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超声波测距竞赛论文
超声波倒车防撞系统设计
队伍编号：
3-219
参赛队员：
金永虎陈泊宇陈姗姗王勇汤存库
专业班级：
测控0801
指导教师：
刘伟
起止日期：
2011.07.28～2011.08.20
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
摘要
近年来，单片机在我国迅速推广，他以简单实用、体积小、功能强等优点在很多领域内得到广泛应用，尤其是在工业控制领域中。
本系统采用AT89C51单片机为主控芯片，发送一定频率的脉冲波经过放大电路送给发送探头，使其发送超声波，接收探头会接收返回的超声波，经过放大整波后送给单片机，通过返回的时间差计算出距离。
本系统采用DS18B20温度传感器实现温度补偿，以降低误差，通过软件计算，将当前的距离显示在LCD显示器上，并有语音报警功能，实现了由C51单片机控制的超声波倒车防撞系统。
关键词：
C51单片机；超声波；LCD；DS18B20；语音报警
目录
摘要I
第1章各元件简述2
1.1引言2
第2章MCS-51单片机2
2.1单片机介绍2
2.1.1MCS-51系列单片机的结构2
2.1.2MCS-51系列单片机的引脚说明2
2.1.3I/O端口2
2.1.4定时器/计数器2
2.2时钟电路2
2.3复位电路2
2.4存储器2
图2-11单片机最小系统第3章硬件电路设计2
第3章硬件电路设计2
3.1LM358介绍2
3.274HC14介绍2
3.3DS18B20介绍2
3.4超声波探头原理及性能介绍介绍2
3.5液晶显示电路设计2
3.6报警电路设计2
3.7电机驱动电路2
第4章软件系统设计2
3.1软件设计2
3.1.1KeilC51软件介绍2
3.1.2.KeilC51单片机软件开发系统的整体结构2
3.1.3.使用独立的KeilC51仿真器时，注意事项2
结论2
参考文献2
附录2
第1章各元件简述
1.1引言
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统、录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师
第2章MCS-51单片机
单片机是单片微型计算机（SingleChipMicrocompuer）的简称，它是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM，ROM，EPROM）、输入/输出（I/O）接口电路、定时器/计数器和串行通信接口等主要功能部件的微型计算机。
自二十世纪七十年代美国推出4位单片机以来，很快出现了8位、16位单片机并得到推广应用，现已推出32位单片机。
从应用上看，以Intel公司的MCS-51系列为代表的高性能8位单片机，在工业测控、仪器仪表、智能接口及家用电器等方面得到了广泛应用，并仍在中小规模应用场合占有主流地位。
随着电子技术的发展，单片机正朝着低功耗、多功能、高速度、低价格、微型化、多选择、大存储容量和结构兼容等方向发展。
2.1单片机介绍
2.1.1MCS-51系列单片机的结构
MCS-51系列单片机是Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，在目前单片机市场中，MCS-51系列单片机以其良好的性能价格比，仍是目前单片机开发和应用的主流机型。
MCS-51系列单片机的基本产品有8031、8051、8751。
它们的结构基本相同，差别在于存储器的配置上有所不同。
8031是无ROM程序存储器的单片机，必须外接EPROM程序存储器；8051是ROM型单片机，内部有4K字节的掩模ROM程序存储器；8751是EPROM型单片机，内部有4K字节用户可编程的EPROM程序存储器。
目前以8051为内核，ATMEL、Winbond等公司推出的80C51系列产品（如AT89C51、W77E58等），给8位单片机注入了新的活力，开拓了更广泛的应用前景。
以8051单片机为例，主要包括CPU、存储器（ROM、RAM）、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等，其结构特点如下：
（1）8位CPU；
（2）128字节内部RAM数据存储器；
（3）4K字节内部程序存储器；
（4）32根双向输入输出线（四个8位并行I/O端口）；
（5）1个可编程全双工的异步串行口；
（6）2个16位的定时器/计数器；
（7）5个中断源，2个中断优先级嵌套结构；
（8）一个片内振荡器及时钟电路；
（9）可寻址外部程序存储器和数据存储器各64K字节。
在图2-1所示MCS-51系列8051单片机结构图中，各功能部件由内部总线连接在一起。
将图中4K（4096）字节的ROM存储器部分用EPROM替换则为8751结构；去掉图中ROM部分就成为8031的结构图。
图2-18051单片机结构图
2.1.2MCS-51系列单片机的引脚说明
MCS-51系列单片机均采用40引脚的双列直插封装方式。
图2-1-2为MCS-51系列单片机的引脚排列图。
下面对40个引脚说明如下：
1.主电源引脚VSS和VCC
•VSS（Pin20）接地。
•VCC（Pin40）接正电源。
2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
•XTAL1（Pin19）片内振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
•XTAL2（Pin18）片内振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的另一端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
3.控制或其他电源复用引脚RESET/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/VPP
•RESET/VPD（Pin9）复位/备用电源，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。
在VCC掉电期间，此引脚可接上个备用电源，由VPD向内部RAM提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。
•ALE/PROG（Pin30）地址锁存/编程信号，当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低八位字节。
不访问外部存储器时，ALE引脚以1/6的振荡器频率发出正脉冲信号，可用作对外输出的时钟或用于定时。
ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LS型TTL输入电路。
对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（PROG功能）。
•PSEN（Pin29）外部程序存储器读选通信号。
从外部程序存储器取指令（或数据）期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。
PSEN同样可以驱动八个LS型TTL输入电路。
•EA/VPPEA为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。
当EA为高电平时，访问内部程序存储器（PC值小于4K）。
当EA为低电平时，则访问外部程序存储器。
4.输入/输出（I/O）引脚P0.0—P0.7，P1.0—P1.7，P2.0—P2.7，P3.0—P3.7
•P0.0—P0.7（Pin39～32）P0口是一个8位漏极开路型双向I/O口。
在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节和数据总线。
P0口能以吸收电流的方式驱动8个LS型TTL负载。
•P1.0—P1.7（Pin1～8）P1口是一个8位准双向I/O口。
它可驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。
•P2.0—P2.7（Pin21～28）P2口是一个8位准双向I/O口。
在访问外部存储器时，它输出高8位地址。
P2口可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。
•P3.0—P3.7（Pin10～17）P3口是一个8位准双向I/O口。
能驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。
P3口还用于第二功能。
单片机引脚图见图2-2。
图2-2单片机引脚图
2.1.3I/O端口
I/O端口又称为I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路，I/O端口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息，并行I/O端口一次能传送一组二进制信息。
MCS-51单片机共有四个双向的8位I/O端口，分别是：
P0口、P1口、P2口和P3口，共有32根口线，各I/O端口的每一位均由端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成，每一条I/O线都能独立地用作输入或输出，作输出时，数据可以锁存，作为输入时，数据可以缓冲，但这4个通道的功能并不完全相同。
P0口为三态双向口，能带8个LS型TTL电路。
P1、P2、P3口为准双向口（在用作输入线时，口锁存器必须先写入“1”，故称为准双向口），负载能力为驱动4个LS型TTL电路。
1）P0端口功能
P0端口即P0.0～P0.7，对应MCS-51单片机的32～39引脚，可以作为输入输出口，但在实际应用中，通常作为地址/数据总线口，即低8位地址与数据分时使用P0口，低8位地址由ALE信号的负跳变使它锁存到外部地址锁存器中，而高8位地址由P2口输出。
2）P1端口功能
P1端口即P1.0～P1.7，对应MCS-51单片机的1～8引脚，是准双向端口。
P1口每一位都能作为可编程的输入或输出端口。
P1口是一个有内部上拉电阻的准双向口，P1口的每一位端口能独立用作输入或输出端口。
当用作输出端口时，已能对外提供推拉电流负载，外电路无需接上拉电阻。
当用作输入端口时，必须先将“1”写入端口锁存器，使其驱动电路的场效应管截止。
3）P2端口功能
P2端口即P2.0～P2.7，对应MCS-51单片机的21～28引脚，是准双向端口。
P2口可以作为输入口或输出口使用，外接I/O设备时，又作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址，与P0口一起组成16位地址总线。
对于8031单片机来讲，P2口一般只作为地址总线使用，而不作为I/O线直接与外设线连接。
4）P3端口功能
P3端口即P3.0～P3.7，对应MCS-51单片机的10～17引脚，是双功能端口。
P3口是一个多用途的端口，也是一个准双向口，作为第一功能使用时，其功能同P1口。
当作第二功能使用时，每一位功能定义如表10-1所示。
P3口的第二功能实际上就是系统具有控制功能的控制线。
2.1.4定时器/计数器
（1）定时方法
一、硬件定时
特点是（定时功能全部由硬件电路完成）不占CPU时间，但需通过改变电路的元件参数来调节定时时间，在使用上不够灵活方便。
二、软件定时
软件定时靠执行一个循环程序以进行时间延迟。
特点是时间精确，且不需要外加硬件电路。
但软件定时要占用CPU开销，因此软件定时的时间不宜太长。
三、可编程定时器定时
这种定时方法是通过对系统时钟脉冲的计数来实现的。
计数值通过程序设定，改变计数值，也就改变了定时时间，使用起来既灵活有方便。
51单片机把定时电路集成在芯片中，称之为定时器/计数器。
标准51单片机有两个定时/计数器，为T0和T1，具有2种工作模式和4种工作方式。
（2）定时器/计数器的工作模式
一、计数器模式
计数功能是对外来脉冲进行计数。
T0（P3.4）和T1（P3.5）两个引脚，分别是计数输入端。
当输入引脚的脉冲发生由1到0的跳变（负跳变）时，计数器加1.
计数脉冲是在2个机器周期内进行的。
因此，计数脉冲的频率不能高于震荡脉冲频率的1/24。
外部输入脉冲高电平和低电平时间必须在一个机器周期以上。
二、定时器模式
定时功能也是通过定时器/计数器的计数来实现的。
不过此时的计数脉冲来自单片机内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每个机器周期计数器加1。
由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。
这样不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的初值。
（3）定时器/计数器的结构
定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位TH和低8位TL两个寄存器组成。
TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。
复位两个寄存器清0,如图2-3所示：
图2-3定时器/计数器结构
（4）定时器/计数器工作原理
加1计数器输入的计数脉冲有两个来源,一个是由系统的时钟振荡器输出脉冲经12分频后送来；一个是T0或T1引脚输入的外部脉冲源。
每来一个脉冲计数器加1，当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器归0，且计数器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。
如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满。
可见，由溢出时计数器的值减去计数初值才是加1计数器的计数值。
（5）定时器/计数器的控制
定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断申请。
一、工作方式寄存器TMOD
工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。
其格式如下表1：
表1
GATE：
门控位。
GATE＝0时，只要用软件使TCON中的TR0或TR1为1，就可以启动定时/计数器工作；
GATA＝1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚或也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。
即此时定时器的启动多了一条件。
C/T:
定时/计数模式选择位。
C/T＝0为定时模式；C/T=1为计数模式。
M1M0：
工作方式设置位。
定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。
二、控制寄存器TCON
TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。
TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。
其格式如下：
表2
TF1（TCON.7）：
T1溢出中断请求标志位。
T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。
CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。
T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。
所以，TF1可用作查询测试的标志。
TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。
TR1（TCON.6）：
T1运行控制位。
TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。
TR1由软件置1或清0。
所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。
TF0（TCON.5）：
T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。
TR0（TCON.4）：
T0运行控制位，其功能与TR1类同。
（6）定时/计数器的中断如图2-4
图2-4
中断允许控制
CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。
表3
EX0（IE.0），外部中断0允许位；
ET0（IE.1），定时/计数器T0中断允许位；
EX1（IE.2），外部中断0允许位；
ET1（IE.3），定时/计数器T1中断允许位；
ES（IE.4），串行口中断允许位；
EA（IE.7），CPU中断允许（总允许）位。
（7）定时/计数器工作方式
一、方式0
方式0为13位计数，由TL0的低5位（高3位未用）和TH0的8位组成。
TL0的低5位溢出时向TH0进位，TH0溢出时，置位TCON中的TF0标志，向CPU发出中断请求。
图2-5
定时和计数应用
在方式0下，当为计数工作方式时，计数值的范围是：
1~8192（213）、
当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：
T=（213—计数初值）×晶振周期×12
（1）
如晶振频率为6MHZ，则最小定时时间为：
Tmin=〔213—（213—1）〕×1/6×10-6×12=2×10-6=2（μs）
（2）
最大定时时间为：
Tmax=（213—0）×1/6×10-6×12=16384（μs）（3）
二、方式1
方式1的计数位数是16位，由TL0作为低8位、TH0作为高8位，组成了16位加1计数器。
图2-5
三、方式2
方式2为自动重装初值的8位计数方式。
图2-6
计数个数与计数初值的关系为：
适合精确的定时和脉冲信号发生。
四、方式3
方式3只适用于定时/计数器T0，定时器T1处于方式3时相当于TR1=0，停止计数。
图2-7
工作方式3将T0分成为两个独立的8位计数器TL0和TH0。
2.2时钟电路
8051片内设有一个由反相放大器所构成的振荡电路，引脚XTAL1为反相器的输入端，引脚XTAL2为反相器的输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式时钟电路如图2-3（a）所示。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。
如果振荡器已起振，则在XTAL2引脚上输出3V左右的正弦波。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡频率
主要由石英晶振的频率确定，不同型号的产品，可选的频率范围有所不同，一般在1.2MHz到12MHz之间选择，典型值为6MHz、12MHz和11.0592MHz；电容的主要作用是帮助振荡器起振，其值的大小对振荡器频率也有影响，因此常用电容的大小对频率进行微调，一般电容值在5—30pF之间选择，典型值为30pF。
外部方式的时钟电路如图2-8（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号，典型值为12MHz和11.0592MHz。
2-8（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
2.3复位电路
计算机在启动运行时需要使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个被称为“复位”的状态开始工作。
单片机的复位都外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机便进入复位状态。
图2-9（a）上电自动复位电路（b）上电与按钮复位电路
（1）寄存器的复位状态
单片机在RESET引脚有效电平控制下。
程序计数器（PC）和特殊功能寄存器的复位状态如表4所示。
单片机的复位状态不影响片内RAM状态，只要RESET引脚端保持高电平，单片机将循环复位，在复位有效期间，ALE，PSEN输出高电平。
表4寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
（×××00000）
SBUF
（××××××××）
IE
（0××00000）
PCON
（0×××0000）
表4
2）单片机的复位工作状态
单片机内部的各个功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序运行直接受程序计数器（PC）指挥。
寄存器的复位状态决定了单片机内有关功能部件的初始状态：
•复位后PC值为0000H，故复位后的程序入口地址为0000H；
•复位后PSW=00H，使片内存储器中选择Ⅰ区工作寄存器，用时设定用户标志位F0为0状态；
•复位后SP=07H，设定堆栈栈底为07H；
•TH1、TL1、TH0、TL0皆为00H，即定时/计数器复位后皆清零；
•TMOD=00H，定时/计数器都处于方式0工作状态，并设定内部定时方式，定时器不受外部引脚控制；
•TCON=00H禁止计数器计数，并表明定时/计数器无溢出；对于中断系统则表明定时/计数器无溢出中断，无外部中断请求，外部中断源为电平触发方式；
•SCON=00H，串行口工作在移位寄存器方式（方式0），并且设定允许串行移位接受或发送；
•复位后IE的有效位皆为零，表明在中断系统中CPU禁止中断。
而且每个中断源也被禁止中断；
•复位后IP的有效位皆为零，使中断系统的五个中断源都设置为低优先级中断状态；
•复位后的P1、P2、P3口锁存器全为1状态，使这些准双向口皆处于输入状态。
（3）单片机的复位电路
MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的复位电路如图10-4所示。
上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效复位。
在图2-9的简单复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。
这时，可在RESET引脚上接一去耦电容。
复位电路中的RC参数通常由实验调整。
当振荡频率选用6MHz时，在图10-4中的C取22μF，在图2-9（a）中的R取1kΩ,在图2-9（b）中的R1为200Ω左右，R2为1kΩ左右。
2-9（a）上电自动复位电路2-10（a）上电与按键复位电路
2.4存储器
单片机的存储器有程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM），在使用上是有严格区分的，不得混用。
程序存储器存放程序指令及常数、表格等；数据存储器则存放缓冲数据。
1.程序存储器
程序存储器存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。
程序存储器以程序计数器PC作地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址范围空间为64K字节。
程序存储器的结构如图2-10（a）所示。
在8051/8751片内，分别驻留最低地址空间的4KROM/EPROM程序存储器（内部程序存储器），而在8031片内，则无内部程序存储器，需要外部扩展EPROM。
对于片内有ROM/EPROM的单片机8051/8751，当管脚EA=1时，低4K地址（0000H—0FFFH）指向片内；EA=0时，则指向片外。
对于片内无ROM/EPROM的单片机8031构成系统时，必须使EA=0。
（a）程序存储器（b）数据存储器
图2-10MCS-51单片机的存储器结构
MCS-51单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H，因此系统从0000H单元开始取指，并执行程序，它是系统执行程序的起始地址。
通常在该单元中存放一条跳转指令，而用户程序从跳转到的地址开始存放。
2.内部数据存储器
数据存储器的结构如图2-10（b）所示。
MCS-51单片机内部RAM的空间为256个字节，但实际提供给用户使用的RAM容量因不同的单片机而不同，有的为128个字节（如8051、83C51GA等），有的为256个字节（如8032、83C51FA）。
内部RAM中不同的地址区域从功能和用途方面来分，可以划分为如图10-6所示的三个区域：
工作寄存器区、位寻址区、堆栈和数据缓冲区。
2.5单片机最小系统
单片机最小系统就是用最少的元件组成的可以工作的单片机系统。
一个单片机，配其必需的晶振电路、复位电路即构成了单片机最小系统。
89C51单片机最小系统如图2-11所示。
图2-11单片机最小系统
第3章硬件电路设计
整体设计框图3-1：
3-1超声波测距设计框图
3.1LM358介绍
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括：
传感放大器、直流增益模组,
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