【文章內(nèi)容簡介】 ign of Ranging System Based on AT89S52 MCU Abstract:In recent years, with the development of the electronic measurement technology, using ultrasound to make accurate measurement has bee possible. With the constant improvement of the level of science and technology, ultrasonic ranging technology is widely used in People39。s Daily work and life. This paper introduces a kind of ultrasonic ranging system based on AT89S52 single chip microputer of hardware circuit, software design and main functions. The ultrasonic ranging system AT89S52 microcontroller as the core, including the main MCU ranging from singlechip display, alarm and part. Master microcontroller US020 ultrasonic ranging module is used to measure distance obstacle roundtrip time, after processed by single chip microputer to calculate, through wireless data transmitting modules NRF905 will launch out。 From the microcontroller, through the wireless receiving module receives data and processing, finally the distance value is measured by the LCD display, and when measuring distance value is less than the alarm value, through the singlechip microputer control buzzer alarm. This system design simple, convenient and reliable use, this design can be applied to the car reversing radar system, will reduce the burden of the driver and misjudgment, playing an important role to social public transport safety. Key words: AT89S52。Ultrasound。Ranging。 LCD display。 Wireless transceiver 1 引 言 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù) 包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計算機技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，超聲波測距作為一種典型的非接觸測量方法，在很多場合，諸如工業(yè)自動控制 ,建筑工程測量和機器人視覺識別等方面得到廣泛的應(yīng)用。 和其他方法相比，如激光測距、微波測距等 ,由于聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無線電波的傳播速度 ,對于時間測量精度的要求遠(yuǎn)小于激光測距、微波測距等系統(tǒng)，因而超聲波測距系統(tǒng)電路易實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單和造價低 ,且超聲波在傳播過程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影響，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。 近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在 20kHz 以上的聲波，它屬于機械波的范疇。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高， 超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。 由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護、不污染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。可在不同環(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo) 定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲 波 在特殊環(huán)境下 測距 有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。 因此超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時 由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面2 也得到了廣泛的應(yīng)用。 本設(shè)計是一個 基于單片機 AT89S52 和外圍電路的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計，利用測量超聲波遇到障礙物的往返時間從而測得實際距離。通過本設(shè)計的研究， 將所學(xué)到的知識用在實踐中并有所創(chuàng)新和進(jìn)步 。 3 第 一 章 總體 方案 設(shè)計 超聲波測距系統(tǒng)的 設(shè)計要求 本設(shè)計要求能測得離障礙物的具體距離數(shù)值，測量范圍為： ～ ，其中要求測距精度為 177。，由于超聲波測距模塊 US020 自帶溫度補償功能， 所以 在測距時能實現(xiàn)溫度補償，并且能夠無線傳輸功能 ， 能夠在 LCD1602 上實時顯示測量的 距離數(shù)值，在超出測量范圍后 通過蜂鳴器發(fā)出 報警。 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇與論證 主控芯片選型 目前市場上的單片機種類繁多，每種單片機都各有其特色。 51 系列 8 位單片機以其低功耗、廉價、性能穩(wěn)定的特點在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。經(jīng)過 查找 的資料收集整理可知， AT89S52 其體積小、成本低、功能豐富且實現(xiàn)方便 [1]。 綜合考慮各方面的因素，本設(shè)計選擇 了 Atmel 公司 生產(chǎn)的 AT89S52 作為主控芯片。 超聲波測距實現(xiàn)方案 方案一：通過單片機 端口編程輸出 40KHz 左右的方波脈沖信號，加上功率放大電路驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭 UCM40T 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。 再通過單片機 端口接收發(fā)射回來的超聲波， 由 于 接收探頭傳來的超聲波回波 很微弱，又存在著較強的噪聲，所以通過 CX20216A 集成電路對 接收探頭接收到的信號進(jìn)行放大、濾波，最后信號送入單片機進(jìn)行處理 [3]。 由于該方案設(shè)計復(fù)雜，而且測量效果誤差較大，所以不采用此方案。 方案二：采用 US020 超聲波測距模塊實現(xiàn)測距功能，該模塊支持 GPIO（通用輸入 /輸出） 通信模式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠 ，而且 自帶溫度補償 功能，誤差較小 。因此本設(shè)計 采 用了 US020 超聲波測距模塊。 測量數(shù)據(jù) 顯示實現(xiàn)方案 方案一： 采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較合適， 如果 用來顯示數(shù)字則會顯得十分浪費，成本較高，所以不采用此種顯示方案。 方案二：采用 LCD1602 顯示， 由于 LCD1602 具有顯示質(zhì)量高、體積小、重量輕、功耗低、能夠顯示兩行的數(shù)據(jù)。符合本設(shè)計的設(shè)計要求，簡單易實現(xiàn)，因此采用 LCD16024 進(jìn)行測量數(shù)據(jù) 顯示。 無線收發(fā)實現(xiàn)方案 由于本設(shè)計要求實現(xiàn)無線收發(fā)功能，在查找相關(guān)資料后， NRF905 無線芯片是挪威NORDIC 公司出品的低于 1GHz 無線 數(shù)據(jù)傳輸 芯片，主要工作于 433MHz、 868MHz 和915MHz 的 ISM 頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計。因此采用了 NRF905 無線芯片來實現(xiàn)收發(fā)功能。 設(shè)計總體結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)采用兩片 AT89S52單片機作為主控單元 ，主 AT89S52通過測量輸出脈沖寬度 （ 即發(fā)射與接收超聲波的時間間隔 ） 結(jié)合環(huán)境溫度來計算距障礙物的距離，并將計算的距 離以無線方式發(fā)送給從單片機，從單片機通過無線方式接收到距離數(shù)據(jù)，通過 LCD1602液晶顯示器 實時 顯示 測量結(jié)果。其 總體 結(jié)構(gòu) 框圖 如圖 。 圖 超 聲波測距系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu) 框圖 本章小結(jié) 本章主要介紹了超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計方案，主要以 AT89S52 單片機為核心，并配有超聲波測距電路、顯示電路、無線收發(fā)電路和 控制電路組成，能夠根據(jù)需求測得障礙物的距離。 超聲波接收 超聲波發(fā)射 A T 8 9 S 5 2 A T 8 9 S 5 2 無線發(fā)射模塊 無線接收模塊 顯示模塊 報警模塊 5 第 二 章 硬件電路設(shè)計 單片機系統(tǒng)設(shè)計 CPU 的介紹 AT89S52是一 種帶 8K字節(jié)閃爍可 編程 可擦除只讀存儲 （ FPEROM—FalshProgrammable and Erasable Read Only Memory） 的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器， 俗稱 單片機 。 單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89S52 是一種高效微 控制器 ， AT89S52 單片機為很多嵌入式 控制 系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方 案 [2]。外形及引腳排列如圖 所示。 (1) 與 MCS51 兼容 ； (2) 8K 字節(jié)可 編程閃爍存儲器 ； (3) 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ； (4) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 ； (5) 全靜態(tài)工作： 0Hz33Hz； (6) 三級程序存儲器鎖定 ； (7) 看門狗定時器； (8) 32 可編程 I/O 線 ； (9) 三 個 16 位定時器 /計數(shù)器 ； (10) 8 個中斷源 ； (11) 全雙工 UART 串行通道 ； (12) 低功耗的閑置和掉電模式 ； (13) 雙數(shù)據(jù)指針。 6 圖 AT89S52 引腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8 個 TTL邏輯電平。對 P0 端口寫 “ 1” 時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下 ， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時，P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時， 可以 輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫 “ 1” 時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。此外， 和 分別作定時器 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體如下 所示。 在 flash 編程和校驗時， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 P1 口 引腳號 的 第二功能 如下所示。 T2（定時器 /計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 7 T2EX（定時器 /計數(shù) 器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL邏輯電平。對 P2 端口寫 “ 1” 時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流 （ IIL）。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR）時， P2 口送出高八位地 址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫 “ 1” 時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收 /輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng)P3 口寫入 “ 1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入 時 ，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89S52 的一些特殊功能口，如表 所示 。 表 P3 口的一些特殊功能口 管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） \INT0（外部中斷 0） \INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） \WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） \RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字8 節(jié)。在 FLASH 編 程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將 跳過一 個 ALE 脈沖。如想禁止ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個機器周期兩次 \PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 \PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部 鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。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)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。 由于輸入 至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬 度。 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫 “ 1” ，且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89S52 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功 能，直到下一個硬件復(fù)位為止 [5][6]。 復(fù)位電路的設(shè)計 復(fù)位是單片機的初始化操作 ，只需給 MCS51 的復(fù)位引腳 RST 加上大于 2 個機器周期（即 24 個時鐘振蕩周期）的高電平就可使 MCS51 復(fù)位。復(fù)位時， PC 初始化為 0000H，9 使 MCS51 單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵使 RST 引腳為高電平使 MCS51 重 新啟動。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。本設(shè)計采用按鍵電平復(fù)位電路。該復(fù)位 電路是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源VCC