./摘要隨著社會(huì)的發(fā)展,傳統(tǒng)的測(cè)距方法在很多場(chǎng)合已無法滿足人們的需求,例如在井深,液位,管道長度等場(chǎng)合,傳統(tǒng)的測(cè)距方法根本無法完成測(cè)量的任務(wù)。還有在很多要時(shí)測(cè)距的情況下,傳統(tǒng)的測(cè)距方法也很難完成測(cè)量的任務(wù)。于是,一種新的測(cè)距方法誕生了——非接觸測(cè)距。超聲波可用于非接觸測(cè)量,具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點(diǎn),是利用計(jì)算超聲波在被測(cè)物體和超聲波探頭之間的傳輸來測(cè)量距離的,對(duì)被測(cè)目標(biāo)無損害。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大圍與頻率無關(guān)。超聲波的這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視。目前對(duì)于超聲波精確測(cè)距的需求也越來越大,如油庫和水箱液面的精確測(cè)量和控制,物體氣孔大小的檢測(cè)和機(jī)械部損傷的檢測(cè)等。在機(jī)械制造,電子冶金,航海,宇航,石油化工,交通等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外,在材料科學(xué),醫(yī)學(xué),生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用,測(cè)距問題顯得越來越重要。目前常用的測(cè)距方式主要有雷達(dá)測(cè)距、紅外測(cè)距、激光測(cè)距和超聲測(cè)距4種。與其他測(cè)距方法相比較,超聲測(cè)距具有下面的優(yōu)點(diǎn)：〔1超聲波對(duì)色彩和光照度不敏感,可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體<如玻璃、拋光體>?！?超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感,可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中?！?超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、技術(shù)難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化。因此,超聲波作為一種測(cè)距識(shí)別手段,已越來越引起人們的重視。關(guān)鍵詞：超聲波；測(cè)距；電子電路

AbstractWiththedevelopmentofsociety,thetraditionalrangingmethodonmanyoccasionshasfailedtomeetthedemandsofthepeople,forexampleinthewelldepth,liquidlevel,pipelengthandsoon,thetraditionalrangingmethodcan'tfinishthetaskofmeasurement.Andinmanyrequirementsundertheconditionofthereal-timelocation,thetraditionalmethodisalsodifficulttoperformacompletemeasurementrangeoftasks.Theseuniqueadvantagesofultrasonicmoreandmoreattentionbypeople.Atpresentthedemandforultrasonicaccuratelocationismoreandmorebig,suchasoilterminalandtheliquidsurfacewatertankprecisemeasurementandcontrol,theobjectofthestomatasizeintestingandmechanicalinternaldamagedetection,etc.transportationandotherindustrialareasalsohavewidelyapplication.Inaddition,inmaterialscience,medicine,biologicalsciencesandalsoaccountedforaimportantpositionin.Alongwiththecomputertechnology,automationtechnologyandthedevelopmentofindustrialrobotsandthewidespreadapplication,locationproblemisbecomingmoreandmoreimportantComparedwithotherrangingmethod,ultrasonicranginghasthefollowingadvantages:<1>tolightandcolorultrasonicnotsensitive,canbeusedtoidentifytransparentanddiffusesexualdifferenceofobjects<suchasglass,polishingbody>.<2>ultrasonicoutsidelightandtheelectromagneticfieldstonotsensitive,andcanbeusedinthedark,dustorsmoke,electromagneticinterferenceisstrong,suchastoxicbadenvironment.<3>ultrasonicsensorsimplestructure,smallvolume,lowcost,technicaldifficultiessmall,informationprocessing,simpleandreliableeasytominiaturizationandintegration.Performanceoptimization;Performancesimulation;AutomaticexchangeopticalnetworkKeyWords:Ultrasonic；ranging；electroniccircuit.目錄15626第1章緒論 1178521.1課題背景及設(shè)計(jì)意義1281611.2本課題研究的主要容 215701第2章系統(tǒng)方案論證424032.1超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)原理 4327152.2超聲波測(cè)距技術(shù)選型 4130082.3控制器選型 695262.3.1單片機(jī)選型72742.3.2AT89S51主要性能參數(shù)及功能851272.4超聲波發(fā)生器選型 8267422.5超聲波接收傳感器選型 91142.6顯示單元選型 92812.7語音播報(bào)電路選型 10194622.8溫度傳感器的選型 1020615第3章系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12285033.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 12146833.2超聲波發(fā)射電路 1396363.3超聲波檢測(cè)接收電路 1522363.4顯示單元電路 1648163.5語音播報(bào)電路 1863803.6電源電路設(shè)計(jì) 207741第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 22310564.1超聲波測(cè)距儀的算法分析 22207924.2主程序流程圖 22203634.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收程序 2415903第5章系統(tǒng)調(diào)試仿真 266815.1proteus軟件簡介 26239165.2仿真調(diào)試結(jié)果 272157第6章總結(jié)與展望 2930782參考文獻(xiàn) 3011835致3113348附錄程序清單32.第1章緒論利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段,也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波<20kHz以上的機(jī)械波>,借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。本文闡述的是利用超聲波進(jìn)行一些特殊場(chǎng)合距離測(cè)試。1.1課題背景及設(shè)計(jì)意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前的急速水平來說,人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限,因此,這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來,超聲波測(cè)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的發(fā)展空間,它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展,滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。但是,由于歷史原因合成時(shí)間的許多不可預(yù)見因素,城市給排水系統(tǒng),特別是排水系統(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,箱涵的排污疏通對(duì)打城市給排水系統(tǒng)污水處理,人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計(jì)研制箱涵排水疏通移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)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(jì)研制的核心部分。控制系統(tǒng)核心部分就是超聲波測(cè)距儀的研制。因此,設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的意義。超聲的研究和發(fā)展,與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。1883年Galton首次制成超聲氣哨,其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流,吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔,從而產(chǎn)生超聲。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機(jī)械型超聲換能器。由于這類換能器成本低,所以經(jīng)過不斷改進(jìn),至今仍廣泛地用于超聲處理技術(shù)中。20世紀(jì)初,電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機(jī)電換能器。1917年,法國物理學(xué)家PaulLangevin用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器,并成功地應(yīng)用于水下探測(cè)潛艇。隨著軍事和國民經(jīng)濟(jì)各部門中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展,又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器,以及各種不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器[1]。材料科學(xué)的發(fā)展,使得應(yīng)用廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機(jī)電耦合系數(shù)高、價(jià)格低廉、性能良好的壓電瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜<PVDF>[2]等。產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波的頻率,也由幾十千赫提高到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴(kuò)大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷達(dá)、電子通信和成像技術(shù)等方面。利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段,也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波<20kHz>以上的機(jī)械波>,借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多,其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè),并且易于定向發(fā)射,方向性好,強(qiáng)度好控制,因而人類采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。它在很多距離探測(cè)應(yīng)用中有很重要的用途,包括非損害測(cè)量、過程檢測(cè)、機(jī)器人檢測(cè)和定位、以及流體液面高度測(cè)量等。超聲波方法在某些方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)：〔1超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感,可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體<如玻璃、拋光體>；〔2對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感,可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中；〔3超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單,體積小,費(fèi)用低,信息處理簡單可靠,易于小型化和集成化。因此超聲檢測(cè)法己越來越引起人們的重視,被廣泛應(yīng)用在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面。特別是在空氣測(cè)距中,由于空氣中波速較慢,其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來,具有很高的分辨力。1.2本課題研究的主要容本次課題設(shè)計(jì)的目的為：具有超聲波測(cè)距功能,測(cè)量距離0.20m~5.00m測(cè)距精度±1㎝；具有測(cè)量距離數(shù)值無線傳輸功能；實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的距離,顯示格式為：X.XXm。漢字提醒顯示：距離在0.40m~1.00m,顯示"危險(xiǎn)距離"并用紅色LED燈指示；距離在1.00m~2.00m,顯示"保持距離",并用黃書LED燈指示；距離在2.00m以上,顯示"安全距離"并用綠色LED燈指示。具有實(shí)時(shí)語音播報(bào)功能,實(shí)時(shí)播報(bào)測(cè)量距離數(shù)值,格式：X.XXm,實(shí)時(shí)播報(bào)時(shí)間間隔≤10s,實(shí)時(shí)播報(bào)聲音清晰明亮、無明顯失真,在1m距離處人耳能準(zhǔn)確分辨。語音播報(bào)要與顯示同步。超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段,必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習(xí)慣上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(gè)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(shí)候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候,則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF〔timeofflight。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間,再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離[2]。本設(shè)計(jì)主要是基于AT89S51芯片為核心的超聲波測(cè)距儀,74LS04組成的超聲波發(fā)射電路、并有超聲波處理模塊CX20106A、液晶顯示等器件組成,包括單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)復(fù)位電路、LCD顯示電路語音播報(bào)電路。主要實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距并指示功能。依據(jù)實(shí)際的測(cè)量精度要求添加溫度補(bǔ)償電路。本系統(tǒng)成本低廉,功能實(shí)用。本設(shè)計(jì)框圖如圖1.1所示：超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路控制電路控制電路計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)顯示電路超聲波接收電路超聲波接收電路圖1.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖.第2章系統(tǒng)方案論證本章節(jié)闡述超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)原理,測(cè)距技術(shù)選型。通過對(duì)比各類型控制器選擇單片機(jī)為控制器并最終選擇AT89S51單片機(jī),并說明了選擇原因以及功能、特性。在超聲波發(fā)生器的選擇上選用了適合近距離測(cè)量的電氣方式超聲波發(fā)生器并采用反射波方式進(jìn)行測(cè)距。超聲波接收傳感器采用了性價(jià)比較高的壓電晶片,其工作頻率、靈敏度下文將會(huì)介紹。顯示單元通過分析各類型顯示屏采用了12864液晶顯示屏。2.1超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)原理超聲波測(cè)距儀工作原理：單片機(jī)發(fā)出40khz的信號(hào),經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接受器將接受到得超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大,用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后,啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序,測(cè)得時(shí)間為t,再由軟件進(jìn)行辨別、計(jì)算,得出距離數(shù)并顯示和送語音播報(bào)模塊播報(bào)。其計(jì)算公式為：S=340t/2<2.1>2.2超聲波測(cè)距技術(shù)選型超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF〔timeofflight。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間,再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測(cè)量距離的方法有很多種,短距離的可以用尺,遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等,超聲波測(cè)距適用于高精度的中長距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為340米/秒,由控制器負(fù)責(zé)計(jì)時(shí),控制單元使用12.0MHZ晶振,所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)[3]。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的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離,設(shè)計(jì)比較方便,計(jì)算處理也較簡單,并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、控制對(duì)象和現(xiàn)有條件本系統(tǒng)硬件電路采用由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路無線通信電路以及語音播報(bào)電路構(gòu)成。本超聲波測(cè)距儀的具體工作過程如下,單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生40kHz的頻率信號(hào)來驅(qū)動(dòng)超聲傳感器。每次發(fā)射包含6個(gè)脈沖左右,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),得到從發(fā)射到接收的時(shí)間t后,單片機(jī)讀取溫度值補(bǔ)償聲速,利用測(cè)距公式可計(jì)算出被測(cè)距離,同時(shí)由無線通信模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳到下位機(jī)進(jìn)行顯示和語音播報(bào)。系統(tǒng)總體框圖如圖2.1；圖2.2所示。圖2.1發(fā)射模塊圖2.2接收模塊2.3控制器選型控制器可分為DSP、FPGA、單片機(jī)等。本設(shè)計(jì)通過對(duì)比分析選擇了單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器。下面分別對(duì)這三種控制器進(jìn)行論述,并說明的選擇單片機(jī)作為控制器的理由。DSP控制器：DSP〔digitalsignalprocessor是一種獨(dú)特的微處理器。其工作原理是接收模擬信號(hào),轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化,并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性,而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器,是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。DSP微處理器〔芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：〔1在一個(gè)指令周期可完成一次乘法和一次加法；〔2程序和數(shù)據(jù)空間分開,可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；〔3片具有快速RAM,通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問；〔4具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；〔5快速的中斷處理和硬件I/O支持；FPGA控制器：FPGA采用了邏輯單元陣列LCA〔LogicCellArray這樣一個(gè)概念,部包括可配置邏輯模塊CLB〔ConfigurableLogicBlock、輸出輸入模塊IOB〔InputOutputBlock和部連線〔Interconnect三個(gè)部分。與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列〔如PAL,GAL及CPLD器件相比,FPGA具有不同的結(jié)構(gòu),FPGA利用小型查找表〔16×1RAM來實(shí)現(xiàn)組合邏輯,每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端,觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O,由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊,這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的,存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式,并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能,FPGA允許無限次的編程。單片機(jī)控制器：單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī),又稱微控制器,嵌入式微控制器等,屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它把中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器集成在一塊芯片上,從而具有體積小、功耗低、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高等特點(diǎn),因此,適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的前端裝置。單片機(jī)的主要特點(diǎn)有：〔1具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。〔2集成度高、體積小、可靠性高?！?控制功能強(qiáng)?！?低電壓,低功耗。通過以上的分析,DSP控制器功能很強(qiáng)大性能也很好,但是對(duì)于本設(shè)計(jì)來說,有些很好的功能可能用不上而且DSP成本較高,而FPGA的性能同樣很好,但本設(shè)計(jì)有些功能FPGA不能很好的滿足。因此控制器的選擇為單片機(jī)。2.3.1單片機(jī)選型單片機(jī)又分為很多種類,例如AVR、凌陽單片機(jī)和51單片機(jī)等等,下面對(duì)單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析論述。AVR單片機(jī)：ATMEL公司研制開發(fā)的一種新型單片機(jī),PIC單片機(jī)相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行速度較快；芯片部的Flash、EEPROM、SRAM容量較大；所有型號(hào)的Flash、EEPROM都可以反復(fù)燒寫、全部支持在線編程燒寫；多種頻率的部RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能,零外圍電路也可以工作；IO口可以以推換驅(qū)動(dòng)的方式輸出高、低電平,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；部資源豐富,一般都集成AD、DA模數(shù)器；PWM；SPI、USART、TWI、I2C通信口；豐富的中斷源等。凌陽單片機(jī)：整合了多個(gè)常用的功能模塊,讓我們?cè)谶M(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)候不用外加過多的硬件就可方便的完成一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),這就是人們常說的SoC〔Systemonchip技術(shù)；耗電少,可以滿足很多手提設(shè)備、掌上設(shè)備低能耗的需求；可方便的用來實(shí)現(xiàn)聲音錄制、播放,Midi音樂合成和語音識(shí)別；可方便的完成一系列乘加的運(yùn)數(shù),實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)處理比較容易；芯片里具備在線仿真調(diào)試電路,使調(diào)試和程序下載更加方便,也把仿真器和燒錄器的成本給節(jié)省下來了。51單片機(jī)：有優(yōu)異的性價(jià)比；集成度高、體積小、有很高的可靠性；控制作用強(qiáng)；擴(kuò)展性能好,非常容易構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。以上三種單片機(jī)的開發(fā)過程和編程思維都是相似的。AVR單片機(jī)功能強(qiáng)大,功耗低,一般小型都可以滿足。而凌陽單片機(jī)是一款功能強(qiáng)大的語音處理單片機(jī)。51單片機(jī)比較基礎(chǔ)、成熟,一般教學(xué)都用這種單片機(jī)。因此,對(duì)于本系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和要求,在此選用51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制核心。51單片機(jī)全稱AT89S51單片機(jī),是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能CMOS8位單片機(jī),片含有4Kbytes的課反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器〔PEROM和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器<RAM>,器件采用ATMEL公司的高密度。非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令系統(tǒng),片置通用8位中央處理器〔CPU和Flash存儲(chǔ)單元,功能強(qiáng)大AT89S51單片機(jī)可以為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。由于其集成度高,體積小且可靠性強(qiáng),有很好的擴(kuò)展性能易于構(gòu)成多種應(yīng)用系統(tǒng),所以我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)里采用AT89S51單片機(jī)。2.3.2AT89S51主要性能參數(shù)及功能AT89S51單片機(jī)性能參數(shù)有：與MCS—51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；4K字節(jié)可以重復(fù)擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器；1000吃擦寫周期；全靜態(tài)操作圍為0Hz—24Hz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；128×8字節(jié)部RAM；32個(gè)可編程I/O口線；6個(gè)中斷源；可編程串行UART通道；低功耗空閑和掉電模式。AT89S51提供以下功能：k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器；128字節(jié)部RAM；32個(gè)I/O口線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器；一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)；一個(gè)雙工串行口通信；片振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí),AT89S51可以降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選的節(jié)點(diǎn)工作模式?？臻e方式停止CPU的工作,當(dāng)允許RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電式保存RAM中的容,但振蕩器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。2.4超聲波發(fā)生器選型超聲波發(fā)生器可以分為兩類：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。本課題屬于近距離測(cè)量,可以采用常用的壓電式超聲波發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)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(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種,一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式,適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式[4]。測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)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,常用材料是壓電式瓷。由于超聲波在空氣傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p,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(cè)量時(shí)應(yīng)選擇高頻率的傳感器,而長距離測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。2.5超聲波接收傳感器選型超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小,如直徑和厚度也各不相同,因此每個(gè)探頭的性能是不同的,我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)為。工作頻率：工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí),輸出的能量最大,靈敏度也最高。工作溫度：由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高,特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小,所以工作溫度比較低,可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高,需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。靈敏度：主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大,靈敏度高。因此超聲波接受傳感器應(yīng)該應(yīng)用集成電路CX20106A,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38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近,可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路<如圖2-3>。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波<無信號(hào)時(shí)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CS的大小,可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上。2.6顯示單元選型顯示單元是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)使用的主要設(shè)備之一,它可將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、中間結(jié)果、存儲(chǔ)器地址以及存儲(chǔ)器、寄存器中的容顯示出來,從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。可以做顯示器的有：LED,LCD,CRT等。CRT就是常見的顯像管式的顯示器。優(yōu)點(diǎn)是顏色視覺效果好,視角寬,可靠性高,便宜；缺點(diǎn)是體積大耗電多,有微量的X射線輻射。LED就是發(fā)光二極管。LED一般適合做大屏幕的顯示設(shè)備,最突出的有點(diǎn)那就是屏幕尺寸可以不受限制,亮度可以做的很高,其他的如顯色性、對(duì)比度等都不如CRT顯示器。但是考慮到本設(shè)計(jì)需要顯示測(cè)量距離,補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn),保持,安全等警告信號(hào)。所以選擇采用128×64液晶模塊。2.7語音播報(bào)電路選型語音播報(bào)語音芯片有很多種,例如WT1380、WT588D等。WT1380具有多種報(bào)警功能,定時(shí)器功能,時(shí)鐘輸出功能,中斷輸出功能以及語音播報(bào)功能。它的語音功能和萬年歷功能可以同時(shí)工作,主頻采用RC振蕩,副頻采用32.768K晶振精確分頻?？梢杂?jì)算年、月、日、時(shí)、分、秒等信息,并可以將時(shí)間信息反饋給主控單片機(jī)。因而,WT1380是一款性價(jià)比極高的語音時(shí)鐘芯片。但是本設(shè)計(jì)不要求芯片有可以計(jì)算年、月、日、時(shí)、分、秒等信息的復(fù)雜功能。所以播報(bào)電路采用WT588D系列的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。WT588D系列語音單片機(jī)是唯創(chuàng)科技聯(lián)合華邦共同研發(fā)出來的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應(yīng)用圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語音單片機(jī)的特長,彌補(bǔ)了以往各類語音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷,MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴(kuò)展輸出模式,讓應(yīng)用人員能將產(chǎn)品投放在幾乎可以想象得到的場(chǎng)所。WT588D是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除燒寫的語音單片機(jī)芯片。WT588D讓語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機(jī)電路,高度集成的單片機(jī)技術(shù)足于取代復(fù)雜的外圍控制電路。2.8溫度傳感器的選型大家知道,聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的,所以這里要考慮到溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}。溫度傳感器有很多種,例如溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流〔mA等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度〔開爾文度數(shù)。AD590的測(cè)溫圍為-55℃～+150℃。AD590的電源電壓圍為4V～30V。電源電壓可在4V-6V圍變化,電流變化1mA,相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓,因而器件反接也不會(huì)被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔,其中M檔精度最高,在-55℃～+150℃圍,非線性誤差為±0.3℃。但是考慮到成本問題我選用TS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成,具有耐磨耐碰,體積小,使用方便,封裝形式多樣,適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。獨(dú)特的一線接口,只需要一條口線通信多點(diǎn)能力,簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電,電壓圍為3.0V至5.5V無需備用電源測(cè)量。溫度圍為-55°C至+125℃。-10°C至+85°C圍精度為±0.5°C

溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置應(yīng)用圍包括恒溫控制,工業(yè)系統(tǒng),消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì),或任何熱敏感系統(tǒng)。第3章系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、語音播報(bào)電路、溫度補(bǔ)償電路、無線傳輸、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接受電路五部分。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)定的時(shí)鐘頻率,減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P3.6端口輸出超聲波換能器所需的40KHz的方波信號(hào),利用外部中斷1口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。顯示單元部分采用12864液晶模塊。3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。如圖3.1所示,單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由AT89S51單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和+5V電源組成。在外部振蕩電路中,單片機(jī)的XTAL1和XTAL2管腳分別接至由12MHZ晶振和兩個(gè)30PF電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè),為電路提供正常的時(shí)鐘脈沖。在復(fù)位電路中,單片機(jī)RESET管腳一方面經(jīng)20F的電容接至電源正極,實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位,另一方面經(jīng)開關(guān)s接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H,是單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序,除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外,當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí),為了擺脫困境,也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。因此,復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.1中晶振Y1串聯(lián)C10、C11,并在C10和C11之間接地,單片機(jī)通電之后即可運(yùn)行。當(dāng)按下S5按鍵時(shí)單片機(jī)復(fù)位。3.2超聲波發(fā)射電路壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào),其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),壓電晶片會(huì)發(fā)生共振[5],并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波,這時(shí)它就是一個(gè)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(shí),將壓迫壓電晶片作振動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào),這時(shí)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(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。表3.1反相器74LS04參數(shù)最大額定值電源電壓-0.5to+7.0VDC輸入電壓-1.5toVcc+1.5V直流輸出電壓-0.5toVcc+0.5V鉗位二極管電流±20mA直流輸出電流,每個(gè)引腳〔輸出±25mA功耗600mW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,如圖3.2所示,單片機(jī)P2.7端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極,另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極,用這種推換形式將方波信號(hào)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(gè)反向器并聯(lián),用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R2、R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)間。圖3.2超聲波發(fā)射電路3.3超聲波檢測(cè)接收電路超聲波接收電路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38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近,可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波<無信號(hào)時(shí)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C16的大小,可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。其電路由圖3.3所示。CX20106A的引腳注釋：1腳IN：超聲波信號(hào)輸入端,該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳AGC：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò),它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分,改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C,將使負(fù)反饋量增大,放大倍數(shù)下降,反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會(huì)影響到頻率特性,一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng),推薦選用參數(shù)為R=4.7Ω,C=3.3μF[7]。3腳C0：該腳與GND之間連接檢波電容,電容量大為平均值檢波,瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小,則為峰值檢波,瞬間相應(yīng)靈敏度高,但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大,易造成誤動(dòng)作,推薦參數(shù)為3.3μF。4腳GND：接地端。5腳RC0：該腳與電源端VCC接入一個(gè)電阻,用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0,阻值越大,中心頻率越低。例如,取R=200kΩ時(shí),fn≈42kHz,若取R=220kΩ,則中心頻率f0≈38kHz。6腳C：該腳與GND之間接入一個(gè)積分電容,標(biāo)準(zhǔn)值為330pF,如果該電容取得太大,會(huì)使探測(cè)距離變短。7腳OUT：遙控命令輸出端,它是集電極開路的輸出方式,因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端,該電阻推薦阻值為22kΩ,沒有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平,有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。8腳RC1：電源正極,4.5V～5V。當(dāng)CX20106接收到40KHz的信號(hào)時(shí),會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖,這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入適當(dāng)改變C1的大小,可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。R1和C1控制CX20106A部的放大增益,R2控制帶通濾波器的中心頻率。一般取R1=4.7Ω,C1=1μF。其余元件按圖4取值。US_R1為超聲波接收頭,當(dāng)收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿,接到單片機(jī)的外部中斷INT0上。當(dāng)超聲波接收頭接收到40kHz方波信號(hào)時(shí),將會(huì)將此信號(hào)通過CX20106A驅(qū)動(dòng)放大送入單片機(jī)的外部中斷0口。單片機(jī)在得到外部中斷0的中斷請(qǐng)求后,會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷0的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。圖3.3超聲波接收電路3.4顯示單元電路顯示單元部分采用12864液晶模塊。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,用于顯示測(cè)量距離,補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn),保持,安全等警告信號(hào)。帶中文字庫的12864液晶是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式,部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64。置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字,和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字[8]。12864液晶模塊可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。12864液晶基本特性如表3.2所示。表3.212864液晶基本特性低電源電壓VDD：+3.0--+5.5V顯示分辨率128×64點(diǎn)置漢字字庫8192個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字置128個(gè)16×8點(diǎn)陣字符時(shí)鐘頻率2MHz顯示方式STN、半透、正顯驅(qū)動(dòng)方式1/32DUTY；1/5BIAS視角方向6點(diǎn)背光方式側(cè)部高亮白色LED通訊方式串行、并口可選負(fù)壓置DC-DC轉(zhuǎn)換電路片選信號(hào)無需片選信號(hào)工作溫度0℃-+55℃存儲(chǔ)溫度-20℃--+60℃12864液晶基本特性如圖3.4所示。其各引腳說明如下：模塊電源地；模塊電源正端；LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸入端；并行的指令/數(shù)據(jù)信號(hào)；串行的片選信號(hào)；并行的讀寫選擇信號(hào)；串行數(shù)據(jù)口；并行的使能信號(hào)；串行同步時(shí)鐘；-〔14數(shù)據(jù)；并/串行接口選擇；H-并行,L-串行；空腳；復(fù)位；空腳；背光源正極；背光源負(fù)極。圖3.4中電阻R13、R14使電平至高。R15調(diào)節(jié)顯示亮度。其中并行模式下,管腳4為顯示數(shù)據(jù)；管腳4為低電平時(shí),管腳7-14顯示指令；管腳5和E都為高電平時(shí)數(shù)據(jù)被讀取到管腳7-14；管腳5為低電平且E由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)管腳7-14的數(shù)據(jù)寫入IR或ER。圖3.4顯示單元電路3.5語音播報(bào)電路語音播報(bào)電路采用WT588D系列的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應(yīng)用圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語音單片機(jī)的特長,同時(shí)具有MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴(kuò)展輸出模式?？煽刂频恼Z音地址位能達(dá)到220個(gè)！每個(gè)地址位里能加載可組合語音為128段語音。只需通過適當(dāng)?shù)脑L問地址就可以實(shí)現(xiàn)語音播報(bào),使用方便,語音播報(bào)電路設(shè)計(jì)如圖3.6所示。圖3.6WT588D語音播報(bào)電路其中KIA1117芯片為WT588DVCC管腳〔存儲(chǔ)器電源輸入腳提供3.3V電壓。3.6電源電路設(shè)計(jì)對(duì)于電源器件我們?cè)陂_關(guān)電源和線性電源之間選擇。開關(guān)電源和線性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。下面我們對(duì)兩種電源做個(gè)比較。線性電源功率器件工作在線性狀態(tài),也就是說他一用起來功率器件就是一直在工作,所以也就導(dǎo)致他的工作效率低,一般在50%~60%,還得說他是很好的線性電源。線性電源的工作方式,使他從高壓變低壓必須有將壓裝置,一般的都是變壓器,也有別的像KX電源,再經(jīng)過整流輸出直流電壓。這樣一來他的體積也就很大,笨重,效率低、發(fā)熱量也大。他也有他的優(yōu)點(diǎn)：紋波小,調(diào)整率好,對(duì)外干擾小。適合用與模擬電路,各類放大器等。開關(guān)電源。他的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài),一開一關(guān),頻率非?？?一般的平板開關(guān)電源頻率在100~200KHz,這樣他的損耗就小,效率也就高,開關(guān)電源的效率高體積小,但是和線性電源比他的紋波,電壓電流調(diào)整率就大打折扣了。由于單片機(jī)工作時(shí)需要的+5V電壓。所以在設(shè)計(jì)電源電路時(shí),我們選用了線性電源7805,在實(shí)際的電路控制中應(yīng)用其作為電源電路較為廣泛,在普通的電子元器件商場(chǎng)都有銷售易于購買,并且技術(shù)相對(duì)成熟.7805一腳為電源輸入端,二腳為公共接地端,三腳即為我們所需要的+5V電壓輸出端.本文采用最典型的7805提供電壓的電路,即在7805的1腳和公共接地端<即2腳>之間接入0.3μF的電容,在公共接地端和三腳+5V電壓輸出端之間接入0.1μF的電容。電壓變化如圖3.7所示：圖3.7電壓變化圖由于接通電源瞬間,電容C來不及充電,電容器兩端電壓out為低電平,小于〔1/3Vcc,故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平,輸出out為高電平,放電管VT截止。這時(shí),電源經(jīng)R1,R2對(duì)電容C充電,使電壓out按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)uc上升到〔2/3Vcc時(shí),輸出uo為低電平,放電管VT導(dǎo)通,把uc從〔1/3Vcc上升到〔2/3Vcc這段時(shí)間電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài),其維持時(shí)間TPH的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān)。充電時(shí)間常數(shù):T充=〔R1＋R2C<3.1>不難理解接通電源后,電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn),則輸出可得矩形波。電路一旦起振后,uc電壓總是在〔1/3～2/3Vcc之間變化。圖3.8是基于7805的電源電路圖,這是一個(gè)輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805,C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容,RL為負(fù)載電阻。圖3.8電源電路圖第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、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(shí)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(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間,而超聲波測(cè)距儀的程序需要有較復(fù)雜的計(jì)算〔計(jì)算距離時(shí),所以控制程序可采用C語言編程。4.1超聲波測(cè)距儀的算法分析超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào),當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來[9],就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間,就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：d=s/2=<ct>/2〔4.1其中,d為被測(cè)物與測(cè)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(shí)間。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)部的定時(shí)器T0,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)收到超聲波反射波時(shí),接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變,在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào),單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)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。4.2主程序流程圖軟件分為兩部分,主程序和中斷服務(wù)程序,如圖4.1、圖4.2、圖4.3所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成單方向超聲波的發(fā)射,外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化,設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)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),需要延時(shí)約0.1ms〔這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因后,才打開外中斷1接收返回的超聲波信號(hào)。開始開始單片機(jī)初始化單片機(jī)初始化定時(shí)器初始化定時(shí)器初始化開外部中斷開外部中斷顯示測(cè)量值顯示測(cè)量值等待中斷等待中斷結(jié)束結(jié)束圖4.1主程序流程圖由于采用的是12MHz的晶振,計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1μs,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后,將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)〔即超聲波來回所用的時(shí)間按式4.2計(jì)算,即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離,設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為344m/s則有：d=<ct>/2=172T0/10000cm〔4.2其中,T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。測(cè)出距離后結(jié)果將傳給LCD數(shù)碼顯示約5s,同時(shí)測(cè)量距離送語音模塊播報(bào)。然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離,主程序采用C語言編寫。4.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收程序超聲波發(fā)生。子程序的作用是通過P2.7端口發(fā)送2個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)〔頻率約40kHz的方波,脈沖寬度為12μs左右,同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡單,但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確。開始開始定時(shí)中斷入口定時(shí)中斷入口定時(shí)器初始化定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波發(fā)射超聲波發(fā)射完否？發(fā)射完否？NY停止發(fā)射停止發(fā)射結(jié)束結(jié)束圖4.2定時(shí)中斷服務(wù)子程序開始開始外部中斷入口外部中斷入口關(guān)外部中斷關(guān)外部中斷讀取時(shí)間值讀取時(shí)間值計(jì)算距離計(jì)算距離輸出結(jié)果輸出結(jié)果開外部中斷開外部中斷結(jié)束結(jié)束圖4.3外部中斷服務(wù)子程序超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷1檢測(cè)返回超聲波信號(hào),一旦接收到返回超聲波信號(hào)〔即INT1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(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí),并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào),則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷1關(guān)閉,并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。第5章系統(tǒng)調(diào)試仿真系統(tǒng)軟硬件部分設(shè)計(jì)已經(jīng)完成,超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入最后階段,已具備調(diào)試仿真條件。下面將通過proteus軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。5.1proteus軟件簡介ProteusISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件,Proteus主要由ISIS和ARES兩部分組成,ISIS的主要功能是原理圖設(shè)計(jì)及與電路原理圖的交互仿真,ARES主要用于印制電路板的設(shè)計(jì)。Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的電路分析實(shí)物仿真系統(tǒng),可仿真各種電路和IC,并支持單片機(jī),元件庫齊全,使用方便,是不可多得的專業(yè)的單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上,可以仿真、分析<SPICE>各種模擬器件和集成電路,該軟件的特點(diǎn)是：〔1實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器,如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等?！?支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片?！?提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能,同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài),因此在該軟件仿真系統(tǒng)中,也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境,如KeilC51uVision2等軟件?！?具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件,功能極其強(qiáng)大。特點(diǎn)：支持ARM7,PIC,AVR,HC11以及8051系列的微處理器CPU模型,更多模型正在開發(fā)中,交互外設(shè)模型有LCD顯示、RS232終端、通用鍵盤、開關(guān)、按鈕、LED等；強(qiáng)大的調(diào)試功能,如訪問寄存器與存,設(shè)置斷點(diǎn)和單步運(yùn)行模式；支持如IAR、Keil和Hitech等開發(fā)工具的源碼C和匯編的調(diào)試；一鍵"make"特性：一個(gè)鍵完成編譯與仿真操作；置超過6000標(biāo)準(zhǔn)SPICE模型,完全兼容制造商提供的SPICE模型；DLL界面為應(yīng)用提供特定的模式；基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPICE3F5混合模型電路仿真器14種虛擬儀器：示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、規(guī)程分析儀等；高級(jí)仿真包含強(qiáng)大的基于圖形的分析功能：模擬、數(shù)字和混合瞬時(shí)圖形；頻率；轉(zhuǎn)換；噪聲；失真；付立葉；交流、直流和音頻曲線；模擬信號(hào)發(fā)生器包括直流、正旋、脈沖、分段線性、音頻、指數(shù)、單頻FM；數(shù)字信號(hào)發(fā)生器包括尖脈沖、脈沖、時(shí)鐘和碼流；集成PROTEUSPCB設(shè)計(jì)形成完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。5.2仿真調(diào)試結(jié)果本系統(tǒng)采用了40110、CX20106、4049、4069芯片及其其他電子器件,由于部分芯片在庫里找不到,所以只能部分仿真。圖5.1為超聲波發(fā)射電路仿真電路圖,5.2為超聲波發(fā)射電路的仿真波形。圖5.1仿真電路圖5.2發(fā)射電路仿真波形如圖所示,第一,二行為加在超聲波探頭上的波形,第三行為振蕩器產(chǎn)生的40kHz的超聲波波形。第6章總結(jié)與展望由于時(shí)間和其它客觀上的原因,此次設(shè)計(jì)沒有成功做出實(shí)物。但是對(duì)設(shè)計(jì)有一個(gè)很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波,實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收,從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。超聲波測(cè)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(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種,一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式,適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)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(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振,以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率,減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P2.7端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào),利用外中斷1口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的128×64液晶模塊。超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成,而超聲波測(cè)距儀的程序有較復(fù)雜的計(jì)算〔計(jì)算距離時(shí),所以控制程序可采用C語言編程。超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷1檢測(cè)返回超聲波信號(hào),一旦接收到返回超聲波信