毕业设计（论文）基于单片机的超声波测距器设计.doc

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1、学 士 学 位 论 文题 目 基于单片机的超声波测距器设计学 生 指导教师 年 级 2008级专 业 计算机科学与技术系 别 计算机科学与技术学 院 计算机科学与信息工程学院哈尔滨师范大学2012年5月摘要：21世纪是一个科技的时代，单片机的出现又令工业社会有了前所未有的发展。而基于单片机的超声波测距器作为单片机众多应用中的佼佼者，无疑为现代的工业生产带来了更多的便利。超声波测距器可以应用于一些工业现场的位置监控，也可以用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射

2、现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路和显示电路，另外还有复位电路和LED控制电路等。我采用以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。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、供电、温度测量、显示等模块组成。发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计时器开始计时，超声波被发射后按原路返回,在经过放大带通滤波整形等环节,然后被

3、单片机接收,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正, 结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在LED上。另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等，空气的温度对超声波的速度影响也很大。此外供电电源也会使测量差生很大的误差。再设计的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。关键词：单片机AT89C

4、51；超声波；传感器；测距公式；距离测量目 录第一章 绪论11.1选题的意义和背景11.2国内外关于单片机的超声波测距器研究的现状21.3课题研究的主要内容和方法以及研究过程中的主要问题和解决办法21.4几种测距方式的比较和选择31.1.1红外线测距方式：31.1.2激光测距方式：31.1.3超声波测距方式：31.5基于单片机的超声波测距器的设计思路4第二章 基于单片机的超声波测距器的硬件系统设计62.1 系统总体设计思想62.2 单片机的简单介绍与性能特点72.2.1 系统单片机的选择72.2.2单片机的系统电路102.3 AT89C51单片机的引脚介绍112.4 系统模型的建立122.4.

5、1 系统的主要模块122.4.2 超声波测距原理132.4.3 超声波的使用方法及超声波换能器的简单介绍142.4.4 超声波测距对不同物体的影响152.5基于单片机的超声波测距器的系列设计原理152.5.1 系统主程序设计原理152.5.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序设计162.5.3超声波发射电路及超声波反相器、传感器设计162.5.4 超声波检测接收电路设计192.6 单片机的显示电路设计23第三章 基于单片机的超声波测距器的软件系统设计243.1 需要由基于单片机的超声波测距器的软件程序完成的功能243.2 对于软件编程语言的选择243.3 实现重要功能的程序的浅析253.3.

6、1 实现温度读取功能的程序253.3.2 实现根据温度转化声速的程序253.3.3 实现距离计算的程序253.3.4 主函数的结构与内容263.4 系统主程序流程283.5 定时器T1中断服务子程序的设计293.6 延时子程序的设计303.7 基于单片机的超声波测距器的整体设计思路综述31第四章 系统调试情况324.1 系统硬件调试324.2系统软件调试324.3 系统软、硬件联合调试334.4 部分设计的优化方案344.4.1 提高测距的范围344.4.2 发射探头和接收探头之间的影响344.4.3 超声波的衰减344.4.4 系统干扰因素35第五章 研究结论与展望375.1 研究结论375

7、.2 研究展望38致 谢39参考文献39附 录40Based on MCU ultrasonic ranging45第一章 绪论21世纪是一个科技的时代，单片机的出现又令工业社会有了前所未有的发展。而基于单片机的超声波测距器作为单片机众多应用中的佼佼者，无疑为现代的工业生产带来了更多的便利。超声波，是指高于20KHz的机械波。由于超声波的指向性强，能量消耗缓慢，在介质中的传播距离远，因而超声波可以用于距离较远且不易测量的工程及应用中。利用超声波检测距离，设计较方便，计算处理也比较简单，最重要的是，超声波测距在测量精度方面能够达到很高的要求。从技术上看，基于单片机的超声波测距系统在上个世纪70年

8、代已经实用化，从70年代末期开始广泛应用于工业生产领域。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在工农业生产及其他各个领域都得到了广泛的应用。本次课题研究将从基于单片机的超声波测距器的设计意义着手，按照设计思路、硬、软件系统设计、最后调试的顺序，一一揭开基于单片机的超声波测距器的“神秘面纱”。1.1选题的意义和背景21世纪是一个充满机遇与挑战的新时代，新兴时代，科技主宰！随着我国科学技术的飞速发展

9、，人们在生活生产中不仅注重数量与质量，更加注重人们自身的安全与健康。出于安全与其他因素的考虑，日常生活中，有很多工作是需要机械化自动进行而非人类去身体力行。例如：汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等。于是，一种新兴科技产物应运而生基于单片机的超声波测距器。超声波测距器作为一种新型的测距工具，它在定位、精度等各个方面都拥有很大的发展空间。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播

10、规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。毋庸置疑，未来的超声波测距器将与自动化智能化接轨，与其他的测距器集成并融合，形成多测距器；未来的超声波测距器将不仅仅具有单纯的判断功能，它还会发展到具有学习功能，甚至是创造功能。21世纪，面貌一新的超声波测距器将发挥其重要的作用。由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫

11、生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装

12、备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。基于单片机的超声波测距器充分发挥超声波的指向性强、能量消耗缓慢、传播距离远等优点，因此可以应用于非接触测距，以达到自动化的目的。基于单片机的超声波测距器作为一种新兴的科技产物，对于正在谋求更大发展的中国，乃至全世界都有着不可估量的重大作用和重要意义。1.2国内外关于单片机的超声波测距器研究的现状国内对于单片机的超声波测距器的研究相对落后，早期产品也相对单一，功能也不全面。而近十年来，国内的科研人

13、员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量的分析与研究，取得了相对较大的进步。而且，国内技术人员针对超声测距的几个重要影响因素提出了温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等可以提高超声波测距精度的措施，效果非常显著。国外对于单片机的超声波测距器的研究比较早，而且研究方向正确，研究内容深刻，所以国外的超声波测距器产品型号齐全，质量较高，性能也比较稳定。展望未来，基于单片机的超声波测距器一定会随着科学技术的发展而快速发展，而且，超声波测距器也会以其自动、准确的特点而应用越来越广泛。但就目前的技术水平来讲，人们可以利用的测距技术还十分有限，所以这是一个拥有无

14、限发展空间与潜力的产业。未来的的超声波测距技术将会与自动化智能化接轨，并且会完好的与其他的测距技术有机结合起来，形成多测距仪以应用于更多的行业，如：工农业、军事产业等。1.3课题研究的主要内容和方法以及研究过程中的主要问题和解决办法基于单片机的超声波测距器的研究方法是利用单片机控制超声波的发射与接收，通过单片机记录和读取发射及接收超声波的时间差，从而计算出测量距离。课题研究的主要内容和方法：AT89C51单片机的主要特点。51单片机中典型芯片（AT89C51）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，由CPU、4KBROM、256BROM、2个16b的定时计数器T0和T1、4个8b的I/O端I：

15、TPO，P1，P2，P3，一个全双串行通信口构成。特别是这种单片机内的Flash可以编程，可以擦除只读存储器（EPROM），因此。此种单片机在生活中有着广泛的用途超声波的发射电路。超声波的发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器T组成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级方向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的强度。超声波的接收电路。集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。因为红外遥控常用的载波频率（38kHz）与超声

16、波测距所用的超声波频率（40kHz）相差不多，所以可以考虑用CX20106A来制作超声波的接收电路。实验证明，用CX2016A接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。超声波测距系统的硬件电路设计。基于单片机的超声波测距器是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射到接收往返时间的计时，本课题研究选用AT89C51单片机，即经济又实用，而且片内还有4K的ROM，有利于编程。超声波测距器的算法。超声波测距的原理为超声波发射器T在某一时刻发射出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到被测物体时就会反射回来，反射的超声波信号就会被超声波接收器R接收。这样一来，只要计算出从信号发射到信号接收的这段时

17、间，就可以算出超声波发射器与被测物体的距离。超声波测距器主程序设计。基于单片机的超声波测距器内部的软件设计是由超声波测距的主程序和中断程序两部分组成。超声波测距的主程序首先是对系统环境的初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清零。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器而引起的直波触发，需要延时0.1ms，最后将发射与接收的时间差代入测距算法公式中计算，就可以得出测距器与被测物体之间的距离了。超声波发生子程序和超声波接收中断程序。超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口和2个超声波脉冲信号（频率

18、约为40kHz的方波），脉冲宽度约为12s，同时将计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较为简单，但是要求运行精确，因此通常采用汇编语言编程。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回的超声波信号，如果接收器接收到返回的超声波，则程序会立即进入中断程序，进入中断程序时计数器T0也会相应的立即停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则计时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值为2，以表示此次测距不成功。课题研究中的主要问题及解决办法：超声波测距的距离计算问题。发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返

19、时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是声波的一种，其速度就会与温度有关联，在计算过程中，如果温度的浮动不大，可以认为声速是基本不变的，但是如果测量的精度要求高，则应通过温度补偿法加以校正。基于单片机的超声波测距器的工作原理。基于单片机的超声波器的工作原理是：由单片机控制发出40kHz的信号，经放大后通过超声波发射器输出，超声波接收器接到的信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间t，再由软件进行判别、计算，得出最后的距离并送LED显示。1.4几种测距方式的比较和选择在当代工业生产中，普遍应用的高科技测距方式有红外测距、激光测距及超声波测距

20、三种。1.1.1红外线测距方式：红外测距的优点是成本便宜、仪器易制、安全性高。但其缺点较多，主要在于测量距离近、精度低、方向性差。自然界红外光分布比较广泛，容易引起测量误差。市场上的红外线测距器一般的测距范围在20cm-150cm之间，只适合近距离的测量，而其测量的精度就更不值得一提了，只有1cm左右。1.1.2激光测距方式：激光测距的优点是精确，距离远，缺点是需要注意人体安全，且制做的难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量结果。1.1.3超声波测距方式：声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000

21、赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉等等。超声波测距就是利用其反射的特性。超声波反射器不断发出某一频率的超声波，遇到被测物体后反射回反射波，然后超声波接收器接收到反射回来的信号，并将其转换为电讯号，测出发射波和反射波的时间差，根据光速及计算公式，即可求出待测的距离。超声波测距的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量；测距范围比激光近，比红外远，一般为3cm-5米，精度一般在1cm，有的达到mm级. 超声波测距的缺点是一定距离内有一定的束角，受周围障碍物影响大，适合与

22、室内测量。且测量精度受到温度的一定影响。超声波的特性有如下几点：l 束射特性：由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。l 吸收特性：声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固

23、体中传播时吸收是最小的。l 超声波的能量传递特性：超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。l 超声波的声压特

24、性：当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。从成本和实用性上来说，超声波测距在现代工业生产应用中是最优方案的选择。随着超声波技术的发展，高端的超声波测距模块在精度上已经达到mm级别，而超声波测距带温度补偿的功能又可以大大的消除温度的影响，使测量更精确，更稳定。超声波测距器比较低廉的成本价格以及比较高的安全性能，也成为了人们选择它的不二理由！表1-2给出了上述三种不同测距方式的比较。表1-2 不同测距的方式比较方式比较精度造价抗干扰测试距离激 光7mm较高强较长超 声 波32mm低一般较长红 外

25、线20cm-150cm低弱短1.5基于单片机的超声波测距器的设计思路超声波是指频率高于20 kHz的机械波。为了以超卢波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成此功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。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具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF(time of flight)。首先测出超声波从发射至遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的

26、速度即得到2倍的声源与障碍物之问的距离。测量距离的方法有多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45m/s，由单片机计时，单片机使用12.0KHz的晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波发生器可以分为2类：一是用电气方式产生超声波；二是用机械方式产生超声波。该课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。根据设计要求

27、并综合各方面因素，采用 AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，该系统的框图如图1-1所示。图1-1 超声波测距器系统设计框图第二章 基于单片机的超声波测距器的硬件系统设计2.1 系统总体设计思想整体电路的控制核心为单片机AT89C51。超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。整体结构图包括超声波发射电路,超声波接收电路,单片机电路,

28、显示电路与温度测量电路等几部分模块组成。而超声波发射与接收电路还要加入放大电路。在发射后把信号放大，接收前也要把还再次放大基于单片机的测距器主要是基于单片机的测距系统，在系统的设计当中要以单片机为核心器件，共分为超声波发射电路和超声波检测接收电路及显示部分。超声波测距电路的设计框图如图2-1所示。图2-1 超声波测距电路框图本方案采用单片机作为控制系统，用单片机产生数个40kHz的超声波，脉冲持续时间为0.2ms左右，时隔59.8ms反复进行。此脉冲信号作为计时的起始脉冲，由单片机输出的端口的高频脉冲经过74LS04六反相器功率放大、升压后与超声波探头产生共振，使超声波探头工作，则超声波由超声

29、波发射器发射探头发射出去。接收电路由超声波接收器、CX20106A集成电路组成。使用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大、滤波。当CX20106A接收到发射40kHz的信号时，会在倒数第二脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，停止计数器TO计数，并读取TO计数值存储。发射超声波时，压电传感器的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。接收超声波时，两电极间未添加其余电，共振板接收到超声波，将压迫压电晶片作为振动，从而将机械能转换为电信号。本系统按照设计的要求，主要是根据超声波测距原理，以AT89C51单片机控制

30、系统为核心来设计并研究的。以下是对超声波测距系统的各部分电路的说明：首先，AT89C51单片机最小系统是本系统设计的核心部分，它的主要作用是：发射40kHz的方波信号用来驱动超声波传感器发生超声波信号；利用计数器TO对超声波从发射到接收所用的时间进行计数；根据外部中断O口来检测超声波回波信号；根据所测出的时间及有关参数来计算距离；控制有关参数的输入和显示等。其次，显示电路的作用是采用动态扫描法使4位LED共阳数码管实时显示。超声波发射电路的作用主要是将单片机发射过来的40kHz的方波信号放大加到超声波发射传感器两极，用以驱动超声波传感器发生超声波信号。再次，超声波检测接收电路的作用主要是对接收

31、到的超声波回波进行放大和调整，将其转换成为单片机的中断信号。最后，显示电路的作用主要是根据有关参数及设计要求使系统按照要求发出相应的显示内容或信号。2.2 单片机的简单介绍与性能特点单片机一词最初源于“Single-Chip Microcomputer”，简称“SCM”。单片机也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。它不是完成某一个逻辑功能的芯片（芯片也称为集成电路块，它是1958年9月12日，在Robert Noyce的领导下，科研小组发明集成电路后开始出现的一个名称），而是把一个微型计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和

32、开发提供了便利条件。近年来，微处理器已广泛应用于多种领域，尤其是在智能仪器仪表中的应用更是如此，这不仅引起了产品本身的变革，也深深地影响设计的理念的变革。智能仪器仪表作为一种智能系统，其核心在于微处理器。基于微处理器的智能系统设计，已成为目前电子设计领域的一个热点。智能系统是一个复杂的系统，一般包含微处理器、按键与显示人机界面、A/D转换、D/A转换等基本功能部件，同时也包含与应用领域相关的其他特殊部件。智能系统一般需要在恶劣的环境下长期连续地工作，因此在满足功能的基础上，其可靠性也是设计时需要考虑的一个方面，目前已经普遍应用于通信、雷达、遥控和自动控制等各个领域中。 单片机（Microcon

33、troller，又称微控制器）是在一块硅片上继承了各种部件的微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。本课题研究的主要单片机为AT89C51单片机，这是一款基于8051单片机的基础上研制而出的一款新型单片机，其主要工作部件及原理都遵循8051单片机的构造及工作原理。AT89C51是ATMEL公司的产品，它既拥有改进型8051增加的FLAH类型的储存器，还拥有MCS 8051内核公开的技术构造。在指令方面，做到了与8051单片机的全方面兼容。AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes IS

34、P(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及8051引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。下面就从基础单片机的特点对单片机进行简单的介绍。2.2.1 系统单片机的选择系统单片机的选择要基于单片机的特点，而AT89C51单片机是基于8051系列单片机的一个产品，AT89C51单片机是ATMEL公司推出的通用型单片机，它的基本型产品与传统的80

35、51单片机只是在制作工艺方面略有不同。传统的8051单片机的片内存贮器ROM为掩膜型的，在制造芯片时已经将应用程序固化进去，使得单片机拥有了某种专项的功能。而AT89C51单片机的片内无ROM，使用时可以根据不同的情况相应的外接EPROM型的ROM，这样一来，更加方便改写固化的应用程序。AT89C51单片机的一般说明如下：AT89C51具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，

36、片内时钟振荡器。AT89C51的数据存储包括256字节的内部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字节的片内EEPROM和可扩展至64K的外部数据存储器。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。除了上述的不同之处外，AT89C51单片机与一般的8051单片机都具有以下的特点：8位CPU；片内振荡器及时钟电路；32根I/O线

37、；外部存贮器寻址范围ROM、RAM各64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源；2个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器。AT89C51单片机的一些极限参数为：操作温度：0C+70C；储存温度范围：-65C+150C；EA/VPP脚相对于VSS的点压：0V+13V；其他任何脚相对于VSS的点压：-0.5V+6.5V；每个IO脚的最大IOL。外部中断TXDRXDP0 P1 P2 P3扩展控制振荡器和时钟电路数据存储器128字节程序存储器14KBCPU两个16位定时器计数器中断控制总线扩展控制器并行可编程I/O口可编程串行口内部总线图2.2-1 AT89C51单片机各部分组成AT89C51单片

38、机的中央处理器（CPU）是单片机的核心，它是完成运算和操作控制的关键。AT89C51单片机的中央处理器主要包括运算器和控制器两大部分：运算器：运算器主要用来实现算术、逻辑运算和位操作。其中包括算术和逻辑运算单元ALU、累加器ACC、B寄存器、程序状态字PSW和两个暂存器等。ALU是运算电路的核心，实质上是一个全加器，完成基本的算术和逻辑运算。算术运算包括加、减、乘、除、增量、减量、BCD码运算；逻辑运算包括“与”、“或”、“异或”、左移位、右移位和半字节交换，以及位操作中的位置位、位复位等。暂存器1和暂存器2是ALU的两个输入，用于暂存参与运算的数据。ALU的输出也是两个：一个是累加器，数据经

39、运算后，其结果又通过内部总线返回到累加器；另一个是程序状态字PSW，用于存储运算和操作结果的状态。累加器是CPU使用最频繁的一个寄存器。ACC既是ALU处理数据的来源，又是ALU运算结果的存放单元。单片机与片外RAM或I/O扩展口进行数据交换必须通过ACC来进行。B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一，另一个输入来自ACC。运算结果存于AB寄存器中。控制器：控制器是识别指令并根据指令性质协调计算机内各组成单元进行工作的部件，主要包括程序计数器PC、PC增量器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等，其功能是控制指令的读入、译码和执行，并对指令执行过程进行定时和逻辑控制。AT89C

40、51单片机中，PC是一个16位的计数器，可对64KB程序存储器进行寻址。复位时PC的内容是0000H存储器：单片机内部的存储器分为程序存储器和数据存储器。AT89C51单片机的程序存储器采用4KB的快速擦写存储器Flash Memory,编程和擦除完全是电器实现。外围接口电路：AT89C51单片机的外围接口电路主要包括：4个可编程并行I/O口,1个可编程串行口，2个16位的可编程定时器以及中断系统等。AT89C51单片机的中央处理器主要构成如图2.2-2地址寄存器片内ROMPSENALEEARST定时及控制逻辑指令译码器指令寄存器程序计数器 PCPC增量器暂存器1B寄存器ACCC暂存器2PSW

41、 ALU第一章 XTAL1XTAL2振荡器图2.2-2 AT89C51单片机的中央处理器主要构成AT89C51单片机以上独特的构成特点，为本课题研究选择它打下了牢固的基础，而其优质的工作原理则决定了其为本次课题研究的不二选择。l 引脚排列及功能AT89C51的封装形式有PDIP,TQFP,PLCC等，现以PDIP为例。P08位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器及外扩I/O口时，P0口作为低字节地址/数据复用线。在编程时，P0口可用于接收指令代码字节；程序校验时，可输出指令字节。P0口也可做通用I/O口使用，但需加上拉电阻。作为普通输入时，应输出锁存器配置1。P0口可驱动8个TTL负载。

42、P18位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P1口是为用户准备的I/O双向口。在编程和校验时，可用作输入低8位地址。用作输入时，应先将输出锁存器置1。P1口可驱动4个TTL负载。P28位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。当使用外存储器或外扩I/O口时，P2口输出高8位地址。在编程和校验时，P2口接收高字节地址和某些控制信号。P38位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P3口可作为普通I/O口。用作输入时，应先将输出锁存器置1。在编程/校验时，P3口接收某些控制信号。它可驱动4个TTL负载 l 控制信号线RST 复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作时，在RST脚施加两个机器周期以上的高电

43、平，将器件复位。EA/VPP 外部程序存储器访问允许信号EA.当EA信号接地时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器，地址为0000H-FFFFH;当EA接VCC时，对ROM的读操作从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。在编程时，该引脚可接编程电压5V或12V。在编程校验时，该引脚可接VCC。PSEN片外程序存储器读选通信号PSEN，低电平有效。在片外程序存储器取指期间，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送至P0口；在访问外部RAM时，PSEN 无效。ALE/PROG低字节锁存信号ALE.在系统扩展时，ALE的下降沿将P0口输出的低8位地址锁存在外接的地址锁存器中，以实现低字节地址

44、和数据的分时传送。此外，ALE端连续输出正脉冲，频率为晶振频率的1/6，可做外部定时脉冲使用l 外部晶振引线XTAL1 片内振荡器反向放大器和时钟发生线路的输入端。使用片内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。XTAL2 片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，外接石英晶体和微调电容以上AT89C51单片机的构成特点使得本次课题研究将选择AT89C51单片机作为控制超声波测距的核心部分。2.2.2单片机的系统电路l 单片机最小系统电路：单片机最小系统电路是整个硬件电路中非常重要的一部分。单片机系统主要起控制电路中的各部分能够按照设计要求正常工作的作用，在本电路中单片机采用AT89C5

45、1，采用了12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机AT89C51系统电路如图2.2-3所示：图2.2-3 AT89C51单片机的系统电路图l 时钟电路：AT89C51单片机常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式，本系统采用的是内部时钟方式。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容。这里石英晶振的振荡频率为12MHz，电路中的电容C6、C7选为30pF。l 复位电路：本系统设计是的上电自动复位电路，上电自

46、动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。2.3 AT89C51单片机的引脚介绍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。AT89C51单片机的引脚排列如图2.3-1所示：图2.3-1 AT89C51单片机引脚排列图l AT89C51单片机的管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0：P0为一个8位漏级的开路双向I/O，每脚可吸收8TTL门电流。当P1的管脚第一次写1时，被定义为高电阻输入。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：P1是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O，P1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被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是