超声波测距仪毕业设计

无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   1 测距仪的设计与应用  摘要：现在超声波测距已广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠。本文简要介绍了利用 51 系列单片机实现超声波测距的原理以及实现的方法。  关键词：单片机  ，测距仪，温度传感器，超声波  1.引言： 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 。  2.总体方案设计  2.2.1 方案一： 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 1 所示。  图 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 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。  2.2.2 方案二： 基于 CPLD 的超声波 测 距系 统  这种测 距系 统 采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，运用HDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)编 写程序，使用 MAX+plusII 软 件 进 行 软 硬件 设计 的仿真和 调试 ，最 终实现测 距功能。 CPLD 器件内部的宏 单 元是其最基本的模 块 ，能独立地 编 程 为 D 触 发 器、 T触 发 器、 RS 触 发 器或 JK 触 发 器工作方式或 组 合 逻辑 工作方式。它的 这种 特性非常适用于本系 统 ，可将本系 统 所需要的分 频 功能、 计 数功能、振 荡 器、七段 码显 示全部由 MAX 来 实现 ，而只需在外部配上适当的超声波 传 感器、接收和 发 送 电 路，即可 组 成一个 测 量精度高、性能 稳 定、响 应 速度快且具有 显 示功能的超声波 测 距 仪 。  2.2.3方案选择  通过上述两个方案的比较，便能发现方案一设计的电路比方案一的电路有极大的优势，性能全面，使用方便，而且简单、稳定 ,并且大部分知识是课堂所学，可做到学以致用。  无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   2 测距仪背景： 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术主要包括计算机技术、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、红外线传感器、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。  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 。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。  2.2.4 超声波测距仪的原理  超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，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 (s)，即：  S=vt/2 这就是所谓的时间差测距法。 由于超声波 发 球声波范 围 ，其 波速 c 与温度有 关 ，表 1列出了几 种 不同温度下的波速。  表 1 声速与温度的 关 系  温度（）  30 20 10   0 10 20 30 100 声速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 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 2 所示。  超声波接收  单片机  控制器  超声波发送  LED 显示  扫描驱动  无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   3 图 2  超声波测距器系统设计框图  由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距 离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为 40KHz 左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。  2.3  超声波的介绍  2.3.1 超声波的应用  超声波是频率高于  20000 赫兹的声波 ,它方向性好 ,穿透能力强 ,易于获  得较集中的声音 ,在水中传播距离远 ,可用于测距 ,测速 ,清洗 ,焊接 ,碎石 , 杀菌消毒等 .在医学 ,军事 ,工业 ,农业上有很多的应用 .  1.超声检验 .超声波的波长比一般声波要短 ,具有较好的方向性 ,而且  能透过不透明物质 ,这一特性已被广泛用于超声波探伤 ,测厚 ,测距 ,遥控  和超声波成像技术 .超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术  . 把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上 ,从试样透出的超声  波携带了被照部位的信息 (如对声波的反射 ,吸收和散射的能力 ) ,经声透镜汇聚在压电接收器上 ,所得电信号输入放大器 ,利用扫描系统可把不透明  试样的形象显示在荧光屏上 .  2.超声处理 .利用超声的机械作用 ,空化作用 ,热效应和化学效应 ,可  进行超 声焊接 ,钻孔 ,固体的粉碎 ,乳化  ,脱气 ,除尘 ,去锅垢 ,清洗 , 灭菌 ,促进化学反应和进行生物学研究等 ,在工矿业 ,农业 ,医疗等各个部  门获得了广泛应用 . 3.基础研究 .超声波作用于介质后 ,在介质中产生声弛豫过程 ,声弛豫  过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程 ,并在宏观上表现出对声波的吸收   2.3.2 超声波的发展  一 、 国际方面 : 自  19 世纪末到  20 世纪初 , 在物理学上发现了压电效应与反压电效应之  后 ,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法 ,从此迅速揭开了发展与  推广超声技术的历史篇章 . 1922 年 ,德国出现了首例超声波治疗的发明专利 . 1939 年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道 . 40 年代末期超声治疗在欧美兴起 ,直到  1949 年召开的第一次国际医学  超声波学术会议上 ,才有了超声治疗方面的论文交流 ,为超声治疗学的发展  奠定了基础 .1956 年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表 , 超声治疗进入了实用成熟阶段 .  二 、 国内方面 : 国内在超声治疗领域起步稍晚 , 20 世纪  50 年代初才只有少数医院开  于  展超声治疗工作 ,从 1950年首先在北京开始用 800KHz频率的超声治疗机  治疗 多种疾病 ,至 50年代开始逐步推广 ,并有了国产仪器 .公开的文献报  道始见于  1957 年 .到了 70 年代有了各型国产超声治疗仪 ,超声疗法普及到  全国各大型医院 . 40 多年来 , 全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经  验 .特别是  20 世纪  80 年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科 ,是  结石症治疗史上的重大突破 .如今已在国际范围内推广应用 .高强度聚焦超  声无创外科 ,已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置 .而在  21 世纪  (HIFU)超声聚焦外科已被誉为是  21 世纪治疗肿瘤的最新技术 . 2.4  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、液哨和气无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   4 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 方式以及超声波 传 感系 统 的构成。  2.4.1 超声波传感器的 原理  人 们 可以听到的声音 频 率 为 20Hz 20kHz，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 100Hz 8kHz。  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 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。  图 3 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。双晶振无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   5 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。  2.4.2 超声波传感器的 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 2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 2 超声波 传 感器 MA40S2R/S 的特性  种类 特性  MA40S2R接收  MA40S2S 发 送  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  1600pF 1600pF 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 4 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  无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   6 图 4 传 感器的方向性  2.4.3 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 100mm 100mm 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与限定范 围 式超声波 传 感 器  2.4.4 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 5 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，无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   7 从而 对发 送的超声波 进 行 检测 。  图 5 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 1224V 10%，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  2.5  本章小结  本章我 们详细 介 绍 了 超声波测距仪的原理， 两种常用的超声波测距方法， 超声波的应用以及发展，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。  3.系统组成  3.1  单片机 AT89C51 AT89C52 与  AT89C51 不同之处：  1、   RAM 空间增大： AT89C51 有 128 字节的内部  RAM，称之为  DATA 存储区。         AT89C52 的内部  RAM 扩展为  256 字节，其中高  128 字节，位于从  80H 开始的    地址空间中，称之为  IDATA 存储区，但 IDATA 区的访问只能是间接寻址方式。  2、   内部 FLASH变大： AT89C51 有  4K 字节的内部  FLASH PERAM，而。 AT89C52 的内部 FLASH PERAM 增加 1倍，达到 8K。  3、  中断源增加：在 AT89C52 中 P1.0和 P1.1还可分别作为定时器 /计数器 2的外部计数无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   8 输入（ P1.0/T2）和（ P1.1/T2EX），也就是说， P1.0同时可作为定时器 /计数器  T2 的外部计数输入，和输出占空比  50% 的时钟脉冲端口， P1.1同时可作为定时器 /计数器  T2 捕获 /重新装载触发和方向控制端口。故， AT89C52 除了具备  AT89C51 的定时器 /计数器  T0 和 定时器 /计数器  T1，还额外增加了一个定时器 /计数器  T2。而定时器 /计数器  T2 的控制和状态位单独位于 T2CON、 T2MOD，定时器 /计数器  T2 在  16 位捕获方式或自动重新装载方式下的捕获 /重载寄存器组是（ TCAO2H、 RCAP2L）。  纵上所述，本设计中采用 89C52。  1、  51 系列单片机的功能特点   5l 系列单片机中典型芯片采用 40 引脚双列直插封装 (DIP)形式，内部由 CPU， 4kB的 ROM， 256 B 的 RAM， 2 个 16b 的定时计数器 TO 和 T1， 4个 8 b 的工O端 I： IP0， P1， P2， P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的 Flash 可编程、可擦除只读存储器 (EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图 1所示。  5l 系列单片机提供以下功能： 4 kB 存储器； 256 BRAM； 32 条工 O 线；2个 16b 定时计数器； 5 个 2级中断源； 1 个全双向的串行口以及时钟电路。  空闲方式： CPU 停止工作，而让RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。  掉电方式：保存 RAM 的内容，振荡器停振，禁止芯片 所有的其他功能直到下一次硬件复位。  5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。  MCS-51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照 -单片机引脚图：  P0.0P0.7 P0 口 8位双向口线（在引脚的 3932 号端子）。  P1.0P1.7 P1 口 8位双向口线（在引脚的 18 号端子）。  P2.0P2.7 P2 口 8位双向口线（在引脚的 2128 号端子）。  P3.0P3.7 P2 口 8位双向 口线（在引脚的 1017 号端子）。  这 4个 I/O 口具有不完全相同的功能，大家可得学好了，其它书本里虽然有，但写的太深，对于初学者来说很难理解的，我这里都是按我自已的表达方式来写的，相信你也能够理解的。  P0 口有三个功能：  1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图 1 中的 D0D7 为数据总线接口）  2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图 1 中的 A0A7 为地址总线接口）  无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   9 3、不扩展时，可做一般的 I/O 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。  引脚说明：  P1 口只做 I/O 口使用：其内部有上拉电 阻。  P2 口有两个功能：  1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用  2、做一般 I/O 口使用，其内部有上拉电阻；  P3 口有两个功能：  除了作为 I/O 使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。  有内部 EPROM 的单片机芯片（例如 8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，  即：编程脉冲： 30 脚（ ALE/PROG）  编程电压（ 25V）： 31 脚（ EA/Vpp）  在介绍这四个 I/O 口时提到了一个 “ 上拉电阻 ” ， 当作为输 入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果 P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。  ALE 地址锁存控制信号 ： 在系统扩展时， ALE 用于控制把 P0 口的输出低 8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。当 CPU 对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即 P0口输出。  由于 ALE 是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，当系统中未使用外部存储器时， ALE 脚也会有六分之一的固定频率输出，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。  PSEN 外部程序存储器读选通 信号 ： 在读外部 ROM 时 PSEN 低电平有效，以实现外部 ROM 单元的读操作。  1、内部 ROM 读取时， PSEN 不动作；  2、外部 ROM 读取时，在每个机器周期会动作两次；  3、外部 RAM 读取时，两个 PSEN 脉冲被跳过不会输出；  4、外接 ROM 时，与 ROM 的 OE 脚相接。  EA/VPP 访问和序存储器控制信号  1、接高电平时： CPU 读取内部程序存储器（ ROM）  扩展外部 ROM：当读取内部程序存储器超过 0FFFH（ 8051） 1FFFH（ 8052）时自动读取外部 ROM。  2、接低电平时： CPU 读取外部程序存储器（ ROM）。  3、 8751 烧写内部 EPROM 时，利用此脚输入 21V 的烧写电压。  RST 复位信号 ： 当输入的信号连续 2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。  XTAL1 和 XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。  VCC：电源 +5V 输入   VSS： GND 接地。  无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   10 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 tr，然后求出距离 S Ct 2，式中的 C 为超声波波速。  限制该系统的最大可测距离存在 4个因素：超声波的幅度、反射的质地、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的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，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。由于超声波属于声波范围，其波速 C 与温度有关，表 1。列出了几种不同温度下的波速。  在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速 C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时间 r，即可求得距离 5。  AT89C51通过外部引脚 P2 0 输出脉冲宽度为 25 us、载波为 40kHz 的超声波脉冲串，加到射随器的基级，经功率放大推动超声波发射器发射出去。超声 波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波。经处理后输出低电平，送到 AT89C51 的引脚  利用 51 系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观。经实际测试证明，该类测距仪工作稳定，能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比。由于该系统中锁相环锁定需要一定时间，测得的距离有误差，在汽车雷达应用中此误差为 3C111 可忽略不计；但在精度要求较高的工业领域如机器人自动测距等方面，此误差不能忽略，只有通过改变 -些硬件的应用实现对超声波的快速锁定，使误差进一步减小到 0 31llnl，可以满足更高要求。  3.2 锁相环原理及应用  3.2.1 锁相环原理  锁相环最基本的结构如图 6.1 所示。它由三个基本的部件组成：鉴相器（ PD）、环路滤波器（ LPF）和压控振荡器（ VCO）。  1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 0 - A p r - 2 0 0 6 S h e e t     o f  F i l e : I : 超声波 . D d b D r a w n  B y :E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 0 / T1P 1 1 / T2P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U18 9 C 5 1C12 7 PC22 7 PY16MR1 1 0 0R21KC53 0 U FS1S W - P BV C CRDWRabfcgde1234567abcdefg8dpdpcom9D S 1D P Y _ 7abfcgde1234567abcdefg8dpdpcom9D S 2D P Y _ 7D I N1L O A D12C L K13G N D4G N D9V+19I S E T18D I G  02D I G  111D I G  26D I G  37D I G  43D I G  510D I G  65D I G  78S E G  A14S E G  B16S E G  C20S E G  D23S E G  E21S E G  F15S E G  G17S E G  D P22D O U T24U57 2 1 9R49 . 5 3 kP 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5123456J1C O N 6+ 5 v+ 5 vAB B BA AC CD DDCE E EF F FG G GP P PD0D1D0V i n1GND3+ 5 V2U?M C 7 8 L 0 5 C GQ?N P NR?R E S 2R?R E S 2R?接收器1122335566778844L M 3 5 8R?L M 3 5 8R?接收器C?C A PR?R E S 2R?R E S 2R?R E S 2C?C A PR?R E S 2R?R E S 2R?R E S 2C?C A PR?R E S 2V c cR?R E S 2C?C A PC?C A PD?D I O D EC? C A PC? C A PR?P O T 2R?R E S 4C?C A PR?R E S 2I N T 01234 5678L M 3 8 6U?C?C A PC?C A PR? R E S 2R?R E S 2C?C A PL S ?S P E A K E RP 2 . 1I N T 0 P 2 . 1P 1 . 3P 1 . 5P 1 . 4V d dC?C A PV c c电源接收子电路报警电路显示电路 单片机系统L M 3 8 6L M 3 5 8L M 5 6 78 9 C 5 17 2 1 91GND2DO3VccU?Q?J F E T  NV C CV C C1234 5678Q?5 6 7无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   11 鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号 Si(t)和压控振荡器的输出信号 So(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Se(t)。  环路滤波器的作用是滤除误差电压 Se(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。   压控振荡器受控制电压 Sd(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频 率靠拢，直至消除频差而锁定。  锁相环是个相位误差控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。在环路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控振荡器输 出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入 “ 锁定 ” 状态。这就是锁相环工作的大致过程。  以上的分析是对频率和相位不变的输入信号而言的。如果输入信号的频率和相位在不断地变化，则有可能通过环路的作用，使压控的频率和相位不断地跟踪输入频率的变化。  锁相环具有良好的跟踪性能。若输入 FM 信号时，让环路通带足够宽，使信号的调制频谱落在带宽之内，这时压控振荡器的频率跟踪输入调制的变化。  对于锁相环的详细分析可参阅有关锁相技术的书籍。在此仅说明锁相环鉴频原理。可以简单地认为压控振荡器频率与输 入信号频率之间的跟踪误差可以忽略。因此任何瞬时，压控振荡器的频率 v(t)与 FM 波的瞬时频率 FM(t)相等。  FM 波的瞬时角频率可表示为 ：  假设 VCO 具有线性控制特性，其斜率 Kv（压控灵敏度）为（弧度秒 伏），而VCO 在 Sd(t) 0时的振荡频率为 o ，则当有控制电压时， VCO 的瞬时角频率为    令上两式相等，即 v(t) FM(t)，可得  其中 o为 FM 波的载频， o 为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。因此上式第一项为直流项，可用隔直元件消除，或者开始时已经把压控振荡器的频率调整为 o= o 。因此上式还可进一步写成  无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   12 可见，锁相环输出，除了常系数 Kf Kv之外，近似等于原调制波形 f(t)，因而达到频率解调的目的。   同理，锁相环也可用于解调 PM信号，此时只需在输出端接入一个积分器就可以了。  通过合理选择环路参数（主要是环路滤波器的参数）可以在满足解调要求的条件下使闭环带宽尽可能窄，以便抑制噪声。因此锁相环具有良好的噪声性能。当接收信号电平微弱，噪声成为主要考虑因素时，采用 PLL 解调器可以改善解调性能，它可用于各种移动 FM 电台、微波接力系统、卫星通信系统以及电视、遥测等系统中，它与普通鉴频器相比，门限改善可达 6dB，所以 PLL 解调器又称为门限扩张解调器或低门限解调器。  1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 1 - A p r - 2 0 0 6 S h e e t     o f  F i l e : C : D o c u m e n t s  a n d  S e t t i n g s A d m i n i s t r a t o r 桌面 牛安东 测距仪 超声波 . d d bD r a w n  B y :1122335566778844L M 3 5 8R?L M 3 5 8R?接收器C?C A P R?R E S 2R?R E S 2R?R E S 2C?C A PR?R E S 2R?R E S 2R?R E S 2C?C A PR?R E S 2R?R E S 2C?C A PC?C A PD?D I O D EC? C A PC? C A PR?R E S 4C?C A PR?R E S 2I N T 0接收子电路L M 3 5 8L M 5 6 71234 5678Q?5 6 7l m 5 6 73.2.3  LM567 的工作原理  LM567 是具有同步调幅锁定检测的高稳定锁相环电路，利用该集成块内部“可控硅电流振荡器”，为通用的音调译码器。 主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。  LM567 使用要领：  1、 LM567 输出部分与普通数字 IC 等有所不同，其内部是一个集电极开路的 NPN型三极管，使用时， 脚与正电源间必须接一电阻或者其它负载，才能保证 IC 译码后输出低电平。  2、实验表明： LM567 接通电源瞬间， 脚会输出一低电平脉冲。因此，用于作遥控器译 码控制时，应在输出端后加装 RC 积分延时电路，以免每次断电后，重新复电时产生误动作。  无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   13 3、 LM567 第 、 脚为译码中心频率设定端，一般通过调整其外接可变电阻 W改变频率，经笔者实验发现，当 W 阻值变为 0 或无限大时， 脚电平状态即使无信号输入时也会变为低电平，因此，在调整 W时，不能使其短路或开路。  4、 LM567 的工作电压对译码器的中心频率有所影响，故最好采用稳压供电。  5、 LM567 脚外接电容决定着锁相环捕捉带宽，容量越小，捕捉带宽越宽，但使用时，不可为增大捕捉带宽而一味减小电容容量，否则 ，不但会降低抗干扰能力，严重时还会出现误触发现象，降低整机的可靠性。  3.2.4、 LM358 工作原理  LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，其封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。  本设计中用的是单电源工作模式，充分利用两个运算放大器。                                               3.3 温度传感器  3.3.1 温度传感器原理  美国 DALLAS 公司生产的单线数字温度传感器 DS182,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片 DS1820 含有唯一的硅串行数 所以在一条总线上可挂接任意多个 DS1820 芯片。从 DS1820 读出的信息或写入 DS1820 的信息，仅需要一根口线（单线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS1820 供电，而无需额外电源。 DS1820 提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。  本文给出了 DS1820 与 89C51 单片机接口的应用实例和 DS1820 组成温度检测系统的方法，并给出了对 DS1820 进行各种操 作的软件流程图。    DS1820 的特性   单线接口：仅需一根口线与 MCU 连接   无需外围元件   由总线提供电源   测温范围为 -55 75 ，精度为 0.5   九位温度读数  A/D 变换时间为 200ms 用户自设定温度报警上下限，其值是非易失性的  DS1820 的引脚见图（ PR35 封装）。  GND：地；  DQ：数据输入输出脚（单线接口，可作寄生供电）；  VDD：电源电压。    DS1820 的工作原理  DS1820 的内部结构如图所示。由图可知， DS1820 由三个主要数字器件组成： 64bit 闪 速 ROM； 温度传感器； 非易失性温度报警触发器 TH 和 TL。 64bit 闪速 ROM 的结构如下：  无   锡   职   业   技   术   学   院  毕业设计说明书（论文）   14 它 既可寄生供电也可由外部电源供电。在寄生供电情况下，当总线为高电平时， DS1820 从总线上获得能量并储存在内部电容上 当总线为低电平时，由电容向DS1820 供电。  DS1820 的测温原理：内部计数