【文章內(nèi)容簡介】 的容量增大，尋址范圍可達(dá) 64KB，有的芯片還有 A/D轉(zhuǎn)換接口。 第三階段（ 1982 年至今）： 8 位單片微型計(jì)算機(jī)改良型及 16 及 32 位單片微型計(jì)算機(jī)階段，如 Intel 公司的 16 位單片機(jī) MCS96 系列、 32 位單片機(jī) RAM 系列。 Intel 公司在 20 世紀(jì) 80 年代初發(fā)布了 MCS51 系列單片機(jī)其代表芯片包括基本型8051/8751/8031 和增強(qiáng)型 8052/8752/8032 ， 隨 后 幾 年 又 相 繼 推 出 了80C51/87C51/80C31 和 80C52/87C52/80C32，這些都 統(tǒng)稱為 51 些列單片機(jī)。 到目前為止，世界各地廠商研制出的大約 50 個(gè)系列、 300 多個(gè)各具特色的單片機(jī)產(chǎn)品。盡管目前單片機(jī)品種繁多，但其中最具典型性的仍當(dāng)屬 Intel 公司的 AT89C51 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 45 頁 系列單片機(jī)和以 51 技術(shù)為內(nèi)核的眾多派生單片機(jī)產(chǎn)品，目前市場上流行并占據(jù)主導(dǎo)地位的仍是以 51 內(nèi)核及其兼容單片機(jī)。這些單片機(jī)和 51 單片機(jī)的指令完全兼容，資料和開發(fā)設(shè)備比較齊全，價(jià)格也比較便宜。另外，從學(xué)習(xí)的角度來看，有了 51 單片機(jī)的基礎(chǔ)后，再學(xué)習(xí)其他單片機(jī)是則非常容易，這也是從 MCS51 單片機(jī)開始學(xué)習(xí)的原因。 單片機(jī)的應(yīng)用 智能化產(chǎn)品 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合，使傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單化，控制智能化， 構(gòu)成新一代的機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前，單片機(jī)廣泛用于工業(yè)自動(dòng)控制（如數(shù)控機(jī)床、電視機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、離散與連續(xù)過程的自動(dòng)控制）、家用電器（如微波電視機(jī)、音響設(shè)備、游戲機(jī)）、辦公設(shè)備（如傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)）、電信技術(shù)（如調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字濾波、智能線路運(yùn)行控制）等應(yīng)用領(lǐng)域。在電傳、打印機(jī)設(shè)計(jì)中，由于采用了單片機(jī)，可以節(jié)省近千個(gè)機(jī)械部件，用單片機(jī)控制空調(diào)機(jī)，使冷量無級調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)得到了充分的 發(fā)揮，并增加了多種報(bào)警與控制功能，單片機(jī)還能實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中的臨時(shí)監(jiān)控、自適應(yīng)控制、頻率合成、信道搜索等功能，從而構(gòu)成自動(dòng)撥號(hào)無線電話網(wǎng)、自動(dòng)呼叫應(yīng)答設(shè)備和程控調(diào)度電話分機(jī)等。 智能化儀表 將單片機(jī)植入測量、控制儀表后，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化和柔性化發(fā)展，并使檢測、處理、控制的功能一體化，使儀表質(zhì)量大大減小，便于攜帶和使用，同時(shí)降低了成本，提高了性能價(jià)格比，長期以來測量儀器中的誤差修正、線性化處理等難題也可以迎刃而解。單片機(jī)智能儀表的這些特點(diǎn)不僅使傳統(tǒng)的儀器、儀表發(fā)生 根本的變革，也促進(jìn)了傳統(tǒng)儀器、儀表行業(yè)的技術(shù)改革。 智能化測控系統(tǒng) 測控系統(tǒng)特點(diǎn)是工作環(huán)境惡劣，各種干擾復(fù)雜，而且往往要求測控實(shí)時(shí)性強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。單片機(jī)最適合應(yīng)用于工業(yè)測控領(lǐng)域，可以構(gòu)成各種工業(yè)檢測與控制系統(tǒng)，如溫室氣候控制、電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)等。在導(dǎo)航控制方面，如導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)、智能武器裝置、航天導(dǎo)航系統(tǒng)的領(lǐng)域中，單片機(jī)也發(fā)揮著不可替代的作用。 智能化接口 在通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中，如鍵盤、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器、 UPS、圖形終端和各種 智能終端等，都已實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制和管理。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常都采用單片機(jī)對接口設(shè)備進(jìn)行控制和管理，使主機(jī)和接口設(shè)備能并行工作。這不僅大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，而且接口設(shè)備在單片機(jī)的控制下還可以對接口數(shù)據(jù)進(jìn)行安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 45 頁 預(yù)處理，如數(shù)字濾波、線性化處理、誤差修正等，減小了主機(jī)和接口界面的通信密度，極大地提高了接口控制的管理水平。例如，在通信接口中采用單片機(jī)可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼 /解碼、分配管理、接受 /發(fā)送控制等工作。 由上所述，單片機(jī)無疑將是 21 世紀(jì)最為活躍的電子應(yīng)用技術(shù)之一。隨著微控制技術(shù)（以軟件代替硬件的高性 能技術(shù)）的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制技術(shù)發(fā)生巨大的變革。 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 45 頁 第二章 超聲波測距系統(tǒng)的原理及 AT89C51 單片機(jī) 超聲波發(fā)生器及測距原理 超聲波發(fā)生器的可分幾大類，本節(jié)介紹壓電式發(fā)生器的原理和超聲波測距的原理。 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有 加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 21所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就 為超聲波接收器了。 圖 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 超聲波測距原理 在超聲探測電路中，在發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，這一系列方波的寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時(shí)間間隔，顯然被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖的個(gè)數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法： (1)取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (電壓的幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離 。 (2)測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t。因此，被測距離為 S=1/2vt。 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 45 頁 本測量電路采用第二種方案。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C與溫度有關(guān)，附表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?如表 21所示： 表 21 溫度與聲速變化 方案的設(shè)計(jì) 我們做的是基 于單片機(jī)的超聲波測距儀。用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射、接受電路以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再用液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。因?yàn)槁曇舻乃俣葧?huì)隨著溫度的變化而改變，所以，我們增加了溫控裝置，即通過溫度傳感器（ 18B20），把當(dāng)前的溫度信息傳給單片機(jī)，再通過一定的算法，得到當(dāng)前的聲音速度。操作者可以通過幾個(gè)簡單的按鍵完成測量方式的選擇（實(shí)時(shí)監(jiān)測、手動(dòng)測量）。 由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，在由 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障 礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即： 2/CTD? （ 22） 其中， D為換能器與障礙物之間的距離， C 為波聲傳播速度， T為超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間間距。原理框圖如下： 溫度（ o C） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（米 /秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 45 頁 開 始 測 量超 聲 波 信 號(hào)關(guān) 定 時(shí) 器 數(shù) 據(jù)運(yùn) 算顯 示 器驅(qū) 動(dòng) 電 路接 收 電 路電 聲 換 能 器電 聲 換 能 器 圖 總結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) AT89C51 單片機(jī)在一塊芯片 中集成了 CPU、 RAM、 ROM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、多功 能 I/O 口和中斷控制等基本功能部件。它的內(nèi)部組成部件主要有： (1) 一個(gè) 8 位 CPU； (2) 4KB 程序存儲(chǔ)器，采用 ROM 或 EPROM（ 8031 無 ROM）； (3) 128B 通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； (4) 21 個(gè)特殊功能寄存器； (5) 4 個(gè) 8 位并行口，其中 P0， P2， P3 是復(fù)用口（ P0 和 P2 為地址 \數(shù)據(jù)線， 可尋址 64KB ROM 和 64KB RA； (6) 一個(gè)可編程全雙工串行口； (7) 具有 5 個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級嵌套結(jié)構(gòu)； (8) 兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； (9) 一個(gè)片內(nèi)振蕩器與時(shí)鐘電路 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 45 頁 圖 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)‘ 單片機(jī) AT89C51 的引腳特性 AT89C 系列單片機(jī)是 Atmel 公司生產(chǎn)的一款標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)。其中數(shù)字 89 是單片機(jī) AT89C51 的特性， C 表示 CMOS 工藝 。 其管腳圖如圖 所示： 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 45 頁 圖 AT89C51單片機(jī)管腳圖 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 (FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 P0口： P0 口為一個(gè) 8位漏級開路雙向 I/O 口。 P1口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P2口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時(shí)， 其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。 P3口： P3 口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。 此外， P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口， 用做 RXD(串行輸入口 )， 用做 TXD(串行輸出口 )， 用做 /INT0(外部中斷 0)， 用做 /INT1(外部中斷 1)， 用做 T0(記時(shí)器 0 外部輸入 )， 用做 T1(記時(shí)器 1外部輸入 )， 用做 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 )， 用做 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 )， P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 45 頁 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于 鎖存地址的地位字節(jié)。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器 (0000HFFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源 (VPP)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸 入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí) /計(jì)數(shù)器簡介 因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)主要使用到單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，因此論文將著重介紹單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)，功能和使用方法。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè) 16 位可編程的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，即定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 和定時(shí) /計(jì)數(shù)器 /計(jì)數(shù)器都有定時(shí)或