基于MCS8751單片機的測距儀研究

梅桂靜等

摘要：超聲波由于指向性強，能耗低，傳播距離遠(yuǎn)，經(jīng)常被用于距離測量；單片機體積小，價格低，易編程故在此選用超聲波和單片機設(shè)計了智能測距儀。

關(guān)鍵詞：超聲波 測距儀 單片機

0 引言

超聲波檢測速度快、方便、計算簡單、易于實時控制，測量精度高；結(jié)合單片機及外圍電路，通過超聲換能器，設(shè)計了具有較高重復(fù)頻率，精度高的超聲測距儀的軟硬件系統(tǒng)。并通過RS232串行通訊將報告測距結(jié)果傳送給計算機顯示。

1 硬件設(shè)計

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

8155芯片介紹 8155H芯片內(nèi)包含有256個字節(jié)的RAM存儲器，兩個可編程的8位并行口PA和PB，一個可編程的6位并行口PC，以及一個14位減法定時器/計數(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；共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極相連接正電壓，當(dāng)某發(fā)光二極管的陰極接低電平時，二極管被點亮，顯示相應(yīng)字段。

點亮顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)顯示是指顯示器顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定導(dǎo)通或截止；動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮顯示器各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次。

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I/O口稱為掃描口，顯示器各位所顯示的字型也需要一個八位口稱為段數(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)動器7407接顯示器的各個極。

RS232接口電路在PC機中一般有兩個標(biāo)準(zhǔn)RS-232C串行接口COM1和COM2.MCS8751單片機片內(nèi)含一個全雙工的串行接口，通過編程即可實現(xiàn)串行通信。然而PC機的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”，計算機接口芯片大都為TTL或CMOS電平，在通信時，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)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，內(nèi)部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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，發(fā)射頭為UCM40T和接收頭UCM40R配套使用。單片機在P1.0端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動超聲波發(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?，?jīng)放大整形后加至單片機中斷入口，當(dāng)信號電平由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。

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

為了接四位LED數(shù)碼顯示，單片機需外擴(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P0口，單片機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PA口和PB口分別加反向驅(qū)動器75452和同向驅(qū)動器7407。LED顯示器接為共陰極型。

2 軟件設(shè)計

方波發(fā)生 MCS-51單片機內(nèi)有兩個可編程的定時器/計數(shù)器，具有計數(shù)器、定時器兩種工作模式及4種工作方式通過對特殊功能寄存器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的啟動和停止計數(shù)，同時包含了T0，T1的狀態(tài)。TMOD，TCON這兩個寄存器的內(nèi)容由軟件設(shè)置。

在本設(shè)計中，時鐘頻率采用6MHZ，要在P1.0上輸出一個周期為2ms的方波，方波的周期用定時器T0來確定，采用中斷的方法來實現(xiàn)。首先確定定時常數(shù)，根據(jù)13位定時器特性，初值應(yīng)為：TH0=0F0H TL0=OCH；其次對IP，IE，TCON，TMOD的相應(yīng)位進(jìn)行初始化設(shè)置，并將時間常數(shù)送入定時器中。

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

3 結(jié)論

基于MCS8751單片機利用超聲波原理設(shè)計的測距儀能完成遠(yuǎn)距離的測量，滿足測量精度的要求，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.一種用于移動機器人導(dǎo)航的全向高精度超聲測距處理方法[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000.

[2]楊勁松，王敏，黃心漢.超聲波可變閾值測距裝置[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單片機原理及應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)，2003.