第二章 系统构成及工作原理
2.1 超声波简介与应用
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20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（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，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。
由于超声波具有如下特性：超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播；超声波可传递很强的能量；超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象；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。
超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：
1 超声检验。超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术,超声测量。 2超声处理。超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等。
3基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。
2.2 系统的设计思路
超声波测距系统包括超声波的发射与接收系统、报警系统和显示系统。其结构框图如图2-1所示：
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LED显示 超声波发射 单片机 控制器 扫描驱动 超声波接收 报警装置
图2-1 超声波测距系统的结构框图 超声波测距系统能够在必要的时候（例如：汽车倒车）通过单片机控制发射电路发射超声波，超声波向前传播。当超声波遇到障碍物时会反射回来，由接收电路接收。接收电路会把信号传送到单片机中，由单片机进行相关的数据处理。所得到的结果会通过LED数码管显示出来。如果距离小于一个特定的值，单片机会发出指令让报警装置发出相应的警报声。在此过程中，如果发射装置与障碍物之间有相对运动，那么LED数码管会不断地显示两者之间最新的距离。而单片机会对距离的变化情况发出不同的指令。如果两者的距离超出一定的范围（本次设计是四米），就不再会进行报警。但是如果两者之间的距离不断缩小，那么报警的声音就会发生变化，以便能够给人们提示。
本系统的设计主要分为系统硬件电路的设计和系统软件程序的设计两部分。系统硬件电路部分由单片机最小系统模块、显示模块、语音报警模块、时钟模块、复位模块组成。单片机为系统主控芯片，超声波传感器作为测量器件，通过单片机进行程序处理，最后通过显示模块显示出测量的距离值并进行报警。
2.3 系统的工作原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波向前传播，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。假设超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，发射点距障碍物的距离H，如图2-3所示：
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图2-3 超声波测距原理
图2-3中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用L表示，由图中关系可得 :
H= Lcosθ (1) θ=arctan( M/H ) (2)
将式( 2) 代入式( 1) 得:
H =L cos[arctan(M/H ) ] (3)
在整个传播过程中， 超声波所走过的距离为:
2L = vt (4)
上式中: v 为超声波的传播速度；t为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式(4) 代入式(3) 可得:
H = 0.5vt cos [arctan(M/H )] (5) 当被测距离H 远远大于M 时, 于是式( 5) 变为:
H = 0.5vt （6）
这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所
经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。
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第三章 系统硬件电路设计
3.1 单片机的选择
在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。选择单片机需要考虑以下几个方面：
⑴单片机的基本性能参数。例如指令执行速度、程序存储器容量、I/O引脚
数量等。
⑵单片机的存储介质。对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性
可编程）存储器相比较，最好是Flash存储器。
⑶芯片的封装形式。如DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC有对应插座）
封装及表面贴附等。
⑷芯片的功耗。比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几mA的电流，
选用AT单片机就是因为它能满足低功耗的要求。
⑸供货渠道是否畅通、价格是否低廉。 ⑹芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。
AT89C51在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为Pin-to-Pin兼容。AT89系列单片机高速(最高时钟频率90MHz)，低功耗，不占用户资源。根据本系统的实际情况，选择AT89C51单片机。
I/O 端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对 I/O 寄存器进行编程。具体步骤如下：
(1) 根据实际电路的要求，选择要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 伪指令定义其相应的寄存器；
(2) 初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作；
(3) 根据外围电路功能，确定 I/O 端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为 I/O 的复位缺省值为输入；
(4) 用作输入的 I/O 管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻；
(5) 最后对 I/O 端口进行输出(写数据输出寄存器)和输入(读端口)编程，完
成对外围电路的相应功能。
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图3-1 AT89C51 的引脚图
图3-2 AT89C51单片机芯片外观图
根据系统设计要求，各接口功能如下： P1.0: 产生输出一个40KHZ的脉冲信号。 P1.1: 产生输出一个40KHZ的脉冲信号。 P1.2: 产生输出一个40KHZ的脉冲信号。 INT0: 产生中断请求，接前方测距电路。 INT1: 产生中断请求，接前方测距电路。
P1.3: 接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P1.4: 接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P0.0: 用于显示输出，接显示器。 P0.1: 用于显示输出，接显示器。
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