基于单片机超声波测距仪的毕业设计.doc

兰州理工大学毕业设计论文 1 摘 要 超声波具有指向性强 能量消耗缓慢 传播距离较远等优点 所以 在利 用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中 超声波测距是目前应用最 普遍的一种 它广泛应用于防盗 倒车雷达 水位测量 建筑施工工地以及一 些工业现场 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性 以及 Atmel 公司的 AT89C51 单片机的性能和特点 并在分析了超声波测距的原理的基础上 指出 了设计测距系统的思路和所需考虑的问题 给出了以 AT89C51 单片机为核心 的低成本 高精度 微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法 该系统电路设计合理 工作稳定 性能良好 检测速度快 计算简单 易于做 到实时控制 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求 关键词 超声波 单片机 测距 AT89C51 兰州理工大学毕业设计论文 2 Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature slowly energy consumption propagating distance farther so in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ultrasonic wave finds range to use the most general one at present it applies to guard against theft move backward the radar water level measuring building construction site and some industrial scenes extensively This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail and the performance and characteristic of one chip computer AT89C51 of Atmel Company and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range provide low cost the hardware circuit of high accuracy ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core this circuit of system is reasonable in design working stability performance good measuring speeding soon calculating simple apt to accomplish real time control and can reach industry s practical demand in measuring the precision 兰州理工大学毕业设计论文 3 Key Words Ultrasonic wave One chip computer Range finding AT89C51 兰州理工大学毕业设计论文 4 目 录 摘 要 1 ABSTRACT 2 目 录 3 第 1 章 超声波测距系统设计 5 1 1 超声波测距的原理 5 1 2 超声波测距系统电路的设计 5 1 2 1 总体设计方案 5 1 2 2 发射电路的设计 6 1 2 3 接收电路的设计 7 1 2 4 显示模块的设计 8 1 3 超声波测距系统的软件设计 9 1 4 本章小结 11 第 2 章 绪论 12 2 1 课题背景 目的和意义 12 2 2 两种常用的超声波测距方案 12 2 2 1 基于单片机的超声波测距系统 12 2 2 2 基于 CPLD 的超声波测距系统 13 2 3 课题主要内容 14 第 3 章 超声波传感器 15 3 1 超声波传感器的原理与特性 15 3 1 1 原理 15 3 1 2 特性 16 3 2 超声波传感器的检测方式 17 兰州理工大学毕业设计论文 5 3 3 超声波传感器系统的构成 18 3 4 本章小结 19 第 4 章 AT89C51 单片机简介 20 4 1 单片机基础知识 20 4 1 1 单片机的内部结构 20 4 1 2 单片机的基本工作原理 22 4 2 单片机的分类及发展 23 4 3 单片机 AT89C51 的特性 24 4 4 本章小结 27 第 5 章 电路调试及误差分析 28 5 1 电路的调试 28 5 2 系统的误差分析 28 5 2 1 声速引起的误差 28 5 2 2 单片机时间分辨率的影响 29 5 4 本章小结 30 结论 31 致谢 32 参考文献 33 附录 1 34 附录 2 39 附录 3 40 兰州理工大学毕业设计论文 6 第 1 章 超声波测距系统设计 1 1 超声波测距的原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的 回波 从而测出发射和接收回波的时间差t 然后求出距离 1 1 2 ct S 式 1 1 中的c为超声波在空气中传播的速度 限制该系统的最大可测距离存在四个因素 超声波的幅度 反射物的质地 反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度 接收换能器对声波脉冲 的直接接收能力将决定最小可测距离 为了增加所测量的覆盖范围 减少测量 误差 可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射 接收的设计方法 由 于超声波发球声波范围 其波速c与温度有关 表 1 1 列出了几种不同温度下 的波速 表 1 1 声速与温度的关系 温度 30 20 10 0102030100 声速 m s 313319325323338344349386 波速确定后 只要测得超声波往返的时间 t 即可求得距离 S 其系统原理 框图如图 1 1 所示 图 1 1 超声波测距系统框图 单片机 AT89C51 发出短暂的 40kHz 信号 经放大后通过超声波换能器输 出 反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入 锁相环对此信号锁定 产生锁定信号启动单片机中断程序 读出时间t 再由系统软件对其进行计算 判别后 相应的计算结果被送至 LED 数码管进行显示 在下一节里 我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方 法 兰州理工大学毕业设计论文 7 1 2 超声波测距系统电路的设计 1 2 1 总体设计方案 由单片机 AT89C51 编程产生 40kHz 的方波 由 P3 6 口输出 再经过放 大电路 驱动超声波发射探头发射超声波 发射出去的超声波经障碍物反射回 来后 由超声波接收头接收到信号 通过接收电路的检波放大 积分整形及一 系列处理 送至单片机 单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲 的时间间隔计算出障碍物的距离 并由单片机控制显示出来 该测距装置是由超声波传感器 单片机 发射 接收电路和 LED 显示器组 成 传感器输入端与发射接收电路相连 接收电路输出端与单片机相连接 单片机 的输出端与显示电路输入端相连接 其时序图如图 1 2 所示 图 1 2 时序图 单片机在 T0时刻发射方波 同时启动定时器开始计时 当收到回波后 产 生一负跳变到单片机中断口 单片机响应中断程序 定时器停止计数 计算时 间差 即可得到超声波在媒介中传播的时间 t 由此便可计算出距离 1 2 2 发射电路的设计 由单片机产生的 40kHz 的方波需要进行放大 才能驱动超声波传感器发射 超声波 发射驱动电路其实就是一个信号放大电路 本课题所选用的是 74HC04 集成芯片 图 1 3 为发射电路图 兰州理工大学毕业设计论文 8 图 1 3 发射电路 74HC04 内部集成了六个反向器 同时具有放大的功能 74HC04 的管脚 如图 1 4 所示 图 1 4 74HC04 管脚图 1 2 3 接收电路的设计 超声波接收头接收到超声波后 转换为电信号 此时的信号比较弱 必需 经过放大 本系统采用了 LM741 对接收到的信号进行放大 接收电路如图 1 5 所示 兰州理工大学毕业设计论文 9 图 1 5 接收电路 超声波探头接收到超声波后 通过声电转换 产生一正弦信号 其频率为 传感器的中心频率 即 40kHz 该信号通过 C1 高通滤波后经 LM741 放大 最后经二极管整形后输出到单片机中断口 LM741 是一单运放集成芯片 图 1 6 为 LM741 管脚图 图 1 6 LM741 管脚图 1 2 4 显示模块的设计 LED Light Emitting Diode 发光二极管 有七段和八段之分 也有共阴和 共阳两种 LED 数码管结构简单 价格便宜 图 1 7 示出了八段 LED 数码显示管的结 构和原理图 图 1 7 a 为八段共阴数码显示管结构图 图 1 7 b 是它的原理图 图 1 7 c 为八段共阳 LED 显示管原理图 八段 LED 显示管由八只发光二极管 组成 编号是 a b c d e f g 和 SP 分别与同名管脚相连 七段 LED 显示管比八段 LED 少一只发光二极管 SP 其他与八段相同 兰州理工大学毕业设计论文 10 图 1 7 八段 LED 数码显示管原理和结构 单片机对 LED 管的显示可以分为静态和动态两种 静态显示的特点是各 LED 管能稳定地同时显示各自字形 动态显示是指各 LED 轮流地一遍一遍显示 各自字符 人们由于视觉器官惰性 从而看到的是各 LED 似乎在同时显示不同 字形 为了减少硬件开销 提高系统可靠性并降低成本 单片机控制系统通常采 用动态扫描显示 但是由于本系统所用的单片机引脚少 剩余引脚很多 而且 也只需显示三位字符 所以 采用了静态的显示方式 且采用了软件译码 这 样单片机引脚输出可直接接到 LED 显示管上 这样省去了外部复杂的译码电路 1 3 超声波测距系统的软件设计 单片机编程产生超声波 在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能 开始计时 接收到回波后 接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断 源输入口产生一个中断请求信号 响应外部中断请求 执行外部中断服务子程 序 停止计时 读取时间差 计算距离 然后通过软件译码 将数据输出 P0 P1 和 P2 口显示 程序流程图如图 1 8 a 为主程序流程图 b 为定时中断子程序流程图 c 为外部中断子程序流程图 兰州理工大学毕业设计论文 11 a b c 图 1 8 程序流程图 用单片机编程产生 40kHz 方波 可用延时程序和循环语句实现 先定义一 个延时函数 delays 然后可用 for 语句循环 并且循环一次同时改变方波输 出口的电平高低 从而产生方波 部分程序如下 void delays 延时函数 void main for a 0 a 200 a 产生 100 个 40KHz 的方波 P36 P36 每循环一次 输出引脚取反 delays 单片机每隔一段时间产生一串 40kHz 方波 同时定时器开始计时 当收到 回波 产生中断信号后 单片机执行中断程序 在中断程序中 先让定时器停 止计数 然后读取时间 通过时间计算出所测距离 输出结果 中断程序如下 void intersvro void interrupt 0 using 1 INTO 中断服务程序 uint bwei shwei gwei uchar DH DL ulong COUNT ulong num 兰州理工大学毕业设计论文 12 TR0 0 停止计数 DH TH0 DL TL0 COUNT TH0 256 TL0 num 344 COUNT 20000 计算距离 bwei num 100 取百位 gwei num bwei 100 10 取十位 shwei num 10 取个位 P1 tab bwei 输出百位 P0 tab shwei 输出十位 P2 tab gwei 输出个位 TH0 0 TL0 0 本系统的 LED 显示采用了静态显示方式 并用单片机内部软件译码 这样 简单方便 省去了复杂的外部译码电路 软件译码只需要定义一个数组便可 程序语句如下 uchar data tab 10 0 xc0 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 这是共阳 LED 显示从 0 到 9 的字形码 1 4 本章小结 本章是该课题的重点 全面介绍了超声波测距系统的原理和设计思路 给 出了硬件电路和软件的设计 在硬件电路的设计中 分别详细介绍了发射电路 接收电路及显示模块的设计方法 软件编程部分 给出了整个程序的思路以及 程序流程图 兰州理工大学毕业设计论文 13 兰州理工大学毕业设计论文 14 第 2 章 绪论 2 1 课题背景 目的和意义 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一 信息技术包括计算机技术 通信技术和传感器技术 计算机技术相当于人的大脑 通信相当于人的神经 而传感器就相当于人的感官 比如温度传感器 光电传感器 湿度传感器 超 声波传感器 红外传感器 压力传感器等等 其中 超声波传感器在测量方面 有着广泛 普遍的应用 利用单片机控制超声波检测往往比较迅速 方便 计 算简单 易于做到实时控制 并且测量精度较高 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达 机器人自动避障行走 建筑 施工工地以及一些工业现场例如 液位 井深 管道长度等场合 因此研究超 声波测距系统的原理有着很大的现实意义 对本课题的研究与设计 还能进一 步提高自己的电路设计水平 深入对单片机的理解和应用 2 2 两种常用的超声波测距方案 2 2 1 基于单片机的超声波测距系统 基于单片机的超声波测距系统 是利用单片机编程产生频率为 40kHz 的方 波 经过发射驱动电路放大 使超声波传感器发射端震荡 发射超声波 超声 波波经反射物反射回来后 由传感器接收端接收 再经接收电路放大 整形 控制单片机中断口 其系统框图如图 2 1 所示 图 2 1 基于单片机的超声波测距系统框图 这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间 和收到反射波的时间 当收到超声波的反射波时 接收电路输出端产生一个负 跳变 在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号 单片机响应外部 中断请求 执行外部中断服务子程序 读取时间差 计算距离 结果输出给 LED 显示 1 利用单片机准确计时 测距精度高 而且单片机控制方便 计算简单 许 多超声波测距系统都采用这种设计方法 兰州理工大学毕业设计论文 15 2 2 2 基于 CPLD 的超声波测距系统 这种测距系统采用 CPLD Complex Programmable Logic Device 器件 运用 VHDL Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 编写程序 使用 MAX plusII 软件进行软硬件设计的仿真和调试 最终实现测距功能 CPLD 器件内部的宏单元是其最基本的模块 能独立地编程为 D 触发器 T 触发器 RS 触发器或 JK 触发器工作方式或组合逻辑工作方式 它的这种特 性非常适用于本系统 可将本系统所需要的分频功能 计数功能 振荡器 七 段码显示全部由 MAX 来实现 而只需在外部配上适当的超声波传感器 接收 和发送电路 即可组成一个测量精度高 性能稳定 响应速度快且具有显示功 能的超声波测距仪 本系统利用 CPLD 器件控制超声波的发射 并对超声波发射至接收的往返 时间进行计数 将计算结果在 LED 上显示出来 配合使用 MAX plusII 开发软 件 可集设计输入 设计处理 设计校验和器件编程于一体 集成度高 开发 周期短 其系统框图如图 2 2 所示 图 2 2 基于 CPLD 的超声波测距系统框图 超声波发射器向某一方向发射 40kHz 的超声波 在发射超声波的同时 MAX7128S 内的计数器开始计数 超声波在空气中传播 途中碰到障碍物就会 立即返回来 超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到 CPLD CPLD 立 即停止计数 CPLD 所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间 超 声波在空气中的传播速度如设定为 332m s 根据计数器记录的时间t 就可以 计算出发射点距障碍物的距离s 即 s 332t 2 CPLD 开始计数后 只要传 感器收到回波 CPLD 就立即停止计数 即只有最先返回的超声波才起作用 也就是说超声波测距仪总是测得离传感器最近的物体的距离 2 本系统采用先进的 CPLD 器件 高性能 低成本地实现了距离的测定 兰州理工大学毕业设计论文 16 2 3 课题主要内容 通过上节介绍我们知道 以单片机为核心的超声波测距系统设计简单 方 便 而且测精度能达到工业要求 本课题研究的测距系统就是用单片机控制的 通过超声波发射器向某一方向发射超声波 单片机在发射时刻同时开始计 时 超声波在空气中传播 途中碰到障碍物就立即反射回来 超声波接收器收 到反射波就立即停止计时 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 就可以计算出发射点距障碍物的距离 本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的 计时 接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口 系统定时发射超声波 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 利用定时器的计数功能记录 超声波发射的时间和收到反射波的时间 当收到超声波的反射波时 接收电路 输出端产生一个负跳变 在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号 单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序 读取时间差 计算距离 结 果输出给 LED 显示 利用本测距系统测量 范围应在 30cm 200cm 内 其最大误差控制在 10cm 兰州理工大学毕业设计论文 17 第 3 章 超声波传感器 为了研究和利用超声波 人们已经设计和制成了许多超声波发生器 总体 上讲 超声波发生器可以分为两大类 一类是用电气方式产生超声波 一类是 用机械方式产生超声波 电气方式包括压电型 磁致伸缩型和电动型等 机械方式有加尔统笛 液 哨和气流旋笛等 它们所产生的超声波的频率 功率和声波特性各不相同 因 而用途也各不相同 目前较为常用的是压电式超声波发生器 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的 它有两个压 电晶片和一个共振板 当它的两极外加脉冲信号 其频率等于压电晶片的因有 振荡频率时 压电晶片将会发生共振 并带动共振板振动 便产生超声波 反 之 如果两极间未外加电压 当共振板接收到超声波时 将压迫压电晶片振动 兰州理工大学毕业设计论文 18 将机械能转换为电信号 这时它就成为超声波接收器了 在设计超声波测距系统之前 我们首先来了解一下有关超声波传感器方面 的知识 在本章里 将介绍超声波传感器的原理和特性 检测方式以及超声波 传感系统的构成 3 1 超声波传感器的原理与特性 3 1 1 原理 人们可以听到的声音频率为 20Hz 20kHz 即为可听声波 超出此频率 范围的声音 即 20Hz 以下的声音称为低频声波 20kHz 以上的声音称为超声 波 一般说话的频率范围为 100Hz 8kHz 超声波为直线传播方式 频率越高 绕射能力越弱 但反射能力越强 为 此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器 另外 超声波在空气中传 播的速度较慢 约为 330m s 这就使得超声波传感器使用变得非常简单 超声波传感器有发送器和接收器 但一个超声波传感器也可以具有发送和 接收声波的双重作用 即为可逆元件 一般市场上出售的超声波传感器有专用 型和兼用型 专用型就是发送器用作发送超声波 接收器用作接收超声波 兼 用型就是发送器和接收器为一体传感器 即可发送超声波 又可接收超声波 超声波传感器的谐振频率 中心频率 有 23kHz 40kHz 75kHz 200kHz 400kHz 等 谐振频率变高 则检测距离 变短 分解力也变高 超声波传感器是利用压电效应的原理 压电效应有逆效应和顺效应 超声 波传感器是可逆元件 超声波发送器就是利用压电逆效应的原理 所谓压电逆 效应如图 3 1 所示 是在压电元件上施加电压 元件就变形 即称应变 若在 图 a 所示的已极化的压电陶瓷上施加如图 b 所示极性的电压 外部正电荷与压 电陶瓷的极化正电荷相斥 同时 外部负电荷与极化负电荷相斥 由于相斥的 作用 压电陶瓷在厚度方向上缩短 在长度方向上伸长 若外部施加的极性变 反 如图 c 所示那样 压电陶瓷在厚度方向上伸长 在长度方向上缩短 图 3 1 压电逆效应 兰州理工大学毕业设计论文 19 超声波传感器采用双晶振子 即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起 在长度方向上 一片伸长 另一片就缩短 在双晶振子的两面涂敷薄膜电极 其上面用引线通过金属板 振动板 接到一个电极端 下面用引线直接接到另一 个电极端 双晶振子为正方形 正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着 这两处的支点就成为振子振动的节点 金属板的中心有圆锥形振子 发送超声 波时 圆锥形振子有较强的方向性 因而能高效率地发送超声波 接收超声波 时 超声波的振动集中于振子的中心 所以 能产生高效率的高频电压 采用双晶振子的超声波传感器 若在发送器的双晶振子 谐振频率为 40kHz 上施加 40kHz 的高频电压 压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短 于是就能发送 40kHz 频率的超声波 超声波以疏密波形式传播 传送给超声波 接收器 超声波接收器是利用压电效应的原理 即在压电元件的特定方向上施 加压力 元件就发生应变 则产生一面为正极 另一面为负极的电压 若接收 到发送器发送的超声波 振子就以发送超声波的频率进行振动 于是 就产生 与超声波频率相同的高频电压 当然这种电压是非常小的 必须采用放大器放 大 3 1 2 特性 现以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种 特性 表 3 1 示出的就是这种超声波传感器的特性 传感器的标称频率为 40kHz 这是压电元件的中心频率 实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐 振的中心频率 而接收时各自使用并联谐振频率 表 3 1 超声波传感器 MA40S2R S 的特性 种类特性MA40S2R 接收MA40S2S 发送 标称频率 40kHz 灵敏度 74dB 以上100dB 以上 兰州理工大学毕业设计论文 20 带宽6kHz 以上 80dB 7kHz 以上 90dB 电容 1600pF1600pF 绝缘电阻100M 以上 温度特性 20 60 范围内灵敏度变化在 10dB 以内 超声波传感器的带宽较窄 大部分是在标称频率附近使用 为此 要采取 措施扩展频带 例如 接入电感等 另外 发送超声波时输入功率较大 温度 变化使谐振频率偏移是不可避免的 为此 对于压电陶瓷元件非常重要的是要 进行频率调整和阻抗匹配 MA40S2R S 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降 低 为此 发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率 图 3 2 表示传感器方向性的特性 这种传感器在较宽范围内具有较高的检 测灵敏度 因此 适用于物体检测与防犯报警装置等 另外 对于这种传感器 一般来说温度越高 中心频率越低 为此 在宽 范围环境温度下使用时 不仅在外部进行温度补偿 在传感器内部也要进行温 度补偿 图 3 2 传感器的方向性 3 2 超声波传感器的检测方式 1 穿透式超声波传感器的检测方式 兰州理工大学毕业设计论文 21 当物体在发送器与接收器之间通过时 检测超声波束衰减或遮挡的情况从 而判断有无物体通过 这种方式的检测距离约 1m 作为标准被检测物体使用 100mm 100mm 的方形板 它与光电传感器不同 也可以检测透明体等 2 限定距离式超声波传感器的检测方式 当发送超声波束碰到被检测物体时 仅检测电位器设定距离内物体反射波 的方式 从而判断在设定距离内有无物体通过 若被检测物体的检测面为平面 时 则可检测透明体 若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时 则有时不 能检测到被测物体 若被检测物体不是平面形状 实际使用超声波传感器时一 定要确认是否能检测到被测物体 3 限定范围式超声波传感器的检测方式 在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时 则被检测物体遮 挡反射板的正常反射波 若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况 就能判断 有无物体通过 另外 检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围 4 回归反射式超声波传感器的检测方式 回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同 主要用 于发送器设置与布线困难的场合 若反射面为固定的平面物体 则可用作回归 反射式超声波传感器的反射板 另外 光电传感器所用的反射板同样也可以用 于这种超声波传感器 这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光 因此 可 检测透明的物体 利用超声波的传播速度比光速慢的特点 调整用门信号控制 被测物体反射的超声波的检测时间 可以构成限定距离式与限定范围式超声波 传感器 3 3 超声波传感器系统的构成 超声波传感器系统由发送器 接收器 控制部分以及电源部分构成 如图 3 3 所示 发送器常使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子 将陶瓷振子的电振动 能量转换为超声波能量并向空中辐射 除穿透式超声波传感器外 用作发送器 的陶瓷振子也可用作接收器 陶瓷振子接收到超声波产生机械振动 将其变换 为电能量 作为传感器接收器的输出 从而对发送的超声波进行检测 兰州理工大学毕业设计论文 22 图 3 3 超声波传感器系统的构成 控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无 作为超声波传感器的控制 输出 对于限定范围式超声波传感器 通过控制距离调整回路的门信号 可以 接收到任意距离的反射波 另外 通过改变门信号的时间或宽度 可以自由改 变检测物体的范围 超声波传感器的电源常由外部供电 一般为直流电压 电压范围为 12 24V 10 再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作 超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路 可有 多种方法产生超声波 其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子 但这种 方法需要人参与 因而是不能持久的 也是不可取的 为此 在实际中采用电 路的方法产生超声波 根据使用目的的不同来选用其振荡电路 3 3 4 本章小结 本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性 超声波发送器就是利 用压电逆效应的原理产生超声波的 超声波传感器有四种检测方式 分别为穿透式超声波传感器的检测方式 限定距离式超声波传感器的检测方式 限定范围式超声波传感器的检测方式和 回归反射式超声波传感器的检测方式 超声波传感器系统由发送器 接收器 控制部分以及电源部分构成 兰州理工大学毕业设计论文 23 第 4 章 AT89C51 单片机简介 本课题所设计的超声波测距系统是基于单片机控制的 在介绍电路设计之 前 我们先来简单了解一下单片机的工作原理 由于本课题所设计的超声波测 距系统是以 Atmel 公司的 8 位单片机 AT89C51 为核心的 所以 在本章先简 单的介绍一下 AT89C51 的一些特性 4 1 单片机基础知识 单片微型计算机简称单片机 特别适用于控制领域 故又称为微控制器 Microcontroller 单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支 也是一种 非常活跃且颇具生命力的机种 通常 单片机由单块集成电路芯片构成 内部包含有计算机的基本功能部 件 CPU Central Processing Unit 中央处理器 存储器和 I O 接口电路等 因此 单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合 便可成为一个单片机控 制系统 4 1 1 单片机的内部结构 单片机内部结构如图 4 1 所示 兰州理工大学毕业设计论文 24 图 4 1 单片机内部结构 与单片机相比 微型计算机是一种多片机系统 它是由中央处理器 CPU 芯片 ROM 芯片 RAM 芯片和 I O 接口芯片等通过印刷电路板上总线 地址 总线 AB 数据总线 DB 和控制总线 CB 连成一体的完整计算机系统 其中 中 央处理器 CPU 的字长长 功能强大 ROM 和 RAM 的容量很大 I O 接口的 功能也大 这是单片机无法比拟的 因此 单片机在结构上与微型计算机十分 相似 是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机 并由 此而得名 由图 4 1 可见 中央处理器 CPU 是通过内部总线与 ROM RAM I O 接口以及定时器 计数器相连的 这个结构并不复杂 但并不好理解 为此 在 分析单片机工作原理前 先对图 4 1 中各部件作一基本介绍是十分必要的 1 存储器 在单片机内部 ROM 和 RAM 存储器是分开制造的 通常 ROM 存储器 容量较大 RAM 存储器的容量较小 这是单片机用于控制的一大特点 1 ROM ROM Read Only Memory 只读存储器 一般为 1 32K 字节 用于存放 应用程序 故又称为程序存储器 由于单片机主要在控制系统中使用 因此一 旦该系统研制成功 其硬件和应用程序均已定型 为了提高系统的可靠性 应 用程序通常固化在片内 ROM 中 根据片内 ROM 的结构 单片机又可分为无 ROM 型 ROM 型和 EPROM Erasable Programmable Read Only Memory 可 擦除可编程只读存储器 型三类 近年来 又出现了 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory 电擦除可编程只读存储器 和 Flash 型 ROM 存储器 无 ROM 型单片机特点是片内不集成 ROM 存储器 故应用程序必须固化 兰州理工大学毕业设计论文 25 到外接的 ROM 存储器芯片中 才能构成有完整功能的单片机应用系统 ROM 型单片机内部 其程序存储器是采用掩膜工艺制成的 程序一旦固化进去便永 远不能修改 EPROM 型单片机内部的程序存储器是采用特殊 FAMOS 管构成 的 程序一旦写入 也可以通过特殊手段加以修改 因此 EPROM 型单片机 是深受研制人员欢迎的 2 RAM 通常 单片机片内 RAM Random Access Memory 随机存取存储器 容 量为 64 256 字节 最多可达 48K 字节 RAM 主要用来存放实时数据或作为通用 寄存器 数据堆栈和数据缓冲器之用 2 中央处理器 CPU 中央处理器的内部结构极其复杂 要像电子线路那样画出它的全部电路原 理图来加以分析介绍是根本不可能的 下面简单概述一下几个主要部分的工作 原理 1 运算器 运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作 其操作顺序在控制器控 制下进行 运算器由算术逻辑单元 ALU 累加器 A 通用寄存器 R0 暂存器 TMP 和状态寄存器 PSW 等五部分组成 累加器 A Accumulator 是一个具有输入 输出能力的移位寄存器 由 8 个 触发器组成 TR Temporary Register 暂存器 也是一个 8 位寄存器 用于暂 存另一操作数 ALU Arithmetic and Logical Unit 算术逻辑单元 主要由加 法器 移位电路和判断电路等组成 用于对累加器 A 和暂存器 TMP 中两个操 作数进行四则运算和逻辑操作 PSW Program Status Word 程序状态字 也 由 8 位触发器组成 用于存放 ALU 操作过程中形成的状态 2 控制器 控制器是发布操作命令的机构 是计算机的指挥中心 相当于人脑的神经 中枢 控制器由指令部件 时序部件和微操作控制部件等三部分组成 指令部件是一种能对指令进行分析 处理和产生控制信号的逻辑部件 也 是控制器的核心 指令是一种能供机器执行的控制代码 有操作码和地址码两 部分 时序部件由时钟系统和脉冲分配器组成 用于产生微操作控制部件所需 的定时脉冲信号 微操作控制部件可以为 ID Instruction Decoder 指令译码 器 输出信号配上节拍电位和节拍脉冲 也可与外部进来的控制信号组合 共同 形成相应的微操作控制序列 以完成规定的操作 3 内部总线 兰州理工大学毕业设计论文 26 单片机内部总线是 CPU 连接片内各主要部件的纽带 是各类信息传送的公 共通道 内部总线主要由三种不同性质的连线组成 它们是地址线 数据线和 控制线 状态线 地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号 通常由 CPU 发出并被存储器或 I O 接口电路所接收 数据线用来传送 CPU 写入存储 器或经 I O 接口送到输出设备的数据 也可以传送从存储器或输入设备经 I O 接口读入的数据 因此 数据线通常是双向信号线 控制 状态线有两类 一类 是 CPU 发出的控制命令 如读命令 写命令 中断响应等 另一类是存储器或 外设的状态信息 如外设的中断请求 存储器忙和系统复位信号等 4 I O 接口和特殊功能部件 I O 接口电路有串行和并行两种 串行 I O 用于串行通信 它可以把单片 机内部的并行 8 位数据 8 位机 变成串行数据向外传送 也可以串行接收外部送 来的数据并把它们变成并行数据送给 CPU 处理 并行 I O 口电路可以使单片机 和存储器或外设之间并行地传送 8 位数据 8 位机 4 1 2 单片机的基本工作原理 单片机是通过执行程序来工作的 机器执行不同程序就能完成不同的运算 任务 因此 单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理 为此 先从指令程序谈起 1 单片机的指令系统和程序编制 前面已经介绍 指令是一种可以供机器执行的控制代码 故它又称为指令 码 Instruction Code 指令码由操作码 Operation Code 和地址码 Address Code 构成 操作码用于指示机器执行何种操作 地址码用于指示参加操作的 数在哪里 其格式为 操作码地址码 指令码的二进制形式既不便于记忆 又不便于书写 故人们通常采用助记 符形式来表示 表 4 1 所列 表 4 1 指令的三种形式 指令的二进制形式指令的十六进制形式指令的汇编形式 01110100 data174 data1MOV A data1 A data1 00100100 data224 data2ADD A data2 A data1 data2 兰州理工大学毕业设计论文 27 10000000 111111080 FE SJMP 停机 指令的集合或指令的全体称为 指令系统 Instruction System 微处理 器类型不同 它的指令系统也不一样 所谓程序就是采用指令系统中的指令根 据题目要求排列起来的有序指令的集合 程序的编制称为 程序设计 通常 设计人员采用指令的汇编符 即助记 符 形式编程 这种程序设计称为 汇编语言程序设计 显然 设计人员如果 不熟悉机器的指令系统是无法编出优质高效的程序的 2 单片机执行程序的过程 为了弄清单片机的工作原理 现以如下的 Y 5 10 求和程序来说明单片机 的工作过程 7405HMOVA 05H A 05H 240AHADDA 0AH A 5 10 80FEH SJMP 停机 该程序由三条指令组成 每条指令均为双字节指令 即第一字节为操作码 第二字节为地址码 第一条指令的含义是把 05H 传送到累加器 A 中 第二条 指令是加法指令 它把累加器 A 中的 5 和立即数 10 相加 结果保留到累加器 A 中 第三条是停机指令 机器执行后处于动态停机状态 4 2 单片机的分类及发展 1974 年 美国仙童 Fairchild 公司研制出世界上第一台单片微型计算机 F8 该机由两块集成电路芯片组成 结构奇特 具有与众不同的指令系统 深受民用电 器和仪器仪表领域的欢迎和重视 从此 单片机开始迅速发展 应用范围也在 不断扩大 现已成为微型计算机的重要分支 1 单片机的分类 20 世纪 80 年代以来 单片机有了新的发展 各半导体器件厂商也纷纷推 出自己的产品系列 迄今为止 市售单片机产品已达 60 多个系列 600 多个 品种 按照 CPU 对数据处理位数来分 单片机通常可以分为以下四类 1 4 位单片机 4 位单片机的控制功能较弱 CPU 一次只能处理 4 位二进 制数 这类单片机常用于计算器 各种形态的智能单元以及作为家用电器中的 控制器 2 8 位单片机 8 位单片机的控制功能较强 品种最为齐全 和 4 位机相 比 它不仅具有较大的存储容量和寻址范围 而且中断源 并行 I O 接口和定 时器 计数器个数都有不同程度的增加 并集成有全双工串行通信接口 在指令 系统方面 普遍增设了乘除指令和比较指令 特别是 8 位机中的高性能增强型 兰州理工大学毕业设计论文 28 单片机 除片内增加了 A D 和 D A 转换器以外 还集成有定时器捕捉 比较寄 存器 监视定时器 Watchdog 总线控制部件和晶体振荡电路等 这类单片 机由于其片内资源丰富且功能强大 主要在工业控制 智能仪表 家用电器和 办公自动化系统中应用 3 16 位单片机 16 位单片机是在 1983 年以后发展起来的 这类单片机 的特点是 CPU 是 16 位的 运算速度普遍高于 8 位机 有的单片机寻址能力 高达 1MB 片内含有 A D 和 D A 转换电路 支持高级语言 这类单片机主要 用于过程控制 智能仪表 家用电器以及作为计算机外部设备的控制器 4 32 位单片机 32 位单片机的字长为 32 位 是单片机的顶级产品 具 有极高的运算速度 近年来 随着家用电子系统的新发展 32 位单片机的市场 前景看好 2 8 位单片机的新发展 目前 单片机正朝着高性能和多品种方向发展 尤其是 8 位单片机已成为 当前单片机的主流 8 位单片机的新发展具体体现在如下四个方面 1 CPU 功能增强 2 内部资源增多 3 引脚的多功能化 4 低电压和低功耗 4 4 3 单片机 AT89C51 的特性 AT89C 系列单片机是 Atmel 公司生产的一款标准型单片机 其中数字 9 表示内含 Flash 存储器 C 表示 CMOS 工艺 其管脚图如图 4 2 所示 图 4 2 AT89C 单片机管脚图 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 兰州理工大学毕业设计论文 29 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程 可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单 个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一 种精简版本 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉 的方案 1 主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 100 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据 存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原 码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能 接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且 兰州理工大学毕业设计论文 30 作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由 于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉 优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器 的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下所示 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高 电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可 用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据 存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上 置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外