基于单片机控制超声波测距仪毕业设计

摘要在空气介质中，超声测距传感器因其性能好，价格低廉、使用方便，在现场机器人定位系统、车辆自动导航、车辆平安行驶辅助系统、城市交通管理和高速公路管理监测系统，以及河道、油井和仓库及料位的探测中都有应用。由于超声波传播不易受干扰，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器及其收发电路，对于超声波检测技术的开展具有十分重要的现实意义。本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由AT89C51控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。并且在数据处理中采用了温度补偿的调整，用四位LED数码管切换显示距离和温度。整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此根底上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关局部附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。关键词：AT89C51；超声波；测距；电路AbstractThefeaturesofthegoodperformance,lowcost，easyuseareinearnatedintheultrasonicdistancemeasurementsensor.Theultrasonicdistancemeasurementsensorisusuallyusedatthescenerobotpositioningsystem，automaticvehiclenavigation，thesafetyofvehiclestravelingsupportsystem，theurantrafficmanagementandthehighwaymanagementmonitoringsystem，aswellasthedetectinrivers，oilwells，storagesandmaterials.Theultrasonicwavetransmssionisnoteasytodisturb，itsenergyconsumptionisslowlyanditcanbetransmitteddistantlyinthemedium，soitisfrequentlyusedinultrasonicdistancemeasurement.Forexample，therangefinderandthemateriallevelfindercanbeaehievedbyultrasonicwave.Therefore，thein-depthstudyofthegenerationandtransmissionlawofultrasonicandthedevelopmentofhigh-performanceultrasonicsensorandtransmitandreceivecircuitsisofgreatpracticalsignificanceinthedevelopmentofultrasonicdetectiontechnology.ThedesignintroducestheprincipleoftheultrasonicdistancemeasurementinstrumentbasedonSCMC-controlled:AT89C51controlstimerstoproducetheultrasonicwavepulseandtime,countthetimeofultrasonicwavespontaneousemissiontoreceiveround-trip,thusobtainsthemeasureddistance.Andthetemperaturecompensationadjustmentisusedinthedataprocessing,withfourLEDnixietubesdisplaydistanceortemperaturebyswitching.Theentirehardwarecircuitiscomposedbyultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivercircuit,thepowercircuit,displaycircuit,andothermodules.TheprobesignalsareintegratedanalysisedbySCMCtoachievethevariousfunctionsofultrasonicdistancemeasurementinstrument.Basedonthishasdesignedsystem'soverallconcept,finaladoptionofhardwareandsoftwaretoachievethevariousfunctionalmodules.Therelevantpartshavethehardwareschematicsandprocessflowchart.Ithasgiventhesystemconstitution,thecircuitryandtheprogramming.Theinstrumentsystemhasfeatures:easeofcontrol,stabilityofoperation,highnessofprecisionanddistinctnessofprogrammeprocess,etc.Aftertherealizationoftheworkscanbeusedforneedsofthevariousparametersmeasureddistanceapplications.Keywords:AT89C51;Ultrasonicwave;Measuredistance;circuit目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题研究的背景11.2课题的提出及研究意义21.2.1课题的提出21.2.2课题的研究意义22超声波的介绍及超声波测距的原理32.1超声波的介绍32.1.1什么是超声波3超声波的特性及特点3超声波的应用42.2超声波测距的原理及误差分析52.2.1超声波测距的原理52.2.2超声波测距误差分析52.3单片机实现测距的原理63系统硬件设计73.1系统结构设计73.2AT89C51单片机简介83.2.1AT89C51单片机的功能83.2.2AT89C51单片机主要特性93.2.3AT89C51管脚说明93.3DS18B20温度传感器简介113.4T40、R40超声波传感器简介123.4.1超声波传感器的根本介绍123.4.2超声波传感器的主要应用123.4.3超声波传感器的工作原理133.5LM7805端稳压集成电路143.5.1LM7805介绍143.5.2LM7805的特点143.5.3LM7805的实际应用143.6LM567锁相环153.6.1LM567的概述153.6.2LM567的功能表达153.6.3LM567主要参数153.7超声波发射器电路163.8超声波检测接受电路173.9显示电路183.10LM7805电平转换电路193.11AT89C51复位电路204系统软件设计214.1主程序流程214.2子程序设计23超声波发送子程序及超声波接收中断子程序23测温子程序25距离计算子程序265总结27致谢28参考文献29附录A国外相关文章30附录B中文翻译33附录C超声波测距电路原理图35附录D程序清单361绪论1.1课题研究的背景利用超声波测量标准位置与目标物体外表之间距离的方法叫做超声波测距法。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70年代末期开始广泛应用于生产领域。近年来，随着电子测量技术的开展，运用超声波精确测量已成可能。随着经济开展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，本钱低，性能稳定那么备受青睐。随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛开展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。机器人通过其感知系统发觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言本钱低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比拟迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能到达工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如超声波测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比拟迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能到达工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息〔距离和方向〕。超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。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。1.2课题的提出及研究意义1.2.1课题的提出测距的原理和方法有很多，根据其信息载体的不同可归纳为光学方法、无线电方法和超声波方法。前两者在某些地方有局限性，相比之下，超声波方法具有突出的优点，首先，超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体);其次，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;最后，超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。因此超声波作为非接触测量手段，己越来越引起人们的重视。本课题设计为基于超声波的测距。1.2.2课题的研究意义超声波测距是一种极有潜力的方法，近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、本钱低等特点。超声测量另一个突出优点是:环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛。更重要的是超声波检测降低了劳动强度，防止工人在恶劣工作环境下(高、低温，高、低压，强辐射，有毒气、液体环境等)受到伤害，还大大提高了测量精度，可靠性高;另外，超声波测距还可以应用到其他的功能系统中，例如在机器人避障系统、移动机器人避障的超声测距系统、智能机器人管家和简易智能电动车自动避障系统、车载系统、自动泊车系统、自动刹车系统和倒车雷达系统中，超声波测距也有其重要的应用。目前超声波测距已得到广泛应用，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本钱较高、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，并且本钱低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM〔EPROM〕，位寻址存放器、I/O口和指令集。所以，8051是双CPU的单片机。位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理那么在数据采集和处理等方面具有明显长处。2超声波的介绍及超声波测距的原理2.1超声波的介绍2.1.1什么是超声波声波是物体机械振动状态〔或能量〕的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数〔频率〕甚高，超出了人耳听觉的一般上限〔20000Hz〕，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在2∽5兆Hz之间，常用为3∽3.5兆Hz〔每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20，000HZ之间〕。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比拟，超声波具有许多奇异特性：传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体〔如水和油〕发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反响。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。频率高于2×10千赫兹的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器〔例如气哨、汽笛和液哨等〕、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。2.1.2超声波的特性及特点超声波的特性1超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2超声波可传递很强的能量。3超声波会产生反射、干预、叠加和共振现象。4超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。超声波是声波大家族中的一员。声波是物体机械振动状态〔或能量〕的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。超声波的特点1超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。2超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。3超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介〔如B超等用作诊断〕；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构。2.1.3超声波的应用超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。包括超声波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。超声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。应用在医学中的超声波诊断开展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与X线、同位素分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。在农业中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于种子发芽和作物增产。此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。超声波测距主要应用于倒车雷达、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。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人失却系统设计的精确于否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用用作测距传感器，实现定位以及环境建模。超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统〔如CCD图像传感器〕配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的平安行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与平安预警系统，包括毫米雷达、CCD摄像机、GPS、和高档微机等。2.2超声波测距的原理及误差分析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340m/s，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=340t/2。这就是所谓的时间差测距法。超声波测距的原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能到达百米，但测量的精度往往只能到达厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要到达毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能到达毫米级的测量精度。超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。1〕时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设超声波速度C=344m/s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μ在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在到达微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。2〕超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高那么超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。超声波速度与温度的关系如下：式中：r—气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R—气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，T—绝对温度，273K+T℃。近似公式为：C=C0+0.607×T℃式中：C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度(℃)。对于超声波测距精度要求到达1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。假设超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将到达5m，测量超声波发生器可以分为两类：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、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。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。2.3单片机实现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。3系统硬件设计3.1系统结构设计整体电路的控制核心为单片机AT89C51。超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够到达要求。整体结构图包括超声波发射电路、超声波接收电路、放大电路、比拟震荡电路、单片机电路、键盘输入电路、电源电路、复位电路、显示电路、温度测量电路及温度补偿电路等几局部模块组成。超声波测距系统结构超声波接收电路放大电路超声波发射电路放大超声波接收电路放大电路超声波发射电路放大电路比拟电路震荡电路单片机AT89C51键盘输入复位电路温度传感器DS18B20电源电路4位LED显示器R40超声波传感器T40超声波传感器单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用比拟电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，用温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够到达要求。再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。用复位电路重置系统后可进行下一次测试。3.2AT89C51单片机简介3.2.1AT89CAT89C51是一种带4K字节FLASH存储器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存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1000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。该系列单片机引脚如图3.2所示。图3.2AT89C51单片机3.2.2AT89C与MCS-51兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环数据保存时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定128×8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AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2.3AT89CVCC：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P0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/地址的低八位。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外部必须接上拉电阻。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口作为低八位地址接收。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“1P3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”P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管脚备选功能P3.0RXD〔串行输入口〕P3.1TXD〔串行输出口〕P3.2/INT0〔外部中断0〕P3.3/INT1〔外部中断1〕P3.4T0〔记时器0外部输入〕P3.5T1〔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，那么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。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，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。3.3DS18B20温度传感器简介温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻〔电阻随温度上升而增加〕和负温度系数热敏电阻〔电阻随温度上升而下降〕。本设计采用的是美国Dallas半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。DS18B20支持“一线总线〞接口〔1-Wire〕，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°CDS18B20采用3脚PR-35封装；DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下：1) 适用电压为3V～5V；2) 9～12位分辨率可调，对应的可编程温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃3) TO-92、SOIC及CSP封装可选；4) 测温范围：-55℃～1255) 精度：-10℃～85℃范围内±6) 无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起；7) 每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。该系列温度传感器引脚如图3.3图3.3DS18B20温度传感器3.4T40、R40超声波传感器简介3.4.1超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的鼓励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头〔纵波〕、斜探头〔横波〕、外表波探头〔外表波〕、兰姆波探头〔兰姆波〕、双探头〔一个探头反射、一个探头接收〕等。3.4.2超声波传感器的超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢送。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的上下。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息〞地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。超声波距离传感器技术应用超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在物位〔液位〕监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。3.4.3超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡〔横波〕及纵向振荡〔纵波〕。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中那么频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。超声波传感器主要材料有压电晶体〔电致伸缩〕及镍铁铝合金〔磁致伸缩〕两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅〔PZT〕等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差异，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等〔其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计〕。另有一种密封式超声波传感器〔MA40EI型〕。它的特点是具有防水作用〔但不能放入水中〕，可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种根本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；别离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制局部与电源局部组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制局部主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。3.5LM7805端稳压集成电路3.5.1用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格廉价。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用3.5.21〕最大输出电流1A2〕输出电压为5V，6V，8V，9V，10V，12V，15V，18V，24V3〕热过载保护5〕短路保护6〕输出晶体管平安工作区保护3.5.在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器〔当然小功率的条件下不用〕。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以防止个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在lm78、lm79系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。3.6LM567锁相环3.6.1LM567的概述LM567为通用锁相环电路音调译码器，LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂(具体的可参考:音频*567芯片详解)，这里仅将其根本功能概述如下：当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，那么在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。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如图3.4所示。3.6.2LM567的功能表达①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。3.6.3LM567主要参数工作温度范围:0°CSVHC(高度关注物质):NoSVHC(18-Jun-2023)封装类型:SOP电源电压最大:9V电源电压最小:4.75V外表安装器件:外表安装带座封装形式:SOP最高频率:500kHz电源电流:10mA输入电压最大:9V输出数:1输出电压最大:1V输出电流最大:0.1A针脚数:8图3.4LM567锁相环3.7超声波发射器电路超声波发射电路原理图如图3.5所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。图3.5超声波发射电路原理图3.8超声波检测接受电路超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。超声波接收电路如图3.6所示。超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求。锁相环LM567内部压控振荡器的中心频率为，锁定带宽与C3有关。由于发送的超声波频率为40kHz，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为40kHz，只响应该频率的信号，防止了其他频率信号的干扰。当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz，那么从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。图3.6超声波接收电路3.9显示电路显示电路如图3.7，四位LED组成动态扫描电路，由AT89C51的P0口输出要显示的数值对应的8位二进制数码〔数码管显示值“1〞=P0口输出“11111001〞〕。动态扫描时，由P2口控制LED的的四个数码管中数码管的选通。当距离测量结束并调用显示程序，就会显示距离大小，显示两位小数。当按下按键k2时，将会显示温度值，延时5s后恢复显示距离值。图3.7显示电路3.10LM7805电平转换电路LM7805电平转换电路如图3.8所示。为方便起见，本设计采用的是9V电池为发光二极管D1、二极管D2、电容C1及三端稳压器LM805供电，直流电送入三端稳压器LM7805稳压后，三端稳压器LM7805输出+5V稳恒直流电，为电路中的电容C2、C3、C4提供电源。LED是电源指示灯，通电后发光。图3.8LM7805电平转换电路3.11AT89C51复位电路AT89C51复位有一个专用的外部引脚RESET，外部可通过此引脚输入一个正脉冲使单片机复位。所谓复位，就是强制单片机系统恢复到确定的初始状态，并使系统重新从初始状态开始工作。本设计采用的是电平式开关与上电复位电路，为了能使运行中的系统，经人工干预，强制系统进行复位。其电路图如3.9所示；图3.9AT89C51复位电路4系统软件设计4.1主程序流程超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序那么具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算〔计算距离时〕，又要求精细计算程序运行时间〔超声波测距时〕，所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。因为本设计对时间要求精度较高的局部全部由单片机内部的定时器完成，而虽然温度传感器的读写对时间精度要求也高，但经详细计算所得出的C程序已被广泛应用，故直接借用已有程序也能作到对温度的准确读取，所心本设计全部使用C语言编程，这样能使设计中所用到的公式能方便快捷的表达和实现，又缩短了论文的篇幅。软件采用模块化设计方法，由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断子程序、温度测量子程序、距离计算子程序、显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成，图5.1为主程序流程图。系统上电后，首先系统初始化，不断扫描按键k1，假设按键k1按下，那么开始测量空气温度，然后将P1.0置位，使定时器T0开始定时，控制超声波传感器发出超声波，同时使定时器T1开始定时。CPU循环检测P3.3引脚，当P3.3为低电平时接收到回波，立即使T1停止工作，保存定时器的计数值。然后根据温度和传输时间计算距离，温度补偿措施使测量精度有了明显提高，计算出距离后调用距离显示子程序，LED显示距离。最后检测按键k2，假设k2闭合，那么调用温度显示子程序，LED显示温度〔温度并非测量距离时用于补偿的温度，而是当前温度〕5s后恢复显示本次测量距离；假设按键k2没有闭合，那么显示器恒定显示最新一次的测量结果；假设要进行下一次测量，那么先要按下k3重新开始，再按下按键k1才执行新一次测量。由于不需输入数据，键盘只设置了3个按键，用于开始测量距离并显示温度功能设置等。NNYNYNYYN开始系统初始化显示测量距离测温，根据温度和时间计算距离显示温度5s发射超声波，T1计时K2闭合？T1停止定时，保存定时值N接收到反射波？K1闭合？K3闭合？图5.1主程序流程4.2子程序设计4.2.1超声波发送子程序及超声波接收中断子程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号〔频率约40kHz的方波〕，脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T1翻开进行计时，定时器T1工作在方式0。超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号〔即引脚出现低电平〕，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T1停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，那么定时器T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成功。图5.5为超声波发送及超声波接收程序流程图T1停止时，保持定时值发射超声波，T1计时接收到反射波K1闭合系统初始化开始T1停止时，保持定时值发射超声波，T1计时接收到反射波K1闭合系统初始化开始图5.2超声波发送及超声波接收程序流程图超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号〔频率约40kHz的方波〕，脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T1翻开进行计时，定时器T1工作在方式0。超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号〔即引脚出现低电平〕，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T1停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，那么定时器T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成功。T0中断效劳程序如下：sbitsend=P1^0;voidtimer0(void)interrupt1{send=!send;TH0=0x1f;TL0=0xf4;}超声波接收〔外部中断1〕程序：voidint1(void)interrupt2{if(TH1!=0x00&&TH0!=0x00) {b=1; TR1=0; TR0=0; t=TH1*256+TL1;t=t/1000000;TH0=0x1f;TL0=0xf4;TH1=0x00;TL1=0x00; } else {b=0; TR1=0; TR0=0;TH0=0x1f;TL0=0xf4;TH1=0x00;TL1=0x00;}}4.2.2测温子程序测温的主要器件是DS18B20，现场温度直接以“一线总线〞的数字方式传输，DS18B20中有两个存测得的温度值的两个8位存贮器RAM，用11位存贮温度值，最高位〔5位〕为符号位。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。图6.2为DS18B20的温度存储方式：LSBytebit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0LSByte232221202－12－22－32－4MSByteMSByteSSSSS262524图6.2DS18B20的温度存储方式负温度时S=1，正温度时S=0。因此我们只需要逐位读出它的温度就可以了。读出一个字节C代码如下：ucharreadbyte(void)//直接读一字节程序{uchari,k; i=8; k=0; while(i--) { tem_in=1; delay_us(1); tem_in=0; k=k>>1; tem_in=1; NOP; if(tem_in)k|=0x80;//tem_in为1时，那么该位也为1 delay_us(4);} return(k);}4.2.3距离计算子程序当前温度和超声波往返时间均测量出来后，用C语言根据公式计算距离来编程是比拟简单的算法。根据测量距离，而其中，故可简化为：，其实现程序算法如下：#include<math.h>voiddistance(void){doubleradical,dist,t;radical=sqrt(1+(temnum+273)/273);dist=165.7*t*radical;return(dist);} 5总结超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；另一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪；此次设计采用反射波方式。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三局部。单片机采用AT89C51。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序那么具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算〔计算距离时〕，又要求精细计算程序运行时间〔超声波测距时〕，所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。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，且本钱较低、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，可以通过改变一些硬件的应用实现对超声波的快速锁定或根据自己的需要在程序中参加测距软件补偿的代码，使误差进一步减小，可以满足更高要求。本设计完整地做出之后可测量十米以内的距离。因为超声波的特性，测距时保证传感器与被测物间，以及测量轴线上没有障碍物；且要尽量保证传感器轴线与被测物外表垂直；实际测距范围与被测物外表材料等因素有关，一般不要测量外表为毛料的物体外表。致谢从开始做论文到论文根本完成，经历了很长一段时间，从开始的一知半解到现在的全面了解算是经历了一个漫长的过程。在这个过程中有无数人给了我莫大的帮助。首先要感谢的是我的指导老师李慧老师。感谢她在此次毕业设计过程中给予我的悉心指导与各方面的帮助，她给了我许多非常有益的建议和意见，使我在思路上得到了很大的开阔，从中认识到了自己存在的缺乏，并且学到了很多非常珍贵的知识。特别是在我论文定稿前认真的审阅了我的论文，指出我的错误和缺乏之处，在这里深表感谢！其次感谢我要感谢与我度过四年大学生活的同学们，你们在大学的四年里给予我许多学习与生活上的帮助。最后我要感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的关爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。参考文献[1]胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10

[2]时德刚，刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10

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