超聲波測距儀論文

1、班級 08341學(xué)號本科畢業(yè)設(shè)計論文題 目 超聲波測距儀的設(shè)計學(xué) 院 長安學(xué)院專 業(yè) 電氣工程及其自動化學(xué)生姓名 吳青青導(dǎo)師姓名 鄒洼牢畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信聲明書本人聲明：本人所提交的畢業(yè)論文超聲波測距儀的設(shè)計是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立研究、寫作的成果，論文中引用他人的無論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中加以說明；有關(guān)教師、同學(xué)和其他人員對本文的寫作、修訂提出過并為我在論文中加以采納的意見、建議，均已在我的致謝辭中加以說明并深致謝意。本論文和資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。論文作者： （簽字） 時間：指導(dǎo)教師已閱： （簽字） 時間：西 安 電 子 科 技 大 學(xué) 長 安 學(xué)

2、院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名 吳青青 學(xué)號 08341035 指導(dǎo)教師 鄒洼牢 職稱 高工學(xué)院 長安學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動化題目名稱 超聲波測距器的設(shè)計任務(wù)與要求1、了解單片機(jī)硬件知識和外圍電路2、熟悉單片機(jī)的軟件編程，熟悉要用到的軟件Protel和Keil系列軟件。3、了解超聲測距原理，劃出原理圖和PCB板圖4、用 LED顯示測試距離5、測量范圍 0.10 4.00 m 測量精度 1cm開始日期 2012年1月15日 完成日期 2012年5月20日院長（簽字） 2012年 月 日注：本任務(wù)書一式兩份，一份交學(xué)院，一份學(xué)生自己保存。西 安 電 子 科 技 大 學(xué) 長 安 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)

3、計（論文）工作計劃學(xué)生姓名 吳青青 學(xué) 號 08341035指導(dǎo)教師 鄒洼牢 職 稱 高級工程師學(xué) 院 長安學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化題目名稱 超聲波測距器的設(shè)計一、畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)度起 止 時 間 工 作 內(nèi) 容1月15日2月15日 明確設(shè)計任務(wù)，查找收集資料；2月15日2月25日對資料進(jìn)行分析、整理；3月11日3月20日畫出原理圖；3月21日4月1日畫出PCB板圖；4月1日 4月10日對設(shè)計板圖按要求進(jìn)行調(diào)試，得出結(jié)論；4月10日 4月20日完成畢業(yè)論文構(gòu)架；4月20日 5月20日書寫論文；二、主要參考書目（資料）1 胡萍，超聲波測距儀的研制 計算機(jī)與現(xiàn)代化，2003.102 時德

4、剛，超聲波測距的研究 計算機(jī)測量與控制，2002.103 華兵，MCS-51 單片機(jī)原理應(yīng)用 武漢華中科技大學(xué)出版社，2002 .54 李華，MCU-51 系列單片機(jī)實用接口技術(shù) 北京航空航天大學(xué)出版社，1993. 65 陳光東，單片機(jī)微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版) 武漢華中理工大學(xué)出版社，1999.46 徐淑華，程退安，單片機(jī)微型機(jī)原理及應(yīng)用哈爾濱工業(yè)大學(xué) 出版社，1999. 6.7 蘇長贊，紅外線與超聲波遙控 北京人民郵電出版社，1993.78 張謙琳，超聲波檢測原理和方法 中國科技大學(xué)出版社，1993.109 九州，放大電路實用設(shè)計手冊 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.510 樊昌元，

5、高精度測距雷達(dá)研究 電子測量與儀器學(xué)報，2000.1011 蘇偉，鞏壁建，超聲波測距誤差分析 傳感器技術(shù)，2004.三、主要儀器設(shè)備及材料示波器萬用表計算機(jī)設(shè)備STC80C51單片機(jī)四、教師的指導(dǎo)安排情況（場地安排、指導(dǎo)方式等）定期在實驗室（F321）檢查畢設(shè)進(jìn)度并加以指導(dǎo)。五、對計劃的說明該計劃為工作前期計劃，各個階段的具體時間可根據(jù)具體情況加以調(diào)整。 注：本計劃一式兩份，一份交學(xué)院，一份學(xué)生自己保存（計劃書雙面打?。┱S著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可預(yù)見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是

6、排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此箱涵排水疏通移動機(jī)器人的自動控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排水疏通機(jī)器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。本設(shè)計采用以AT89C51的單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個電路采用模塊化設(shè)計，有主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接受子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方

7、案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、抗干擾能力強(qiáng)、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。關(guān)鍵詞：AT89C51；超聲波；測距ABSTRACTABSTRACTWith the development of science and technology, the improvement of people's standard of living, speeding up the development and construction of the ci

8、ty. urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However, due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction. Therefore, there are oft

9、en good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear

10、the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultraso

11、nic range finder.At the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutin

12、e modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module.The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified,

13、 the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision.Key words: AT89S52 Silent Wave Me

14、asure Distance II目錄 i目 錄第一章 緒論 . 11.1 課題設(shè)計目的及意義 . 11.1.1 設(shè)計的目的 . 11.1.2 設(shè)計的意義 . 11.2 超聲波測距儀的設(shè)計思路 . 21.2.1 什么是超聲波 . 21.2.2 超聲波的特性及特點 . 21.2.3 超聲波的應(yīng)用 . 31.2.4 超聲波測距原理 . 31.2.5 聲波測距儀原理框圖如下 . 31.3 課題設(shè)計的任務(wù)和要求 . 4第二章 課程的方案設(shè)計和論證 . 52.1 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計 . 52.2 系統(tǒng)整體方案的論證 . 5第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計. 73.1 單片機(jī)的簡介 . 73.1.1 單片機(jī)基礎(chǔ)

15、知識 . 73.1.2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) . 83.1.3 單片機(jī)的基本工作原理 . 103.1.4 單片機(jī)的分類及發(fā)展 . 113.1.5 單片機(jī)AT89C51的功能特性 . 133.1.6 單片機(jī)實現(xiàn)測距原理 . 143.2 超聲波發(fā)射電路 . 143.3 超聲波檢測接收電路 . 153.4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 . 錯誤！未定義書簽。第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 . 194.1 超聲波測距器的算法設(shè)計 . 19ii 目錄4.2 主程序流程圖 . 214.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 . 224.4 系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試及性能分析 . 234.4.1 系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試 . 234

16、.4.2 性能指標(biāo)和誤差分析 . 24第五章 總結(jié) . 25致 謝 . 27參考文獻(xiàn) . 29第一章 緒論 1第一章 緒論1.1 課題設(shè)計目的及意義1.1.1 設(shè)計的目的隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測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)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；研制更適合于淺海

17、工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作壞境。毋庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測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，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。1.1.2 設(shè)計的意義隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可預(yù)見因素，城市給排水系統(tǒng)，往往落后于城市建設(shè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此箱涵

18、的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機(jī)器人自動控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機(jī)器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的意義。2 超聲波測距儀的設(shè)計1.2 超聲波測距儀的設(shè)計思路1.2.1 什么是超聲波聲波是物體機(jī)械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進(jìn)行往返運(yùn)動。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下震動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒介向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了

19、以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。1.2.2 超聲波的特性及特點超聲波具有如下特性：1、超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。2、超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。3、超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。4、超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 超聲

20、波具有的特點：1、超聲波在傳播時，方向性強(qiáng)，能量易于集中。2、超聲波能在各種不同媒介中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。3、超聲與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲煤質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶嘿|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。（治療）超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的煤質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。超聲波以直線方式傳播，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)就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波第一章 緒論 3在空氣中傳播速度較

21、慢，為340ms，這就使得超聲波使用變得非常簡單。1.2.3 超聲波的應(yīng)用超聲波測距主要用于倒車?yán)走_(dá)、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。在機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景的前提下，其關(guān)鍵技術(shù)取決于機(jī)器人視覺系統(tǒng)設(shè)計的精確與否。超聲波傳感器以其價格低廉、硬件容易實現(xiàn)的優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器，實現(xiàn)定位以及環(huán)境建模。超聲波測距作為輔助視覺系統(tǒng)與其它視覺系統(tǒng)（如CCD圖像傳感器）配合使用，可實現(xiàn)整個視覺功能，具有自動探測前方障礙物、自動減速或剎車的功能，是未來高級小轎車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車公司都已投入了

22、相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪﹂_發(fā)在高級汽車上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS和高檔微機(jī)等。據(jù)海外媒體報道，戴姆勒克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出供商用車（尤指卡車）使用的電子剎車系統(tǒng)，它利用車載前視雷達(dá)感應(yīng)器探測前方景物，由車載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來判斷當(dāng)前路況是否需要啟動自動剎車裝置。1.2.4 超聲波測距原理發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體時被發(fā)射返回，由接收器接收，其往返時間t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其速度v與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基

23、本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。?.1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表1.2.5 聲波測距儀原理框圖如下單片機(jī)發(fā)出 40kHZ 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動單片4 超聲波測距儀的設(shè)計機(jī)中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。圖1.1超聲波測距儀原理圖1.3 課題設(shè)計的任務(wù)和要求設(shè)計一超聲波測距儀任務(wù)：（1） 了解超聲波測距原理。（2） 根據(jù)超聲波測距原理，設(shè)計超聲波測距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。設(shè)計一超聲波測距儀要求：（1） 設(shè)計出超聲波測距儀的硬

24、件結(jié)構(gòu)電路。（2） 對設(shè)計的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收， 而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。（3） 對設(shè)計的電路進(jìn)行分析。（4） 以數(shù)字的形式顯示測量距離。第二章 課程的方案設(shè)計和論證 5第二章 課程的方案設(shè)計和論證2.1 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計我們知道由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，算處理也比較簡單，并且在測量精度方面也能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。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、電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、

25、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89C51 單片機(jī)作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完成。超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2.1所示圖2.1超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計框圖2.2 系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計 算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，

26、適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓 電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(dāng)6 超聲波測距儀的設(shè)計的衰減，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高,故短距離測量時應(yīng)選擇頻率高的傳感器,而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 7第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)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。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲

27、波換能器所需的40KHz的方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動。3.1 單片機(jī)的簡介51單片機(jī)是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flash ROM技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)是

28、基礎(chǔ)入門的一個單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。當(dāng)前常用的51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品有：*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；*Philips、華邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司的許多產(chǎn)品目前，國產(chǎn)宏晶STC單片機(jī)以其低功耗、廉價、穩(wěn)定性能，占據(jù)著國內(nèi)51單片機(jī)較大市場。3.1.1 單片機(jī)基礎(chǔ)知識單片微型計算機(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）。單片微型計算機(jī)是微型計算

29、機(jī)的一個重要分支，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8 超聲波測距儀的設(shè)計有計算機(jī)的基本功能部件：CPU（Central Processing Unit，中央處理器），存儲器和 IO 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，便可成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。3.1.2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1所示與單片機(jī)相比，微型計算機(jī)是一種多片機(jī)系統(tǒng)。它是中央處理器（CPU）芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和 IO 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）連成一體的完整計算機(jī)系統(tǒng)。其中，中央

30、處理器（CPU）的字長長，功能強(qiáng)大；ROM 和 RAM 的容量很大；接口的功能也大，IO 這是單片機(jī)無法比擬的。因此，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與微型計算機(jī)十分相似，是一種集微型計算機(jī)主要功能部件于同一塊芯片上的微型計算機(jī)，并由此而得名。由圖 3.1 可見，中央處理器（CPU）是通過內(nèi)部總線與 ROM，RAM，IO 接口以及定時器計數(shù)器相連的，這個結(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3.1 中各部件作一基本介紹是十分必要的。1存儲器在單片機(jī)內(nèi)部，ROM 和 RAM 存儲器是分開制造的。通常，ROM 存儲器容圖3.1單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 9量較大，RAM 存儲

31、器的容量較小，這是單片機(jī)用于控制的一大特點。（1）ROMROM(Read Only Memory，只讀存儲器)一般為 1 32K 字節(jié)，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲器。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器）型三類。近年來，又出現(xiàn)EEPROM（Electrically Erasable 2 Programmabl

32、e Read Only Memory，電擦除可編程只讀存儲器和 Flash 型 ROM 存儲器）。無 ROM 型單片機(jī)特點是片內(nèi)不集成 ROM 存儲器，故應(yīng)用程序必須固化到外接的 ROM 存儲器芯片中，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)部的程序存儲器是采用特殊 FAMOS 管構(gòu)成的，程序一旦寫，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)存取存儲器）容量為 64256

33、字節(jié)，最多可達(dá) 48K 字節(jié)。RAM 主要用來存放實時數(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。2中央處理器（CPU）中央處理器的內(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。累加器 A（Accumulator）是一個具有輸入輸出能力的移位寄存器，由8個觸發(fā)器組成。TR（Temporary Register，暫存器

34、）也是一個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，移位電路和判斷電路等組成，用于對累加器A和暫存器 TMP 中兩個操作數(shù)進(jìn)行10 超聲波測距儀的設(shè)計四則運(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)。（2）控制器控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu),是計算機(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

35、能供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分。時序部件由時鐘系統(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脈沖信號。微操作控制部件可以為 ID（Instruction 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。3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)出并被存儲器或 IO 接口電路所接收。數(shù)據(jù)線用

36、來傳送CPU 寫入存儲器或經(jīng)IO 接口送到輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以傳送從存儲器或輸入設(shè)備經(jīng)IO 接口讀入的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)線通常是雙向信號線。控制狀態(tài)線有兩類：一類是 CPU 發(fā)出的控制命令，如讀命令、寫命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲器或外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請求，存儲器忙和系統(tǒng)復(fù)位信號等。4IO 接口和特殊功能部件 IO 接口電路有串行和并行兩種。串行IO 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IO 口電路可以使單片機(jī)和存儲器或外設(shè)之間并行地傳送8位數(shù)據(jù)（8位機(jī)）。3.1.3

37、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)行程序的過程實際上也體現(xiàn)了單片機(jī)的基本工作原理。為此，第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 11先從指令程序談起。1單片機(jī)的指令系統(tǒng)和程序編制前面已經(jīng)介紹，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：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3.1所列。表

38、3.1匯編指令形式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”。通常，設(shè)計人員采用指令的匯編符（即助記符）形式編程，這種程序設(shè)計稱為 “匯編語言程序設(shè)計”。顯然,設(shè)計人員如果不熟悉機(jī)器的指令系統(tǒng)是無法編出優(yōu)質(zhì)高效的程序的。3.1.4 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12 超聲波測距

39、儀的設(shè)計電器和儀器儀表領(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)大，現(xiàn)已成為微型計算機(jī)的重要分支。1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，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 多個系列，600多個品種。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)，種最為齊全。和4位機(jī)相比，它不僅具有較大的存儲容量和尋址范圍，

40、而且中斷源、并行IO 接口和定時器計數(shù)器個數(shù)都有不同程度的增加，并集成有全雙工串行通信接口。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 AD 和 DA 轉(zhuǎn)換器以外，還集成有定時器捕捉比較寄存器、監(jiān)視定時器（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AD和DA 轉(zhuǎn)換電路，支持高

41、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算機(jī)外部設(shè)備的控制器。（4）32 位單片機(jī) 32位單片機(jī)景的字長為32位，是單片機(jī)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。28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）低電壓和低功耗第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 133.1.5 單片機(jī)AT89C51的功能特性51單片機(jī)中典型芯片（AT89C51）采用40引腳雙系列直插封（

42、DIP）形式內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM， 2個16b的定時計數(shù)器T0和T1，4個8 b的IO端1：IP0，P1，P2，P3，一個全雙串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)內(nèi)的flash可編程、可擦除只讀存儲器（EPROM），使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳封裝如圖3.2所示圖3.2 51系列單片機(jī)封裝圖51系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB 存儲器；256 BRAM；32 條IO線；2個16b定時計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。空閑方式：CPU 停止工作，而讓 RAM，定時計數(shù)器，串行

43、口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式，保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。51系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。14 超聲波測距儀的設(shè)計3.1.6 單片機(jī)實現(xiàn)測距原理單片機(jī)發(fā)出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回的波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差tr，然后求出距離S=Ct2，式中的c為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最

44、小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收設(shè)計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)。3.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 3.3 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器T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，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度.輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R10，R11一方面可以提高反向器 74LS04

45、 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。圖3.3 超聲波發(fā)射電路圖第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 15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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.4所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。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。圖3.4

46、 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖3.3 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率 40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路（如圖3.5）。實驗證明用CX20106A接收超聲波（信號時輸出高電平）具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。16 超聲波測距儀的設(shè)計圖3.5 超聲波檢測接收電路圖3.4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)的特點是利用單片機(jī)可控制超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時（定時器），單片機(jī)選用AT89C5

47、1，經(jīng)濟(jì)易用，切片內(nèi)有4K的ROM，便于編程。其中只畫出AT89C51為核心主電路圖3.6和驅(qū)動顯示電路圖3.7。接收發(fā)射模塊前面已經(jīng)敘述，這里不再重復(fù)敘述。第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計17圖3.6核心主電路18 超聲波測距儀的設(shè)計圖3.7驅(qū)動顯示電路第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 19第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序,超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。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

48、用 C 語言和匯編語言混合編程。下面對超聲波測距器的算法、主程序、超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。4.1 超聲波測距器的算法設(shè)計圖4.1示意了超聲波測距的原理，即超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發(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)生器與反射物體的距離.距離的計算公式為： d=s/2=(c×t)/2 （1） 其中，d 為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)

49、。表4.1列出了幾種不同溫度下的超聲波聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。20 超聲波測距儀的設(shè)計圖4.1 超聲波測距原理圖在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，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，讀取時間差，計算距離。其部分源程序如下：RECEIVE0：PUSH PSWPUSH

50、ACCCLR EX0 ：關(guān)外部中斷 0MOV R7，TH0 ；讀取時間值MOV R6， TL0CLR CMOV A，R6SUBB A， #0BBH；計算時間差MOV 31H， A ；存儲結(jié)果MOV A，R7SUBB A， #3CHMOV 30H，ASETB EX0 ；開外部中斷 0POP ACCPOP PSWRETI第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 214.2 主程序流程圖主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和 P2 清0；然后調(diào)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

51、延時約 0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是 12 MHz 的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1s所以，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù) （即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離。設(shè)計時取 20時的聲速為 344 m/s 則有：d=(v×t)/2=172T0/10000cm （2） 其中，T0 為計數(shù)器 T0 的計算值。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離

52、，主程序采用C語言編寫。圖4.2所示為主程序流程圖22 超聲波測距儀的設(shè)計圖4.2 主程序流程圖 4.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻率，脈沖寬度為12s左右，同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。超聲波約40kHz的方波）發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計波信號（即 INT0引腳出現(xiàn)低電平）時器T0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 T

53、0 溢出中斷將外中斷0閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2，表示此次測距不成功。前方測距電路的第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 23輸出端接單片機(jī)INT0 端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī) INT1 端口，同時單片機(jī) P1.3 和 P1.4 接到IC3A 的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。圖4.3為中斷程序圖4.3中斷程序4.4 系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試及性能分析4.4.1 系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用 15 的超聲波換能器 TCT40-10F1（T 發(fā)射）和 TCT40-10S1（R接收），中心頻率為 40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗