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罕召贝
7 years ago
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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距離感測器 The study of Distance Measurement by Ultrasonic System 指導教授 : 蘇文彬學生 : 劉家維林昀佑中華民國九十六年五月三十日 i

2 ii

3 感謝感謝所有的師長在課業及生活上的指導, 讓我們在四年的大學生活過的充實, 特別是蘇文彬老師, 在我們遇到疑問時能不厭其煩悉心的指導, 讓我們在整個專題的製作及研究中獲益良多, 在此向老師敬上十二萬分的敬意感謝自動控制系張志華助教, 開放自控系實驗室, 讓我們在測試電路時能有足夠的空間及器材使用也感謝逢甲大學圖書館, 讓我們能充分的收集 8051 及超音波系統方面的資料, 使我們能順利完成專題感謝班上的同學, 在我們遇到困難時能給予協助鼓勵最後, 由衷感謝我的家人及所有幫助過我們的老師同學及朋友 iii

4 中文摘要有鑒於近年來, 車輛的肇事率提高, 皆因未能安全保持距離因此如何準確快速的量測出距離, 並且警示他人避免發生災害, 是一項重要的問題本文的目的, 在於使用超音波, 藉由超音波發射和接收之間的飛行時間, 經由 8951 單晶片微處理器之計算與轉換, 計算出實際的距離並且顯示出來, 再加裝蜂鳴器, 以達到警示作用 iv

5 Abstract According to the report, the accident rate of car is raised this year because we do not keep safe distance. So, how to measure the distance quickly and exactly is an important problem. This main purpose of this article is to detect the transiting time of ultrasonic wave between transmitter and receiver on air, and through single chip microprocessor to calculate and convert, we can get the exactly real distances. We also using a buzzer to cautioned us. v

6 目錄感謝. i 中文摘要 ii 英文摘要...iii 目錄...iv 圖目錄...vi 表目錄..vii 第一章序論前言研究動機第二章超音波的理論探討超音波原理概論超音波的特性超音波的產生和接收超音波的應用超音波測距原理超音波感測之配置介面需求研究材料與方法超音波電子電路元件超音波種類...15 第三章硬體系統架構硬體架構電源電路發射電路 vi

7 3.4 接收電路顯示電路微處理單晶片簡介 C51 原理簡介 C51 常用暫存器 25 第四章軟體之設計動作流程圖流程圖說明軟體流程說明軟體設計之理念第五章測試結果成品之測試結果第六章結論與建議..31 參考文獻..32 附錄..33 vii

8 圖目錄圖 2.1 人耳能感受到的頻率範圍與振動的強度關係圖 2.2 鐵酸鹽振盪器的形狀....6 圖 2.3 雙壓晶片振盪超音波感測器之構造圖 2.4 超音波指向特性 11 圖 2.5 超音波接收靈敏度和發射音壓位準 11 圖 2.6 晶體的光軸和電器軸...14 圖 2.7 電子式延遲線圖 2.8 小型化之超音波延遲線圖 3.1 硬體架構圖...17 圖 3.2 電源電路...18 圖 3.3 發射端電路圖圖 3.4 NE555 功能圖 19 圖 3.5 NE555 內部方塊圖 19 圖 3.6 接收端電路圖圖 3.7 顯示電路圖圖單晶片腳位圖...23 圖 C51 內部方塊圖. 24 圖 4.1 動作流程圖圖 4.2 軟體流程圖 viii

9 表目錄表 2.1 超音波在各介質中前進的速度表 2.2 基本的壓電電壓效應說明圖..5 表 2.3 超音波感測器之檢出方式...8 表 2.4 超音波感測器工作範圍表 3.1 LCD 接腳說明 22 表 5.1 測量結果 ix

10 第一章序論 1.1 前言現今的產業界已經朝向自動化邁進, 其中, 自動化的量測方式也成為了一個重要的角色量測距離的方式有很多種, 如 : 紅外線超音波等, 在這之中, 又以超音波受到廣範圍的使用利用超音波在介質之傳播與反射的特性, 不需要複雜的機械, 幾個簡單的步驟就能達到研究的目的 1.2 研究動機在現今社會中, 超音波已經融入我們的日常生活當中, 舉凡超音波洗衣機超音波探測器超音波驅蚊器等由此可知, 超音波已是生活上不可或缺的好幫手, 因此, 身為現代人的我們就更應該多了解超音波的特性根據統計, 高速公路之交通事故約有 20% 的肇事原因是未能保持安全距離雖然目前市面上已有提醒駕駛人是否超速之裝置, 但卻少有保持安全距離之警報器若能有一裝置能以聲音或燈光提醒駕駛人保持安全距離, 將可減少更多意外之發生倒車雷達即是具有警示作用的測距器, 也是促使我們研究此主題的動機 1

11 第二章超音波的理論探討 2.1 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, 也就是超過人類耳朵所能聽見的音波而超音波大部份的頻率在 40kHz 左右, 這類感測器都是採用壓電效應的壓墊陶瓷元件居多, 隨著用途和元件的差異而有所不同, 高頻者 (~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它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而本論文所使用的超音波, 中心頻率為 40kHz 圖 2.1 人耳能感受到的頻率範圍與振動的強度關係超音波大部分的頻率在 40KHz 左右, 這隨著用途和元件的差異而有所不同大部分被用來偵測物體的運動速度, 短距離的良策與判斷物體之有無等, 屬於一種非接觸型的感應元件超音波感測器分為發射器與接收器, 兩者同樣具有壓電效應, 對超音波發射器而言稱為電壓效應, 因為在超音波感測器裡的震動元件, 採用與喇叭類似的可動線圈轉換器, 例如像電容式麥克風之轉換器, 或使用 2

12 磁性失真振動子不過現在多數使用壓電陶瓷振動子, 超音波的振動子都具有壓電效應, 當振動子受外界壓力, 如音壓等, 而產生歪變時, 則於振動子的兩側將產生極性不同的電荷, 而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元件, 並產生壓電效應, 進而將壓力信號轉換成電的信號反之, 如果有電壓施加於振動子其上的話, 將會有順應電壓和頻率的機械性歪變, 即是晶體或陶瓷產生變形, 而引起振動, 也就是壓電逆效應 2.2 超音波的特性超音波是一種聲波, 可是耳朵聽不到, 工業用檢測使用高頻率超音波在空氣中聲波衰減大可以視為不存在. 其具有以下特性 : 1 波長較短及音束指向性好: 一般電視機之電波長達數米, 工業用檢測超音波是數毫米, 光的波長更短最大的特點是指向性能強, 基本上這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 2 反射特性強: 超音波在彈性介質中傳播時, 遇到缺陷獲異常之界面時會有不良的反射, 得到回波顯示而反射特性正是脈沖反射法檢測之基礎 3 傳播特性佳: 超音波再彈性介質中傳播時, 質點振動位移小振動高, 因此聲壓聲強均比可聞聲波大, 傳播距離遠且可檢測範圍大 4 強度隨距離衰減: 超音波的強度會隨傳送距離而衰減, 主要是由於能量的散失及分佈球面積越來越大的緣故且超音波會隨頻率之增加, 衰減的情形越嚴重, 因此若使用 50 以上之超音波來量測一公尺以上的距離時, 反射波需加以放大極高之倍率理想上, 超音波發射出去後, 會一面擴大, 一面直線前進, 只要介質沒有 3

13 吸收超音波的性質, 超音波的強度不論傳到任何地方都不會變多, 不過實際上因波的強度隨著距離的增加而逐漸減弱, 其原因有二 : 一是隨著距離增加波面會擴大而造成擴散損失, 另一方面是超音波會被傳播介質吸收集散射而造成波動能量的損失, 亦稱衰減超音波的頻率大時, 在介質中的衰減情況越大 5 不同介質有不同的前進速度 : 超音波藉著不同介質前進時有不同的速度表 2.1 超音波在各介質中前進的速度為了配合本研究需要, 特別是要注意的是空氣中的前進速度為 331m/sec, 而超音波的前進速度 (v) 與波長 (λ) 和頻率 (f) 間的關係可以下式表示 : v=λ*f 若是以本研究所使用的超音波發射頻率 40KHz 為例, 可求出空氣中的波長為 0.85cm 2.3 超音波發射器的產生和接收 4

14 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, 對超音波發射器而言, 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表 2.2 基本的壓電電壓效應說明圖壓電效應壓電逆效應說明圖特性用途壓電振盪元件的分極方向, 由力與元件端子的出力極性來決定 1. 壓電振盪元件 2. 超音波偵測器壓電振盪元件的分極方向和輸入電壓的極性有關, 而振盪元件的伸縮方向由外加電壓決定 1. 壓電振盪用 2. 高頻用振盪元件 3. 超音波發生器在超音波的系統中, 感測器必須具備著產生與接收的兩種功能, 而我們常使用的超音波感測器有兩類, 分別是壓電式與磁伸縮式其中壓電式的體積較小, 但是效率較高, 而磁伸縮式則較為堅固, 因此可運用在較高功率方面超音波發射器與接收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: 此類結構類似動圈式喇叭, 是利用磁場的方向來達 5

15 到超音波的發射與接收在頻率高時, 變換效率就會降低, 且其頻率選擇性差, 很容易取捨雜音等效點, 但不受共振頻率的影響 ; 雖然在共振頻率的驅動簡單, 但近年來已經少用此型震盪器 2 磁伸縮振盪器 : 鐵酸鹽震盪器是利用 Si Co Ca Cu Ni Fe 等金屬氧化物的混和粉末, 加熱並加高壓壓縮成型, 在將線圈纏繞在材料上, 當電流流過線圈時, 由於材料本身受磁場變化而產生共振形成超音波, 而共振的方向與磁場垂直由於鐵酸鹽為非導體, 因此對高頻電流所產生的磁場, 形成渦電流的情形會降低, 因而使得能量轉換的效率大為提高, 所以常被使用在工業用途 ( 如洗淨機, 工具機 ), 其輸出的能量在 6W/cm 2 左右, 頻率範圍在 28KHz-100KHz 2 左右圖 2.2 鐵酸鹽振盪器的形狀 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壓電型在音質耐濕性耐久性方面則表現不好 6

16 圖 2.3 雙壓晶片振盪超音波感測器之構造目前在超音波感測器上用得最多的是石英晶體型振盪器以二枚石英晶體貼合在一起, 一面伸張, 另一面壓縮, 使之彎曲做為振盪器, 即所謂的雙壓晶片振盪器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此型超音波感測器有多家廠商在生產, 其共振頻率 ( 中心頻率 ) 有 23-25KHz 及 40-45KHz 兩種標準 2.4 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 7

17 2.5 超音波測距原理超音波感測器使用之場合, 依對象物體之大小, 表面之狀態, 運動狀態, 能否接觸等, 其頻率感測器之配置, 感測器之種類指向性等皆有探討之必要下表是依其特徵而將感測器分成三種不同的配置方式表 2.3 超音波感測器之檢出方式類型配置方式用途特徵對向性反射方式 ( 獨立型 ) 1 遙控 2 物體的檢知 1 物體的檢知 2 距離之測量 1 檢知感度可以自由設定, 易於設計 2 需要兩個設置場所 1 要有對策來處理 T 到 R 之直接繞射問題 2 可以使用 T 與 R 的專用感測器反射方式 ( 兼具型 ) 1 物體的檢知 2 距離之測量 1 感測器要使用寬頻帶型 2 要有發送接收切換電路 3 近距離無法量測 8

18 使用反射式的場合, 從目的物以外產生之反射波或繞射波都有可能會對訊號造成干擾指向性及輸出大小也得對應調節欲增強指向性可用喇叭型結構, 依其形狀有圓錐型喇叭及指數關係型喇叭等可用反射方式 ( 獨立型 ) 為連續發射之場合, 直接波之繞射現象必須採取對策處理可以把發射接收器之距離拉大來改善此問題, 若無法根據原理結構上拉大兩者之距離就得從感測器之安裝方法及安裝位置下功夫 2.6 超音波感測之配置 1 單一發射型: 使用超音波感測器產生 20KHz 以上之某一固定音頻, 可應用於塑膠熔接機清洗機水養雞等大功率振動設備 ; 或美容臉部用的超音波儀器及胸部腹部等內臟檢查儀器 2 對射型: 將超音波發射器焊接收器分別放置於不同的地方, 若有物體置於兩者之間時, 超音波將被擋住, 則接收器將無法接收到發射器的信號, 便能知道有無物體侵入所以對射型可應用於偵測發涉及接收端有無物體來確保此一區間安全防護, 也可用於量測此間的距離 3 同端分離反射型: 將超音波發射器和接收器放置同一端, 超音波發射出去至遇到物體反射回來, 則接收器便能接收到信號在靜態時可以測量與物體之間距離, 在動態時則可以隨時測量此物體之遠近, 甚至利用都卜勒效應來偵測物體的移動速度所以此方式與接下來的另一種方式可以運用在倒車雷達或者偵測與旁邊移動的物體距離以策安全, 本專題即是選用此配置方式來量測動態距離 4 整體反射型 : 發射與接收為同一包裝之超音波感測元件, 與同端分離反射型相同, 差別在於單顆 ( 包含發射接收端 ) 與雙顆 ( 發射接收端分離 ), 應用上也 9

19 是大同小異, 只是更為精簡 2.7 介面需求藉由搜尋資料當中, 我們知道超音波有很昂貴的也有平價的, 當然在功能上應用上也有所不同只是, 對一般的民眾來說, 太昂貴的消費是支付不起的, 於是我們將設計的重點擺在下面幾項裡 : (1) 價錢合理且平價 (2) 容易自行安裝 (3) 可自行進行調整且容易上手 (4) 減少誤差在進行設計整個架構之前, 我們試過幾個不同的超音波發射接收電路, 但是經過篩選之後, 我們決定用此設計電路此設計電路需要簡單的液晶顯示器, 然後由 8951 微處理系統來計算超音波發射接收的訊號, 進而轉換成我們所要得到的數據值 2.8 研究材料與方法在一般超音波的應用上, 主要是用來作為物體的檢測及距離的量測, 而這些主要是超音波在介質中飛行時間的量測 ; 或是類比電壓的量測方式來完成在本研究中, 是採用量其接收端的電壓方式加以應用, 利用其具有指性向的特性, 來進行距離的量測 ; 利用所造成的電壓改變來進行應用由下圖, 我們可以清楚的看到, 當角度不同時, 其靈敏度及音壓準位也會有所不同, 當超音波發射接收器在同一直線上, 相位操作為零度時, 將得到最佳的 10

20 結果, 此乃超音波感測器具有指向的特性圖 2.4 超音波指向特性圖 2.5 超音波接收靈敏度和發射音壓位準對此泛用寬頻帶型感測元件, 其工作的範圍, 由下表中, 我們可以清楚的發現接近頻率 40KHz 時, 由接收端所收到的振福會最大 11

21 表 2.4 超音波感測器工作範圍頻率振幅頻率振幅 34.5KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz KHz 5.8 超音波感測器和其他感測器不同, 其本身亦可以當作震盪器使用, 可說是一個非常方便的可逆元件, 但是要將其善加使用, 則有一些需要特別注意的事項經過整理, 以下幾點可以當作日後使用超音波的踏腳石 (1) 超音波感測器本身也可用作超音波產生器 ( 超音波感測器是一可逆元件 ) (2) 超音波感測器是利用電器直接壓電效果而成 12

22 (3) 超音波傳送速度會依所經媒體溫度不同而異 (4) 超音波感測器 ( 轉換器 ) 當溫度上升時, 中心頻率會降低 (5) 超音波喇叭 ( 產生器 ) 如使用固定頻率, 則能提高能源效率 (6) 超音波的反射率高 ( 擁有二重三重的反射能力 ) (7) 超音波越是高頻指向性越強 (8) 超音波感測器能有效達整個寬廣空間 (9) 超音波感測器能檢測出透明物體 2.9 超音波電子電路元件常被使用作振動子的晶體, 係屬六角柱的結晶如下圖, 對六角形的斷面而言, 垂直的軸叫做光軸, 而與光軸垂直的三個軸皆為等效的軸, 叫做電氣軸把垂直於此電氣軸的面切成片, 並施加以壓縮力的話就會有電荷在結晶片發生又, 在電氣軸的方向施加電壓, 則晶體的厚度會伸縮這樣的現象叫壓電效應相對地, 鎳和鐡的棒捲上線圈, 通以電流的話, 棒將因磁場而收縮其移位量比例於磁場強度的乘方這叫做磁場歪變效應陶瓷具有壓電效應與磁氣歪變文應超音波振動即藉著這樣的歪變而產生直接取出所產生的振動, 從而變換為電氣信號的就是超音波變換器利用壓電效應和磁氣歪變效應的振動, 將形成通過固體中的所謂 Bulk 波, 和傳播表面的表面彈性波利用傳播固體內的 Bulk 波著有晶體動子和壓電元件, 以及 AM 和 FM 收音機的中頻陶瓷濾波器 (Ceramic Filter) 至於電視的中頻濾波器等屬於頻率高者則使用表面彈性波最近使用表面彈性波的濾波器, 頻率高達數 GHz 者已付諸實用化還有, 家庭用的卡式錄放影機遇磁帶生離散 (Drop Out) 現象的情形, 係以相當於電視掃描線一條分位於 1H(63.5sµ) 前的正常信號取, 俾防止離散現象導致畫質劣化 13

23 圖 2.6 晶體的光軸和電器軸只靠如下圖通電路欲使電氣信號延遲 1H 非花上相當的工夫不可, 但是利用超音波之傳播於固體中的話, 其速度因為比電氣信號緩慢 4 ~ 5 位數, 所以能夠精巧又簡單地達到遲的目的玻璃之中超音波的傳播速度為 2500(m/s) 欲使之遲 63.5 µs 所需玻之長度應為 m 把超音波送入 15745cm 長玻璃的一端, 再從另一端取出的話, 便可獲得延遲 63.5 µs 的信號圖 2.7 電子式延遲線 14

24 最近, 已有如下圖設法使之多次反射, 而合計達到 cm 者見諸使用, 形狀也變得非常小型圖 2.8 小型化之超音波延遲線 2.10 超音波種類 (1) 開放型 (Open Type) 其發射器和接收器之感測面由細網覆蓋, 一般使用於室內或濕氣較低的場合 (2) 密閉型 (Encloseed Type) 整個超音波感測器均被密閉封裝, 適用於室外或環境較差的場合 (3) 脈波傳送型 (Pulse Transit Type) 外表與一般開放型並無太大差別但這種類型之超音波感測器是屬發射與接收一體主要是它具有很短的衰退時間, 並使用脈波驅動而所加的脈波電壓可達數拾甚至數百伏特故能得到瞬間大功率的發射以進行達距離的傳送 (4) 寬頻帶型 (Wide Bandwidth Type) 這類超音波感測器的頻寬較大, 若中心頻率為 40kHz, 其頻寬可達正負 5kHz, 所以對中心頻率可能漂移較多的場合中, 很適合使用寬頻帶型, 以免超音波發射與接收因頻率漂移而失效 (5) 振盪內建型 (Buillt-in Crystal Type) 15

25 該類型的產品乃把超音波壓電材料與所需要的振盪電路做在一起, 都屬發射器, 只要加上直流電源, 其內部振盪電路使能自動產生驅動信號, 使壓電材料產生超音波之振動是一種非常方便的產品 (6) 高頻型 (High Frequency Type) 該類型頻率可高達 120kHz 或 210kHz 因頻率高, 使得其指向性特別明顯大約只在正負 10 的範圍以內各類型之超音波感測器, 均有其適用的場合, 以符合不同的需求所以不是隨便買一組超音波感測器, 就什麼功能都想達到 16

26 第三章硬體系統架構 3.1 硬體架構圖 3.1 硬體架構圖當電源啟動時, 先由 8951 給予 555 振盪器運作, 發射超音波 ; 當超音波發射器反射被超音波接收器接收後, 經由電路放大濾波及整波後送回 8951 運算出距離, 接著由 LCD 顯示其距離 17

27 3.2 電源電路圖 3.2 電源電路市電先經變壓器降壓後, 在經由 LM7805 LM7812 兩個穩壓 IC 產生本次實驗所需之電壓 3.3 發射電路圖 3.3 發射端電路圖 IC 555 是一種方波產生器震盪器或計時器, 依接法不同可分為單穩態震盪電路不穩態震盪電路等在此電路之設計主要是由 IC 555 組成一個不穩態多諧 18

28 震盪器, 由 IC 的第三支接腳產生脈波, 調整可變電阻 VR1 使第三腳輸出脈波約為 40.0KHz 其中第五支接腳的電容為雜訊抑制濾波器圖 3.4 NE555 功能圖圖 3.5 NE555 內部方塊圖 19

29 3.4 接收電路圖 3.6 接收端電路圖當接收到訊號後將其訊號經電晶體放大, 經過放大之後訊號會有所謂的雜訊產生, 所以在此用一顆 OP 做成一個帶通濾波器, 訊號經濾波後輸出至 8951 我們使用這顆 C945 為一顆 NPN 高頻放大器, 適合超音波接收器所接收之高頻訊號 OP 使用 LM393, 一般而言 OP 都在做放大訊號使用, 不過我們拿來做比較器, 讓輸入類比訊號轉換為輸出數位訊號 ; 也拿來做帶通濾波器, 只讓特定範圍內的頻率通過, 衰減或排除其他頻率的訊號 20

30 3.5 顯示電路圖 3.7 顯示電路圖將 8951 之 P0.0 至 P0.7 反接到 LCD 之 D0 至 D7; 並從第二十一支接腳接至蜂鳴器 LCD 為 Liquid Crystal Display 縮寫, 也分為繪圖模式 LCD 及文字模式 LCD, 市面上很容易買到不同廠牌之顯示文字的 LCD, 但似乎 LCD 控制器皆為同樣一顆, 編號為 HD44780A 所以不論 16 字 X1 列,20 字 X2 列,40 字 X2 列之文字模式 LCD, 其控制方法皆相同,HD44780A 之特性為 : (a) 顯示資料 RAM(Display Data RAM) 共 80 個 BYTES (b) 字元產生器 ROM (Character Generator ROM, 簡稱 CG ROM)160 個 5X7 點矩陣字型 (Pattern) (c) 字元產生器 RAM(Character Generator RAM, 簡稱 CG RAM) 可寫入 8 個字型, 使用者可自行設計 8 個 5X7 點矩陣字型 (d) 多種控制指令如 : 清除顯示器游標歸位顯示器關閉 / 開啟游標關閉 / 開啟字元閃爍游標移位移位顯示等等 21

31 表 3.1 LCD 接腳說明腳位接腳符號方向名稱及功能 1 VSS 電源地 (Ground) 2 VDD 電源正端 : 接 +5V 3 Vo 亮度調整電壓輸入通常輸入零伏特時字元最清晰, 或以半可變電阻調整 4 RS I 暫存器選擇線 : 一般接 CPU 之位址線 A0, 此腳輸入 0, 並做寫入動作, 即可寫入指令暫存器 ; 若輸入 0, 做讀取動作則可讀取忙碌旗標及位址計時器此腳輸入 1, 為讀寫資料暫存器 5 R/W I 讀寫線 :0 表示寫入 LCD 控制器,1 表示讀取 LCD 控制器 6 E I 致能線 : 此腳為 1 時, 讀寫才有效注意, 其下緣時, 有效資料須在匯流排上 7~14 DB0 ~ DB7 I/O 資料匯流排 : 以 8 位元資料讀寫方式則 DB0~DB7 皆有效若以 4 位元做資料讀寫則僅 DB4~DB7 有用到, DB0~DB3 必連接 22

32 3.6 微處理單晶片簡介 8051 微電腦單晶片, 控制器是超音波發射接收的核心元件, 此控制器是由一個 8 位元的 CPU 組成, 另有 32 個 I/O 腳, 共分為 4 個輸出入埠 8051 單晶片的重要特性說明如下 : (1) 8 位元微電腦晶片 (2) 4K Bytes 的內部程式記體 (3) 128 Bytes 可供讀 / 寫的內部資料記憶體 (4) 可在外部擴充到 64K Bytes 程式記憶體及 64K Bytes 資料記憶體 (5) 2 組 16 位元的計時器 / 計數器 (Timer/Counter) (6) 4 組 8 位元的 I/O 並列埠, 共 32 條可單獨規劃為輸入或輸出的 I/O 點 (7) 1 組全雙工的串列埠, 可連接 RS-232 等標準的串列通信介面 (8) 可擴充為 128K Bytes 的外部記憶體, 其中 64K Bytes 為程式記憶體, 另外 64K Bytes 為資料記憶體 (9) 可處理 5 個中斷來源, 並可規劃其中斷優先權 (10) 內部具有時脈振盪器, 最高工作時脈可達 12 MHz 23

33 圖單晶片腳位圖 C51 原理簡介 89C51 是一個八位元 (8-bit) 的 CMOS 單晶片微處理器, 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圖 C51 內部方塊圖 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) 24

34 128-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 C51 常用暫存器 A 累加器 (Accumulator) A 是一般性的暫存器, 用來當作指令運算的主要媒介, 是一個 8-bit(1-byte) 的暫存器, 許多 89C51 的指令都用 A 暫存器, 例如 A, #25 ADD A, #35 此動作是將 25 和 35 相加, 結果為 60, 並將此結果存放入 A 中 Rn 暫存器 Rn 暫存器包括 R0 R1 R7 等八個暫存器, 為 8 位元暫存器, 通常當作輔助暫存器, 以上述例子而言, 如果 R5 已經包含 35 的數值,R5 可當成一個變數, 則程式改成 : A, #25 ADD A, R5 此程式的 A 結果同樣為 60 25

35 B 暫存器 B 暫存器是一個 8 位元暫存器, 主要用於乘法與除法的指令, 也可當作一般的暫存器使用程式狀態字元 (Program Status Word, PSW) 程式狀態字元用於儲存一些重要控制訊息, 常用到有進位旗標 (Carry Flag) 和溢位旗標 (Overflow Flag), 進位旗標的功能有加減法的進位溢位與布林運算之累加器 ; 溢位旗標的功能為當作加減法之運算結果 8051/89C51 是目前市面上相當受歡迎的單晶片微處理器之一, 其相關產品與種類非常多, 由於網際網路的盛行 PC 的普及, 許多有關 8051 的網頁線上資料庫以及免費發展應用工具等, 都可以從網路上下載獲得, 學習 8051/89C51 單晶片相當方便 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 26

36 第四章軟體之設計 4.1 動作流程圖圖 4.1 動作流程圖 27

37 4.2 流程圖說明啟動電源後, 先初始化 LCD 並顯示歡迎畫面,8951 開始觸發 555 發射 40kHZ 之超音波, 同時啟動計時器, 當超音波反射被接收到時, 停止計時器, 將數值送回 8951 計算出距離, 啟動蜂鳴器, 蜂鳴器隨距離長短改變鳴叫頻率, 如此重複 4.3 軟體流程說明圖 4.2 軟體流程圖 28

38 一開始 8951 振盪出連續方波, 利用負緣觸發 8951 使 TIMER0 開始計時當接收端收到訊號時, 停止計時, 經放大濾波和比較電路後, 送回 8951, 經內部程式計算出測量之距離, 將其顯示於 LCD 上 4.4 軟體設計之理念在此使用的量測方法是飛行時間的檢測, 也就是超音波從發射開始到接收到反射波的時間, 如此便可求得物體與發射器之距離其關係如下 : S = (V*T)/2 其中 S = 距離 V = 音速 = t,t 是操作時的溫度 T = 超音波之飛行時間所以在音速已得知的情況下, 飛行時間的求得是最重要的, 整個軟體設計是以一訊號同時啟動發射與顯示之 8951, 而當接收端接收到反射回來之超音波時, 給予一訊號同時去停止發射與中斷計時, 此時, 有了飛行時間, 進而求出距離而動態之原理, 即是縮短延遲時間, 使整體的動作加快, 達到連續取得數據, 利用人之視覺暫留將其視為連續之動態測距 29

39 第五章測試結果 5.1 成品之測試結果選定一空曠處對牆進行測試, 如果距離在 30 以下, 皆顯示 30 公分表 5.1 測量結果實際距離 (cm) 測量距離 (cm) 誤差 (%)

40 第六章結論與建議本專題以倒車雷達為起頭, 原本為靜態超音波測距, 但由於延遲時間過長, 經考量後, 認為不能符合倒車雷達之需求, 故縮短延遲時間, 並加裝蜂鳴器以本專題來講, 做出來的成品雖然沒有問題, 但測試之結果還有誤差, 這可以在未來多加改進本次的專題在理論上並不難, 都為物理上之應用, 但在實作上卻讓我們吃了不少苦頭, 因為超音波在空氣中會衰減而且容易受到干擾, 在訊號之擷取上有不少困難, 尤其是當內部程式與實體接合時, 總是產生意想不到的結果, 但在完成時, 也讓我們增加不少成就感雖然結果並不是很理想, 但從理論探討實驗測試到結果, 都讓我們增加不少關於超音波方面的知識, 也從中的到不少經驗, 這是我們在這次的專題中最大的收穫 31

41 參考文獻 [1] 鄧錦成,8051 單晶片專題製作, 益眾資訊出版,1995 年 [2] 陳明熒, 單晶片 8051 實作入門, 文魁出版,2005 年 [3] 鄭振東, 超音波工程, 全華出版,1999 年 [4] 陳瑞和, 感測器, 全華出版,1991 年 [5] 蔡朝洋, 單晶片微電腦 8051/8951 原理與應用, 全華出版,2000 年 [6] 鍾自立張正賢著,8051 實作與燒錄器製作, 宏友書局,2000 年 [7] 李齊雄游國幹著,8051 單晶片微電腦原理與實作, 儒林書局,1995 年 [8] 陳龍三著,8051 入門與介面控制, 松崗書局,1999 年 32

42 附錄 ; 程式開始 ORG JMP 00H START ; START: SETB P2.0 CLR SENDDEVICE1 CALL INIT_LCD CALL START_SCN DISTANCE1,#0 DISTANCE2,#0 OLD_DISTANCE1,#0 OLD_DISTANCE2,#0 CALL INIT_TIMER ; MAIN: A,# B CALL WRITE_LCD_IR CALL DISTANCE1_TEST DPTR,#MESS3 B,#0 CALL LCD_P1 DPTR,#MESS4 B,#9 33

43 CALL LCD_P1 R5,#100 CALL DELAY JMP MAIN ; START_SHOW: CALL NOCONTROL1 CALL SHOW_EMENT R5,#100 BF_LOOP: CPL P2.0 R0,#0 DJNZ R0,$ R0,#0 DJNZ R0,$ DJNZ R5,BF_LOOP SETB P2.0 ADD A,DISTANCE1 A,#20 R5,A CALL DELAY JMP MAIN ; DISTANCE1_TEST: CLR OUT_RANGE TH0,#0 34

44 TL0,#0 SETB SENDDEVICE1 R5,#4 CALL S_DELAY1 CLR SENDDEVICE1 R5,#4 CALL S_DELAY1 SETB TR0 TEST_T1: CLR CLR TF0 TR0 SETB OUT_RANGE EXIT_1: A,TH0 DISTANCE1,A A,TL0 DISTANCE2,A RET TEST_L1: NOP NOP CLR JMP TR0 EXIT_1 ; S_DELAY1: TIMETEMP0,#200 35

45 DJNZ TIMETEMP0,$ DJNZ R5,S_DELAY1 RET ; SHOW_EMENT: DPTR,#MESS5 B,#0 CALL LCD_P2 A,NOW_DISTANCE1 A,#48 CALL WRITE_LCD_DR A,#48 CALL WRITE_LCD_DR A,#48 CALL WRITE_LCD_DR JMP EXIT_SHOW_EMENT SHOW_EMENT_1: A,#48 CALL WRITE_LCD_DR A,#48 CALL WRITE_LCD_DR CLR C A,NOW_DISTANCE2 SUBB A,OLD_DISTANCE2 CALL SHOW_X JMP EXIT_SHOW_EMENT 36

46 SHOW_EMENT_1_1: CLR C A,OLD_DISTANCE2 SUBB A,NOW_DISTANCE2 CALL SHOW_X JMP EXIT_SHOW_EMENT SHOW_EMENT_2: CLR C A,NOW_DISTANCE1 SUBB A,OLD_DISTANCE1 CLR C OLD_DISTANCE1,A A,NOW_DISTANCE2 SUBB A,OLD_DISTANCE2 DEC ADD CLR OLD_DISTANCE1 A,NOW_DISTANCE2 A,#10 C SUBB A,OLD_DISTANCE2 SHOW_EMENT_2_1: A,OLD_DISTANCE1 CALL SHOW_XX A,OLD_DISTANCE2 CALL SHOW_X JMP EXIT_SHOW_EMENT SHOW_EMENT_3: 37

47 CLR C A,OLD_DISTANCE1 SUBB A,NOW_DISTANCE1 CLR C OLD_DISTANCE1,A A,OLD_DISTANCE2 SUBB A,NOW_DISTANCE2 DEC ADD CLR OLD_DISTANCE1 A,OLD_DISTANCE2 A,#10 C SUBB A,NOW_DISTANCE2 SHOW_EMENT_3_1: A,OLD_DISTANCE1 CALL SHOW_XX A,OLD_DISTANCE2 CALL SHOW_X JMP EXIT_SHOW_EMENT EXIT_SHOW_EMENT: A,#67 CALL WRITE_LCD_DR A,#77 CALL WRITE_LCD_DR OLD_DISTANCE1,NOW_DISTANCE1 OLD_DISTANCE2,NOW_DISTANCE2 RET 38

48 ; SHOW_XX: DIV DIV B,#100 AB A,B B,#10 AB CALL WRITE_LCD_DR A,B CALL WRITE_LCD_DR RET ; SHOW_X: DIV B,#10 AB CALL WRITE_LCD_DR RET ; NOCONTROL1: DIV ADD A,DISTANCE1 B,#3 AB CM_TEMP,B A,#3 NOW_DISTANCE1,A B,#100 39

49 DIV DIV AB A,B B,#10 AB CALL WRITE_LCD_DR A,B CALL WRITE_LCD_DR MUL DIV ADD ADD A,CM_TEMP B,#3 AB CM_TEMP,A A,DISTANCE2 B,#64 AB A,CM_TEMP NOW_DISTANCE2,A A,#48 CALL WRITE_LCD_DR A,#67 CALL WRITE_LCD_DR A,#77 CALL WRITE_LCD_DR RET ; INIT_TIMER: A,#11H 40

50 TMOD,A RET ; DELAY (20ms) * R5 ; DELAY: TIMETEMP0,#40 DEL1: TIMETEMP1,#249 DEL2: DJNZ TIMETEMP1,DEL2 DJNZ TIMETEMP0,DEL1 DJNZ R5,DELAY RET ; INIT_LCD: A,# B CALL WRITE_LCD_IR A,# B CALL WRITE_LCD_IR A,# B CALL WRITE_LCD_IR A,# B CALL WRITE_LCD_IR A,# B CALL WRITE_LCD_IR 41

51 RET ; START_SCN: DPTR,#MESS1 B,#3 CALL LCD_P1 DPTR,#MESS2 B,#0 CALL LCD_P2 R5,#100 CALL DELAY A,# B CALL WRITE_LCD_IR RET ; LCD_P1: ADD A,B A,#80H CALL WRITE_LCD_IR JMP FILL ; LCD_P2: ADD A,B A,#C0H CALL WRITE_LCD_IR JMP FILL 42

52 ; FILL: CLR A CJNE A,#0,L1 RET L1: CALL WRITE_LCD_DR INC JMP DPTR FILL ; WRITE_LCD_IR: PUSH A CALL CHECK_BUSY CLR CLR LCD_DBUS,A RS RW SETB E NOP CLR POP E A RET ; WRITE_LCD_DR: PUSH A CALL CHECK_BUSY LCD_DBUS,A 43

53 SETB RS CLR RW SETB E NOP CLR POP E A RET ; CHECK_BUSY: CLR LCD_DBUS,#FFH RS SETB RW SETB E CLR JNC JMP C,LCD_DBUS.7 E LCD_READY CHECK_BUSY LCD_READY: RET ; END 程式到此結束 44

LCD模組之應用

LCD模組之應用液晶顯示幕 LCD 模組之應用第十三章 2018/11/30 例說 89S51-C 語言 13-1 本章內容 2018/11/30 例說 89S51-C 語言 13-2 1 液晶顯示幕 LCD 之日常應用 3 https://s.yimg.com/hg/pimg2/ae/60/p099374833664-item-2330xf2x0600x0600-m.jpg 液晶顯示幕 LCD 之日常應用 4