毕业设计（论文）基于STC89C52单片机的超声波物位传感器之软件设计

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1、1论文题目： 超声波物位传感器之软件设计专 业： 本 科 生： （签名）_指导教师： （签名）_摘 要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点。在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，广泛应用于煤矿检测、防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及工业现场。本文设计了一种基于 STC89C52 单片机的超声波测距传感器。以 Atmel 公司的STC89C52 单片机为主控芯片，超声波测距模块采用 DYP-ME007；并在分析了超声波测距的原理的基础上，设计了超声波传感器的软件代码。实现物位的精确测量和微型化数字显示等功能。通过实验验证：该系

2、统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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，具有重要的现实意义。关键词：超声波，单片机，传感器，测距，STC89C522Subject: The ultrasonic thing location of the sensor design of software Specialty: AutomationName: (Signature）_Instructor: (Signature) _ABSTRACTUltrasound has the strong point, the energy consumption of s

3、low transmission distance and so on. In the use of sensor technology and control technology program combining distance, ultrasonic distance measurement is currently the most common one, widely used in mine detection, alarm, parking sensor, water level in surveying, building construction sites and in

4、dustrial scene.This paper presents a microcomputer-based ultrasonic ranging sensor STC89C52. To Atmel Corporation STC89C52 main chip microcontroller, ultrasonic ranging module DYP-ME007; and analysis of the principle of ultrasonic distance measurement based on ultrasonic sensor designed software cod

5、e. Achieve accurate measurement of level of miniaturization and digital display.Experimental results show: the system of circuit design is reasonable, job security, good performance, detection speed fast, simple calculation, easily in near Real time control, Bing Ju Fang Mianneng accuracy in measuri

6、ng the required practical Dadaogongye, has important practical significance.KEY WORDS：Ultrasonic wave, One-chip computer, Range finding, STC89C523前 言传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控

7、制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，并且测量精度较高。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。整个电路采用模块化设计，由主程序，延时 1s 子程序，液晶显示子程序组成，方便了程序的调试、连接和扩展。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声测距的各种功能。1目 录1 绪 论.11.1 研究的背景及意义.11.2 国内外发展趋势及研究现状.11.3 课题主要内容.

8、22 超声波传感器概述.42.1 超声波传感器的原理与特性.42.1.1 原理.42.1.2 特性.52.2 超声波传感器的检测方式.72.3 超声波传感器系统的构成.72.4 本章小结.83 STC89C52 单片机简介.93.1 单片机基础知识.93.1.1 单片机的内部结构.93.1.2 单片机的基本工作原理.123.2 单片机的分类及发展.133.2.1 单片机的分类.133.2.2 8 位单片机的新发展.143.3 STC89C52 单片机简介 .143.4 本章小结.184 超声波测距系统的设计.194.1 超声波测距的原理.194.2 超声波测距系统电路的设计.204.2.1 总

9、体设计方案.2024.2.2 单片机最小系统.204.2.3 超声波模块 DYP-ME007 .214.2.4 STC89C52 与 LCD1602 的硬件电路.224.2.5 1602 字符型 LCD 简介.234.3 超声波测距系统软件设计.254.3.1 主程序.254.3.2 延时 1s 子程序.274.3.3 显示子程序.294.4 KEIL 简介 .314.4.1 uVision2 集成开发环境简介.314.4.2 如何将代码烧入 STC 单片机 .324.5 本章小结.345 电路调试及误差分析.355.1 电路的调试.355.2 系统的误差分析.355.2.1 声速引起的误差.

10、355.2.2 单片机时间分辨率的影响.365.2.3 测量结果.375.3 本章小结.386 结论.39致谢.40论文小结.41参考文献.42附录.43附录 1.43附录 2.44附录 3.4511 绪 论1.1 研究的背景及意义在日常生活中，有各种各样的测距仪。与激光测距，红外线测距相比，超声测距对外界光线，色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗，电磁干扰强，有毒，灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。而且超声测距还有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离远等优点。目前超声波测距已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域，在材料科学、医学、生

11、物科学等领域中也占据重要地位。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。超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。勿庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其

12、他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。目前国内外一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便，扩展不灵活，因此应用受到了限制。因此，设计廉价实用的超声波测距仪就显得十分必要了。基于 STC89C52 单片机的超声波测距仪克服了上述缺点，应用十分广泛。1.2 国内外发展趋势及研究现状随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变的越来越普及，根据超声波原理制成的测量仪器也

13、越来越多，国外超声波测距仪的研制水平处于领先水平。澳大利亚 HAWK 公司 HpAWK 系列产品使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超声测距技术的应用场合（适于极恶劣的工作环境），并且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户2使用无后顾之忧。智能的全自动调节发射波频率，自动的温度补偿功能使其工作更加稳定可靠。HpAWK 系列产品还拥有灵活的多样的通讯方式。可编程的故障保护模式，它还拥有先进的远程 GSM,CDMA,互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。HpAWK 产品以它尖端的技术稳定可靠的工作质量，在化工，电力，冶金，煤矿，码头，水处理，轻工及食品卫生

14、等行业得到广泛的应用。ProsonicFMU860/861/862 超声测距仪的相对精度可达 0.2%，输出信号符合 HART 协议，是一种适用于多种过程控制系统的智能型一体化非接触式连续测距仪，代表了测距仪表的发展方向。目前国内超声波测距仪的发展主要采用引进加仿制等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。我国在该领域的发展相对国外还有很大差距，普遍存在产品性能指标低，仪表可靠性差，企业技术力量及装备差等问题。国内外的学者在提高超声波测距精度方面也作了大量的研究，影响超声波测距精度的因素包括所测得超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度，其中传输时间影响较大。许多人提出降低传输时间的不确定度来

15、提高测量精度，目前，相位探测法和声谱轮廓法或者二者的结合是主要的降低传输时间不确定度的方法。厦门大学的童风提出了一种回波轮廓分析法，该方法在测距中通过两次探测求取回波轮廓包络曲线来求得回波的起点，通过这种方法使得测量精度有了很大的提高。意大利的 Carullo 等人介绍了一种自适应系统，发射特殊的波形来获得好的回波包络，设置一定的回波开启电平，并采用自动增益的控制放大器。也有文献提出数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度。目前超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。在精密的液位测量中需要达到毫米级的

16、测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。因此研制精度更高、测距距离更远的超声测距仪是目前研究的方向。1.3 课题主要内容本课题研究的是用单片机控制的测距系统。以单片机及超声波测距模块为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测量精度能达到工业要求。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 V，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发3射点距障碍物的距离。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时的

17、原理进行设计。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，用 LCD 显示距离值。42 超声波传感器概述为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方

18、式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的因有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面的知识。在本章里，将介绍超声波传感器的原理和特性，检测方式以及超声波传感系统的

19、构成。 2.1 超声波传感器的原理与特性2.1.1 原理人们可以听到的声音频率为 20Hz20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即 20Hz 以下的声音称为低频声波，20kHz 以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为 100Hz8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为 330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。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以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，

20、专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有 23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz 等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。5超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图 2-1 所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图 a 所示的已极化的压电陶瓷上施加如图 b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与

21、极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图 c 所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。图 2-1 压电逆效应超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声

22、波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子(谐振频率为 40kHz)上施加40kHz 的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz 频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。62.1.2 特性现以 MA40S2R 接收

23、器和 MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表2-1 示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为 40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。表 2-1 超声波传感器 MA40S2R/S 的特性种类特性MA40S2R 接收MA40S2S 发送标称频率40kHz灵敏度74dB 以上100dB 以上带宽6kHz 以上(80dB)7kHz 以上(90dB)电容1600pF1600pF绝缘电阻100M 以上温度特性20+60范围内灵敏度变化在 10dB 以内超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使

24、用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。MA40S2R/S 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。图 2-2 表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。7图 2-2 传感器的方向性2.2

25、超声波传感器的检测方式（1）穿透式超声波传感器的检测方式当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。这种方式的检测距离约 1m，作为标准被检测物体使用 100mm100mm 的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。（2）限定距离式超声波传感器的检测方式当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。

26、（3）限定范围式超声波传感器的检测方式在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。（4）回归反射式超声波传感器的检测方式回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发送器设置与布线困难的场合。若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感8器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢

27、的特点，调整用门信号控制被测物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器。2.3 超声波传感器系统的构成超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图 2-3 所示。发送器常使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。图 2-3 超声波传感器系统的构成控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输出。对于限定范围式超声波传感

28、器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意距离的反射波。另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范围。超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为 12V-24V10%，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路。92.4 本章小结本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用压电逆

29、效应的原理产生超声波的。超声波传感器有四种检测方式，分别为穿透式超声波传感器的检测方式、限定距离式超声波传感器的检测方式、限定范围式超声波传感器的检测方式和回归反射式超声波传感器的检测方式。超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。103 STC89C52 单片机简介本课题所设计的超声波测距系统是基于单片机控制的，在介绍电路设计之前，我们先来简单了解一下单片机的工作原理，由于本课题所设计的超声波测距系统是以 Atmel公司的 8 位单片机 STC89C52 为核心的，所以，在本章先简单的介绍一下 STC89C52 的一些特性。3.1 单片机基础知识单片微型计算机简称单片机，特

30、别适用于控制领域，故又称为微控制器(Microcontroller)。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。3.1.1 单片机的内部结构单片机内部结构如图 3-1 所示：图 3-1 单片机内部结构与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。它是由中央处理器(CPU)芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和 I/O 接口芯片

31、等通过印刷电路板上总线(地址总线 AB、数据总线 DB 和控制总线 CB)连成一体的完整计算机系统。其中，中央处理器(CPU)的字长长，功能强大；ROM 和 RAM 的容量很大；I/O 接口的功能也大，这是单片机无法比拟的。11因此，单片机在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此而得名。由图 3-1 可见，中央处理器(CPU)是通过内部总线与 ROM、RAM、I/O 接口以及定时器/计数器相连的，这个结构并不复杂，但并不好理解。为此，在分析单片机工作原理前，先对图 3-1 中各部件作一基本介绍是十分必要的。（1）存储器在单片机内部，ROM

32、和 RAM 存储器是分开制造的。通常，ROM 存储器容量较大，RAM 存储器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。1）ROMROM(Read Only Memory，只读存储器)一般为 132K 字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内 ROM 中，根据片内 ROM 的结构，单片机又可分为无 ROM 型、ROM 型和 EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可编程只读存储器)型三类。近年来，又出现了EEPR

33、OM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,电擦除可编程只读存储器)和 Flash 型 ROM 存储器。无 ROM 型单片机特点是片内没有集成 ROM 存储器，故应用程序必须固化到外接的 ROM 存储器芯片中，才能构成有完整功能的单片机应用系统。ROM 型单片机内部，其程序存储器是采用掩膜工艺制成的，程序一旦固化进去便永远不能修改。EPROM 型单片机内部的程序存储器是采用特殊 FAMOS 管构成的，程序一旦写入，也可以通过特殊手段加以修改。因此，EPROM 型单片机是深受研制人员欢迎的。2）RAM通常，单片机片内 RAM(Ra

34、ndom Access Memory，随机存取存储器)容量为64256 字节，最多可达 48K 字节。RAM 主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。（2）中央处理器（CPU）中央处理器的内部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部电路原理图来加以分析介绍是根本不可能的。下面简单概述一下几个主要部分的工作原理。1）运算器12运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制下进行。运算器由算术逻辑单元 ALU、累加器 A、通用寄存器 R0、暂存器 TMP 和状态寄存器PSW 等五部分组成。累加器 A(Accumulator)是一个具有输入/输出能力的移

35、位寄存器，由 8 个触发器组成。TR(Temporary Register,暂存器)也是一个 8 位寄存器，用于暂存另一操作数。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算术逻辑单元)主要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累加器 A 和暂存器 TMP 中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。PSW(Program Status Word，程序状态字)也由 8 位触发器组成，用于存放 ALU 操作过程中形成的状态。2）控制器控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢。控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。指令部件是一种能对指令

36、进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。指令是一种能供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分。时序部件由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。微操作控制部件可以为 ID(Instruction Decoder，指令译码器)输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可与外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。（3）内部总线单片机内部总线是 CPU 连接片内各主要部件的纽带，是各类信息传送的公共通道。内部总线主要由三种不同性质的连线组成，它们是地址线、数据线和控制线/状态线。地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备

37、的设备号，通常由 CPU 发出并被存储器或 I/O 接口电路所接收。数据线用来传送 CPU 写入存储器或经 I/O 接口送到输出设备的数据，也可以传送从存储器或输入设备经 I/O 接口读入的数据。因此，数据线通常是双向信号线。控制/状态线有两类：一类是 CPU 发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；另一类是存储器或外设的状态信息，如外设的中断请求、存储器忙和系统复位信号等。（4）I/O 接口和特殊功能部件I/O 接口电路有串行和并行两种。串行 I/O 用于串行通信，它可以把单片机内部的13并行 8 位数据(8 位机)变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据

38、送给 CPU 处理。并行 I/O 口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送 8 位数据(8 位机)。3.1.2 单片机的基本工作原理单片机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。因此，单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理。为此，先从指令程序谈起。（1）单片机的指令系统和程序编制前面已经介绍，指令是一种可以供机器执行的控制代码，故它又称为指令码(Instruction Code)。指令码由操作码(Operation Code)和地址码(Address Code)构成：操作码用于指示机器执行何种操作；地址码用于指示参加操作的数在哪里。其格式如表 3-

39、1：表 3-1 指令表操作码地址码指令码的二进制形式既不便于记忆，又不便于书写，故人们通常采用助记符形式来表示，如表 3-2 所列：表 3-2 指令的三种形式指令的二进制形式指令的十六进制形式指令的汇编形式01110100 data174data1MOV A，#data1；Adata100100100 data224data2ADD A，#data2Adata1+data210000000 111111080FESJMP $；停机指令的集合或指令的全体称为“指令系统”(Instruction System)。微处理器类型不同，它的指令系统也不一样。所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求排

40、列起来的有序指令的集合。程序的编制称为“程序设计” 。通常，设计人员采用指令的汇编符(即助记符)形式编程，这种程序设计称为“汇编语言程序设计” 。显然，设计人员如果不熟悉机器的指令系统是无法编出优质高效的程序的。(2)单片机执行程序的过程14为了弄清单片机的工作原理，现以如下的 Y=5+10 求和程序来说明单片机的工作过程。7405H MOVA，#05H；A05H240AH ADDA，#0AH；A5+1080FEH SJMP$；停机该程序由三条指令组成，每条指令均为双字节指令(即第一字节为操作码，第二字节为地址码)。第一条指令的含义是把 05H 传送到累加器 A 中；第二条指令是加法指令，它把

41、累加器 A 中的 5 和立即数 10 相加，结果保留到累加器 A 中；第三条是停机指令，机器执行后处于动态停机状态。3.2 单片机的分类及发展1974 年，美国仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一台单片微型计算机 F8，该机由两块集成电路芯片组成,结构奇特，具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此，单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。3.2.1 单片机的分类20 世纪 80 年代以来，单片机有了新的发展，各半导体器件厂商也纷纷推出自己的产品系列。迄今为止，市售单片机产品已达 60 多个系列，600 多个品种。按照 CPU

42、 对数据处理位数来分，单片机通常可以分为以下四类。（1）4 位单片机 4 位单片机的控制功能较弱，CPU 一次只能处理 4 位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。（2）8 位单片机 8 位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。和 4 位机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行 I/O 接口和定时器/计数器个数都有不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是 8 位机中的高性能增强型单片机，除片内增加了 A/D 和 D/A转换器以外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器(Wat

43、chdog)、总线控制部件和晶体振荡电路等。这类单片机由于其片内资源丰富且功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。15（3）16 位单片机 16 位单片机是在 1983 年以后发展起来的。这类单片机的特点是：CPU 是 16 位的，运算速度普遍高于 8 位机，有的单片机寻址能力高达 1MB，片内含有 A/D 和 D/A 转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器。（4）32 位单片机 32 位单片机的字长为 32 位，是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。近年来，随着家用电子系统的新发展，32 位单片机的市

44、场前景看好。3.2.2 8 位单片机的新发展目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是 8 位单片机已成为当前单片机的主流。8 位单片机的新发展具体体现在如下四个方面：（1）CPU 功能增强（2）内部资源增多（3）引脚的多功能化（4）低电压和低功耗3.3 STC89C52 单片机简介STC89C52 是低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8KB 的可反复檫写的程序存储器和 12B 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内配置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 STC89C52

45、 单片机可灵活应用于各种控制领域。STC89C52 单片机属于 STC89C51 单片机的增强型，与 Intel 公司的 80C52 在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其主要工作特性是：片内程序存储器内含 8KB 的 Flash 程序存储器，可擦写寿命为 1000 次；片内数据存储器内含 256 字节的 RAM；具有 32 根可编程 I/O 口线；具有 3 个可编程定时器；中断系统是具有 8 个中断源、6 个中断矢量、2 个级优先权的中断结构；串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针 DPTR；16低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的 3 级程序

46、锁定位；STC89C52 工作电源电压为 5（1+0.2）V，且典型值为 5V；STC89C52 最高工作频率为 24MHz。STC89C52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。STC89C52 有PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：兼容 MC

47、S51 指令系统 8k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM3 个 16 位可编程定时/计数器中断 时钟频率 0-24MHz2 个串行中断 可编程 UART 串行通道2 个外部中断源 共 6 个中断源2 个读写中断口线 3 级加密位低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能STC89C52P 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器，采用工业标准的 C51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，

48、会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口，分别连接 N1 的

49、SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及17会聚调整状态进入的控制功能。P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉

50、电阻。P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与 STC89C51 不同之处是，P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8 位地址。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收

51、或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRI 指令）时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制信号。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）

52、4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。P3 口也可作为 STC89C51 的一些特殊功能口，管脚备选功能如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD（串行输出口）；P3.2 /INT0（外部中断 0）；P3.3 /INT1（外部中断 1）；18P3.4 T0（记时器 0 外部输入）；P3.5 T1（记时器 1 外部输入）；P3.6

53、/WR（外部数据存储器写选通）；P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）；P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SF

54、R）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址 0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB

55、1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。中断：STC89C52 共有 6 个中断向量：两个外中断（INT0 和 INT1），3 个定时器中断（定时器 0、1、2）和串行口中断。这些中断源可通过分别设置专用寄存器 IE 的置位或清 0 来控制每一个中断的允许或禁止。IE 也有一个总禁止位 EA，它能控制

56、所有中断的允许或禁止。注意 IE.6 为保留19位，在 STC89C51 中 IE.5 也是保留位。程序员不应将“1”写入这些位，它们是将来STC89 系列产品作为扩展用的。定时器 2 的中断是由 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是 TF2 或 EXF2 产生中断，而由软件清除中断标志位。定时器 0 和定时器 1 的标志位 TF0 和 TF1 在定时器溢出那个机器周期的 S5P2 状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定时器 2 的标志位 TF2 在定时器溢出的那个机器周期的 S2P2

57、 状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。空闲节电模式：在空闲工作模式状态，CPU 自身处于睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，同时将片内 RAM 和所有特殊功能寄存器的内容冻结。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲状态只需两个机器周期有效复位信号，在此状态下，片内硬件禁止访问内部 RAM，但可以访问端口引脚，当用复位终止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内 RAM 和特

58、殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变 RAM 中的内容，在Vcc 恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。3.4 本章小结本章重点介绍了单片机的一些基本知识，如单片机的内部结构，单片机的工作原理等，只有详细了解单片机的工作原理，才能更好的使用单片机，用单片机来设计电路。本系统所用的单片机是 Atmel 公司生产的 STC89C52，DIP 封装，40 引脚。它的特点是内含 Flash 存储器，采用 CMOS 工艺，这种型号的芯片是目前应用得最普遍的一种。STC89 系列的

59、单片机可分为标准型、低档型和高档型三类，均属于 8 位机。我们所使用的 STC89C52 是标准型的，本章详细介绍了它的特性和参数。20214 超声波测距系统的设计4.1 超声波测距的原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 t，然后求出距离 (式 4-1)2ctS 式 4-1 中的 c 为超声波在空气中传播的速度。限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个

60、超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波发球声波范围，其波速 c与温度有关，表 4-1 列出了几种不同温度下的波速。表 4-1 声速与温度的关系温度()3020100102030100声速(m/s)313319325323338344349386波速确定后，只要测得超声波往返的时间 t，即可求得距离 S。其系统原理框图如图 4-1 所示。图 4-1 超声波测距系统框图单片机 STC89C52 发出短暂的 40kHz 信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间 t，再由系统软件

61、对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至 LCD 进行显示。在下一节里，我们将详细介绍超声波测距传感器的总体电路的设计思路及方法。224.2 超声波测距系统电路的设计4.2.1 总体设计方案由单片机 STC89C52 编程产生 40kHz 的方波，由 P3.6 口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理，送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和 LCD

62、 显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图 4-2 所示。图 4-2 时序图单片机在 T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。4.2.2 单片机最小系统单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对 52 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。复位电路：由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突

63、变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST 脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的23RC 值来决定。典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以,适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位。一般 C 取 10u，R 取 8.2K.原则就是要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机周期的高电平。晶振电路：典型的晶振取 11.0592MHz(因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz（产生精确的 uS 级时歇，方便定时操作）。本系统所采用的最小系统为 PCB 板形式。系统由串口程序下载模

64、块、电源模块、主控芯片模块、I/O 口模块四部分组成，其系统框图如图 4-3 所示。电源模块串口模块主控芯片I/O口图 4-3 最小系统框图电源模块为整个最小系统提供电源，包括串口芯片 MAX232、51 主控芯片，此系统也单独为 P0P3I/O 口提供了排针形式的电源接口，以方便外围硬件的连接。系统另外提供了 8 个与 P1 口相连的红色发光二极管，通过跳线的选择，可接通或断开这些二极管。本次设计中主要是用到了 P0P3I/O 口，利用排线与外围硬件相接。4.2.3 超声波模块 DYP-ME007（1）DYP-ME007 超声波测距模块可提供 2cm5m 的非接触式距离感测功能，图4-4 为

65、 DYP-ME007 外观，包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理为给予此超声波测距模块一触发信号后发射超声波，当超声波投射物体时，模块输出一回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。24图 4-4 DYP-ME007 外观（2）模块引脚说明：从上到下（如图 4-4 所示），模块引脚分别为：VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、out（空脚）、GND（3）电气参数如表 4-1 所示：表 4-1 电气参数电气参数DYP-ME007 超声波模块工作电压DC 4.5V工作电流70mA工作频率0.315W最远射程5m最近射程2cm输入触发信号10us 的 TTL

66、 脉冲输出回响信号输出 TTL 电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm4.2.4 STC89C52 与 LCD1602 的硬件电路1602 液晶显示模块可以和单片机 STC89C52 直接接口，电路如图 4-5 所示：25图 4-5 STC89C52 与 LCD1602 的硬件电路4.2.5 1602 字符型 LCD 简介（1）LCD 显示的基本原理。字符的显示：用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不同位为“1” ，其它的为“0” ，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示：汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件） ，每个汉字占 32B，分左右两半，各占 16B，左边为 1、3、5右边