【正文】 碼(Operation Code)和地址碼(Address Code)構(gòu)成：操作碼用于指示機(jī)器執(zhí)行何種操作；地址碼用于指示參加操作的數(shù)在哪里。為此，先從指令程序談起。 單片機(jī)的基本工作原理單片機(jī)是通過(guò)執(zhí)行程序來(lái)工作的，機(jī)器執(zhí)行不同程序就能完成不同的運(yùn)算任務(wù)。串行 I/O 用于串行通信，它可以把單片機(jī)內(nèi)部的并行 8 位數(shù)據(jù)(8 位機(jī))變成串行數(shù)據(jù)向外傳送，也可以串行接收外部送來(lái)的數(shù)據(jù)并把它們變成并行數(shù)據(jù)送給 CPU 處理?？刂?狀態(tài)線有兩類：一類是CPU 發(fā)出的控制命令，如讀命令、寫(xiě)命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲(chǔ)器或外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請(qǐng)求、存儲(chǔ)器忙和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)等。數(shù)據(jù)線用來(lái)傳送 CPU 寫(xiě)入存儲(chǔ)器或經(jīng) I/O 接口送到輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以傳送從存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備經(jīng) I/O 接口讀入的數(shù)據(jù)。內(nèi)部總線主要由三種不同性質(zhì)的連線組成，它們是地址線、數(shù)據(jù)線和控制線/狀態(tài)線。微操作控制部件可以為 ID(Instruction Decoder，指令譯碼器)輸出信號(hào)配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可與外部進(jìn)來(lái)的控制信號(hào)組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。指令是一種能供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分?？刂破饔芍噶畈考r(shí)序部件和微操作控制部件等三部分組成。PSW(Program Status Word，程序狀態(tài)字)也由 8 位觸發(fā)器組成，用于存放 ALU 操作過(guò)程中形成的狀態(tài)。TR(Temporary Register,暫存器)也是一個(gè) 8 位寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元 ALU、累加器 A、通用寄存器 R0、暫存器 TMP和狀態(tài)寄存器 PSW 等五部分組成。下面簡(jiǎn)單概述一下幾個(gè)主要部分的工作原理。RAM 主要用來(lái)存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。因此，EPROM 型單片機(jī)是深受研制人員歡迎的。ROM 型單片機(jī)內(nèi)部，其程序存儲(chǔ)器是采用掩膜工藝制成的，程序一旦固化進(jìn)去便永遠(yuǎn)不能修改。近年來(lái)，又出現(xiàn)了 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)和 Flash 型 ROM 存儲(chǔ)器。由于單片機(jī)主要在控制系統(tǒng)中使用，因此一旦該系統(tǒng)研制成功，其硬件和應(yīng)用程序均已定型。通常，ROM 存儲(chǔ)器容量較大，RAM 存儲(chǔ)器的容量較小，這是單片機(jī)用于控制的一大特點(diǎn)。為此，在分析單片機(jī)工作原理前，先對(duì)圖 41 中各部件作一基本介紹是十分必要的。因此，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與微型計(jì)算機(jī)十分相似，是一種集微型計(jì)算機(jī)主要功能部件于同一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，并由此而得名。它是由中央處理器(CPU)芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和 I/O 接口芯片等通過(guò)印刷電路板上總線(地址總線AB、數(shù)據(jù)總線 DB 和控制總線 CB)連成一體的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成。 本章小結(jié)本章我們?cè)敿?xì)介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理產(chǎn)生超聲波的?？捎卸喾N方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡(jiǎn)單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。10%，再經(jīng)傳感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。另外，通過(guò)改變門(mén)信號(hào)的時(shí)間或?qū)挾?，可以自由改變檢測(cè)物體的范圍。17圖 33 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成控制部分判斷接收器的接收信號(hào)的大小或有無(wú)，作為超聲波傳感器的控制輸出。發(fā)送器常使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門(mén)信號(hào)控制被測(cè)物體反射的超聲波的檢測(cè)時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器?；貧w反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場(chǎng)合。在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測(cè)物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測(cè)到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無(wú)物體通過(guò)。若被檢測(cè)物體相對(duì)傳感器的檢測(cè)面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測(cè)到被測(cè)物體。當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測(cè)物體時(shí)，僅檢測(cè)電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無(wú)物體通過(guò)。這種方式的檢測(cè)距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測(cè)物體使用100mm100mm 的方形板。另外，對(duì)于這種傳感器，一般來(lái)說(shuō)溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)稱頻率。表 31 超聲波傳感器 MA40S2R/S 的特性種類特性 MA40S2R 接收 MA40S2S 發(fā)送標(biāo)稱頻率 40kHz靈敏度 －74dB 以上 100dB 以上帶寬 6kHz 以上(－80dB) 7kHz 以上(90dB)電容 1600pF 1600pF絕緣電阻 100MΩ 以上溫度特性 －20~+60℃范圍內(nèi)靈敏度變化在 10dB 以內(nèi)超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。 特性現(xiàn)以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā)送器為例說(shuō)明超聲波傳感器的各種特性，表 31 示出的就是這種超聲波傳感器的特性。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負(fù)極的電壓。采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發(fā)送器的雙晶振子(諧振頻率為 40kHz)上施加 40kHz 的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是就能發(fā)送 40kHz 頻率的超聲波。金屬板的中心有圓錐形振子。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。圖 31 壓電逆效應(yīng)超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)，另一片就縮短。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。所謂壓電逆效應(yīng)如圖 31 所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，14分解力也變高。一般市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。 超聲波傳感器的原理與特性 原理人們可以聽(tīng)到的聲音頻率為 20Hz～20kHz，即為可聽(tīng)聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz 以上的聲音稱為超聲波，一般說(shuō)話的頻率范圍為 100Hz～8kHz。在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)之前，我們首先來(lái)了解一下有關(guān)超聲波傳感器方面的知識(shí)。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的因有振蕩頻率時(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。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(lái)工作的。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?？傮w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。利用本測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量，范圍應(yīng)在 30cm～200cm 內(nèi)，其最大誤差控制在10cm。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。12 課題主要內(nèi)容通過(guò)上節(jié)介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到工業(yè)要求。CPLD 開(kāi)始計(jì)數(shù)后，只要傳感器收到回波，CPLD 就立即停止計(jì)數(shù)，即只有最先返回的超聲波才起作用，也就是說(shuō)超聲波測(cè)距儀總是測(cè)得離傳感器最近的物體的距離 [2]。CPLD 所計(jì)的時(shí)間就是超聲波從傳感器到被測(cè)物的往返時(shí)間。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就會(huì)立即返回來(lái)。其系統(tǒng)框圖如圖 22 所示。本系統(tǒng)利用 CPLD 器件控制超聲波的發(fā)射，并對(duì)超聲波發(fā)射至接收的往返時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)算結(jié)果在 LED 上顯示出來(lái)。CPLD 器件內(nèi)部的宏單元是其最基本的模塊，能獨(dú)立地編程為 D 觸發(fā)器、T觸發(fā)器、RS 觸發(fā)器或 JK 觸發(fā)器工作方式或組合邏輯工作方式。許多超聲波測(cè)距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計(jì)方法。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，結(jié)果輸出給LED 顯示 [1]。其系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 兩種常用的超聲波測(cè)距方案 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為 40kHz 的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。利用單片機(jī)控制超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度較高。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)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。軟件編程部分，給出了整個(gè)程序的思路以及程序流程圖。 本章小結(jié)本章是該課題的重點(diǎn)，全面介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)思路，給出了硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)。軟件譯碼只需要定義一個(gè)數(shù)組便可，程序語(yǔ)句如下：uchar data tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}。}本系統(tǒng)的 LED 顯示采用了靜態(tài)顯示方式，并用單片機(jī)內(nèi)部軟件譯碼。 //輸出個(gè)位9 TH0=0。 //輸出百位 P0=tab[shwei]。 //取十位 shwei=num%10。 //計(jì)算距離 bwei=num/100。 COUNT=TH0*256+TL0。 //停止計(jì)數(shù) DH=TH0。 ulong num。 uchar DH,DL。在中斷程序中，先讓定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，然后讀取時(shí)間，通過(guò)時(shí)間計(jì)算出所測(cè)距離，輸出結(jié)果。 //每循環(huán)一次，輸出引腳取反 delays() 。a200。先定義一個(gè)延時(shí)函數(shù) delays()，然后可用 for 語(yǔ)句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時(shí)改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。程序流程圖如圖 18，(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。這樣省去了外部復(fù)雜的譯碼電路。為了減少硬件開(kāi)銷，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本，單片機(jī)控制系統(tǒng)通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。7圖 17 八段 LED 數(shù)碼顯示管原理和結(jié)構(gòu)單片機(jī)對(duì) LED 管的顯示可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。八段 LED 顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號(hào)是 a、b、c、d、e、f、g 和 SP，分別與同名管腳相連。圖 17 示出了八段 LED 數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原理圖。圖 16 LM741 管腳圖 顯示模塊的設(shè)計(jì)LED(LightEmitting Diode，發(fā)光二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽(yáng)兩種。該信號(hào)通過(guò) C1 高通濾波后經(jīng) LM741 放大，最后經(jīng)二極管整形后輸出到單片機(jī)中斷口。本系統(tǒng)采用了 LM741 對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，接收電路如圖 15所示。74HC04 的管腳如圖14 所示。 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)由單片機(jī)產(chǎn)生的 40kHz 的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是一個(gè)信號(hào)放大電路，本課題所選用的是 74HC04集成芯片，圖 13 為發(fā)射電路圖。圖 12 時(shí)序圖單片機(jī)在 T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離,并由單片機(jī)控制顯示出來(lái)。4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)方案由單片機(jī) AT89C51 編程產(chǎn)生 40kHz 的方波，由 口輸出，再經(jīng)過(guò)放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。圖 11 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖單片機(jī) AT89C51 發(fā)出短暫的 40kHz 信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)