基于MCS8751單片機(jī)的測(cè)距儀研究

梅桂靜等

摘要：超聲波由于指向性強(qiáng)，能耗低，傳播距離遠(yuǎn)，經(jīng)常被用于距離測(cè)量；單片機(jī)體積小，價(jià)格低，易編程故在此選用超聲波和單片機(jī)設(shè)計(jì)了智能測(cè)距儀。

關(guān)鍵詞：超聲波 測(cè)距儀 單片機(jī)

0 引言

超聲波檢測(cè)速度快、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度高；結(jié)合單片機(jī)及外圍電路，通過(guò)超聲換能器，設(shè)計(jì)了具有較高重復(fù)頻率，精度高的超聲測(cè)距儀的軟硬件系統(tǒng)。并通過(guò)RS232串行通訊將報(bào)告測(cè)距結(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)顯示。

1 硬件設(shè)計(jì)

MCS-51系列單片機(jī)屬于8位單片計(jì)算機(jī)，因其品種齊全，兼容性強(qiáng)，軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，而成為8為位單片機(jī)中的主流。在此選用了MCS8751單片機(jī)。

8155芯片介紹 8155H芯片內(nèi)包含有256個(gè)字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器，兩個(gè)可編程的8位并行口PA和PB，一個(gè)可編程的6位并行口PC，以及一個(gè)14位減法定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。PA口和PB口可工作于基本輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。

數(shù)碼顯示電路 LED顯示器分為：共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管陰極相連并接地；共陽(yáng)極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽(yáng)極相連接正電壓，當(dāng)某發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，二極管被點(diǎn)亮，顯示相應(yīng)字段。

點(diǎn)亮顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)顯示是指顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定導(dǎo)通或截止；動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位，對(duì)于顯示器的每一位來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。

若顯示器的位數(shù)不大于八位，顯示器公共極電位只需一個(gè)I/O口稱為掃描口，顯示器各位所顯示的字型也需要一個(gè)八位口稱為段數(shù)據(jù)口。4位共陰極顯示器與8155的A口相連作為掃描口，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器75452接顯示器公共極，B口作為段數(shù)據(jù)口，經(jīng)同向驅(qū)動(dòng)器7407接顯示器的各個(gè)極。

RS232接口電路在PC機(jī)中一般有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232C串行接口COM1和COM2.MCS8751單片機(jī)片內(nèi)含一個(gè)全雙工的串行接口，通過(guò)編程即可實(shí)現(xiàn)串行通信。然而PC機(jī)的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定+3V～+15V之間的任意電平為邏輯“0”，-3V～-15V之間的任意電平為邏輯“1”，計(jì)算機(jī)接口芯片大都為T(mén)TL或CMOS電平，在通信時(shí)，須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的電平匹配。選用了MAX232芯片完成電平轉(zhuǎn)換工作。

超聲波換能器 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的，內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。

超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號(hào)，發(fā)射頭為UCM40T和接收頭UCM40R配套使用。單片機(jī)在P1.0端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。接收頭UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)放大整形后加至單片機(jī)中斷入口，當(dāng)信號(hào)電平由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。

硬件電路 MCS8751單片機(jī)接6M晶振，同時(shí)具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能，P1.0口作為輸出口，輸出40KHz方波。方波信號(hào)經(jīng)晶體管T放大后，送給超聲波發(fā)射頭UCM40T，驅(qū)動(dòng)UCM40T發(fā)出40KHz超聲波。超聲波反射回來(lái)后，被超聲波接收頭UCM40R接收。UCM40R將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)，信號(hào)由差動(dòng)放大器兩級(jí)放大后送給音頻譯碼器LM567，經(jīng)LM567分頻后，40KHz方波信號(hào)被選出來(lái)，此信號(hào)作為中斷輸入信號(hào)接到單片機(jī)的外部中斷入口INT0。

為了接四位LED數(shù)碼顯示，單片機(jī)需外擴(kuò)一片I/O接口芯片8155。8155加上電復(fù)位電路，數(shù)據(jù)口接單片機(jī)P0口，單片機(jī)P2.0，P2.7分別接8155的CE和IO/M端。8155的PA口作為輸出口，掃描四位LED顯示器。PB口作為顯示器的段數(shù)據(jù)口。同時(shí)PA口和PB口分別加反向驅(qū)動(dòng)器75452和同向驅(qū)動(dòng)器7407。LED顯示器接為共陰極型。

2 軟件設(shè)計(jì)

方波發(fā)生 MCS-51單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有計(jì)數(shù)器、定時(shí)器兩種工作模式及4種工作方式通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器TCON的編程，可選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鞣绞?。特殊功能寄存器用于控制T0，T1的啟動(dòng)和停止計(jì)數(shù)，同時(shí)包含了T0，T1的狀態(tài)。TMOD，TCON這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容由軟件設(shè)置。

在本設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘頻率采用6MHZ，要在P1.0上輸出一個(gè)周期為2ms的方波，方波的周期用定時(shí)器T0來(lái)確定，采用中斷的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先確定定時(shí)常數(shù)，根據(jù)13位定時(shí)器特性，初值應(yīng)為：TH0=0F0H TL0=OCH；其次對(duì)IP，IE，TCON，TMOD的相應(yīng)位進(jìn)行初始化設(shè)置，并將時(shí)間常數(shù)送入定時(shí)器中。

計(jì)時(shí)程序 當(dāng)M1，M0為10時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作于方式2，方式2為自動(dòng)恢復(fù)初值（常數(shù)重裝入）的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，TLX作為常數(shù)緩沖器，當(dāng)TLX計(jì)數(shù)溢出時(shí)，在置1溢出標(biāo)志TFX的同時(shí)，還自動(dòng)的將THX中的常數(shù)送至TLX，使TLX從初值開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。將T1定義方式2計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)初值為00H，計(jì)數(shù)從0開(kāi)始。把T0（P3.4），作為外部中斷請(qǐng)求輸入線，即T0引腳發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，向CPU請(qǐng)求中斷。

3 結(jié)論

基于MCS8751單片機(jī)利用超聲波原理設(shè)計(jì)的測(cè)距儀能完成遠(yuǎn)距離的測(cè)量，滿足測(cè)量精度的要求，在數(shù)據(jù)通信方面還有待改進(jìn)和提高，尤其是遠(yuǎn)距離通信方面。

參考文獻(xiàn)：

[1]童峰，許天增.一種用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的全向高精度超聲測(cè)距處理方法[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000.

[2]楊勁松，王敏，黃心漢.超聲波可變閾值測(cè)距裝置[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1998（7）：7-9.

[3]丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感器技術(shù)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

[4]杜兵華等.MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)，2003.