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第三章 硬件设计
超声波测距仪主要由单片机控制模块、数码管显示模块、声光报警模块、DS18B20模块以及HC-SR04模块组成。本章节主要讲述单片机各引脚功能、各模块的设计原理图或选择方案等。 3.1 AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。 AT89C51主要特性 ●与MCS-51 兼容
●4K字节可编程闪烁存储器 ●寿命：1000写/擦循环 ●数据保留时间：10年 ●全静态工作：0Hz-24Hz ●三级程序存储器锁定 ●128*8位内部RAM ●32可编程I/O线 ●两个16位定时器/计数器 ●5个中断源 ●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式 ●片内振荡器和时钟电路 ●外形封装：40脚PDIP
3.1.1 AT89C51各引脚的含义和功能
1. 电源引脚VCC和VSS
VCC（Pin40）：电源端，正常工作电压接电源+5V，正电源接4.0~5.0V电压。 GND：电源接地端。
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图3.1 AT89C51和AT89C2051的管脚图 2. XTAL1和XTAL2为外接晶振或外部振荡器引脚 XTAL1（Pin19）和XTAL2(Pin18)分别为STC89C52的片内震荡器反相放大器的输入端和输出端，同时，XTAL2也是内部时钟发生器的输入端。当使用自激震荡方式时，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率震荡，即产生时钟信号。 3. 控制信号引脚 （1）RST（Pin9） RST为单片机内部CPU的复位信号输入端。 复位功能:当单片机上电后，在该引脚上出现两个机器周期宽度以上的高电平，就会使单片机复位。可在RST和VCC之间接一个10μf的电容，RST再经一个10KΩ的下拉电阻接地，就可以实现单片机上电自动复位。 （2）ALE/PROG（Pin30） ALE为低八位地址锁存使能输出和编程脉冲输入端。 地址锁存使能输出ALE：当单片机访问外部存储器时，外部存储器的16为地址信号由P0口输出低8位，P2口输出高8位；而不用外部存储器地址锁存控制信号时，该引脚仍以时钟震荡频率的1/6固定地输出正脉冲，该信号可以用于外部计数或时钟信号。可以驱动8个LS型TTL负载。 在Flash 编程时，PROG用于输入编程脉冲。 （3）PSEN（Pin29） PSEN为访问外部程序存储器读选通信号，可以驱动8个LS型TTL负载，为外部
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程序存储器控制信号。当单片机访问外部程序存储器时，读指令代码，PSEN（Pin29）脚输出两个负脉冲选通信号；在执行片内程序存储器读取指令码和读写外部数据时，不产生此信号。 CPU在访问外部程序存储器时，在每个机器周期中，PSEN信号两次有效。 （4）EA/VPP（Pin31） EA为访问外部或内部程序存储器选择信号，在进行Flash编程时，提供Flash编程电压VPP。 EA：当EA=1时，CPU从片内程序存储器开始读取指令；如果外部还有扩展程序存储器，则CPU在执行完内部程序存储器程序后，自动转向执行外部程序存储器程序。当EA=0时，CPU仅访问片外程序存储器。 VPP：在对8952内部EPROM编程时，此引脚应接21V编程电源。 4. 并行I/0口P0~P3口引脚 （1）P0口即P0.0~P0.7（Pin39~Pin32） P0口是一个8位漏极开路型双向I/0端口，P0口可做为通用I/O口使用。 在CPU访问片外存储器时，P0口自动做为地址/数据复用总线使用；定义为I/O端口时，需要外接上拉电阻，是准双向I/O口；在对EPROM编程时，由P0口输入指令字节，在验证程序时，P0输出指令字节（验证时应接上拉电阻）。P0口能以吸收电流的方式驱动8个LS型TTL负载。 （2）P1口即P1.0~P1.7（Pin1~Pin8） P1口是8位准双向的并行I/O端口，当需要某位先输入的时候，应该在输入操作前，加一条输出1的指令，然后再输入才正确。P1口是内部具有上拉电阻的8位准双向I/O口，能驱动4个TTL负载。对于AT89S52，P1端口的某些引脚还可以有第二功能。P1.0引脚定时计数器2的外部事件计数输入端口，P1.1引脚用于定时计数器2的外部控制端口。P1.5~P1.7还用于片内Flash的编程。 (3)P2口即P2.0~P2.7（Pin21~Pin28） 当P2口用做高8位地址时，控制信号用电子模拟开关MUX接通地址端，高8位地址信号便加到输出端口，从而实现9位地址的输出。P2口做输入输出脚，为8位准双向并行的I/O口；当P2用做普通I/O口时，P2口可以驱动4个LS型TTL负载。 （4）P3口即P3.0~P3.7（Pin10~Pin17） P3口是8位准双向并行的I/O口，一个具有第二变异功能且可位操作的端口。 当作为普通I/0端口时，P3口可以进行位操作，是准双向端口，可以驱动4个LS型TTL负载。 当系统需要扩展外部器件时，P3口可以作为第二功能使用，其各位的功能如表3.1所示。
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表3.1 P3端口的第二功能
I/O端口 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能名称 RXD TXD 功能介绍 串行通信数据接收端口 串行通信数据发送端口 外部中断0请求端口 外部中断1请求端口 定时/计数器0外部事件计数输入端 定时/计数器1外部事件计数输入端 外部数据存储单元写选通信号 外部数据存储单元读选通信号 INT0 INT1 T0 T1 WR RD 3.2 系统硬件设计组成部分
系统硬件设计主要有STC89C51控制模块，显示模块，超声波发射接收模块以及声光报警模块组成。
3.2.1 AT89C51单片机最小系统
单片机最小系统是单片机能够工作的最小硬件组合。最小系统电路主要包括复位电路、电源、晶体振荡器等。89X51单片机的最小系统如图3.2所示。
最小系统中，时钟脚XTAL1和XTAL2外接12MHZ石英晶振并通过两个22pf的电容接地，同时采用了手动加上电复位电路。复位电路中的电容和电阻的取值根据其充放电时间常数来定。例如图3的最小系统中的充电时间常数=10×10-6×10×103s=10ms,此时间常数足以使RST在保持为高电平的时间内完成复位操作。P0口定义为I/O口时，需外接上拉电阻，为准双向I/O口。 3.2.2 数码管显示模块
数码管显示电路由一个四位一体的共阳数码管、上拉电阻、PNP做开关组成，数码管显示电路如图3.3所示。
显示电路是通过单片机控制，将距离的百位、十位、个位的十六进制数送至P0口，经过上拉电阻送到数码管的数据输入端，并通过P2.0~P2.3控制PNP的开通与关闭。当PNP导通时，相应的三极管控制的数码管就会工作，从而数码管就会显示障碍物到传感
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器的距离。其中P2.2控制个位，P2.1控制十位，P2.0控制百位。
图3.2 单片机最小系统
3.2.3 超声波发射接收模块
方案一：采用HC-SR04型超声波测距模块
HC-SR04超声波测距模块能够测量2cm-400cm距离的障碍物，具有非接触式距离感测功能，测量精度最大可达到3mm；此模块包括超声波发射器、接收器以及控制电路。HC-SR04超声波测距模块的实物图如图3.4所示。
HC-SR04的基本工作原理如下：
（1）通过给TRIG一个至少10μs的高电平，即可触发IO口测距。 （3）当检测到有信号返回时，IO口ECHO输出一个高电平，
高电平持续的时间就是超声波发射有接收信号的时间。测试距离=（声速（340m/s）*高电平时间）/2。
3.4 HC-SR04实物图
（2）当TRIG被触发时，模块自动发送8个40KHZ的方波，并自动检测是否有信号返回。