【正文】 單片機(jī)的選擇 一般 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 當(dāng) 中，能否完成設(shè)計(jì)任務(wù) 最重要的就在于 系統(tǒng) 的 核心器件 是否選擇合適 ，而 單片機(jī) 更是是 系統(tǒng) 控制 的 核心 ，所以 對(duì) 單片機(jī) 的選擇更是異常重要 。如果選擇了一個(gè) 合適的單片 機(jī) 不僅 可以最大地簡(jiǎn)化 系統(tǒng) 的 操作 ，而且 其 功能可能是最好的， 可靠性 也比較 高 ， 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更方便 。目前，市面上的單片機(jī) 的 種類(lèi)繁多，并且他們 在 功 能方面也 是各自有各自的特點(diǎn) 。 在 一般 的 情況下 來(lái)講 ， 在 選擇單片機(jī) 時(shí)要 需要考慮 的 幾個(gè)方面 有 [5]： （ 1）單片機(jī) 最 基本性能參數(shù) 指標(biāo) 。例如 ：執(zhí)行 一條 指令的速度、 程序存儲(chǔ)器 的容量， I/O 口的 引腳數(shù)量等。 （ 2）單片機(jī)的 某些 增強(qiáng) 的 功能。 （ 3）單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。 例如： 對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，最好 選用的 是 Flash 的 存儲(chǔ)器。 （ 4） 單片機(jī) 的封裝形式。 封裝的形式多種多樣， 例 如 ： 雙列直插 封裝 、 PLCC 封裝及表面貼附等。 （ 5） 單片機(jī) 對(duì) 工作 的 溫度范圍 的要求 。 例如：在 進(jìn)行 設(shè)計(jì)戶外 的 產(chǎn)品 時(shí) ， 就 必須 要 選用工業(yè)級(jí) 的芯片 ，以達(dá)到溫度范圍的要求 。 （ 6） 單片機(jī) 的功耗。例如 ， 如果 信號(hào)線取電只能提供幾 mA 的電流， 所以為了能滿足低功耗的要求 這個(gè)時(shí)候 選用 STC 的 單片機(jī)是最合適的 。 （ 7） 單片機(jī) 在市面上的銷(xiāo)售渠道是 否暢通 、 其 價(jià)格是否 便宜 。 （ 8） 單片機(jī) 技術(shù) 的支持網(wǎng)站如何 ， 賣(mài)家 提供的芯片 資料是否 足夠 完善， 是否包含了 用戶 手冊(cè)，設(shè)計(jì)方案 舉例 ， 相關(guān) 范例程序等。 （ 9） 單片機(jī) 的保密性 是否很好， 單片機(jī)的抗干擾 的 性能 如何等 。 51 系 列單片機(jī)它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源 等方面 與標(biāo)準(zhǔn) 的 52 系列的 單片機(jī) 可以 完全 的 兼容。 51 系列 的 單片機(jī) 執(zhí)行速 率 快 (最高時(shí)鐘頻率 為 90 MHz)，功耗低 ，在系統(tǒng) 、 在 應(yīng)用可編程 ,不占 用 用戶 的 資源 [5]。根據(jù)本系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的實(shí)際要求 ，選擇AT89S52 單片機(jī) 做為本設(shè)計(jì)的單片機(jī)使用 ， 它 是由 ATMEL 公司生產(chǎn) 的 高性能、低功耗的 CMOS 8 位單片機(jī)。 89S52 單片機(jī) 具有 以下 幾個(gè) 性能特點(diǎn)： 8k 字節(jié) 的 閃存 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ， 128 字節(jié) 的 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 32 個(gè)外部輸入 和 輸出口， 2 個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗電路， 8 個(gè)中斷源， 2 個(gè) 16 位可編 程定時(shí)計(jì)數(shù)器，片內(nèi)震蕩和時(shí)鐘電路 且全靜態(tài)工作并由低功耗的閑置和掉電模式 [5]。 單片機(jī)的引腳功能圖 如圖 所示 。 圖 51 單片機(jī)的引腳功能圖 AT89S52貼片封裝 單片機(jī)引腳功能 （ 1） 電源引腳 Vcc（ 40 腳 ） ： 正電源 的 引 腳，工作電壓 是 5 V。 GND（ 20 腳 ）： 接地端 。 （ 2） 時(shí)鐘電路 的 引腳 XTAL1 和 XTAL2 為了產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)， 在 89S51 單片機(jī) 的 芯片 內(nèi)部 已經(jīng) 設(shè)置了一個(gè)反相放大器， 其中 XTAL1 端口就 是片內(nèi)反相放大器的輸入端， XTAL2 端則 是片內(nèi)振蕩 器反相放大器的輸出端 [5]。單片機(jī) 使用 的工作方式是 自激振蕩 的 方式， XTAL1 和 XTAL2 外接 的是12 MHz 的 石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率 頻率進(jìn)行 振蕩， 從而 就 可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào) 。 時(shí)鐘信號(hào)電路如圖 所示。 圖 時(shí)鐘信號(hào)電路 （ 3） 復(fù)位 RST（ 9 腳 ） 當(dāng) 振蕩器運(yùn)行時(shí)， 只要有 有兩個(gè)機(jī)器周期 即 24 個(gè)振蕩周期 以上的高電平在 這個(gè)引腳 出現(xiàn) 時(shí)， 那么 就 將 會(huì) 使單片機(jī)復(fù)位， 如果將 這個(gè) 引 腳保持高電平， 那么 51 單片機(jī) 芯片 就會(huì) 循環(huán) 不斷地進(jìn)行 復(fù)位 [5]。復(fù)位后 的 P0 口至 P3 口均置 于 高電平 ， 這時(shí) 程序計(jì)數(shù)器和特殊 功能寄存器 將 全部清零 [5]。 本課題設(shè)計(jì) 的 單片機(jī) 復(fù)位電路如圖 所示。 圖 單片機(jī) 復(fù)位電路圖 （ 4） 輸入輸出 口 （ I/O 口 ） 引腳 P0 口 是一個(gè)三態(tài) 的 雙向口 ， 既 可以作為 數(shù)據(jù) 和 地址 的 分時(shí)復(fù)用口， 又 可以作為通用輸入輸出口 [5]。 P0 口在有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)將 會(huì) 被作為地址 /數(shù)據(jù)總線口，此時(shí) P0口 就 是一個(gè)真正的雙向口； 而 在沒(méi)有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也可以作為通用的 I/O接口 使用 ，但此時(shí)只 是 一個(gè)準(zhǔn)雙向口；另外， P0 口的輸出級(jí)具有驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載的能力即輸出電流不小于 800 uA[5]。 P1 口 是一個(gè)帶內(nèi) 部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ， 而 P1 口只有通用 I/O 接口一種功能，而且 P1 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載； 在使用時(shí) 通常 不需要外接上拉電阻 就 能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 ； 在 端口置 1 時(shí)， 其內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平 ，作輸入 端口 用 [5]。 對(duì)于輸出功能，在單片機(jī)工作 的時(shí)候， 可以通過(guò)用 程序 指令控制單片 機(jī)引腳輸出高電平或 低電平 [5]。 例 如： 指令 CLR 是 清零的意思 ， CLR 的意思 就是讓單片機(jī) 的 端口 輸出低電平；而 指令 SETB 是 置 1 的意思 ， SETB 的意思就是 讓單片機(jī) 端口 輸出高電平 [5]。 P2 口 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 而且 P2 口具有 驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL負(fù)載 的能力 [5]。 P2 端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口 的 電位 拉到高電平，作 為 輸入 口使 用； 在 對(duì)內(nèi)部 的 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)， P2 口 接收高 8 位地址和控制信息， 而 在訪問(wèn)外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口 就 送出高 8 位地址 [5]。 在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) ， P2 引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變 [5]。 P3 口也 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載，這 8 個(gè)引腳還用于專(zhuān)門(mén)的第二功能 [5]。 P3 口作為通用 I/O 口接口時(shí)，第二功能輸出線為高電平。 P3 口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口 電位 拉到高電平，作輸入 口使 用； 在 對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)， 此端 接控制信息 [5]。 P3 口的 第二 功能， 如表 所示 [5]。 表 P3 口 第二 功能 表 P3 引腳 兼用功能 串行通訊輸入 口 （ RXD） 串行通訊輸出 口 （ TXD） 外部中斷 0 請(qǐng)求輸入端 （ INT0） 外部中斷 1 請(qǐng)求輸入端 （ INT1） 定時(shí)器 0 輸入 端 (T0) 定時(shí)器 1 輸入 端 (T1) 外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 信號(hào)輸出端（ /WR） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 信號(hào)輸出端（ /RD） （ 5） 其它控制或復(fù)用引腳 （ a） ALE/PROG（ 30 腳）：地址鎖存有效信號(hào)輸出端。在 訪問(wèn)片外 存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許） 以每機(jī)器周期兩次進(jìn)行信號(hào)輸出，其下降沿用于控制鎖存 P0口 輸出的低 8 位地址；在不訪問(wèn)片外 存儲(chǔ)器 的 時(shí) 候 ， ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(hào) (此頻率是振蕩器頻率的 1/6),而在訪問(wèn)片外 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 脈沖 會(huì)跳空一個(gè) ,此時(shí) 是 不可以做為時(shí)鐘輸出 [5]。對(duì) 片內(nèi)含有 EPROM 的機(jī)型在 編程時(shí)，這個(gè)引腳用于輸入編程 脈沖 /PROG 的輸入端 [5]。 （ b） /PSEN（ 29 腳）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平 時(shí) 有效。 當(dāng)89S51 從 外部程序存儲(chǔ)器取指令或常數(shù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期 內(nèi) 輸出 2 個(gè)脈沖即兩次有效 ，以通過(guò)數(shù)據(jù)總線 P0 口讀回指令或常數(shù) 。但 在訪問(wèn)片外 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， /PSEN 將不會(huì)有脈沖輸出 [5]。 （ c） /EA/Vpp（ 31 腳） ： /EA 為 片外程序存儲(chǔ)器訪選用端。當(dāng)該引腳訪問(wèn)片外 程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng) 該 輸入 的是 低電平， 要使 89S51 只訪問(wèn)片外 程序存儲(chǔ)器 ,這時(shí)該引腳必須保持低電平； 而在 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，用于施加 Vpp 編程電壓 [5]。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī) 最小 系統(tǒng) 是其他 拓展 系統(tǒng)的最 基本的基礎(chǔ) ，單片機(jī) 最小系統(tǒng)是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng) 即單片機(jī)能工作的系統(tǒng) 。對(duì)于 80S51 單片機(jī)，由于片內(nèi) 已經(jīng)自帶 有 了 程序存儲(chǔ)器， 所以 只 要 單片機(jī) 外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就 可以 組成了 單片機(jī)的 最小系統(tǒng) 了 。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖 所示。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 原理圖 超聲波 發(fā)射 和接收 電路 設(shè)計(jì) 超聲波是一種 振動(dòng) 頻率超過(guò) 20 kHz 的機(jī)械波， 它 可以 沿直線 方向 傳播， 而且 傳播的 方向性好，傳播 的 距離 也 較遠(yuǎn)，在介質(zhì)中傳 播時(shí) 遇到 障礙物 在入射到它 的反射面上就 會(huì)產(chǎn)生反射波 [6]。由于超聲波的 以上 幾個(gè) 特點(diǎn)， 所以 超聲波 被廣泛 地 應(yīng)用于物體距離 的測(cè)量 、厚度等 方面 [6]。 而且， 超聲波 的 測(cè)量是一種比較理想的 的非接觸式 的 測(cè)距方法 [6]。 當(dāng)進(jìn)行距離的測(cè)量 時(shí) ， 由安裝在同 一水平 線 上的 超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收， 并且 同時(shí)啟動(dòng) 定時(shí)器 進(jìn)行 計(jì)數(shù) [7]。首先由 超聲波 發(fā)射 探頭 向 倒車(chē)的方向發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中 傳播 的途中一旦遇到障礙物后就 會(huì) 被反射回來(lái)，當(dāng)接收探頭 收到反射波后 就會(huì) 給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其 立刻停止計(jì) 時(shí) []。這樣，定時(shí)器就 能夠準(zhǔn)確的 記錄下了超聲波 發(fā)射點(diǎn)至障礙物之間往返傳播 所用的時(shí)間 t（ s） [7]。由于 在 常溫下 超聲波 在空氣中的傳播速度 大 約為 340 m/s[7]，所以障礙物 到發(fā)射探頭之間 的距離為： S=340t/2=170t 因?yàn)?單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上 就 是對(duì)機(jī)器周期 T的計(jì)數(shù)， 而本 設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率 fosc取 12 MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值 N，則 ： T＝ 12/fosc=1μs t=NT＝ N（ s） S＝ 170NT＝ 170N/1000000（ m） 在 程序中按 式 S＝ 170NT＝ 170N/1000000 計(jì)算距離。 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 超聲波 發(fā)射 電路 是 由 超聲波探頭和超聲波 放大器 組成。超聲波探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而 單片機(jī) 所產(chǎn)生的 40 kHz 的方波 脈沖 需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng) 實(shí)際上 就是一個(gè)信號(hào) 的放大 電路，本設(shè)計(jì)選用 74LS04 芯片進(jìn)行信號(hào)放大， 超聲波發(fā)射 電路如圖 所示。 圖 超聲波發(fā) 射電路 工作時(shí)， 由單片機(jī) 產(chǎn)生 40 kHz 的脈沖 從 口 向超聲波 的 發(fā)射電路 部分 發(fā)出信號(hào)， 再 經(jīng) 74LS04 放大 電路放大后，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭 將 超聲波 發(fā)射出去 。 超聲波接收電路設(shè)計(jì) 由于超聲波在空氣中的傳播 過(guò)程中 是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么 超聲波接收電路 所接收到的超聲波信號(hào)就 會(huì) 比較微弱，因此需要 對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行 放大而且放大 的 倍數(shù)也要比較大。 超聲波接收 電路主要 是 由 集成 電路 CX20216A 芯片 電路構(gòu)成的 ， CX20216A 芯片 電路 可以 對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行 放大、限幅、 帶通 濾波、 峰值 檢波、 整形 、比較 等功能 ， 比 較完 之后 超聲波接收電路會(huì) 輸出一個(gè)低電平到單片機(jī) 去 請(qǐng)求中斷， 當(dāng)即 單片機(jī)停止計(jì)時(shí)， 并 開(kāi)始 去進(jìn)行 數(shù)據(jù)的處理 。 CX20216A 芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制 的 功能，當(dāng)測(cè)量 的 距離 比 較 近 時(shí)，放大器不會(huì)過(guò)載；而當(dāng)測(cè)量距離 比 較遠(yuǎn)時(shí) ，超聲波信號(hào)微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。 CX20216A 芯片的 5 腳 在 外接電阻對(duì)它的帶通濾波器 的 頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且 不用再外接其他 的 電感，能夠 很好地 避免 外加 磁場(chǎng)對(duì) 芯片 電路的干擾， 而且它的可靠性 也 是比較高的 。 CX20216A 芯片 電路 本身就 具有很高的抗干擾 的 能力，而且靈敏度也比較高， 所以， 能滿足本設(shè)計(jì)的要求。超聲波接收電路如圖 所示。 圖 超聲波接收電路 HRSR04 超聲波集成模塊 HRSR04 超聲波集成模塊 是 將超聲波發(fā)射探頭 ， 超聲波接收探頭 ， CX20216A 芯片 電路 ， 74LS04 芯片 放大 電路 集成 到 的 一起的 一個(gè) 超聲波 集成 模塊。 HRSR04 超聲波集成 模塊 正面外觀 如圖 所示 ， HRSR04 超聲波集成 模塊的背面外觀如圖 所示 。 圖 HRSR04 超聲波集成模塊正面外觀圖 HRSR04 型 超聲波集成模塊的工作電壓為 5 V，而且 此模塊的 靜態(tài)工作電 流 是 小于 2 mA 的 ，工作 時(shí)候可以 比較 穩(wěn)定 。 而且 ， 它