毕业设计超声波测距电路的设计

1目录1.目目 录录.12.摘摘 要要.23.引引 言言.3 4. 超声波测距系统设计超声波测距系统设计.44.1 超声波测距的原理超声波测距的原理.44.2 超声波测距系统电路的设计超声波测距系统电路的设计.54.2.1 总体设计方案总体设计方案.54.2.2 发射电路的设计发射电路的设计.64.2.3 接收电路的设计接收电路的设计.64.2.4 显示模块的设计显示模块的设计.74.3 超声波测距系统的软件设计超声波测距系统的软件设计.84.4 小结小结.105 绪绪 论论.115.1 课题背景，目的和意义课题背景，目的和意义.115.2 超声波测距方案超声波测距方案.115.2.1 基于单片机的超声波测距系统基于单片机的超声波测距系统.115.3 课题主要内容课题主要内容.126 超声波传感器超声波传感器.136.1 超声波传感器的原理与特性超声波传感器的原理与特性.136.1.1 原理原理.136.1.2 特性特性.146.2 超声波传感器的检测方式超声波传感器的检测方式.156.3 超声波传感器系统的构成超声波传感器系统的构成.166.4 小结小结.177 AT89C51 单片机简介单片机简介.187.1 单片机基础知识单片机基础知识.187.1.1 单片机的内部结构单片机的内部结构.187.1.2 单片机的基本工作原理单片机的基本工作原理.217.2 单片机的分类及发展单片机的分类及发展.227.3 单片机单片机 AT89C51 的特性的特性.237.4 小结小结.258. 电路调试及误差分析电路调试及误差分析.268.1 电路的调试电路的调试.268.2 系统的误差分析系统的误差分析.268.2.1 声速引起的误差声速引起的误差.268.2.2 单片机时间分辨率的影响单片机时间分辨率的影响.278.4 小结小结.28结结 论论.29致致 谢谢 词词.292参考文献参考文献.30附附 录录31摘摘 要要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的AT89C51 单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以 AT89C51 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。关键词关键词：超声波 单片机 测距 AT89C513 引 言距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，随着科学技术的快速发展，超声波技术将在测距仪中的应用越来越广，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高定位更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是：仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人等等。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度易于控制，它的应用价值己被普遍重视。4 超声波测距系统设计4.1 超声波测距的原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波, 从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离 (1-1)2ctS 式(1-1)中的c为超声波在空气中传播的速度。限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表 1-1 列出了几种不同温度下的波速。表 1-1 声速与温度的关系温度()3020100102030100声速(m/s)313319325323338344349386波速确定后，只要测得超声波往返的时间 t，即可求得距离 S。其系统原理框图如图 1-1 所示。5图 1-1 超声波测距系统框图单片机 AT89C51 发出短暂的 40kHz 信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至 LED 数码管进行显示。在下一节里，我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方法。4.2 超声波测距系统电路的设计4.2.1 总体设计方案由单片机 AT89C51 编程产生 40kHz 的方波，由 P3.6 口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和 LED 显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相6连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图 1-2 所示。图 1-2 时序图单片机在 T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。1.2.2 发射电路的设计由单片机产生的 40kHz 的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是 74HC04 集成芯片，图 1-3 为发射电路图。图 1-3 发射电路74HC04 内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。74HC04 的管7脚如图 1-4 所示。图 1-4 74HC04 管脚图4.2.3 接收电路的设计超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。本系统采用了 LM741 对接收到的信号进行放大，接收电路如图 1-5 所示。图 1-5 接收电路超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即 40kHz。该信号通过 C1 高通滤波后经LM741 放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。LM741 是一单运放集成芯片，图 1-6 为 LM741 管脚图。8图 1-6 LM741 管脚图4.2.4 显示模块的设计LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。LED 数码管结构简单，价格便宜。图 1-7 示出了八段 LED 数码显示管的结构和原理图。图 1-7(a)为八段共阴数码显示管结构图，图 1-7(b)是它的原理图，图 1-7(c)为八段共阳 LED 显示管原理图。八段 LED 显示管由八只发光二极管组成，编号是 a、b、c、d、e、f、g 和 SP，分别与同名管脚相连。七段 LED 显示管比八段 LED 少一只发光二极管 SP，其他与八段相同。图 1-7 八段 LED 数码显示管原理和结构单片机对 LED 管的显示可以分为静态和动态两种。静态显示的特点是各 LED 管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各 LED 轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各 LED 似乎在同时显示不同字形。为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且也只需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这样单片机引脚输出可直接接到 LED 显示管上。这样省去了外部复杂的译码电路。94.3 超声波测距系统的软件设计单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出 P0、P1 和 P2 口显示。程序流程图如图 1-8，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。 (a) (b) (c)图 1-8 程序流程图用单片机编程产生 40kHz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一个延时函数 delays()，然后可用 for 语句循环，并且循环一次同时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下：void delays() /延时函数void main() for(a=0;a200;a+) /产生 100 个 40KHz 的方波 P36=!P36; /每循环一次，输出引脚取反 delays() ; 单片机每隔一段时间产生一串 40kHz 方波，同时定时器开始计时，10当收到回波，产生中断信号后，单片机执行中断程序。在中断程序中，先让定时器停止计数，然后读取时间，通过时间计算出所测距离，输出结果。中断程序如下：void intersvro(void) interrupt 0 using 1 /INTO 中断服务程序 uint bwei,shwei,gwei; uchar DH,DL; ulong COUNT; ulong num; TR0=0 ; /停止计数 DH=TH0; DL=TL0; COUNT=TH0*256+TL0; num= (344*COUNT)/20000; /计算距离 bwei=num/100; /取百位 gwei=(num-bwei*100)/10; /取十位 shwei=num%10; /取个位 P1=tabbwei; /输出百位 P0=tabshwei; /输出十位 P2=tabgwei; /输出个位 TH0=0; TL0=0;本系统的 LED 显示采用了静态显示方式，并用单片机内部软件译码。这样简单方便，省去了复杂的外部译码电路。软件译码只需要定义一个数组便可，程序语句如下：uchar data tab10=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;这是共阳 LED 显示从 0 到 9 的字形码。11绪论 5.1 课题背景，目的和意义传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。5.2 两种常用的超声波测距方案5.2.1 基于单片机的超声波测距系统基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为 40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图 2-1 所示。图 2-1 基于单片机的超声波测距系统框图这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出12端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给 LED 显示1。利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。5.3 课题主要内容通过上节介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为V，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离,结果输出给 LED 显示。利用本测距系统测量，范围应在 30cm200cm 内，其最大误差控制在 10cm。13超声波传感器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的因有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面的知识。在本章里，将介绍超声波传感器的原理和特性，检测方14式以及超声波传感系统的构成。 6.1 超声波传感器的原理与特性6.1.1 原理人们可以听到的声音频率为 20Hz20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即 20Hz 以下的声音称为低频声波，20kHz 以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为 100Hz8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为 330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz 等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图 3-1 所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图 a 所示的已极化的压电陶瓷上施加如图 b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图 c 所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。15图 3-1 压电逆效应超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施加 40kHz 的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送 40kHz 频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。6.1.2 特性现以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表 3-1 示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为 40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。表 3-1 超声波传感器 MA40S2R/S 的特性种类特性MA40S2R 接收MA40S2S 发送16标称频率40kHz灵敏度74dB 以上100dB 以上带宽6kHz 以上(80dB)7kHz 以上(90dB)电容1600pF1600pF绝缘电阻100M 以上温度特性20+60范围内灵敏度变化在 10dB以内超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。MA40S2R/S 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。图 3-2 表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。图 3-2 传感器的方向性176.2 超声波传感器的检测方式1.穿透式超声波传感器的检测方式当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。这种方式的检测距离约 1m，作为标准被检测物体使用 100mm100mm 的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。2.限定距离式超声波传感器的检测方式当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。3.限定范围式超声波传感器的检测方式在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。4.回归反射式超声波传感器的检测方式回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发送器设置与布线困难的场合。若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式18与限定范围式超声波传感器。6.3 超声波传感器系统的构成超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图 3-3 所示。发送器常使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。图 3-3 超声波传感器系统的构成控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输出。对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意距离的反射波。另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范围。超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为1224V10%，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振19子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路3。6.4 小结本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理产生超声波的。超声波传感器有四种检测方式，分别为穿透式超声波传感器的检测方式、限定距离式超声波传感器的检测方式、限定范围式超声波传感器的检测方式和回归反射式超声波传感器的检测方式。超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。20AT89C51 单片机简介本课题所设计的超声波测距系统是基于单片机控制的，在介绍电路设计之前，我们先来简单了解一下单片机的工作原理，由于本课题所设计的超声波测距系统是以 Atmel 公司的 8 位单片机 AT89C51 为核心的，所以，在本章先简单的介绍一下 AT89C51 的一些特性。7.1 单片机基础知识单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器(Microcontroller)。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、存储器和 I/O接口电路等。因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。7.1.1 单片机的内部结构单片机内部结构如图 4-1 所示。21图 4-1 单片机内部结构与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。它是由中央处理器(CPU)芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和 I/O 接口芯片等通过印刷电路板上总线(地址总线 AB、数据总线 DB 和控制总线 CB)连成一体的完整计算机系统。其中，中央处理器(CPU)的字长长，功能强大；ROM 和 RAM 的容量很大；I/O 接口的功能也大，这是单片机无法比拟的。因此，单片机在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此而得名。由图 4-1 可见，中央处理器(CPU)是通过内部总线与 ROM、RAM、I/O接口以及定时器/计数器相连的，这个结构并不复杂，但并不好理解。为此，在分析单片机工作原理前，先对图 4-1 中各部件作一基本介绍是十分必要的。1.存储器在单片机内部，ROM 和 RAM 存储器是分开制造的。通常，ROM 存储器容量较大，RAM 存储器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。(1)ROM ROM(Read Only Memory，只读存储器)一般为 132K 字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内 ROM 中，根据片内 ROM 的结构，单片机又可分为无 ROM 型、ROM 型和 EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可编程只读存储器)型三类。近年来，又出现了22EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,电擦除可编程只读存储器)和 Flash 型 ROM 存储器。无 ROM 型单片机特点是片内不集成 ROM 存储器，故应用程序必须固化到外接的 ROM 存储器芯片中，才能构成有完整功能的单片机应用系统。ROM 型单片机内部，其程序存储器是采用掩膜工艺制成的，程序一旦固化进去便永远不能修改。EPROM 型单片机内部的程序存储器是采用特殊FAMOS 管构成的，程序一旦写入，也可以通过特殊手段加以修改。因此，EPROM 型单片机是深受研制人员欢迎的。 (2)RAM通常，单片机片内 RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)容量为64256 字节，最多可达 48K 字节。RAM 主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。2.中央处理器(CPU)中央处理器的内部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部电路原理图来加以分析介绍是根本不可能的。下面简单概述一下几个主要部分的工作原理。(1)运算器运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制下进行。运算器由算术逻辑单元 ALU、累加器 A、通用寄存器R0、暂存器 TMP 和状态寄存器 PSW 等五部分组成。累加器 A(Accumulator)是一个具有输入/输出能力的移位寄存器，由8 个触发器组成。TR(Temporary Register,暂存器)也是一个 8 位寄存器，用于暂存另一操作数。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算术逻辑单元)主要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累加器 A 和暂存器 TMP 中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。PSW(Program Status Word，程序状态字)也由 8 位触发器组成，用于存放 ALU 操作过程中形成的状态。(2)控制器控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢。控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分23组成。指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。指令是一种能供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分。时序部件由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。微操作控制部件可以为ID(Instruction Decoder，指令译码器)输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可与外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。3.内部总线单片机内部总线是 CPU 连接片内各主要部件的纽带，是各类信息传送的公共通道。内部总线主要由三种不同性质的连线组成，它们是地址线、数据线和控制线/状态线。地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号，通常由 CPU 发出并被存储器或 I/O 接口电路所接收。数据线用来传送 CPU写入存储器或经 I/O 接口送到输出设备的数据，也可以传送从存储器或输入设备经 I/O 接口读入的数据。因此，数据线通常是双向信号线。控制/状态线有两类：一类是 CPU 发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；另一类是存储器或外设的状态信息，如外设的中断请求、存储器忙和系统复位信号等。4.I/O 接口和特殊功能部件I/O 接口电路有串行和并行两种。串行 I/O 用于串行通信，它可以把单片机内部的并行 8 位数据(8 位机)变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给 CPU 处理。并行 I/O 口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送 8 位数据(8 位机)。7.1.2 单片机的基本工作原理单片机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。因此，单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理。为此，先从指令程序谈起。1.单片机的指令系统和程序编制前面已经介绍，指令是一种可以供机器执行的控制代码，故它又称为指令码(Instruction Code)。指令码由操作码(Operation Code)和地24址码(Address Code)构成：操作码用于指示机器执行何种操作；地址码用于指示参加操作的数在哪里。其格式为：操作码地址码 指令码的二进制形式既不便于记忆，又不便于书写，故人们通常采用助记符形式来表示，表 4-1 所列。表 4-1 指令的三种形式指令的二进制形式指令的十六进制形式指令的汇编形式01110100 data174 data1MOV A,#data1;Adata100100100 data224 data2ADD A,#data2; Adata1+data210000000 111111080 FESJMP $;停机指令的集合或指令的全体称为“指令系统”(Instruction System)。微处理器类型不同，它的指令系统也不一样。所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求排列起来的有序指令的集合。程序的编制称为“程序设计” 。通常，设计人员采用指令的汇编符(即助记符)形式编程，这种程序设计称为“汇编语言程序设计” 。显然，设计人员如果不熟悉机器的指令系统是无法编出优质高效的程序的。2.单片机执行程序的过程为了弄清单片机的工作原理，现以如下的 Y=5+10 求和程序来说明单片机的工作过程。7405HMOVA，#05H；A05H240AHADDA，#0AH；A5+1080FEHSJMP$；停机该程序由三条指令组成，每条指令均为双字节指令(即第一字节为操作码，第二字节为地址码)。第一条指令的含义是把 05H 传送到累加器 A中；第二条指令是加法指令，它把累加器 A 中的 5 和立即数 10 相加，结果保留到累加器 A 中；第三条是停机指令，机器执行后处于动态停机状25态。7.2 单片机的分类及发展1974 年,美国仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一台单片微型计算机 F8,该机由两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此，单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。1单片机的分类20 世纪 80 年代以来，单片机有了新的发展，各半导体器件厂商也纷纷推出自己的产品系列。迄今为止，市售单片机产品已达 60 多个系列，600 多个品种。按照 CPU 对数据处理位数来分，单片机通常可以分为以下四类。(1)4 位单片机 4 位单片机的控制功能较弱，CPU 一次只能处理 4 位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。(2)8 位单片机 8 位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。和 4位机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行I/O 接口和定时器/计数器个数都有不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是 8 位机中的高性能增强型单片机，除片内增加了 A/D 和 D/A 转换器以外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器(Watchdog)、总线控制部件和晶体振荡电路等。这类单片机由于其片内资源丰富且功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。(3)16 位单片机 16 位单片机是在 1983 年以后发展起来的。这类单片机的特点是：CPU 是 16 位的，运算速度普遍高于 8 位机，有的单片机寻址能力高达 1MB，片内含有 A/D 和 D/A 转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器。(4)32 位单片机 32 位单片机的字长为 32 位，是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。近年来，随着家用电子系统的新发展，32 位单片机的市场前景看好。2628 位单片机的新发展目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是 8 位单片机已成为当前单片机的主流。8 位单片机的新发展具体体现在如下四个方面：(1)CPU 功能增强(2)内部资源增多(3)引脚的多功能化(4)低电压和低功耗47.3 单片机 AT89C51 的特性AT89C 系列单片机是 Atmel 公司生产的一款标准型单片机。其中数字9 表示内含 Flash 存储器，C 表示 CMOS 工艺。其管脚图如图 4-2 所示。图 4-2 AT89C 单片机管脚图AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1主要特性：与 MCS-51 兼容 274K 字节可编程闪烁存储器 寿命：100 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验28时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断 0)P3.3 /INT1(外部中断 1)P3.4 T0(记时器 0 外部输入)P3.5 T1(记时器 1 外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编29程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP)。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除：整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。7.4 小结本章重点介绍了单片机的一些基本知识，如单片机的内部结构，单片机的工作原理等，只有详细了解单片机的工作原理，才能更好的使用单片机，用单片机来设计电路。本系统所用的单片机是 Atmel 公司生产的 AT89C51，DIP 封装，40 引脚。它的特点是内含 Flash 存储器，采用 CMOS 工艺，这种型号的芯片是目前应用得最普遍的一种。AT89 系列的单片机可分为标准型、低档型和高档型三类，均属于 8 位机。我们所使用的 AT89C51 是标准型的，本章详细介绍了它的特性和参数。30电路调试及误差分析8.1 电路的调试通过多次实验，对电路各部分进行了测量、调试和分析。首先测试发射电路对信号放大的倍数，先用信号源给发射电路输入端一个 40kHz 的方波信号，峰-峰值为 3.8V。经过发射电路后，其信号峰-峰值放大到 10V 左右。40kHz 的方波驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到 40kHz 的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号。该测距电路的 40kHz 方波由单片机编程产生，方波的周期为1/40ms，即 25s，半周期为 12.5s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生 40kHz 方波。由于 12M 晶振的单片机的时间分辨率是 1s，所以只能产生半周期为 12s 或 13s 的方波信号，频率分别为41.67kHz 和 38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz 的方波。8.2 系统的误差分析8.2.1 声速引起的误差声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度对相应静止值的扰动。高于 20kHz 时的机械波称为超声波，媒质包括气体、液体和固体。流体中的声波常称为压缩波或压强波，对一般流体媒质而言，声波是一种纵波，传播速度为 (5-1)2Ec式(5-1)中E为媒质的弹性模量，单位 kg/mm2；为媒质的密度，31单位 kg/mm3；E 为复数，其虚数部分代表损耗; c也是复数，其实数部分代表传播速度，虚数部分则与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关，测量后者可求得媒质中的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关。从式(5-1)可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。声速受温度的影响为 (5-2)201273cc图 5-1 根据上式测量的温度-声速图。图 5-1 空气中温度-声速图由式(5-2)和图 5-1 可见，当温度从 040变化时，将会产生 7%的声速变化，因此，为了提高测量准确度，计算时必须根据温度进行声速修正。工业测量中，一般用公式计算超声波在空气中的传播速度，即 (5-3)331 0.6c8.2.2 单片机时间分辨率的影响不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。相对而言，单片机的时间分辨率还是不太高，如晶振频率为 12MHz时，时间分辨率为 1s。32随机误差由于测量过程中的随机误差是按统计规律变化的，为了减少其影响，可在同一位置处多次重复测量 xi，然后取平均值 x 作为测量的真值10。提高测距精度的方法上节分析了超声波测距系统误差产生的一些原因，如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下：1. 合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。据经验，超声测距的工作频率选择 40kHz 较为合适；发射脉宽一般应大于填充波周期的 10 倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽 1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度快，脉冲发射周期可选短些。2. 在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节。因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用AGC 电路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。3. 提高计时精度，减少时间量化误差。如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率 6MHz 时，计数频率为 0.5MHz，此时在空气中的测距时间量化误差为 0.68mm；当晶振频率为 12MHz 时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为 0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率，时间量化误差更小11。4. 补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。温度传感器 LM92 的温度测试分辨率为 0.0625，10至+85准确度为1.0，I2C 总线接口。用 AT89C51 的通用 I/O 端口能很容易的模拟 I2C 总线的读写时序，LM92 高精度温度测量能很好的补偿超声波在33不同温度的传播速度。由 LM92 温度传感器和单片机组成的高精度超声波测距已应用在各种高精度测距的场合，如自动气象站中水气日蒸发量的测试、自动任意形状物体密度测试仪等，它具有测试速度快，能达到毫米级的测量精度等优点，在工程上的开发与应用前景广阔12。8.4 小结在本章里，对设计的电路进行了调试和分析。对于测距系统来说，误差是不可避免的。如何减小系统的误差，是设计测距系统必需要考虑的问题。本章分析了各种产生测量误差的原因以及解决办法，以更进一步提高超声波测距系统的测量精度。本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。给出了硬件和软件的设计方案。超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、结构、检测方式以及它的一些特性。只有深入地了解超声波传感器的工作原理，才能更好的设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用 Atmel 公司生产的 AT89C51 芯片。驱动超声波传感器的40kHz 的方波信号，就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC04 六反向器，通过它对单片机产生的方波信号进行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用的是 LM741，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的 LED显示部分采用的是静态扫描方式，并用单片机软件译码。单片机内部采用 C 语言编程，方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从 20cm 到 200cm，测量精度在10cm 内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。但由于经验不足，电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益匪浅。了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分34析、设计，也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、焊板、调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。35致谢辞首先感谢我的导师老师，在的耐心指导、帮助下，我才能顺利完成毕业设计。从电路的设计到调试整个过程中，我都从老师那里学会了很多专业方面的知识。 感谢在毕设中帮助过我的所有同学和师兄师姐们，感谢我的家人、朋友对我的支持。感谢所有教过的或没教过我们的全学院的老师，因为你们课堂上的指导和课外的交流，我们才可以学习到很多知识和做人的道理，为论文的写作做准备，为今后的人生做准备。 感谢所有的舍友和身边的朋友，谢谢你们的鼓励和支持，没有你们，我走不到今天。感谢所有的同学，因为你们的音容笑貌，我很快乐。 感谢学校为我们提供环境优雅、气氛和谐的学习场所，图书馆36的藏书让我们受益匪浅。 感谢爸爸妈妈，总会在我写得很痛苦的时候安慰我，听我牢骚。我会好好的，让你们骄傲和快乐。 感谢所有应该感谢的人和事，是你们，让我成长。37参考文献1.刘凤然.基于单片机的超声波测距系统.传感器世界.2001,5:29-322.葛健强.基于 CPLD 的超声波测距仪研制. 无锡商业职业技术学院学报.2