畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于STC89C52單片機(jī)的超聲波物位傳感器之硬件設(shè)計(jì)

1、題 目：超聲波物位傳感器之硬件設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 本 科 生： （簽名） 指導(dǎo)教師： （簽名） 摘 要 隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國(guó)礦井基本上 都安裝了安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平。物位傳感器為煤礦安全監(jiān) 控系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)物位數(shù)據(jù)，具有很重要的作用。 本文介紹了一種基于 stc89c52 單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。由 stc89c52 單片機(jī)、 超聲波傳感器模塊、電源模塊和 lcd 液晶顯示模塊構(gòu)成了該系統(tǒng)的硬件部分。闡述了 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成及工作原理。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，有良好 的測(cè)量精度。測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)

2、定地顯示測(cè)量結(jié)果。 超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)。利用超聲 波測(cè)距具有反應(yīng)迅速、方便簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)，并且，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在 測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，在煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn) 實(shí)意義。 關(guān)鍵詞：超聲波，測(cè)距，stc89c52，lcd subject :the ultasonic thing location of the sensor design of hardware specialty :automation name :wang peng (signature) instructor: guo xiu cai (

3、signature) abstract with the state coal mine safety production requirements and continuously improve their own development needs, chinas mines are basically installed a security monitoring and control system, greatly improved the level of mine safety. level sensor for the coal mine safety monitoring

4、 system provides real-time object-bit data, play a very important role. the article introduces a microcomputer-based ultrasonic ranging system stc89c52. the system hardware includes the stc89c52 microcontroller, ultrasonic sensor module, power module and lcd liquid crystal display modules. ultrasoni

5、c ranging system described hardware circuitry and how it works. the system hardware structure is simple, reliable, good accuracy. measurement without direct contact with the measured object, can clearly show stable measurement results. ultrasound has characters as strong point, low power consumption

6、, slow propagation in the medium distance and so on using ultrasonic ranging is responsive, convenient and simple, easy-to-real-time control advantages. and the experiments verify the accuracy of practical measures to achieve the requirements of industry in the coal mine safety monitoring system has

7、 important practical significance. key words：ultrasonic sensors,range finder,stc89c52,lcd 目 錄 前 言 .iii 1 緒 論 .1 1.1 課 題 研 究 的 背 景 及 意 義 .1 1.1.1 課題背景介紹 .1 1.1.2 研究的目的和意義 .2 1.2 超 聲 波 測(cè) 距 的 優(yōu) 點(diǎn) 及 國(guó) 內(nèi) 外 發(fā) 展 情 況 .2 1.2.1 超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn) .2 1.2.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 .2 2 方 案 論 證 .4 2.1 超 聲 波 測(cè) 距 原 理 .4 2.1.1 超聲波的性質(zhì) .4 2.1

8、.2 超聲波傳感器 .4 2.1.3 超聲波測(cè)距原理 .9 2.2 系 統(tǒng) 工 作 原 理 .10 2.3 系 統(tǒng) 方 案 論 證 .11 2.3.1 系統(tǒng)方案一 .11 2.3.2 系統(tǒng)方案二 .11 3 系 統(tǒng) 硬 件 電 路 的 設(shè) 計(jì) .13 3.1 系 統(tǒng) 芯 片 介 紹 .13 3.1.1 stc89c52 單片機(jī) .13 3.1.1.1 stc89c52 單片機(jī)外部接口 .14 3.1.1.2 stc89c52 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) .17 3.1.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng) .20 3.1.2 max232 .21 3.1.3 lcd1602 .22 3.1.4 三端穩(wěn)壓芯片 7805

9、.24 3.2 控 制 模 塊 .24 3.3 通 信 模 塊 .25 3.3.1 rs232 簡(jiǎn)介 .25 3.3.2 通信模塊硬件電路 .26 3.4 顯 示 模 塊 .29 3.4.1 液晶顯示器 .29 3.4.2 stc89c52 與 lcd1602 的硬件電路： .30 3.5 超 聲 波 模 塊 dyp-me007 .30 3.6 電 源 模 塊 .32 4 電 路 調(diào) 試 及 誤 差 分 析 .34 4.1 電 路 調(diào) 試 .34 4.2 系 統(tǒng) 的 誤 差 分 析 .35 4.2.1 聲速引起的誤差 .35 4.2.2 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響 .36 4.2.3 發(fā)射接收時(shí)間

10、對(duì)測(cè)量精度的影響分析 .37 5 結(jié) 論 .38 6 致 謝 .39 論 文 小 結(jié) .40 參 考 文 獻(xiàn) .42 附 錄 .43 附錄一 .43 附錄二 .44 附錄三 .45 前 言 煤炭被人們譽(yù)為黑色的金子，工業(yè)的食糧，它是十八世紀(jì)以來(lái)人類世界使用的主要 能源之一。煤炭因?yàn)閮?chǔ)量巨大已成為人類生產(chǎn)生活中的無(wú)法替代的能源。然而，在煤礦 生產(chǎn)的過(guò)程中存在很多安全性問題。自 2000 年以來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要 求的不斷提高，我國(guó)各大、中、小煤礦陸續(xù)裝備了礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的裝備 大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率。 煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是建立在各種礦用傳感器之上的

11、。傳感器的穩(wěn)定性和可靠性 是煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能正確反映被測(cè)環(huán)境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。本文介紹了一 種基于 stc89c52 單片機(jī)的超聲波物位測(cè)距傳感器。超聲波物位傳感器是一種用來(lái)測(cè)量 煤倉(cāng)料位、堆煤檢測(cè)、傳送機(jī)物流等的測(cè)距傳感器，它為安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的 測(cè)距值。利用超聲波測(cè)距具有反應(yīng)迅速、方便簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)，并且在 測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，在煤礦安全檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)。所以，在 利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測(cè)距方案中，超聲波測(cè)距是目前應(yīng)用最普遍的 一種，它廣泛應(yīng)用于防盜

12、、倒車?yán)走_(dá)、水位測(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人、海洋測(cè)量、建筑施工工 地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，介紹了 stc89c52 單片機(jī)的基本結(jié) 構(gòu)、性能及特點(diǎn)。并在分析了超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)的思路和 所需考慮的問題，給出了以 stc89c52 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化液晶顯 示超聲波測(cè)距儀的硬件電路。本設(shè)計(jì)利用了發(fā)射接收一體化的超聲波傳感器模塊和微處 理器。采用超聲波傳感器分時(shí)工作于發(fā)射和接收，利用聲波在空氣中的傳播速度和發(fā)射 脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物到超聲波測(cè)距器之間的距離。在本設(shè)計(jì)中 stc89c52 單片機(jī)、電源模塊、l

13、cd 液晶顯示器和超聲波傳感器模塊構(gòu)成了該系統(tǒng)的硬 件部分。本系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、工作可靠度高、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì) 算簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、測(cè)量精度較高，能夠達(dá)到行業(yè)要求。測(cè)量范圍可達(dá) 5 米。測(cè)量時(shí)與 被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。 距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)。因此，測(cè)距就成為數(shù)據(jù)采集中 要解決的一個(gè)問題。盡管測(cè)距有多種方式，比如激光測(cè)距，微波測(cè)距，紅外線測(cè)距等。 但是，超聲波測(cè)距不失為一種簡(jiǎn)單可行的方法。本文介紹的電路，成本低廉，性能可靠， 所用元件容易購(gòu)得，并且利用測(cè)距原理，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，使測(cè)量精度提高，電 路實(shí)現(xiàn)容易，無(wú)須調(diào)試，工作穩(wěn)

14、定可靠。為距離測(cè)量提出了一種新的思路，為傳感器設(shè) 計(jì)提供了新方法。 1 緒 論 1.1 課 題 研 究 的 背 景 及 意 義 1.1.1 課題背景介紹 煤炭作為工業(yè)發(fā)展的重要能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著非常重要的作用。2002 年我 國(guó)擁有煤炭生產(chǎn)企業(yè)約 2.6 萬(wàn)家，其中有 23000 多個(gè)小煤礦。2005 年，全國(guó)共有國(guó)有重 點(diǎn)煤礦 769 處，生產(chǎn)原煤 10 億噸；國(guó)有地方煤礦 1763 處，3 萬(wàn)噸以上礦井 1544 處，生 產(chǎn)原煤 3 億噸；鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦 2.1 萬(wàn)余處，生產(chǎn)原煤 8.9 億噸。截止 2007 年底，大陸煤炭產(chǎn) 業(yè)具有一定規(guī)模的企業(yè)數(shù)量已經(jīng)達(dá)到 6770 余家，有 130

15、0 個(gè)縣(市)生產(chǎn)煤炭，重點(diǎn)產(chǎn)煤 縣 480 余個(gè)，礦井?dāng)?shù)量仍高達(dá) 10000 余處。煤炭作為基礎(chǔ)性能源，其下游消費(fèi)者眾多。 按產(chǎn)業(yè)來(lái)分，其消費(fèi)遍及農(nóng)業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，其中工業(yè)是煤炭的主要消費(fèi)領(lǐng)域，可 以說(shuō)煤炭是工業(yè)的“糧食” 。1990 年以來(lái)，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，其煤炭需求比重 也呈現(xiàn)出逐年上升趨勢(shì)，1990 年大陸工業(yè)煤炭消費(fèi)占總消費(fèi)的 76.85%，到了 2005 年該 數(shù)值已攀升至 93.48%。我國(guó)煤炭資源豐富，但地質(zhì)條件惡劣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，47%的礦 井屬于高瓦斯或瓦斯突出礦井，致使煤礦生產(chǎn)中的安全問題復(fù)雜化。而且，隨著采掘深 度的加大以及高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，煤礦又面臨著許

16、多新的安全技術(shù)問題。隨著國(guó)家對(duì) 煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需求，煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)得到 了普遍應(yīng)用。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是指對(duì)煤礦的瓦斯、料位、風(fēng)速、一氧化碳、煙霧、溫 度等環(huán)境參數(shù)和礦井生產(chǎn)、運(yùn)輸、提升、排水等環(huán)節(jié)的機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控 制，用計(jì)算機(jī)分析處理并取得數(shù)據(jù)的一種系統(tǒng)。系統(tǒng)的裝備能夠大大提高礦井安全生產(chǎn) 水平和安全生產(chǎn)管理效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展和廣 泛應(yīng)用，物位測(cè)量問題顯得越來(lái)越重要。 國(guó)外煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)是 20 世紀(jì) 60 年代開始發(fā)展起來(lái)的，至今已經(jīng)有四代產(chǎn)品。 從技術(shù)特性來(lái)看，主要是從信息傳輸發(fā)生的進(jìn)步來(lái)劃分監(jiān)控系統(tǒng)

17、發(fā)展階段的。分別是信 道空分制、頻分制、時(shí)分制、分布式微處理機(jī)傳輸四個(gè)階段。我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較 晚，20 世紀(jì) 80 年代初研制了 kj2、kj4、kj8、等監(jiān)控系統(tǒng)，在我國(guó)煤礦已大量使用。 實(shí)踐表明，安全監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用。煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控 系統(tǒng)向著更高的自動(dòng)化程度發(fā)展。開發(fā)全面的專家系統(tǒng)，研制高可靠性、品種齊全的礦 用傳感器，合理的規(guī)范通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)全面化的網(wǎng)絡(luò)管理將是煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)未來(lái)的 發(fā)展趨勢(shì)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi) 各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了 kj90、kj95、kj101、kjf2000、kj4

18、/kj2000 和 kjg2000 等監(jiān)控系統(tǒng)，以及 msnm、webgis 等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè) 管理系統(tǒng)。同時(shí)，在“以風(fēng)定產(chǎn)，先抽后采，監(jiān)測(cè)監(jiān)控”十二字方針和煤礦安全規(guī)程有 關(guān)條款指導(dǎo)下，規(guī)定了我國(guó)各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井必須裝備礦井監(jiān) 測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。 1.1.2 研究的目的和意義 由于超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng) 常用于距離位置的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲 波檢測(cè)比較迅速且易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。物 位探測(cè)傳感器在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用。它是監(jiān)測(cè)

19、監(jiān)控系統(tǒng)中的基礎(chǔ)組 成部分。物位測(cè)量數(shù)據(jù)可為監(jiān)控系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的距離值，是監(jiān)測(cè)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)的基本條件。 超聲波物位傳感器具有迅速、簡(jiǎn)單、計(jì)算方便、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，非常適用于煤礦監(jiān)測(cè) 監(jiān)控系統(tǒng)。因此，超聲波物位傳感器的設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用價(jià)值。 1.2 超 聲 波 測(cè) 距 的 優(yōu) 點(diǎn) 及 國(guó) 內(nèi) 外 發(fā) 展 情 況 1.2.1 超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn) 目前常用的測(cè)距方式主要有雷達(dá)測(cè)距、紅外測(cè)距、激光測(cè)距和超聲測(cè)距 4 種。與其 他測(cè)距方法相比較，超聲測(cè)距具有下面的優(yōu)點(diǎn)： （1）超聲波對(duì)色彩和光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體（如玻 璃、拋光體） 。 （2）超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗

20、、有灰塵或煙霧、電磁干擾 強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。 （3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、技術(shù)難度小、信息處理簡(jiǎn)單可靠、 易于小型化和集成化。因此，超聲波作為一種測(cè)距識(shí)別手段，已越來(lái)越引起人們的重視。 1.2.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 一般認(rèn)為，關(guān)于超聲的研究最初起始于 1876 年 f1galton 的氣哨實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí) galton 在空氣中產(chǎn)生的頻率達(dá) 300khz，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。而科學(xué)技術(shù)的發(fā) 展往往與一些偶然的歷史事件相聯(lián)系。對(duì)超聲波的研究起到極大推動(dòng)作用的是，1912 年 豪華客輪 titanic 號(hào)在首航中碰撞冰山后的沉沒，這個(gè)當(dāng)時(shí)震驚世界的悲劇促使科學(xué)家 們提出用聲

21、學(xué)方法來(lái)預(yù)測(cè)冰山。在隨后的第一次世界大戰(zhàn)中，對(duì)超聲的研究得以進(jìn)一步 的促進(jìn)。 近些年來(lái)，隨著超聲技術(shù)研究的不斷深入，再加上其具有的高精度、無(wú)損、非接觸 等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來(lái)越普及。目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、 航海、航空、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等 領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。 在我國(guó)，關(guān)于超聲波的大規(guī)模研究始于 1956 年。迄今，在超聲波的各個(gè)領(lǐng)域都開 展了研究和應(yīng)用，其中有少數(shù)項(xiàng)目已接近或達(dá)到了國(guó)際水平。 中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究所李茂山在超聲波測(cè)距原理及實(shí)踐技術(shù)中詳細(xì)地闡述了超聲 波的測(cè)距原理，并給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的具體框圖，并討論了影響超

22、聲波測(cè)距精度的 幾種原因。在文中，他并未提及超聲波測(cè)距所需的一些具體電路，只是給出了測(cè)距一般 所需的電路名稱，沒有提及各種電路間的匹配。 1998 年，曼內(nèi)斯德馬泰克(秦皇島)有限公司推出了一種數(shù)字式超聲波位移測(cè)量?jī)x， 李忠杰在數(shù)字式超聲波位移測(cè)量?jī)x的研究一文中介紹了這種數(shù)字式超聲波位移測(cè)量 儀的結(jié)構(gòu)，工作原理和功能，其數(shù)據(jù)處理借助于單板機(jī)，給出了程序框圖，對(duì)儀表的各 部分硬件電路做了較詳細(xì)的說(shuō)明，并列出了部分儀表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并分析了誤差產(chǎn)生的 原因。在此文中，給出了超聲波測(cè)距儀在對(duì)液壓缸位移進(jìn)行測(cè)量時(shí)與其它位移傳感器的 優(yōu)勢(shì)所在，并給出了單片機(jī)的程序框圖。中國(guó)科學(xué)院上海聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的王潤(rùn)田在雙

23、頻 超聲波測(cè)距一文中提出了一種雙頻超聲波測(cè)距的原理和方法，由于空氣對(duì)超聲波的吸 收與超聲波的平方成正比，因此，用來(lái)測(cè)距的超聲波的頻率不能很高，但另一方面頻率 越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)長(zhǎng)的絕對(duì)誤差就越大，測(cè)距的范圍加大與測(cè)量精度實(shí)際上是一對(duì)矛 盾。王潤(rùn)田提出，為了在一個(gè)較長(zhǎng)的范圍內(nèi)達(dá)到測(cè)距的精度，在測(cè)距時(shí)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)頻 率的超聲波，頻率較大的測(cè)較近的距離，頻率較小的測(cè)較長(zhǎng)的距離，這樣在較大的范圍 內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)距精度。 2 方 案 論 證 2.1 超 聲 波 測(cè) 距 原 理 2.1.1 超聲波的性質(zhì) 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的， 其頻率在 20khz 以上。

24、超聲波有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波） 。在 工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不 同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減，頻率越高，繞射能力越 弱，但反射能力越強(qiáng)。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)在不同介面上具有反射的特性，由于它有 指向性強(qiáng)、方向性好、傳播能量大、傳播距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，常用于測(cè)量物體的距離、厚 度、液位等。 超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，在空氣中傳播超聲波，其頻率較 低，一般為幾十 khz，傳播速度為 340m/s。而在固體、液體中則頻率可用得較高。在 空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播

25、較遠(yuǎn)。發(fā)射一定頻率的超聲 波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，其所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)短與超 聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)，測(cè)試傳輸時(shí)間就可以得出距離。利用超聲波特性、單片機(jī) 控制、電子計(jì)數(shù)相結(jié)合，配上不同的電路，制成各種超聲波測(cè)量?jī)x器及裝置，可以實(shí)現(xiàn) 非接觸式測(cè)距。由于超聲波檢測(cè)迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單，且不受光線、電磁波、粉塵等 的干擾，其測(cè)量精度較高。常用于礦山、橋梁、涵洞、隧道的距離檢測(cè)中。 超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān) 等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位傳感器；反射型用于材料探傷、測(cè)厚傳感器等。 2.1.2 超聲波傳感器 為了以超聲波作

26、為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置 就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。 超聲波傳感器就好比一個(gè)喇叭，能將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻聲波，或者將聲波轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)。傳感器在將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲波的過(guò)程中，所產(chǎn)生的聲波并不是理想中的矩形 （圖 2-1-a） ，而是一個(gè)類似花瓣一樣形狀（圖 2-1-b，c） ，聲波特性如圖 2-1 所示。 圖 2-1 聲波特性 值得一提的是，在實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)生的波形應(yīng)該是三維的，類似柱狀體。對(duì)于傳感 器的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，超聲波傳感器主要用來(lái)探測(cè)物體的距離以及相對(duì)于傳感器的方位，以便 可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。最理想就是矩形，不但可以準(zhǔn)確的獲得物體的

27、距離值，也可以準(zhǔn)確 的獲得方位值，就是正前方。但是實(shí)際上，超聲波的波束根據(jù)應(yīng)用不同，有寬波束，和 窄波束。寬波束（圖 2-1-b）的傳感器會(huì)檢測(cè)到任何在波束范圍內(nèi)的物體，它可以檢測(cè) 到物體的距離，但是確無(wú)法檢測(cè)到物體的方位，誤差最高會(huì)有 100 度左右，系統(tǒng)將無(wú)法 正常的作出控制動(dòng)作。當(dāng)然，作為只要探測(cè)物體有或無(wú)的用途來(lái)說(shuō)，寬波束的傳感器是 比較理想的。同理，窄波束可以相對(duì)寬波束獲得更加精確的方位角。在選擇超聲波傳感 器的時(shí)候，這個(gè)波形特性是必須要考慮的。 超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感 器都有一些缺點(diǎn)。比如，反射問題，噪音問題等。 （1）反射問題 如

28、果被探測(cè)物體始終在合適的角度，那么超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度。但不 幸的是，在實(shí)際使用過(guò)程中，很少有被探測(cè)的物體是能被正確地檢測(cè)到的。圖 2-2 給出 了幾個(gè)例子。 圖 2-2 聲波反射 圖 2-2-a 中的情況叫做三角誤差，當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測(cè) 的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。圖 2-2-b 中的情況叫做鏡面反射，這個(gè)問題和高中物 理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出 去，因此無(wú)法產(chǎn)生回波，也就無(wú)法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的 存在。圖 2-2-c 中的情況可以叫做多次反射。這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體

29、 時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過(guò)多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距 離值。這些問題可以通過(guò)使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來(lái)解決。通過(guò)探測(cè)多個(gè) 超聲波的返回值，用來(lái)篩選出正確的讀數(shù)。 （2）噪音問題 雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為 40-45khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。 但是周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的高頻，輪 子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動(dòng)，甚至當(dāng)同時(shí)使用多 個(gè)超聲波裝置的時(shí)候，其它超聲波裝置發(fā)出的超聲波，這些都會(huì)引起傳感器接收到錯(cuò)誤 的回波信號(hào)。 噪音問題可以通過(guò)對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來(lái)解決。比如發(fā)射一

30、組長(zhǎng)短不同的音波， 只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波的時(shí)候，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣可以有效的避免由 于環(huán)境噪音所引起的誤讀。 在本設(shè)計(jì)中所使用的傳感器，是壓電式超聲波傳感器。 壓電式超聲波傳感器，實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。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回波時(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)它就成為超聲波接收器。 壓電式超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理制成，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)。超 聲波傳感器是可

31、逆元件，超聲波發(fā)射器利用的是壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)， 是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在圖 2-3-a 中所示的已極化的壓 電陶瓷上施加如圖 2-3-b 所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥， 同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。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)。若外部施加的極性變反，如圖 2-3-c 所示那樣，壓電陶瓷在厚度方 向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。壓電逆效應(yīng)如圖 2-3 所示。 圖 2-3 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。在雙晶振子

32、的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通 過(guò)金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。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。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié) 點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能 高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生 高效率的高頻電壓。 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。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接

33、收器。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。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超 聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓是非 常小的，必須采用放大器放大。 超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的 頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使 用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭

34、的 溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈 敏度低。 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，如 表 2-1 所示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標(biāo)稱頻率為 40khz，這是壓電 元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各 自使用并聯(lián)諧振頻率。 表 2-1 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40khz40khz 靈敏度74db 以上100db 以上 帶寬6khz 以上(80d

35、b)7khz 以上(90db) 電容1600pf1600pf 絕緣電阻100m 以上100m 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。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏 移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。 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。 圖 2-4 表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度，

36、因此，適用于物體檢測(cè)與防犯報(bào)警裝置等。 圖 2-4 傳感器的方向性 另外，對(duì)于這種傳感器來(lái)說(shuō)，一般溫度越高，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。 2.1.3 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 tof（time of flight） 。 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，途中碰到被測(cè)物就立即返回來(lái)，當(dāng)超聲波接收器接收到反射回波時(shí)就立即停止 計(jì)時(shí)。根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，以及超聲波在空氣中傳播的速度就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與 被測(cè)物之間的距離，超聲波測(cè)距原理如圖 2-5 所示。

37、 圖 2-5 超聲波測(cè)距原理圖 限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和 入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。超聲波接收器對(duì)聲波脈沖的直接接收能 力將決定最大可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍，減少測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲 波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。環(huán)境溫度對(duì)超聲波測(cè)距也有很大 影響，其波速 c 與溫度有關(guān)，表 2-2 列出了幾種不同溫度下的波速。 表 2-2 不同溫度下的波速 溫度()3020100102030100 波速(m/s)313319325323338344349386 波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間 t，即可求得距

38、離 s。 (公式 1) 2 ct s 根據(jù)公式 1 可求出距離。在公式 1 中的 c 為超聲波在空氣中傳播的速度。s 表示所 測(cè)距離值。往返時(shí)間為 t。 t=t1+t2 (公式 2) 公式 2 中 t1 和 t2 分別表示超聲波發(fā)射與接收過(guò)程的測(cè)量時(shí)間，t1=t2。 2.2 系 統(tǒng) 工 作 原 理 本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心控制部分，根據(jù)設(shè)定的工作方式，產(chǎn)生方波，經(jīng)過(guò)超聲波 驅(qū)動(dòng)電路使超聲波發(fā)射器發(fā)出一簇 40khz 的超聲波信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)；超聲波 在空氣中傳播，當(dāng)遇到被測(cè)物后超聲波反射回波，經(jīng)接收回路和放大電路的接收放大與 檢波調(diào)整后，接收芯片產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，并將這個(gè)中斷信號(hào)發(fā)送給單

39、片機(jī)，單片機(jī)接 收到中斷信號(hào)后計(jì)時(shí)器停止記時(shí)，通過(guò)測(cè)量發(fā)射與接收超聲波的時(shí)間差，計(jì)算出傳感器 與被測(cè)物之間的距離值，并將計(jì)算的距離值通過(guò) lcd 液晶顯示器進(jìn)行顯示。超聲波物 位傳感器原理框圖如圖 2-6 所示。 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 接收電路 接收信號(hào)放大 和檢出電路 設(shè)置參數(shù) 輸出結(jié)果 軟件產(chǎn)生方波超聲波發(fā)射器 超聲波接收器 電源 uart lcd顯示 圖 2-6 超聲波物位傳感器原理框圖 2.3 系 統(tǒng) 方 案 論 證 2.3.1 系統(tǒng)方案一 采用單片機(jī) stc12le4052 作為主控芯片，由 555 定時(shí)器產(chǎn)生 40khz 的方波，經(jīng)放 大電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波，由超聲波接收器及

40、放大電路組成超聲波接收電路， 對(duì)回波進(jìn)行接收檢出，由單片機(jī)計(jì)算測(cè)量值，并控制四個(gè) led 數(shù)碼管顯示。 優(yōu)點(diǎn)：stc12le4052 為一種改進(jìn)型的 51 兼容單片機(jī)，指令集及主要架構(gòu)與經(jīng)典 51 相同，硬件資源略有增加：增設(shè)了 2 通道 pca（可編程計(jì)數(shù)器陣列） ，彌補(bǔ)了經(jīng)典 51 定 時(shí)器功能“偏弱”的缺陷；i/o 口改進(jìn)為可設(shè)置方式，支持 51 準(zhǔn)雙向、高阻輸入、oc 輸出、推挽輸出四種模式，簡(jiǎn)化了外部硬件設(shè)計(jì)；硬件 spi 接口；指令速度大大提高了， 將原來(lái)的 12 時(shí)鐘為一個(gè)機(jī)器周期改進(jìn)為 23 個(gè)時(shí)鐘周期，指令速度平均提高為原來(lái)的 8 倍左右；計(jì)時(shí)時(shí)鐘保留 12 分頻模式，新增了

41、 2 分頻模式，提高了計(jì)時(shí)精度。 stc12le4052 的這些特點(diǎn)對(duì)于超聲波測(cè)距應(yīng)用有益，指令速度快可減少響應(yīng)延時(shí) 的不確定，計(jì)時(shí)精度高可提高分辨率；stc12le4052 單片機(jī)采用 3.3v 供電，是為了增 加一級(jí)穩(wěn)壓，以降低發(fā)射超聲波帶來(lái)的電源干擾，提高可靠性和準(zhǔn)確度。 超聲波產(chǎn)生和發(fā)射模塊均有經(jīng)典電路，可以方便實(shí)現(xiàn)硬件電路搭建。 數(shù)碼管價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，適于各種工作環(huán)境，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，顯示效果良好，是常 見的顯示元件。 缺點(diǎn)：stc12le4052 只有兩個(gè)接口，資源太少，不能實(shí)現(xiàn)任何功能擴(kuò)展，由放大 電路和檢波電路實(shí)現(xiàn)的超聲波發(fā)射、接收模塊抵抗外界干擾能力太差，造成整個(gè)系統(tǒng)測(cè) 量誤差

42、較大。 2.3.2 系統(tǒng)方案二 系統(tǒng)采用單片機(jī) stc89c52 為主控芯片，主要對(duì)超聲波模塊 dyp-me007 進(jìn)行控制， 選用液晶顯示器 lcd1602 作為顯示模塊。 優(yōu)點(diǎn)：stc89c52 為控制系統(tǒng)中最常見的控制器，在市場(chǎng)上很容易買到；超聲波模 塊 dyp-me007 是一個(gè)集成度較高的模塊，可以自行發(fā)射、接收超聲波，控制簡(jiǎn)單，測(cè) 量精度高，抗干擾能力強(qiáng)；液晶顯示器 lcd1602 顯示靈活，可以對(duì)任意字符進(jìn)行顯示， 相對(duì)于數(shù)碼管具有更好的顯示效果，且本系統(tǒng)中顯示部分很重要，需要根據(jù)障礙物的遠(yuǎn) 近，不斷更換距離數(shù)字。 缺點(diǎn)：stc89c52 單片機(jī)采用 5v 供電，對(duì)超聲波的測(cè)量過(guò)

43、程有較大的干擾作用， 且晶振 12mhz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較低，也會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量帶來(lái)干擾。 綜上所述，方案一主控芯片編程困難，且不易買到，整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力差，若有 大的干擾就會(huì)導(dǎo)致超聲波測(cè)距發(fā)生錯(cuò)誤；方案二易于實(shí)現(xiàn)，且外圍電路簡(jiǎn)單，易于控制， 成本較低，測(cè)量精度完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，所以，本設(shè)計(jì)選用方案二。 3 系 統(tǒng) 硬 件 電 路 的 設(shè) 計(jì) 3.1 系 統(tǒng) 芯 片 介 紹 3.1.1 stc89c52 單片機(jī) stc89c52 是低電壓、高性能 cmos 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8kb 的可反復(fù)擦寫的程序 存儲(chǔ)器和 12b 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram） ，器件采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生

44、 產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) mcs-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用 8 位中央處理器（cpu）和 flash 存儲(chǔ) 單元，功能強(qiáng)大的 stc89c52 單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。stc89c52 單片機(jī)屬 于 stc89c51 單片機(jī)的增強(qiáng)型，與 intel 公司的 80c52 在引腳排列、硬件組成、工作特 點(diǎn)和指令系統(tǒng)等方面兼容。 其主要工作特性是： 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)含 8kb 的 flash 程序存儲(chǔ)器，可擦寫壽命為 1000 次； 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含 256 字節(jié)的 ram； 具有 32 根可編程 i/o 口線； 具有 3 個(gè)可編程定時(shí)器； 中斷系統(tǒng)是具有 8 個(gè)中斷源、6 個(gè)中斷矢量、2 個(gè)級(jí)

45、優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； 串行口是具有一個(gè)全雙工的可編程串行通信口； 具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針 dptr； 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式； 具有可編程的 3 級(jí)程序鎖定位； stc89c52 工作電源電壓為 5（1+0.2）v，且典型值為 5v； stc89c52 最高工作頻率為 24mhz。 stc89c52 有 40 個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中 斷口，2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2 個(gè)全雙工串行通信口，2 個(gè)讀寫口線，stc89c52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 flash 存儲(chǔ)器結(jié) 合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的

46、 flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。stc89c52 有 pdip、pqfp/tqfp 及 plcc 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 主要功能特性： 兼容 mcs51 指令系統(tǒng) 8k 可反復(fù)擦寫(1000 次）flashrom。 32 個(gè)雙向 i/o 口，256x8bit 內(nèi)部 ram。 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷，時(shí)鐘頻率 0-24mhz。 2 個(gè)串行中斷，可編程 uart 串行通道。 2 個(gè)外部中斷源，共 6 個(gè)中斷源。 2 個(gè)讀寫中斷口線，3 級(jí)加密位。 低功耗空閑和掉電模式。 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。 3.1.1.1 stc89c52 單片機(jī)外部接口 stc8

47、9c52 為 40 腳雙列直插封裝的 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 c51 內(nèi)核， 在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。主 要管腳有：xtal1（18 腳）和 xtal2（19 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12mhz 晶振。rst/vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。vcc（40 腳） 和 vss（20 腳）為供電端口，分別接+5v 電源的正負(fù)端。p0p3 為可編程通用 i/o 腳， 其功能用途由軟件定義。外部引腳如圖 3-1 所示。 圖 3-1 外部引腳 p0 口：p0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 i/o 口

48、，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸 出口用時(shí)，每位以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) ttl 邏輯門電路，對(duì)端口 p0 寫“1”時(shí)， 可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地 址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時(shí)，p0 口 接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 p1 口：p1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸 收或輸出電流）4 個(gè) ttl 邏輯門電路。對(duì)端口寫“1” ，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到 高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)

49、部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部 信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(iil)。與 stc89c51 不同之處是，p1.0 和 p1.1 還可分別作 為定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（p1.0/t2）和輸入（p1.1/t2ex） 。flash 編程和程序校 驗(yàn)期間，p1 接收低 8 位地址。 p2 口：p2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè) ttl 邏輯門電路。對(duì)端口 p2 寫“1” ，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把 端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引 腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(iil)。在訪問外

50、部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 movxdptr 指令）時(shí)，p2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 movxri 指令）時(shí)，p2 口輸出 p2 鎖存器的內(nèi)容。 flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，p2 亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。 p3 口：p3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口。p3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè) ttl 邏輯門電路。對(duì) p3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻 拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的 p3 口將用上拉電阻輸出電流（iil） 。p3 口除了作為一般的 i/o 口線外，更重

51、要的用途是它的第二功能 p3 口還接收一些用于 flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 p3 口也可作為 stc89c52 的一些特殊功能口，管腳備選功能如下所示： p3.0rxd（串行輸入口） ； p3.1txd（串行輸出口） ； p3.2/int0（外部中斷 0） ； p3.3/int1（外部中斷 1） ； p3.4t0（記時(shí)器 0 外部輸入） ； p3.5t1（記時(shí)器 1 外部輸入） ； p3.6/wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） ； p3.7/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)。 rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，rst 引腳出現(xiàn)兩

52、個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單 片機(jī)復(fù)位。 ale/prog：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale（地址鎖存允許）輸出 脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下，ale 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定 的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ale 脈沖。對(duì) flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （prog） 。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的 8eh 單元的 d0 位置位， 可禁止 ale 操作。該位置位后，只有一條 movx 和 movc 指令才能將 ale 激活。此 外，該引腳會(huì)被微弱拉

53、高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ale 禁止位無(wú)效。 如果單片機(jī)是 eprom，在編程其間，prog 將用于輸入編程脈沖。 psen：程序儲(chǔ)存允許（psen）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) stc89c52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 psen 有效，即 輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次 psen 信號(hào)。當(dāng)訪問外 部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，pc 的 16 位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 p0 和 p2 口 上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到 p0 口上，由 cpu 讀入并執(zhí)行。 ea/vpp：外部訪問允許。如 ea 端為高電平（接 v

54、cc 端） ，cpu 則執(zhí)行內(nèi)部程序存 儲(chǔ)器中的指令。flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12v 的編程允許電源 vpp，當(dāng)然這必 須是該器件是使用 12v 編程電壓 vpp。程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，8051 單片機(jī)，內(nèi) 置有 4kb 的程序存儲(chǔ)器，當(dāng) ea 為高電平并且程序地址小于 4kb 時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ) 器指令數(shù)據(jù)，而超過(guò) 4kb 地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如 ea 為低電平，則不管地址大小， 一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。 xtal1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。 stc89c52 共有 6 個(gè)中斷向量：兩個(gè)外中斷（int0

55、和 int1） ，3 個(gè)定時(shí)器中斷（定 時(shí)器 0、1、2）和串行口中斷。 這些中斷源可通過(guò)分別設(shè)置專用寄存器 ie 的置位或清零來(lái)控制每一個(gè)中斷的允許 或禁止。ie 也有一個(gè)總禁止位 ea，它能控制所有中斷的允許或禁止。注意 ie6 為保留 位，在 stc89c51 中 ie5 也是保留位。程序員不應(yīng)將“1”寫入這些位，它們是將來(lái) stc89 系列產(chǎn)品作為擴(kuò)展用的。 定時(shí)器 2 的中斷是由 t2con 中的 tf2 和 exf2 邏輯或產(chǎn)生的，當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程 序時(shí)，這些標(biāo)志位不能被硬件清除，事實(shí)上，服務(wù)程序需確定是 tf2 或 exf2 產(chǎn)生中斷， 而由軟件清除中斷標(biāo)志位。定時(shí)器 0 和定時(shí)

56、器 1 的標(biāo)志位 tf0 和 tf1 在定時(shí)器溢出那 個(gè)機(jī)器周期的 s5p2 狀態(tài)置位，而會(huì)在下一個(gè)機(jī)器周期才查詢到該中斷標(biāo)志。然而，定 時(shí)器 2 的標(biāo)志位 tf2 在定時(shí)器溢出的那個(gè)機(jī)器周期的 s2p2 狀態(tài)置位，并在同一個(gè)機(jī)器 周期內(nèi)查詢到該標(biāo)志。 空閑節(jié)電模式：在空閑工作模式狀態(tài)，cpu 自身處于睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍 保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產(chǎn)生。此時(shí)，同時(shí)將片內(nèi) ram 和所有特殊功能寄存器 的內(nèi)容凍結(jié)。空閑模式可由任何允許的中斷請(qǐng)求或硬件復(fù)位終止。由硬件復(fù)位終止空閑 狀態(tài)只需兩個(gè)機(jī)器周期有效復(fù)位信號(hào)，在此狀態(tài)下，片內(nèi)硬件禁止訪問內(nèi)部 ram，但 可以訪問端口引腳，當(dāng)用復(fù)位終

57、止空閑方式時(shí)，為避免可能對(duì)端口產(chǎn)生意外寫入，激活 空閑模式的那條指令后一條指令不應(yīng)是一條對(duì)端口或外部存儲(chǔ)器的寫入指令。 掉電模式：在掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí) 行的指令，片內(nèi) ram 和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。退出掉電模 式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器，但不改變 ram 中 的內(nèi)容，在 vcc 恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無(wú)效，且必須保持一定時(shí)間以使振蕩器 重啟動(dòng)并穩(wěn)定工作。 3.1.1.2 stc89c52 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 3-2 為 stc89c52 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它由以下幾大部件組成：中央處理器 （

58、cpu） ，程序存儲(chǔ)器(rom)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口 和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。 圖 3-2 8051 內(nèi)部結(jié)構(gòu) stc89c52 主要組成部分： （1）中央處理器 中央處理器（cpu）是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，cpu 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn) 算和控制輸入輸出功能等操作。 （2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 stc89c52 內(nèi)部有 128 個(gè) 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和 128 個(gè)專用寄存器單元，它們是 統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶

59、只能訪問，而不能用于存放 用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 ram 只有 128 個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié) 果或用戶定義的字型表。 （3）程序存儲(chǔ)器 stc89c52 程序存儲(chǔ)器用于存放編制好的程序、表格和程序中用到的常量。flash 程 序存儲(chǔ)器增加了 eprom 所沒有的電可擦除和編程特性。對(duì)芯片的擦除操作將使整個(gè)程 序存儲(chǔ)器都被擦除。塊擦除功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意 flash 塊的擦除。對(duì)于程序存儲(chǔ)器而言， 在系統(tǒng)編程和標(biāo)準(zhǔn)的并行編程都是可行的。片內(nèi)產(chǎn)生的擦除和寫入時(shí)序?yàn)橛脩籼峁┝肆?好的編程接口。 （4）定時(shí)/計(jì)數(shù)器 stc89c52 有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)

60、數(shù)產(chǎn)生中斷用于控 制程序轉(zhuǎn)向。 （5）并行輸入輸出(i/o)口 stc89c52 共有 4 組 8 位 i/o 口（p0、p1、p2 或 p3） ，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。 （6）全雙工串行口 stc89c52 內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串 行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 （7）中斷系統(tǒng) stc89c52 具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串 行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。 （8）時(shí)鐘電路 stc89c52 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12mhz 的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖 時(shí)序