)， 并使系統(tǒng)重新從初始狀態(tài)幵始工作。本設(shè)計采用的是電平式幵關(guān)與上電復(fù)位電 路，為了能使運(yùn)行中的系統(tǒng)，經(jīng)人工干預(yù)，強(qiáng)制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。其電路圖如5.4所示：圖 5.4 復(fù)位電路第 6 章 軟件設(shè)計6.1 主程序流程我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高 的效率且容易精細(xì)計算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的 計算（計算距離時） ，又要求精細(xì)計算程序運(yùn)行時間（超聲波測距時） ，所以控 制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。因為本設(shè)計對時間要求精度較高的部分全部由單片機(jī)內(nèi)部的定時器完成， 而雖然溫度傳感器的讀寫對時間精

39、度要求也高，但經(jīng)詳細(xì)計算所得出的 C 程序 已被廣泛應(yīng)用，故直接借用已有程序也能作到對溫度的準(zhǔn)確讀取，所心本設(shè)計 全部使用 C 語言編程，這樣能使設(shè)計中所用到的公式能方便快捷的體現(xiàn)和實現(xiàn)， 又縮短了論文的篇幅。軟件采用模塊化設(shè)計方法，由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中 斷子程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程 序等模塊組成。圖 6.1 為主程序流程圖。系統(tǒng)上電后，首先系統(tǒng)初始化，不斷掃描按鍵k1 ，若按鍵 k1 按下，則開始測量空氣溫度，然后將 P1.0 置位，使定時器 T0 開始定時，控制超聲波傳感 器發(fā)出超聲波， 同時使定時器 T1 開始定時。 CPU 循

40、環(huán)檢測 P3.3 引腳， 當(dāng) P3.3 為低電平時接收到回波，立即使 T1 停止工作，保存定時器的計數(shù)值。然后根據(jù)溫度和傳輸時間計算距離，溫度補(bǔ)償措施使測量精度有了明顯提 高，計算出距離后調(diào)用距離顯示子程序， LED 顯示距離。最后檢測按鍵k2，若k2閉合，則調(diào)用溫度顯示子程序，LED顯示溫度（溫 度并非測量距離時用于補(bǔ)償?shù)臏囟?，而是?dāng)前溫度） 5s 后恢復(fù)顯示本次測量距 離；若按鍵 k2 沒有閉合， 則顯示器恒定顯示最新一次的測量結(jié)果； 若要進(jìn)行下 一次測量，則先要按下 k3 重新開始，再按下按鍵 k1 才執(zhí)行新一次測量。由于不需輸入數(shù)據(jù)，鍵盤只設(shè)置了 3個按鍵，用于幵始測量距離并顯示溫度功

41、能設(shè) 置等。Y圖6.1主程序流程6.2 子程序設(shè)計6.2.1 超聲波發(fā)送子程序與超聲波接收中斷子程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送左右超聲波脈沖信號(頻率約40kHz的方波)，脈沖寬度為12 us左右，同時把計數(shù)器 T1打幵進(jìn)行計時， 定時器T1工作在方式0。超聲波測距儀主程序利用外中斷1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號(即 而 引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即 關(guān)閉計時器T1停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T1溢出中斷將外中斷1關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值0表示此次測距不成功。T0中斷服務(wù)程

42、序如下：sbit sen d=P1A0;void timer0(void)i nterrupt 1sen d=!se nd;TH0=0x1f;TL0=0xf4;超聲波接收(外部中斷1)程序：void in t1(void)i nterrupt 2if(TH1!=0x00&& TH0!=0x00)b=1;TR1=0;TR0=0;t=TH1*256+TL1;t=t/1000000;TH0=0x1f;TL0=0xf4;TH1=0x00;TL1=OxOO;elseb=0;TR1=0;TRO=O;TH0=0x1f;TLO=Oxf4;TH1=OxOO;TL1=OxOO; 6.2.2 測溫子

43、程序bit10bit7bit6bit5bit4bit3bit2232221202 -12 -22 -32 4bit15bit14bit13bit12bit11bit8SSSSS262524測溫的主要器件是 DS18B20，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳 輸，DS18B20中有兩個存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM，用11位存貯溫度值，最高位（5位）為符號位。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1時，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計算十進(jìn)制 值。圖6.2為DS18B20的溫度存儲方式：LS Byte bitl bitOMSbit9圖6.2DS18B20的溫度存

44、儲方式負(fù)溫度時S=1，正溫度時S=0。因此我們只需要逐位讀出它的溫度就可以 了。讀出一個字節(jié) C代碼如下：uchar readbyte(void)/ 直接讀一字節(jié)程序 uchar i,k;i=8;k=0;while(i-)temn=1;delay_us(1);temn=0;k=k>>1;tem_i n=1;NOP;if(temn)k |= 0x80;temn 為1時，則該位也為 1delay_us(4);return(k);6.2.3 距離計算子程序當(dāng)前溫度和超聲波往返時間均測量出來后，用C語言根據(jù)公式計算距離來編程是比較簡單的算法。根據(jù)測量距離而其中cT273K故可簡化為：D 2

45、c0t1 273k 165兀1 273k，其實現(xiàn)程序算法如下:#in clude<math.h>void dista nce(void)double radical,dist,t;radical二sqrt(1+(te mn um+273)/273);dist=165.7*t*radical;retur n(dist);6.2.4 顯示子程序和鍵盤掃描子程序顯示電路由四位 LED 組成動態(tài)掃描電路，編程非常簡單。又雖然本設(shè)計共 有四個按鍵， k0 控制電源輸入，不需軟件編程；而 k3 為手動復(fù)位按鍵，亦不 需軟件編程；只有 k1 、 k2 分別測距開始按鍵和距離與溫度切換顯示按鍵，級

46、 易實現(xiàn)。所以不贅述顯示子程序和鍵盤掃描子程序，詳情可見附錄二。第 7 章 軟件調(diào)試與系統(tǒng)仿真7.1 軟件編譯調(diào)試環(huán)境 Keil單片機(jī)開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程 序要變?yōu)?CPU 可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法， 一種是手工匯編， 另一種是機(jī)器 匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序 變?yōu)闄C(jī)器碼，用于 MCS-51 單片機(jī)的匯編軟件有早期的 A51 ，隨著單片機(jī)開發(fā) 技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機(jī)的開 發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS-51 系列單片機(jī)的軟件， 這從近年來各仿

47、真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整 開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision ）將這些部份組合在一起。掌握這 一軟件的使用對于使用 51 系列單片機(jī)的愛好者來說是十分必要的， 如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C 語言而僅用匯編 語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會事半功倍。7.2 Keil 工程文件的建立、設(shè)置與目標(biāo)文件的獲得Keil 工程的建立首先啟動 Keil 軟件的集成開發(fā)環(huán)境，如果已正確安裝了該軟件，可以從

48、桌 面上直接雙擊 uVision 的圖標(biāo)以啟動該軟件。 uVison 啟動后， 程序窗口的左邊 有一個工程管理窗口，該窗口有 3 個標(biāo)簽，分別是 Files 、 Regs 、和 Books ， 這三個標(biāo)簽頁分別顯示當(dāng)前項目的文件結(jié)構(gòu)、 CPU 的寄存器與部份特殊功能寄 存器的值（調(diào)試時才出現(xiàn)）和所選 CPU 的附加說明文件，如果是第一次啟動 Keil ，那么這三個標(biāo)簽頁全是空的。1） 源文件的建立使用菜單“ File->New ”或者點擊工具欄的新建文件按鈕，即可在項目窗 口的右側(cè)打開一個新的文本編緝窗口，在該窗口中輸入?yún)R編語言或 C 語言源程 序，然后保存該文件，注意必須加上擴(kuò)展名（匯

49、編語言源程序一般用 asm 或 a51 為擴(kuò)展名，而 C 語言源程序一般用 c 為擴(kuò)展名），這里假定將文件保存為超聲波測距儀的設(shè)計萬案examl.asm。需要說明的是，源文件就是一般的文本文件，不一定使用Keil軟件編寫，可以使用任意文本編緝器編寫，而且，Keil的編緝器對漢字的支持不好，建議使用UltraEdit之類的編緝軟件進(jìn)行源程序的輸入。2）建立工程文件 在項目幵發(fā)中，并不是 僅有一個源程序就行了，還 要為這個項目選擇CPU（Keil支持?jǐn)?shù)百種CPU，而 這些CPU的特性并不完全 相同），確定編譯、匯編、連 接的參數(shù)，指定調(diào)試的方式， 有一些項目還會有多個文件 組成等，為管理和使用方便

50、，Keil使用工程（Project ）這 一概念，將這些參數(shù)設(shè)置和 所需的所有文件都加在一個SelC t HevLe & 士of T ar get ' Tor get 1CFV Vsaiflr; Atm程1Device： S9C51fahily： NCS-51Data bam皀8051 bised Full32 I/O lL&es, 2 4 K nzh 血fo巧工程中，只能對工程而不能 對單一的源程序進(jìn)行編譯（匯編）和連接等操作。點elS7F5187F51EC 6TF5269C105163CiO51U89CZ05189C40518&C51圖7.1 選擇目標(biāo)CPU

51、擊“ Project->New Project 菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給將要建立的工 程起一個名字，可以在編緝框中輸入一個名字（設(shè)為exam1 ），不需要擴(kuò)展名點擊“保存”按鈕，出現(xiàn)第二個對話框，如圖7.1所示，這個對話框要求選擇目標(biāo)CPU，Keil支持的CPU很多，我 們選擇Atmel公司的89C51芯片。點 擊ATMEL前面的“ + ”號，展幵該層， 點擊其中的89C51，然后再點擊“確 定”按鈕，回到主界面，此時，在工程 窗口的文件頁中，出現(xiàn)了“ Target1 ”， 前面有“ + ”號，點擊“ +”號展幵， 可以看到下一層的“Source Group1 ”, 這時的工程還是一

52、個空的工程，里面什么文件也沒有，需要手動把剛才編寫好 的源程序加入，點擊“ Source Group1 ”圖7.2加入文件使其反白顯示，然后，點擊鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)一個下拉菜單，如圖7.2所示。選中其中的“ Add ” Source Groupl ”，出現(xiàn)一個對話框，要求尋找源文件，注 意：該對話框下面的“文件類型”默認(rèn)為 C source file(*.c)，也就是以C為擴(kuò) 展名的文件，而我們的文件是以asm為擴(kuò)展名的，所以在列表框中找不到examl.asm，要將文件類型改掉，點擊對話框中“文件類型”后的下拉列表， 找到并選中“ Asm Source File(*.a51,*.asm)，這樣，在

53、列表框中就可以找到 exam1.asm 文件了。雙擊exam1.asm 文件，將文件加入項目，注意，在文件 加入項目后，該對話框并不消失，等待繼續(xù)加入其它文件，如果誤認(rèn)為操作沒 有成功而再次雙擊同一文件，這時會出現(xiàn)重復(fù)加入文件錯誤的對話框，提示你 所選文件已在列表中，此時應(yīng)點擊“確定”，返回前一對話框，然后點擊“Close ” 即可返回主界面，返回后，點擊“SourceGroup 1 ”前的加號，會發(fā)現(xiàn)exam1.asm 文件已在其中。雙擊文件名，即打幵該源程序。7.2.2 工程的詳細(xì)設(shè)置工程建立好以后，還要對工程進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置，以滿足要求。首先點擊左邊 Project窗口的Target 1

54、 ，然后使用菜單“ Project->Option for target target1 ' ” 即 出現(xiàn)對工程設(shè)置的對話 框，這個對話框可謂非常 復(fù)雜，共有8個頁面，要 全部搞清可不容易，好在 絕大部份設(shè)置項取默認(rèn)值 就行了。設(shè)置對話框中的Target頁面，如圖7.3所示，Xtal后面的數(shù)值是晶7.3對目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置振頻率值，默認(rèn)值是所選目標(biāo)CPU的最高可用頻率值，對于我們所選的AT89C51而言是24M，該數(shù)值與最終產(chǎn)生的目標(biāo)代碼無關(guān)，僅用于軟件模擬 調(diào)試時顯示程序執(zhí)行時間。正確設(shè)置該數(shù)值可使顯示時間與實際所用時間一致，一般將其設(shè)置成與你的硬件所用晶振頻率相同，如果沒必要了解程序執(zhí)行的時 間，也可以不設(shè)，這里設(shè)置為 12。Memory Model 用于設(shè)置RAM使用情況， 有三個選擇項，Small是所有變量都在單片機(jī)的內(nèi)部RAM中；Compact是可以使用一頁外部擴(kuò)展 RAM，而Larget則是可以使用全部外部的擴(kuò)展RAM。23 / 55Code Model用于設(shè)置ROM空間的使用，同樣也有三個選擇項，即Small模式，只用低于2K的程序空間；Compact模式，單個函數(shù)的代碼量不能超過 2K， 整個程序可以使用64K程序空間；Large模式，可用全部64K空間。Use on-chip ROM選擇項，確認(rèn)是否僅使用片內(nèi) ROM （注意：選中該項