逢 甲 大 學

自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

超音波靜態測距

Based on Ultrasonic for Static Distance Measurement

指導教授：洪三山 學 生：陳冠亨 謝永祥

中華民國九十四年五月

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，特別是恩師洪三山教授，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。

另一方面也感謝蘇文彬老師的悉心指導與指正，還有實驗室的正豐、光強、

正達學長以及同學博州、鉅強、計德、柏勳、哲瑋、哲維、詩閔、柏宏、宏昇、

清宏、嘉麒，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。還有好友劉建良，能夠

適時的提供意見與鼓勵，謝謝你。

i

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，經過主動帶通濾波和放大電路，

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 mm 表示，

準確度在 1%左右，最短距離約為 17cm，最長距離約為 3.4m。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，如果反射波的

訊號太小不足以中斷 8951，則會顯示 error 的訊息。

ii

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 BPF and OP 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 mm with an accuracy of ± 1%. The minimum distance that

this system can measure is seventeen cm. The maximum distance that can be

measured is 3.4 meters. The amplitude of the echo depends on the reflecting material,

shape, and size, or sound-absorbing targets such as carpets. If the amplitude of the

echo received by the system is so low that it is not detectable by the 8951. This is

indicated by displaying the error message.

iii

目錄

感謝................................................................................................................................ii

中文摘要.......................................................................................................................iii

Abstract.........................................................................................................................iv

目錄................................................................................................................................v

圖目錄..........................................................................................................................vii

表目錄...........................................................................................................................ix

第一章 序論

1.1 前言..........................................................................................................................1

1.2 研究背景與動機......................................................................................................1

1.3 國內外相關研究......................................................................................................1

第二章 理論探討

2.1 感測器......................................................................................................................4

2.2 超音波......................................................................................................................4

2.2.1 超音波的原理...................................................................................................4

2.2.2 超音波的應用...................................................................................................5

2.3 超音波感測器..........................................................................................................7

2.3.1 超音波感測器原理...........................................................................................7

2.3.2 超音波感測器之等效電路...............................................................................9

2.3.3超音波感測器之種類及檢測方式..................................................................10

2.3.4超音波感測器的特性......................................................................................12

第三章 硬體電路的架構

3.1 硬體方塊圖............................................................................................................13

3.2 發射電路................................................................................................................14

3.3 接收電路................................................................................................................18

iv

第四章 軟體架構

4.1 單晶片微電腦原理簡介........................................................................................28

4.1.1 89C51單晶片微電腦簡介...........................................................................28

4.2 軟體流程說明........................................................................................................29

4.3 設計理念................................................................................................................31

4.3.1 超音波測距原理.............................................................................................31

4.3.2 軟體設計理念.................................................................................................32

第五章 測試與結論....................................................................................................33

參考文獻......................................................................................................................35

附錄A LF356 Data Sheet.............................................................................................36

附錄 B 主動式帶通濾波器高頻分析之推導.............................................................38

附錄 C 程式...............................................................................................................42

v

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...............................................................................2

圖 1.3發送與接收端之訊號時序圖..............................................................................2

圖 1.4德州儀器公司之超音波測距器實體圖..............................................................3

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

圖 2.2超音波的應用.....................................................................................................6

圖 2.3雙壓晶片振盪超音波感測器之外形及構造之圖例.........................................8

圖 2.4為基本的壓電、電壓效應說明圖.......................................................................8

圖 2.5超音波感測器之等效電路與阻抗特性.............................................................9

圖 2.6超音波感測器之阻抗特性與靈敏度曲線.........................................................9

圖 2.7 MA40A3S/MA40A3R之特性.........................................................................10

圖 3.1 硬體方塊圖......................................................................................................13

圖 3.2單穩態電路........................................................................................................14

圖 3.3單穩態輸出示意圖............................................................................................15

圖 3.4 555震盪電路.....................................................................................................15

圖3.5 555 輸出的Duty Cycle.....................................................................................16

圖3.6單穩態輸出1ms.................................................................................................16

圖 3.7 555 1ms 震盪輸出.............................................................................................17

圖 3.8寬頻帶帶通濾波架構........................................................................................18

圖 3.9 主動式帶通濾波..............................................................................................18

圖 3.10主動式帶通濾波器設計流程圖......................................................................19

圖3.11 理想主動式帶通濾波(3-7)式之波德圖.........................................................21

圖 3.12非理想主動式帶通濾波器(3-10)式之波德圖................................................22

圖 3.13 非理想種動式帶通濾波器(3-11)式之波德圖................................................23

vi

圖 3.14史密特比較電路..............................................................................................24

圖 3.15磁滯比較特性曲線..........................................................................................25

圖 3.16超音波部分接收電路圖..................................................................................26

圖 3.17超音波測距實體圖..........................................................................................26

圖 3.18 超音波測距電路............................................................................................27

圖 4.1軟體流程方塊圖................................................................................................30

圖 4.1 軟體流程方塊圖(續).........................................................................................31

vii

表目錄

表2.1 超音波感測器之規格一覽表...........................................................................11

表2.2 超音波檢測方式...............................................................................................11

表 3.1中心頻率的量測................................................................................................17

表 5.1主動式帶通濾波器實際放大倍率之比較..................................................... ..33

表 5.2實際測距量測....................................................................................................34

viii

第一章 序論

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

圖 1.1 以 MSP430 為核心之系統架構

1

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

3. 3.2kHz 工作頻率耗電流只要 0.8uA

4.電流消耗 250uA / MIPS

5. 16 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.

8. 1.8V~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

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

2

圖 1.4 德州儀器公司之超音波測距器實體圖

3

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

2.2.1 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﹙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

4

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。

圖2.1 為人耳可以感受到的頻率範圍與振動的強度關係

2.2.2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

5

圖2.2 超音波的應用

6

2.3超音波感測器

2.3.1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

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

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。

8

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 ，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。

rf

af

′

圖2.6 超音波感測器之阻抗特性與靈敏度曲線

9

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 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。

rf

2.3.3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 與 ，若使用一個感測

器必定要犧牲其中一個。

rf af

圖2.7 MA40A3S/MA40A3R之特性

10

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

11

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。

12

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、帶通濾波接收電路以及 8051 微處理器、LCD 顯示等部份所組成，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，在將距離顯示在 LCD 上，其系統整體方塊圖如下:

圖 3.1 硬體方塊圖

13

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

Vc=Vcc(1-e ) ,Vcc=電源電壓 (3-1) RCt /−

所以可以得到

14

t = - RCln(Vcc

VcVcc − ) (3-2)

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 3.4 555 震盪電路

15

當電源 Vcc 加上時，C1 兩端電壓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

圖 3.7 555 1ms 震盪輸出

雖然超音波元件的頻率是 發揮最大共振振幅，就不

一定是剛好 ，因此底下表

夠讓元件的共振的振幅較為大，以相距 的距離作量測。

表 3-1 中心頻率的量測 弦波 三角波

40kHz，但是能讓元件

40kHz 3-1 我們作了中心頻率的測試以及用何種波形能

15cm

方波 38.5kHz V V 17.2m 22.2 m 15.1 mV39 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 最大共振 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

時，能產生 峰

忽略其震盪頻率漂移的情況。

17

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，因此在接收方面，需要濾波器來把不要的頻率訊號給放大，濾波器

基本上又分為兩種型態，一種是寬頻帶的帶通濾波，顧名思義也就是 BW=f2-f1，

大於兩倍 fp 以上，是由高通和低通共同組成，如圖 3.8 所示，這類的帶通濾波器

就適用於電話通訊系統，頻寬為 300Hz~3kHz，以抑制其他訊號干擾。另一種就

是窄頻帶的帶通濾波，也就是我們要設計一個主動式帶通濾波器，主要的原因是

能有效的濾除雜訊，以期能精確的取得中心頻率的放大增益，如下圖 3.9 所示為

一頻寬 2kHz 的主動式帶通濾波器

圖 3.8 寬頻帶帶通濾波架構

18

圖 3.9 主動式帶通濾波

圖 3.10 主動式帶通濾波器設計流程圖

19

若假設運算放大器的開迴路增益為無窮大時，且與頻率無關，即運算放大

器為理想狀態，從上圖 3.7 可推導出 Vo/Vi 之轉移函數為(3-5)式所示(相關推導如

附錄 B)

)()()()(

2121221132212

321

RRRRCRRCsRRCCsRRsC

sVisVo

++++−

= (3-5)

由於超音波元件為 40kHz 的中心頻率，所以帶通濾波器需操作在 40kHz 的

工作頻率下，若考慮系統放大倍率 100 倍，頻寬為 2kHz 及 C1=C2=1000PF，由

推導可得帶通濾波器的各元件值如下:

R1=795.77Ω R2=113.68Ω (3-6) R3=159.154kΩ 將上述的值帶回(3-5)可得轉移函數為:

G(s)= 10426

1031.610257.110257.1

×+×+×ss

s (3-7)

經由 MATLAB 模擬可得其波德圖，如圖 3.11 所示，若考慮運算放大器的開迴路

增益為無限大時，其中心頻率 40kHz 其放大倍率就如設計的 100 倍左右。

20

圖 3.11 理想主動式帶通濾波(3-7)式之波德圖

z,fo=40kHz

但實際上運算放大器的開迴路增益是有限的 Ao 開迴路增益=106dB，增益頻寬

積為 5MHz(見附錄 A)，因此考慮運算放大器在高頻響應的增益衰減，可經由計

算可得其實際轉移函數(如附錄 B 所示)應如下式:

(BW=2KH rad/sec) , 51051.2 ×=oω

，

)()())()(())(1(

)(1)()(

21

21

1

31

2

3121321

2

321

21 sARRRR

RRC

RRC

sACsACssARCCs

sARRsCRRsVi

sVo+

++++++

−×=

----------------------------------------------------------------(3-8)

其中 A(s)=

bs

Ao

ω+1

， bω 為 LF356 的增益頻寬，Ao 為直流增益，將之帶回(3-8)可

得(3-9)

BsRRCRRCAoRRRCCRRRCCsRRRCCsAoRRC

sVisVo

bb

b

+++++−

= 23213113212132121

332121

321

)()()(

ωωω

21

------------------------------------------------------------------------------------------------(3-9)

其中 B=( bbbbb AoRRsRRCRRCAoRRCAoRRC ωωωωω )() 12321311212211 +++++

由上式可知(3-9)以不是原來標準二階的轉移函數，而轉換成一個三階的轉移函

數，若將理想轉移函數求得的電容電阻值(3-6)帶回上式可得其轉移函數為下式

G(s)= 102385

1085566.29297.56835967.0104397.11068.5

×+++××

− ssss (3-10)

經由 MATLAB 模擬可得其波德圖，如圖 3.12，因(3-10)式為一個三階的主動式

帶通濾波器，因此原本以理想標準函數所設計的各電阻電容值，將無法達到放大

預期的倍率，而且中心頻率也以不是原本的 40kHz，從下圖 3.12 所示，可以看

出在頻率 40kHz 時，其放大倍率已降為 24.4db，而中心頻率也已經漂移到 35kHz

左右。

圖 3.12 非理想主動式帶通濾波器(3-10)式之波德圖

(BW=2KHz ,fo=40kHz , 51051.2 ×=oω rad/sec)

22

但是考慮發射端在接近中心頻率，具有最大感度的因素，因此不考慮更改發

射端的發射頻率來滿足接收端所要放大的頻率，所以我們試著調整主動式帶通電

路的 值，藉此來調整主動式帶通濾波電路的中心頻率拉回欲放大的中心頻

率，因此將調整後的電容電阻值代回 下式所示

RC

(3-9)式可得到轉移函數，如(3-11)

10239

5

107313.29546.37044331.010384.9107.3)(

×+++××

= − sssssG (3-11)

對上式(3-11)經由 MATLAB 模擬結果可得到，如下圖 3-13 之波德圖

圖 3-13 非理想主動式帶通濾波器(3-11)式之波德圖

(BW=2K,fo=40kHz rad/sec)

由上圖所示，可知調整主動式帶通濾波器的電容電阻值，中心頻率也已從 35kHz

拉回到欲放大之中心頻率 ，達到我們預期的放大目的。

, 51051.2 ×=oω

fo=40kHz

23

訊號經過主動式帶通濾波後，在經過一個 10 倍的反向放大，原本就可以把

訊號送進 74132 的史密特閘，但是發現在電源已開通的情況下，會有雜訊干擾導

致會產生中斷訊號的誤動作，為了避免此情況發生，我們使用史密特電路，如下

圖 3.14 所示，

圖 3.14 史密特比較電路

由上圖 3.14 可看出，R2 從 Vo 接回輸入+端，則是在作電壓比較。若 Vo=+ ，

就是 V-V+。此時的 V+仍然是由 R1 和 R2 分壓所得

satE TH

- satE

V+= )(1 satER

−× )21( RR +

(3-13)

24

而當 Vo=- satE 時，所得到的 V+稱為史密特觸發電路的低臨界電壓 V TL 。

所以當 Vs< V ，則 Vo=+ ，此刻的 V+為 V 。必須等待某一時刻，Vs>V

的情況發生，才能達到 V->V+，迅速的將 Vo 改變狀態，由原來的+ 轉變為

。而此時的 V+也會馬上變成 V 。若 Vs 繼續增加，勢必一直維持 Vs> V ，

Vo= - 。且 V+的電壓一直保持 V+= V 。必須當 Vs 下降，且降到 Vs< V ，

才又回到原先的狀態使 V-

的判斷中斷訊號。

圖 3.16 超音波部分接收電路圖

圖 3.17 超音波測距實體圖

26

圖 3.18 超音波測距電路

27

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。

4.1.1 89C51單晶片微電腦簡介

89C51是一個八位元(8-bit)的 MCS-51工業標準。89C51

含4K-byte的快閃記憶體(Flash Memory)，可重複燒錄程式達1000次以上；

28-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

計時器(Timer)、或計數器(Counter)，一個雙向串列埠(RS-232 Serial Port)，和

CMOS單晶片微電腦，符合

內

1

的

28

五個中斷向量功能。

89C51有三種形態的記憶體，分別為：

1. 晶片內的記憶體(On Chip Memory)。

，外部程式碼記憶體，可擴充到

晶片外的 ，外接資料記憶體，可擴充到 。

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

、 和特殊功能暫存區 ，

。 通常分為六個區域，每一個區域佔有不同位址的 ，分

別為：

暫存器庫

暫存器庫

位元定址區(20H~2FH)

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。

單晶片除了控制功能外 ，搭配與 的溝通

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。

4.2 軟體流程說明

，程式首先設定 P3.0(第 10 隻接腳) P3.2( 12 隻接腳

位為 high 、外部中斷 0(EX0)

(ET0)，而後設定 8951 計時器 0 為模式 1(16 位元的計時計數器)，設定計時器 0

2. 晶片外的ROM 64K。

3. RAM 64K

(Flash ROM) 128-byte RAM (Special Function Register

SFR) 128-byte RAM RAM

1.暫存器庫0(00H~07H)

2. 1(08H~0FH)

3.暫存器庫2(10H~17H)

4. 3(18H~1FH)

5.bit address

6.一般用途(30H~7FH)

特殊功

8051/89C51 ，可利用原有的串列界面 PC

程式，透過TCP/IP

當 8951 啟動時 、 第 )的腳

，並啟動外部中斷致能(EA) 及外部計時器 0 中斷

29

的值 TH0=00H、TL0=00H，並且再 LCD 模組上顯示’The Distance Is’’= ? mm’

Timer0 計時完成前被 P3.2 負緣觸發外

式中將 Timer0 的值取

進位對十進位的轉換，

在

之字原碼。

以 P3.0 負緣觸發 8951 開始計時，如果在

部中斷，程式跳到 0003H 執行中斷副程式，外部中斷副程

出並乘以 17 倍，即得出所要之距離，再把所得之值做二

將所得之距離顯示於 LCD 模組上；如果在 Timer0 計時完成後還沒被 P3.2 外部

中斷時，程式跳到 000BH 執行計時器 0 的中斷程式，計時器 0 的中斷程式是

LCD 模組上顯示出’Error’的字原碼，如圖 4.1 所示。

圖 4.1 軟體流程方塊圖

30

圖 4.1 軟體流程方塊圖(續)

4.3 設計理念

4.3.1 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 331 sm ，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 =KT)，故粒子碰撞時間縮短，即波速 v 與2 T 成正比，

於平地 1atm 下，波速之公式為：20× T ( sm )，其中 T 為絕對溫度，或是

331+0.6t，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 表 、水面、紙張、衣物等，子組織 面，如金屬、石板

31

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 21 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)

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2

VTS ×Δ= 來計算：

V：音速=340m/s(15℃時)。

時間差。 △T：來回

2TΔ：單程時間差。

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

為 1

0000H(即令 TH0=00H、TL0=00H)時，計時器每隔 1μs×

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 之下，令計數值

=65536-65536=0000=

65536=65536μs 就會發出一次中斷信號，所以有效距離為 65536μs×

0.17=11141.12mm。

32

第五章 實驗測試與結論

在上述的硬體與軟體設計後，在此將針對主動式帶通濾波器的放大倍率作

ㄧ測試，本文是設定其放大倍率為 倍，考慮運算放大器之高頻響應的影響，

藉由調整電容電阻值希望達到預期放大的效果。表 是由訊號產生器之訊號

經過主動式帶通濾波器放大前後之比較。

表 5.1 主動式帶通濾波器實際放大倍率之比較

放

前之電壓

放大後之電壓

實際放大倍率

100

5.1

預期 未放大大倍率 (mV) (V) (倍)

100(40dB)

120

10.9

90.8(39.16dB)

40dB)

130

11.7

90(39.08dB) 100(

100(40dB)

145 13.1

90.3(39.11dB)

100(40dB)

150

13.7

91.3(39.20dB)

經過調整過後的主動式帶通濾波器放大倍率已可達到 90 倍左右以及將史密特比

較電路的磁滯電壓將原本的 調降為 ，在此我們進行多種距離的量測

如下表

0.7V 0.35V

5.2 所示

33

表 5.2 實際測距量測

單位(mm) 300(mm 500(mm 700(mm 1000(mm) 1200(m 2650(mm)次數 ) ) ) m)

1 292.14 566.10 782.46 1095.12 1042.56 2865.06 2 282.42 566.28 787.86 1095.30 1038.42 2847.42 3 282.06 566.64 791.10 1095.12 1047.42 2850.76 4 281.70 566.28 786.24 1091.16 1047.24 2223.52 5 28 4 2225.34 6.74 566.10 787.32 1095.30 1042.76 290.70 566.46 787.14 1090.62 1246.22 2229.30 7 286.02 562.14 1094.94 1043.46 2250.72 786.78

誤差 % 3~6% 12% 11~12% 13.3% 9% 7.54~16%

由上表可以看出，當要量測的距離越來越遠時， 誤差也會漸 此

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，

+0.6t，t 為℃。所以一般在常溫下速度會更快些，但是由於我們未作

度補償，而軟體又 以 15℃的速度 340m/s，去計算其距離，因此誤差就會產

， 差值 漸的變大。所以準確度的改善，

溫度的影響，進而 溫度補償，才有可能讓準確度降到 1%左右。發射電路部

，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。接收電路

份，主動式帶通濾 ，其頻寬 2~4k 及足夠，太大也許雜訊會參雜並放大，太

又會因系統參數值因溫度影響，而難以調整改變後的中心頻率。電源電路部

分，則希望可以尋找合適的單電源運算放大器，來處理像 40kHz 的訊號，一方

面讓整體變的更具攜帶性與輕巧性，一方面又不需要使用多種電源，讓人可以得

心應手的使用。

發現 漸的變大，在

影 ，

因為 V=331

溫 是

生，量的距離越遠 誤 就漸 就必須考慮到環

境 做

份

部 波

小

34

參考文獻

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音波三 頭控人 介面系統 研製，逢 大學自動 制工程學

所 文，20

許宗祺 逢甲 自動控制工程學系研

究所碩士論文，

[13]

年

[

[1

35

附錄 A a sheet LF356 Dat

36

37

附錄 B 主動式帶通濾波器高頻分析之推導

由電路可得:

3R

VoAoVo

i−

−

= ; 1)( sCAoVoVi x +=

經由上式可得當輸出電壓和所設的節點電壓的關係，如式(B-1)所示:

21 )1(3

11 AoR

AoVoVoAosCVsC x

+−=+

)1

(31

31

AoRsCRsCAo

VoVx++

−= (B-1)

透過節點電壓，依據克西荷夫電流定律可得式(B-2):

011

21

21

=−

++

++−

sC

VoVx

sC

AoVoVx

RVx

RViVx (B-2)

(B-2)式整理之後可得(B-3)式: 將

38

0)()()( 21221112 =−++++− VoVxRRsCAoVoVxRRsCVxRViVxR

0212122211211122 =−++++− VoRRsCVxRRsCAoVoRRsCVxRRsCVxRViRVxR

ViRVoRRsCAo

RRsCVxRRRRsCRRsC 2212

21121212121 )()( =−++++ …………………

…………………………………………………………………………………(B-3)

將(B-1)式帶入(B-3)式經整理化簡後可得主動式帶通濾波電路的轉移函數(A≠∞)

如(B-4)式所示:

−+++

++

++

AoRsCRsCRRAoRR

AoRCRRRCsCAoRRC

AoRRRRsCAoRR

31

312121

31

32121212

3

321121 )()([

(B-4)

ViRVoRRsCAo

RRsC2212

211 ] −=+

經整理後可得

++

++

++

AoRsCAoRR

AoRsCAo (RRRCCsRRsC

AoRsCRRRCsAoRRsC

31

21

31

321212

212

31

3212

12

211 )[

ViRVoAoRsC

RRRCCsAoRsC

RRRCsAoRsC

RsCRR2

31

32121

31

3211

31

3121 ])(

−=+−+

經由整理並令 Ao 為 A(s)可得(B-4)式:

222

)()(

)

)(1)( sARso

)()(())(1( 21321221 sACsACssARCCs +++)(

21

21

1

21

2

31

321

sARRRR

RRC

RRC

RsCRRsVi

V+

+++

−×=

----------------------------------------------(B-4)

其中，

------------------

bωs

AosA+

=1

)( : Ao 為直流增益， bω 為 3db 頻率，將之帶入上式(B-4)可得

-5)式: (B

39

RRCAoRRRCCRRRCCsRRCCAoRRsC

sVisVo

bb

b

+++−

BsRRC ++= 2

1132121321213

3121

321

()()(

ωω 3212 )ω

---------------------------------------------------------------(B-5)

其中 bbbbb AoRRsRRCRRCAoRRCAoRRCB ωωωωω )()( 21321311212121 +++++=

若考慮開迴路直流增益為無窮大時，轉移函數則如式(B-6)所示:

)()()()(

21212211321212

231

RRRRCRRCsRRRCCsRRsC

sVisVo

++++−

=

32121

21

3132

2

12

)()11()(

)(

RRRCCRR

RCRCss

RCs

sVisVo

++++

−

= (B-6)

在此設定 C1=C2=C，並將(B-6)式與主動式二階帶通濾波器之轉移函數標準式如

下式(B-7)比較:

202s +)(

o

o

sQ

ssG

ωωω

+= (B-7)

然吾人所需的帶通濾波器應為如(B-8)式:

K

Qs

s

ssG

Oo

o

22)(

ωωω

++= (B-8)

≣G=

所有電阻的公式，如(B-9)~(B-11)所示[6]:

其中，|G(jwo)| Q*K ，所以 K=G/Q，經整理化簡及比較之後，可得電路上

40

GQR

R O=1 (B-9)

)(22

QGQ

RR O

−= (B-10)

QRR O23 = (B-11)

其中:

1

3

2|)(|

RR

BWf

Q o= foCC

RO

O πω 211jGG o == ω ， == ，

41

附 式 錄 C 程

ORG 0000H ORG CLR TR0

000BH CLR TR0

F1 CONT: RETI

EA C R0,#00 R0,#20H @R0,TL0 R0 @R0,TH0

L HEX2BCD L DOPO

ACALL CNTDSP LABLE1 OUT

CD: R0,#20H R1,#40H

MOV R3,#16 ;16 位元之二進制(hex)數 A

MOV R2,#3 ;3 位元組之十進制(bcd)數 MOV @R1,A ;清除 bcd

R1 R2,LOOP1

MOV R0,#20H R2,#2 ;2 位元組之二進制(hex)數

MOV A,@R0

AJMP MAINSET

0003H ;INT0P3.2(12)中斷

AJMP F1 ORG AJMP

F1: CLR CLR MOV MOV MOV INC MOV ACAL ACALOUT: ACALL AJMP RETI HEX2B MOV MOV CLR LOOP1: INC DJNZNEXT: MOV LOOP2:

42

RLC A ;n

MOV @R0,A INC R0

;百位數

OV A,#00

MOV A,#00 ADDC A,@R0 DA A MOV @R0,A CLR C RET ADDX01: MOV R0,#50H MOV A,40H ADD A,@R0 DA A MOV @R0,A INC R0 MOV A,#00 ADDC A,@R0 DA A MOV @R0,A CLR C DJNZ R7,ADDX01 RET X1: MOV R0,#00 MOV R0,#52H MOV R7,#16 ACALL ADDX1 ACALL ADDX11 RET ADDX1: MOV A,41H ADD A,41H DA A MOV @R0,A INC R0 M ADDC A,@R0 DA A MOV @R0,A

44

CLR C RET ADDX11: MOV R0,#52H MOV A,41H ADD A,@R0 DA A MOV @R0,A

C R0

;萬位數

OV A,#00

IN MOV A,#00 ADDC A,@R0 DA A MOV @R0,A CLR C DJNZ R7,ADDX11 RET X2: MOV R0,#00 MOV R0,#54H MOV R7,#16 ACALL ADDX2 ACALL ADDX21 RET ADDX2: MOV A,42H ADD A,42H DA A MOV @R0,A INC R0 M ADDC A,@R0 DA A MOV @R0,A CLR C RET ADDX21: MOV R0,#54H MOV A,42H ADD A,@R0

45

DA A MOV @R0,A

C R0

H,50H

H CALL WRINS

IN MOV A,#00 ADDC A,@R0 DA A MOV @R0,A CLR C DJNZ R7,ADDX21 RET ADDALL: MOV 45 MOV A,51H ADD A,52H DA A MOV 46H,A MOV A,53H ADD A,54H DA A MOV 47H,A MOV 48H,55H RET MAINSET: ACALL INIT ACALL LINE1 MOV DPTR,#TAB1 ACALL DISPLAY ACALL LINE2 MOV DPTR,#TAB2 ACALL DISPLAY ACALL MAIN INIT: ACALL DELAY MOV A,#38 A MOV A,#38H ACALL WRINS MOV A,#38H

46

ACALL WRINS MOV A,#38H ACALL WRINS MOV A,#08H ACALL WRINS MOV A,#01H ACALL WRINS MOV A,#06H ACALL WRINS MOV A,#0CH

00000B ACALL WRINS

T

11111B

ACALL WRINS RET DISPLAY: MOV R6,#00H NEXTWD: MOV A,R6 MOVC A,@A+DPTR CJNE A,#10H,DSP RET DSP: ACALL WRDATA INC R6 AJMP NEXTWD LINE1: MOV A,#100 RELINE2: MOV A,#11000000B ACALL WRINS RET WRINS: MOV P3,#00011111B NOP SETB P3.5 MOV P1,A NOP CLR P3.5 ACALL DLY1 RET WRDATA: MOV P3,#100 NOP SETB P3.5

47

MOV P1,A NOP CLR P3.5 ACALL DLY2 RET DELAY: MOV R5,#100 DL: MOV R6,#200 DJNZ R6,$ DJNZ R5,DL RET DLY1: MOV R5,#20 DL1: MOV R6,#200

NZ R6,$

07

'

ATA

000000B

000110B

000111B

DJ DJNZ R5,DL1 RET DLY2: MOV R5,#80 DJNZ R5,$ RET LABLE1: ACALL L02 MOV A,#2EH ACALL WRDATA ACALL L0210 MOV A,#'m ACALL WRDATA MOV A,#'m' ACALL WRD RET L0201: MOV A,#11 ACALL WRINS RET L0207: MOV A,#11 ACALL WRINS RET L0208: MOV A,#11 ACALL WRINS RET L0210: MOV A,#11001001B

48

ACALL WRINS RET CNTDSP: ACALL ASCII1 ACALL L0208

5H

;計數器從 45H 開始 0H

計數器共 1 BYTE

ANL A,#00001111B

ATA

MOV R0,#31H ACALL DSPX1 ACALL ASCII2 ACALL L0201 MOV R0,#3 ACALL DSPX2 RET ASCII1: MOV R0,#45H MOV R1,#3 MOV R2,#01 ;L1P1: MOV A,@R0 PUSH ACC ADD A,#30H MOV @R1,A POP ACC SWAP A ANL A,#00001111B ADD A,#30H INC R1 MOV @R1,A INC R0 INC R1 DJNZ R2,L1P1 RET DSPX1: MOV R1,#02 L1P4: MOV A,@R0 ACALL WRD DEC R0 DJNZ R1,L1P4 RET

49

ASCII2: MOV R0,#46H ;計數器從 46H 開始 0H

;計數器共 3 BYTE

H INC R1

',10H

B #00H

MOV R1,#3 MOV R2,#03 L2P1: MOV A,@R0 PUSH ACC ANL A,#00001111B ADD A,#30H MOV @R1,A POP ACC SWAP A ANL A,#00001111B ADD A,#30 MOV @R1,A INC R0 INC R1 DJNZ R2,L2P1 RET DSPX2: MOV R1,#06 L2P4: MOV A,@R0 ACALL WRDATA DEC R0 DJNZ R1,L2P4 RET TAB1: DB 'The DistanceTAB2: DB ' Is= ? mm ',10H MAIN: MOV SP,#60H SETB P3.0 SETB P3.2 SETB EA SETB ET0 SETB EX0 MOV TMOD,#00000001 MOV TH0,

50

MOV TL0,#00H ;P3.0(10)為啟動，INT0P3.2(12)停止

開關 JB P3.0,$ SETB TR0 SJMP $ END

51