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睦要燕
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1 逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文超音波測距電路之研究 The Study on Ultrasonic Circuits for Static Distance Measurement 指導教授 : 賴啓智學生 : 吳景恭魏上淳中華民國九十五年元月

3 感謝時光飛逝, 大學四年的生活就要告一段落了, 感謝所有師長在這段時間在課業和生活上的指導, 特別是恩師賴啟智教授, 讓學生有充分的資源和空間從事研究, 並在學習過程中給予指導, 總是不吝惜地傳授經驗給我們, 在日常生活中也教導我們一些做人處事的原則, 你的諄諄教誨我們將謹記在心另一方面也感謝洪三山老師的悉心指導與指正, 還有實驗室的俊嘉郭鴻柏宏志清學長以及同學仁厚承翰小謙晉剛宏揚榮生達剛, 謝謝你們一路的陪伴鼓勵與支持, 因為有你們的參與, 度過了充實的大學生活, 也擁有了許多美好回憶最後將本論文獻給親愛的爸爸媽媽, 感謝你們辛苦的栽培以及一路的支持與陪伴, 可以無後顧之憂的學習, 謝謝你們, 親愛的爸媽還有好友郭致德, 能夠適時的提供意見與鼓勵, 謝謝你 i

4 中文摘要本專題的目的, 是以 8951 微處理器當核心, 來量測距離利用震盪電路發送一段訊號到障礙物, 經過反射接收其反射波, 經過放大和邏輯閘電路, 讓 8951 計算其飛行時間差, 經程式算出距離本系統顯示距離是以 cm 表示, 準確度在 2% 左右, 最短距離約為 4cm, 最長距離約為 110cm 反射波的大小跟障礙物的材質形狀和大小有關, 或是會吸收反射波的地毯等 ii

5 Abstract This purpose of application report is a distance-measuring system based on ultrasonic sound utilizing the 8951 microcontroller. The system oscillates 1ms to transmit ultrasonic sound wave towards the subject and receive the corresponding echo, and the signal goes through OP and LOGIC circuit. The time taken for the ultrasonic sound to travel the distance from the subject and back to the system is measured by the 8951 microcontroller. The distance is displayed in cm with an accuracy of ± 1%. The minimum distance that this system can measure is four cm. The maximum distance that can be measured is one hundred ten cm. The amplitude of the echo depends on the reflecting material, shape, and size, or sound-absorbing targets such as carpets. iii

6 目錄感謝...i 中文摘要...ii Abstract...iii 目錄...iv 圖目錄...vi 表目錄...vii 第一章緒論 1.1 前言研究背景與動機國內外相關研究...1 第二章理論探討 2.1 感測器超音波超音波的原理超音波的應用超音波感測器超音波感測器原理超音波感測器之等效電路超音波感測器之種類及檢測方式超音波感測器的特性...13 第三章硬體電路的架構 3.1 硬體方塊圖發射電路接收電路...19 iv

7 第四章軟體架構 4.1 單晶片微電腦原理簡介軟體流程說明設計理念超音波測距原理軟體設計理念...24 第五章測試與結論...25 參考文獻...27 附錄 A LF356 Data Sheet...28 附錄 B 程式...30 v

8 圖目錄圖 1.1 以 MSP430 為核心之系統架構...1 圖 1.2 MSP430 發送 40kHz 的脈波...3 圖 1.3 發送與接收端之訊號時序圖...3 圖 1.4 德州儀器公司之超音波測距器實體圖...4 圖 2.1 為人耳可以感受到的頻率範圍與振動的強度關係...6 圖 2.2 超音波的應用...7 圖 2.3 雙壓晶片振盪超音波感測器之外形及構造之圖例...9 圖 2.4 為基本的壓電電壓效應說明圖...9 圖 2.5 超音波感測器之等效電路與阻抗特性...10 圖 2.6 超音波感測器之阻抗特性與靈敏度曲線...10 圖 2.7 MA40A3S/MA40A3R 之特性...11 圖 3.1 硬體方塊圖...14 圖 3.2 單穩態電路...15 圖 3.3 單穩態輸出示意圖...16 圖震盪電路...16 圖輸出的 Duty Cycle...17 圖 3.6 單穩態輸出 1ms...17 圖 ms 震盪輸出...18 圖 3.18 超音波測距電路...19 vi

9 表目錄表 2.1 超音波感測器之規格一覽表...12 表 2.2 超音波檢測方式...12 表 3.1 中心頻率的量測...18 表 5.1 實際測距量測...26 vii

10 第一章緒論 1.1 前言在講求效率的作業環境中, 工業界ㄧ直朝向製造自動化的目標前進, 在此之中, 自動量測系統扮演極重要的角色其中需要探知之距離極多, 而超音波在非破壞性之檢測及測距等方面的應用非常廣泛, 這些都是利用超音波在介質傳播之傳播與反射的特性 1.2 研究動機在現今社會中我們可看見許多超音波的應用, 例如 : 超音波洗衣機美容臉部用超音波儀器超音波驅蟲器魚群探知器等等由此可見, 超音波已是生活上不可或缺的好幫手, 身為一個現代人有必要對超音波有進ㄧ步之認識在此, 我們試圖了解超音波之特性, 進而製作ㄧ個超音波測距器並且對所需之超音波發射與接收電路提出ㄧ種可用之電路設計 1.3 國內外相關研究在國內外與本文相關研究的有德州儀器公司所開發的超音波測距器, 它的中心頻率也是 40kHz, 而整體系統架構主要是以 MSP430 微處理器當核心, 然後發射電路, 接收電路, 顯示電路, 及電源電路五大部分所組成, 如下圖 1.1 1

11 MSP430 系列是德州儀器 (TI) 出品的一顆超級省電 16 bit RISC 微處理機. 它整合了 A/D, 硬體 PWM, 硬體乘加器... 等. 是一高整合度的 SOC(System On Chip) MSP430 特點如下 : 1. 超低耗電, 延長電池使用壽命 2. 保持 RAM 資料, 耗電流只要 0.1uA kHz 工作頻率耗電流只要 0.8uA 4. 電流消耗 250uA / MIPS bit RISC 架構, 指令解碼可以 16 bit 模式, 也可以 8 bit 模式. 具 ISP(In-system programmable) 功能 6. 最快指令執行週其 125 ns 7.JTAG Port, 不用 ICE, 也能單步模擬除錯 V~3.6V 工作電壓德州儀器公司所開發的超音波測距器, 其整個系統的工作原理主要是利用 MSP430 送訊號並以電晶體及一些邏輯閘來推動超音波元件, 送一段中心頻率為 40kHz 的脈波, 如圖 1.2 及圖 1.3 之 CH1 所示, 此時 MSP430 裡頭的 TIME_A 就被啟動, 開始計數以 40kHz 為方波的 CLOCK, 時間量測的解析度為 25µs, 而當訊號經過障礙物反射回來的波, 在經過一個高迴轉率的運算放大器 TLV2771, 此時第一次接收到的脈衝訊號, 如圖 1.3 之 CH2 所示,MSP430 會逕行忽略, 在第二次的訊號經過放大送進 MSP430 中的比較器, 當比較器收到反射訊號時, 就會觸發去捕捉 TIME_A 的值到暫存器 CCR1, 然而這捕捉的值也就是系統發射脈波到障礙物, 然後反射接收到的飛行時間差, 如圖 1.3 之 CH3 所示, 再經由 MSP430 計算其超音波所走的距離, 再其顯示出 LCD 上, 當 LCD 被重置時,MSP430 就會進入 LMP3 的 Sleep time 來節省電源其中 TIMER1 會每 205µs 中斷 MSP430, 這中斷的訊號是來 Wake up MSP430 並重置 LCD, 來進行下一次的量測 2

12 圖 1.2 MSP430 發送 40kHz 的脈波圖 1.3 發送與接收端之訊號時序圖在電源電路部份, 由於 MSP430 其本身就是低耗功率省電的晶片, 因此工作電壓在 1.8V~3.6V 之間就能 WORK, 在此 MSP430 的工作電壓為 3.6V, 透過一個低功率的穩壓器 TPS770XX 系列, 來提供 3.6V 所以整體的電源用ㄧ顆 9V 的電池就以足夠下圖 1.4 所示為實體圖 3

13 圖 1.4 德州儀器公司之超音波測距器實體圖 4

14 第二章理論探討 2.1 感測器感測器是把有關對象狀態的測定量轉換成為信號系統, 亦即在自動化系統的最前線, 取代人或以高於人的能力檢知對象訊號, 轉換為適合該系統的信號 ( 大都為電氣信號 ) 輸入系統所以, 感測器未充分發揮機能的話, 後續的信號處理傳送顯示對象的控制等裝置也無法發揮機能, 如此可見感測器的重要性本專題為感測器應用於靜態測距, 故考慮的感測器為超音波及紅外線, 以下為此兩種感測器之比較 : 紅外線為不可見之光, 有稱熱波, 其波長介於微波與可見光之間, 凡物體溫度在絕對溫度以上, 均會輻射出與其溫度相對應之紅外光, 紅外線本身對溫度較敏感, 所以應用範圍大多是做溫度的感測, 若將此裝置至於高溫下, 勢必受其他高熱訊號影響而產生誤判超音波其波長短指向性強能量集中, 在設計上需考慮遮蔽, 因其具有方向性, 所以在傳輸線上應使用隔離線, 但有其部受溫度影響之優點, 其特點為透明物亦能偵測基於以上之探討, 本專題採用超音波作靜態測距 2.2 超音波超音波原理概論超音波是一種人類聽不到的聲波, 一般人耳可聽見的聲音頻率範圍是從 20Hz~20kHz 左右, 當音波超過 20kHz 時, 即稱其為超音波( ultrasonic wave ), 也就是超過人類耳朵所能聽見的音波不過通常超音波是指超過 20kHz 以上的響應, 這類超音波感測器都是採用壓電效應的壓電陶瓷元件居多隨著用途和元件的差異而有所不同, 高頻者 ( 從 MHz 至 GHz) 大多應用於醫學方面 ; 頻率較低者 (20kHz 至數百 khz), 一般用於距離測定等大部份被用來偵測物體的運動速度, 短距離的量測與判定物體之有無等, 屬於一種非接觸型的感測元件如下圖 2.1 為人耳可以感受到的頻率範圍與振動的強度關係 5

15 圖 2.1 為人耳可以感受到的頻率範圍與振動的強度關係超音波的應用我們日常生活中應用到的超音波場合很多, 例如使用超音波清洗手錶衣物超音波自動門超音波防盜 ; 醫學上使用超音波做人體掃描 ; 在工業使用超音波檢測銲道探傷測厚及量測材料特性控制材料晶粒等超音波在非破壞檢測中, 已是發展最快應用最廣泛之技術有關超音波的應用領域非常的廣泛, 大致可分為三部分 : 1. 資訊應用 2. 動力性應用 3. 驅除害蟲與超音波醫療等, 如下圖 2.2 而現今, 我們所應用的是定義在 1 資訊應用中的超音波測距 6

16 圖 2.2 超音波的應用 7

17 2.3 超音波感測器超音波感測器的原理超音波感測器其產生與檢出大致可以區分為電磁感應現象壓電現象磁振現象等之應用, 都是電能和伸縮(彈性)能之轉換依其內部架構可分為下列幾種類型 : 1. 電磁感應型振盪器 2. 磁伸縮振盪器 3. 壓電振盪器以下就以本專題所運用的壓電振盪器作介紹 : 壓電振盪器以水晶或石英晶體酒石酸鉀鈉鹽( rochelle salt )的晶體, 以及鈦酸鋇鈦酸鉛等壓電效應元件做出超音波發射和接收器在液體內或金屬內, MHz 之超音波是使用水晶振盪器當然, 低頻之超音波的發射接收也是可行的目前在超音波感測器上用得最多的是石英晶體型振盪器超音波感測器分成發射器和接收器, 兩者同樣具有壓電效應, 超音波振動子係由 2 只壓電元件 ( 或由一只壓電元件與金屬板 ) 重疊而成, 一面伸張, 另一面壓縮, 使之彎曲做為振盪器, 此一振動子稱為雙壓電晶片 (bimorph), 僅有一片壓電元件者稱為單壓電晶片 (unimorph) 對超音波發射器而言稱為電壓效應, 主要是將電氣信號轉換成壓力的信號去壓縮周圍空氣 ; 而這些受壓縮的空氣將會壓縮接收器上的壓電材料, 並產生壓電效應, 進而將壓力信號轉換成電的信號此雙壓晶片振盪器之輸出電壓大構造簡單體形小, 且其機械強度夠, 溫度特性及濕度特性良好, 價位低, 其中小型的超音波感測器用得最多如下圖 2.3 為雙壓晶片振盪超音波感測器之外形及構造之圖例及圖 2.4 為基本的壓電電壓效應說明圖 8

18 圖 2.3 雙壓晶片振盪超音波感測器之外形及構造之圖例圖 2.4 為基本的壓電電壓效應說明圖超音波感測器所使用的頻率約為 20kHz 至 45kHz, 頻率低的超音波所能達到的距離範圍較遠, 但較容易受空氣中的雜音所干擾, 反之頻率升高, 則其所能達到的距離範圍縮短, 但較不容易受空氣中的雜音所干擾, 故以頻率 20kHz 至 45kHz 為最佳頻率範圍 9

19 2.3.2 超音波感測器之等效電路茲將超音波感測器之等效電路展示於圖, 由圖 2.5(a) 得知, 等效電路係由 LCR 之串並聯電路所組成圖 2.5(b) 所示為超音波感測器之阻抗特性圖中左側與右側顯示電容性 ( 可以看成電容器 ), 中央顯示電感性 ( 可以看成電感器 ) 係一振動子係一水晶振動子或陶瓷振動子常見之高 Q 之震盪元件, 因具有此一特性而構成超音波感測器時有之電路圖 2.5 超音波感測器之等效電路與阻抗特性那麼, 在此針對超因波感測器之二個諧振頻率來加以說明較低側頻率之諧振頻率, 稱為串聯諧振頻率 f r, 可以諧振於 L C 與 R 之串聯電路此時, 感測器如圖所示阻抗為最低另一方面, 較高側之諧振頻率, 稱為反諧振頻率可以諧振於 L C 與 C 之並聯電路 f a, 圖 2.6 超音波感測器之阻抗特性與靈敏度曲線 10

20 發信超音波感測器在串聯諧振頻率靈敏度最大, 誠如上圖 2.6, 超音波感測器具有兩個諧振頻率, 發信超音波感測器之發信靈敏度, 係以串聯諧振頻率 f r 來表示收信超音波感測器在反諧振頻率靈敏度最大, 因為具有此一諧振特性, 雖將方形波輸入發信感測器, 收信感測器之輸出也可得一正弦波超音波感測器之種類及檢測方式目前市面是所販售之超音波感測器之規格一覽表, 如表 2.1 所示, 本專題所使用的超音波感測器為 MA40A3S/MA40A3R, 如下圖 2.7 為 MA40A3S/MA40A3R 之特性圖, 此一泛用型感測器雖頻帶較窄, 但靈敏度很高, 具有抗雜訊的能力此外, 就泛用型而言, 通常分別備有發信感測器與收信感測器誠如上述, 是因為發信靈敏度與收信靈敏度最大時之頻率分別為器必定要犧牲其中一個 f r 與 f a, 若使用一個感測圖 2.7 MA40A3S/MA40A3R 之特性 11

21 表 2.1 超音波感測器之規格一覽表檢測方式可分為直接型與反射型兩種, 如表 2.2 直接型檢出方式係將發射器與接受器相對配置, 有直接波訊號電壓時, 無法顯示物體之存在, 只有沒有訊號電壓時, 才有物體存在之顯示反射型檢出方式係將發射器與接收器, 作較靠近之配置, 有反射波即能顯示物體之存在表 2.2 超音波檢測方式 12

22 2.3.4 超音波感測器的特性 1. 超音波感測器亦可作為超音波產生器, 為可逆元件 2. 在溫度上升時, 中心頻率會下降 3. 在不同的介質中, 會有不同的傳播速度 4. 超音波的特點之ㄧ是指向性能強, 基本上可以認為是直線進行的, 這時音束能量在一定方向集中發射, 根據這種特性, 可以正確的檢測缺陷位置, 尤其在高頻域中, 指向性更強, 像工業檢測用高頻率超音波, 在空氣中聲波衰減可視為不存在 5. 超音波的另一特點超音波的反射率很高 ( 二次三次反射波的能量仍然大 ), 超音波在彈性介質中傳播時, 遇到缺陷或異常之界面時會有不良的反射, 甚至可以檢知透明的物體 13

23 第三章硬體電路架構 3.1 硬體方塊圖本系統是由發射驅動電路接收電路以及 8051 微處理器顯等部份所組成, 透過一個時脈的震盪訊號發射, 撞及反射物然後接收其反射波, 經由微處理器計算飛行時間, 在將距離顯示於七節燈管上, 其系統整體方塊圖如下 : 開始 555 震盪器發射計時開始接收計時結束自保持電比較放大路時間差算出距離顯示圖 3.1 硬體方塊圖 14

24 3.2 發射電路我們利用單穩態電路發送一段時間, 來控制 555 的震盪輸出圖 3.2 單穩態電路如上圖 3.2 所示, 是利用 555 作為單穩態多諧震盪器, 其輸出的脈衝寬度, 係由 R1 C1 所設定的若將脈衝輸入觸發輸入時, 其內部的正反器會被設定, 而放電電晶體呈 off 狀態, 輸出則為 H 準位而電容 C1 則以時間常數 T=R1 C1 而充電當 C1 端的電壓達到臨界電壓 (2/3Vcc) 時, 正反器即被重置, 放電電晶體則為 on 狀態, 儲存在電容器的電荷被放電ㄧ旦有輸入觸發脈波, 即進行 one-shot 動作 C1 端的電壓 Vc 為所以可以得到 Vc=Vcc(1-e t / RC ),Vcc= 電源電壓 (3-1) 15

25 Vcc Vc t = - RCln( ) (3-2) Vcc 由於,Vc 達到臨界電壓時 C 即開始充電, 因此當 Vc=2/3Vcc 時,(3-1) 式即為 Tw=1.1R1 C1 (3-3) 此即為輸出的脈波寬 Tw 圖 3.3 單穩態輸出示意圖圖震盪電路 16

當電源 Vcc 加上時,C1 兩端電壓 <1/3Vcc, 故第 3 腳輸出為 H, 同時第 7 腳對地開路而 C1 經 Ra 和 Rb 充電, 其端電壓會一直上升, 當第 6 腳之電壓 >2/3Vcc 時, 輸出腳及轉變為 L, 同時對地短路 C1 經 Rb 放電, 因此電壓會不斷下降, 當第 2 腳之電壓 <1/3Vcc 時, 輸出腳又轉變為 H, 第 7 腳又對地開路上述動作反覆循環,

26 當電源 Vcc 加上時,C1 兩端電壓 <1/3Vcc, 故第 3 腳輸出為 H, 同時第 7 腳對地開路而 C1 經 Ra 和 Rb 充電, 其端電壓會一直上升, 當第 6 腳之電壓 >2/3Vcc 時, 輸出腳及轉變為 L, 同時對地短路 C1 經 Rb 放電, 因此電壓會不斷下降, 當第 2 腳之電壓 <1/3Vcc 時, 輸出腳又轉變為 H, 第 7 腳又對地開路上述動作反覆循環, 即產生如下圖 3.5 所示之輸出圖輸出的 duty cycle TH=0.7(Ra+Rb) C1, TL=0.7 Rb C1, T=0.7(Ra+2Rb) C1 (3-4) 因此可以藉由 (3-4) 來求得 40kHz 的震盪頻率, 由於 555 IC 的第 4 腳位為重置腳, 當第 4 腳的電壓小於 0.4 伏時, 第 3 輸出腳為 L 的狀態, 同時對第 7 腳對地短路, 因此可以利用單穩態電路的輸出來控制 555 的震盪輸出如下圖 3.6,3.7 所示圖 3.6 單穩態輸出 1ms 17

圖 3.7 555 1ms 震盪輸出雖然超音波元件的頻率是 40kHz, 但是能讓元件發揮最大共振振幅, 就不一定是剛好 40kHz, 因此底下表 3-1 我們作了中心頻率的測試以及用何種波形能夠讓元件的共振的振幅較為大, 以相距 15cm 的距離作量測表 3-1 中心頻率的量測弦波方波三角波 38.5kHz 17.2mV 22.2 mv 15.1 mv 39 khz 24.

27 圖 ms 震盪輸出雖然超音波元件的頻率是 40kHz, 但是能讓元件發揮最大共振振幅, 就不一定是剛好 40kHz, 因此底下表 3-1 我們作了中心頻率的測試以及用何種波形能夠讓元件的共振的振幅較為大, 以相距 15cm 的距離作量測表 3-1 中心頻率的量測弦波方波三角波 38.5kHz 17.2mV 22.2 mv 15.1 mv 39 khz 24.2 mv 29.7 mv 22.5 mv 39.5 khz 35.6 mv 40.3 mv 32.2 mv 40 khz 60.5 mv 66.8 mv 50.1 mv 40.5 khz 71.8 mv 79.6 mv 56.4 mv 41 khz 46 mv 55.6 mv 41.2 mv 41.5 khz 13 mv 20.2 mv 由上表可知, 中心頻率在 40.5kHz 時, 能產生最大共振峰值, 因此選用 555 來產生方波來推動元件, 一方面是單電源工作, 另一方面是以方波來推動尤佳, 不過 555 在無穩態震盪時, 其震盪頻率會發生頻率漂移的情形, 但由於第二顆 555 是由第一顆 555 來控制其震盪脈寬, 因此 1ms 如此短的震盪時間, 我們暫且忽略其震盪頻率漂移的情況 18

28 3.3 接收電路當反射波傳回時, 因為能量會逐漸消耗, 所以要將訊號放大, 但可能會把雜訊給放大, 經我們實驗發現, 正常情況下, 雜訊最大為 0.3mv, 在 37 公分內超音波接收到的峰值訊號為, 我們先經過 LF356 高頻放大器, 接到一比較器 ; 假如峰值訊號大於則 HIGH(5V) 假如峰值訊號小於則 (0V) 再經過邏輯閘當作自保持電路, 把訊號送給 8051 做計算, 得出距離圖 3.18 超音波測距電路 19

29 第四章軟體架構 4.1 單晶片微電腦原理簡介微電腦基本架構, 是由中央處理單元 (Central Processing Unit, 簡稱 CPU) 記憶體 (Memory, 包括 RAM ROM) 輸出輸入單元(I/O, Input/Output) 三個部份組成輸出輸入單元是用於將操作指令數位與類比信號輸入至單晶片, 經過單晶片內部程式作適當的處理與運算, 得到結果再透過輸出單元去控制外界的電路設備等, 或是顯示訊息提供使用者知道 CPU 是微電腦的核心, 控制整個微電腦的運作, 並提供各種算術邏輯運算及邏輯與判斷等各種功能 ; 記憶體是用來儲存程式碼與常數變數及堆疊等資料 ; RAM 是隨機存取記憶體 (Random Access Memory), 用來作為程式設計中的變數 ;ROM 是唯讀記憶體 (Read Only Memory), 用於儲存程式與程式中需要用到的常數 8051 是目前市面上很受歡迎使用的單晶片微電腦之一, 由 INTEL 公司所開發來, 普遍地應用在工業界中由於其使用普及, 許多設計半導體晶片的公司也有製造與 8051 相容的單晶片, 例如由 ATMEL 公司所生產製造的 89C51 單晶片便與 INTEL 公司的 8051 完全相容, 其間最大的不同是 89C51 是可以重複燒錄的, 而 8051 則否其他較著名的有 Microchip PIC(16CXX) 系列, 台灣國產品則有義隆電子 EM78XX 系列合泰半導體 HT-XXXX 系列等等, 可說相當豐富本專題所使用為 89C51 單晶片 89C51 是一個八位元 (8-bit) 的 CMOS 單晶片微電腦, 符合 MCS-51 工業標準 89C51 內含 4K-byte 的快閃記憶體 (Flash Memory), 可重複燒錄程式達 1000 次以上 ;128-byte RAM 的程式記憶體, 作為程式變數區 ; 並提供 32 條 I/O 信號線,2 個 16-bit 的計時器 (Timer) 或計數器(Counter), 一個雙向串列埠 (RS-232 Serial Port), 和五個中斷向量功能 20

30 89C51 有三種形態的記憶體, 分別為 : 1. 晶片內的記憶體 (On Chip Memory) 2. 晶片外的 ROM, 外部程式碼記憶體, 可擴充到 64K 3. 晶片外的 RAM, 外接資料記憶體, 可擴充到 64K 晶片內的記憶體是指實際存在於 89C51 內部的記憶體, 包括 4K-byte 快閃記憶體 (Flash ROM) 128-byte RAM 和特殊功能暫存區 (Special Function Register, SFR) 128-byte RAM 通常分為六個區域, 每一個區域佔有不同位址的 RAM, 分別為 : 1. 暫存器庫 0(00H~07H) 2. 暫存器庫 1(08H~0FH) 3. 暫存器庫 2(10H~17H) 4. 暫存器庫 3(18H~1FH) 5.bit address 位元定址區 (20H~2FH) 6. 一般用途 (30H~7FH) 特殊功能暫存器是一塊特殊的記憶體空間, 提供 89C51 使用到的才可以存取當使用者設計程式時, 必須注意記憶體的規劃, 避免無章法的安排, 導致程式記憶體不足或是不合理的重複使用, 使程式產生錯亂, 無法達成所需要的功能 8051/89C51 單晶片除了控制功能外, 可利用原有的串列界面, 搭配與 PC 的溝通程式, 透過 TCP/IP 原理, 使單晶片增加最先進的網路功能, 應用範圍可說無遠弗屆 21

31 4.2 軟體流程說明 1. 關閉超音波發射端 P 先顯示距離為 0mm 3. 暫存器歸 0 4. 開始發射超音波訊號 P2.0, 同時開始計數 5 等待開始回傳訊號 6. 收到訊號後, 停止計數, 終止超音波發射 7. 減去因為電路延遲所導致之誤差 8 顯示於七節燈管 22

32 4.3 設計理念超音波測距原理在空氣中音波之傳送速度和粒子成分壓力及溫度有關單純的空氣中, 攝氏 0 大氣壓力 1atm 時, 波速 v 為 331m s, 於氣壓高時, 波速遞增, 且呈正比關係, 故平地之波速較高山為快至於溫度之影響較為複雜, 溫度升高時, 氣體之動能增大 (E=0.5mv 2 =KT), 故粒子碰撞時間縮短, 即波速 v 與 T 成正比, 於平地 1atm 下, 波速之公式為 :20 T ( m s ), 其中 T 為絕對溫度, 或是 t,t 為將空氣粒子假設為理想氣體, 具有完全彈性碰撞, 故碰撞時動能損失甚少如果空氣粒子撞擊結構緊密的粒子組織表面, 如金屬石板水面紙張衣物等, 由於無法造成對方之位移, 則將以原有速度彈回這些回彈之空氣粒子亦形成壓力或波動, 同樣以音速向四周傳播擴散, 此即回音 (echo) 由於波動是由中心向四周擴散, 遠處傳回的回音也同樣地擴散, 故傳回至原中心點之回音波幅是很小的對點狀發射源而言, 距離越遠, 所測得的振幅與距離平方成反比若能量取回波傳回之時間, 乘以當時介質之速度, 即等於 D( 距離 )= T( 時間差 ) C( 波速 ) 2 波之來回行程, 若為獨立型或共用型, 來回行程 1 2 即為發射點至反射物之距離, 此即超音波測距之原理一組音波是由數個波峰及波谷組成, 峰與峰之波長距離 (λ) 和波的頻率 (f) 成反比因為音波測距是以量取時間為基礎, 而時間差又以測定回波之抵達為主, 為了準確的測定回波, 必須測定一個以上的回波方可, 因此所測定的音頻必須儘可能的提高, 才能測定較佳的距離解析度 (resolution) 若使用最常見的 40kHz, 則解析度 ( 即一個波長 ) 為 C/f=34000/40000=0.85cm(15 時, 音速 =340m/s) 23

33 4.3.2 軟體設計理念測距主要是利用物理公式, 採用反射型超因波發射接收頭 S 算 : T V = 來計 2 V: 音速 =340m/s(15 時 ) T: 來回時間差 T : 單程時間差 2 S: 距離在音速已知的情形下, 時間差的求得是整個軟體設計最重要的部份, 為求精準度, 以 8951 內部 Timer 來做計時, 當啟動按鈕按下後, 同時啟動硬體及 8951 開始計時, 由外部中斷來停止 Timer 計時並求其時間差在石英晶體為 12MHZ 且計時器模式為 1 之下, 令計數值 = =0000=0000H( 即令 TH0=00H TL0=00H) 時, 計時器每隔 1µs 65536=65536µs 就會發出一次中斷信號, 所以有效距離為 65536µs 0.17= mm 24

34 第五章實驗測試與結論當要量測的距離越來越遠時, 發現誤差也會漸漸的變大, 在此影響其準確度的原因, 一方面是當超音波在空氣中傳播時, 溫度影響其傳播速度, 因為速度為 V= t,t 為所以一般在常溫下速度會更快些, 但是由於我們未作溫度補償, 而軟體又是以 15 的速度 340m/s, 去計算其距離, 因此誤差就會產生, 量的距離越遠, 誤差值就漸漸的變大所以準確度的改善, 就必須考慮到環境溫度的影響, 進而做溫度補償, 才有可能讓準確度降到 1% 左右我們使用之演算法,6 個機械週期為 1mm, 而實際是 1.02mm, 實際誤差 2%, 即一公尺誤差 2 公分, 可利用軟體修正使量測更精準, 使誤差值達到 1mm 以下至於電路延遲時間造成演算誤差, 可以直接利用校準修正, 缺點是缺乏精確校準之工具, 使用尺來目測校準, 精度只能維持在 1cm 以下將來可以設法精確校準來增加精確度, 發射電路部份, 如果能夠提升其發射功率, 量測的距離相對的就可以變的比較遠接收部分因為我們使用比較電路, 比較值要多次試驗才能得出, 且距離不能太遠, 否則訊號太小程式誤以為是雜訊而不顯示能藉由此專題實作機會了解二極體 BJT 8951 單晶片微處理機的內容, 把大一到大三所學到的知識加以指整合一次 ; 然而感受到理論一定要紮實, 在未來實作才能更順暢 ; 在硬體方面, 也許理論是一回事, 但實作上卻不一定是你所預期的 ; 除此之外, 只要硬體或軟體出一點差錯, 整個專題也許就會失敗, 所以遇到問題必定要想辦法問師長學長或自己想辦法找資料, 是非常重要的超音波每秒 340 公尺 ( 攝氏 15 度 ), 因為用來回距離重覆, 所以計時器一秒鐘等於跑了 170 公尺, 經過換算, 得到每 us 跑了 1mm, 下表為距離演算值與實際值之誤差表 25

35 時間 (us) 表 5.1 實際測距量測演算值 (mm) 實際距離 (mm)

36 參考文獻 [1] 盧明智, 黃敏祥,OPAMP 應用 + 實驗模擬, 全華科技圖書股份公司 2000 [2] 陳瑞和, 感測器, 全華科技圖書股份有限公司,1993 [3] 黃立坤, 超音波頭控系統之研製, 逢甲大學自動控制工程學系研究所碩士論文,2002 [4] 吳明貴, 超音波三維頭控人機介面系統之研製, 逢甲大學自動控制工程學系研究所碩士論文,2003 [5] 許宗祺, 改良式超音波頭控搖桿系統之研製, 逢甲大學自動控制工程學系研究所碩士論文,2004 [6] 鄭薇芬, 改良式超音波頭控搖桿系統之研製, 逢甲大學自動控制工程學系研究所碩士論文,2004 [7] 陳賢能, 蔡正郁, 小距離動態測距, 逢甲大學自動控制工程學系畢業專題, 89 年 [8] 蔡瑞崇, 陳威均, 林麗雅, 超音波測距應用於模型車安全距離保持之設計, 逢甲大學自動控制工程學系畢業專題,89 年 [9] 羅煥茂, 感測器, 電子技術出版社,89 年 [10] 夏靜如, 林榮璋編譯, 運算放大器及線性積體電路理論與實務, 儒林圖書有限公司,1998,8 月二版 [11] 蔡朝洋, 電子學實驗, 全華科技圖書股份公司,2002 [12] 鄭振東編譯, 超音波工程, 全華科技圖書股份公司,88 年 6 月 [13] 蔡朝洋, 單晶片微電腦 8051/8951 原理與應用, 全華科技圖書股份公司,91 年 [14] [online].available: [15] 鄧錦城,8051 單晶片實作寶典, 益眾資訊有限公司,89 年 27

37 附錄 A LF356 Data sheet 28

38 29

39 附錄 B 程式 org 0h start: p2,# b p1,# b www: jnb p2.2,www p1,# b r0,# b r1,# b r2,# b r3,# b r7,# b a,# b p2,# b wait: nop add a,#1 jc jjj jj: jnb p2.1,wait r2,a p2,# b jmp BeDisplay jjj: clr c a,r3 add a,#1 r3,a a,# b add a,#2 nop jmp jj 30

40 31 BeDisplay: ;r3(high)r2(low) MOV A,R3 JNZ ADL MOV A,R2 JNZ ADL JMP DISPLAY ADL: clr c a,r7 jnz ele a,r0 add a,#1 da a r0,a jc K1 K3: a,r2 subb a,#1 r2,a jz K9 jmp ADL K9: a,r3 jz DISPLAY clr c a,r0 add a,#1 da a r0,a jc K11 K12: a,r3 subb a,#1 r3,a

41 32 r2,#255 jmp ADL K1: a,r1 add a,#1 da a r1,a jmp K3 K11: a,r1 add a,#1 da a r1,a jmp K12 ele: a,r7 subb a,#1 r7,a jmp K3 DISPLAY: ;display,r1(high)r0(low) a,r0 anl a,#1fh orl a,#10h p1,a a,r0 swap a anl a,#2fh orl a,#20h p1,a a,r1

42 anl orl swap anl orl jmp end a,#4fh a,#40h p1,a a,r1 a a,#8fh a,#80h p1,a DISPLAY 33

DPJJX1.DOC

DPJJX1.DOC 8051 111 2K 1 2 3 ' ' 1 CPU RAM ROM / A/D D/A PC CPU 40 68 10 20 8 51 PIII 8051 2 MCS51 8051 8031 89C51 8051 8031 89C51? MCS51 INTEL INTEL 8031 8051 8751 8032 8052 8752 8051 8051 8051 MCS51 8031 8031