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1、摘 要介绍了超声波测距的根本原理和系统框图，给出了超声波发射和接收电路，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。利用超声波传输中距离与时间的关系，采用8051单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。系统主要由超声波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、环境温度检测电路及显示电路构成。利用所设计出的超声波液位检测系统，对液面进行了测试，采集当时的环境温度获得精确的速度，计算出液面距离。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。 关键词： 超声波，液位测量，温度传感器目 录前言11 总体概述12 超声波和超声波传感器32
2、.1 超声波3 2.1.1 定义3 2.1.2 超声波的主要参数3 2.1.3 超声波的特性3 2.1.4 超声波的特点3 2.1.5 超声波传感器的主要应用3 2.2 超声波传感器测距原理4 2.2.1 超声波传感器4 2.2.2 超声波传感器的性能指标4 2.2.3 超声波传感器的结构5 2.2.4 超声波测距原理53 MCS-51系列单片机73.1 8051单片机的总体结构7 3.1.1 8051单片机的总体框图和功能7 3.1.2 8051的引脚功能83.2 8051单片机的定时器/计数器 10 3.2.1 8051的定时器/计数器功能 10 3.2.2 定时器控制存放器10 3.2.
3、3 工作方式控制存放器11 3.2.4 中断允许控制存放器IE11 3.2.5 定时器/计数器的工作方式113.3 8051单片机的中断12 3.3.1 中断的定义12 3.3.2 8051单片机的中断源12 3.3.3 中断控制的专用存放器134 硬件设计164.1 8051 单片机的最小系统组成 164.2 超声波发射电路设计17 4.2.1 超声波频率及探头的选择17 4.2.2 超声波发射电路174.3 超声波接收电路设计18 4.3.1 超声波接收器18 4.3.2 超声波接收电路图194.4 温度检测电路20 4.4.1 温度检测方案的分析204.4.2数字温度传感器DS18B20
4、简介20 4.4.3 DS18B20的结构及电路204.5 显示方案的论证与选择214.5.1 LED显示电路图214.6 稳压电源22 4.6.1 稳压电源构成22 4.6.2 +5V电源电路23 4.6.3 +12V电源电路235 软件设计255.1 主程序设计265.1.1 主程序流程图265.1.2 主程序275.2 中断效劳子程序275.2.1 中断初始化275.2.2 中断子程序流程图295.3 温度检测子程序295.4 距离的计算30结论31致谢32参考文献33附录 A34附录 B35前 言近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速开展，液位测量仪表中的测量技术也开展很快，经历了由
5、机械式向机电一体化再到自动化的开展过程。结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统以后，使得液位计的精度越来越高，越来越向智能化、一体化、小型化的方向开展。从上世纪八十年代开始，一些兴旺国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的研究成果，将各种新技术、新方法应用到储罐液位测量领域。电子式测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位测量方法中，有许多新的测量原理，包括压电式、应变式、雷达式、超声波式、浮球式、电容式、磁致伸缩式、伺服式、混合式等二十多种测量技术。由于该方法测量精度高，可靠性强，持续时间长，安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法。用于储罐液位测量的
6、众多电子式技术中，压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式五种测量技术应用最为广泛，约占总数的 60%以上。其中，超声波式测量技术的应用份额最大。超声波液位测量有很多优点:它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号。与放射性技术相比，超声技术不需要防护。与目前的激光测量液位技术相比，超声方法比拟简单而且价格较低。一般说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，所以在安装和维护上有很大的优越性。特别是超声测位技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。所以在测量要求比拟特殊，一般液位测量技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。在未来，超声波的液位测量将
7、有更大的用途，更大的应用范围。它不但可以帮助人们解决很多生活中的困难，还可以作为科学探测和研究的手段。特别是水位的测量，可以帮助确定水位的高度，以便于其他工作的顺利进行。1总体概述我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波1。超声波发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，那么可认为声速是根本不变的。表1.1 超声波波速与温度的关系表 温度-30-20-100102030100声速m/s3133
8、19325323338344349386超声波液位测距原理框图如图1.1单片机发出40kHZ的信号，通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，进行处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。 超声波接收超声波发送8051单片机LED显示温度检测555 电路图1.1 超声波测距系统设计框图1.1工作原理本文采用超声脉冲回波法测液位5。超声脉冲回波法的根本原理是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间，根据当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式 1.
9、1 计算出超声波传播的距离，也就得到了障碍物离测试系统的距离。测距原理如图 1.2 所示。 S=Ct2 1.1式中 S 为被测距离，C 为超声波的传播速度，t 为回波时间，t=Tl+T2。图 1.2 超声波测距原理图利用超声波在液体中传播时，有较好的方向性，且传播过程中能量损失较少，遇到分界面时能反射的特性，可用回波测距的原理，测定超声波发射后遇液面反射回来的时间，以确定液面的高度。超声波液位检测的原理图如图 1.3 所示。图 1.3 超声波液位检测原理图由图1.3可知h=H-S 1.2式中 S 为超声波探头到液面的距离，可由式 1.1 求得， H 为超声波探头到容器底的距离，需要提前测定，h
10、 为所要测的液位高度。为了防止超声波发射探头发出的超声波直接传入接收探头引起误差，两个探头在安装时应平行并且相距 48cm。在软件设计时，为了消除这个误差，INT0 应当在超声波发射探头发射超声波后 0.3ms 再开启，以防从发射探头发出的超声波直接进入接收探头触发中断。在 20条件下超声波的传播速度为 344m/s，超声波在 0.3ms 时间内在空气中可以传播 10.32cm，已经超出发射和接收探头之间的距离，此时超声波接收探头已经接收不到从发射探头直接发射过来的超声波，此时再开启 INT0 中断，就不会因为发射探头发出的超声波直接进入接收探头触发中断产生时间误差。2超声波和超声波传感器2.
11、1 超声波2.1.1 定义科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波。2.1.2 超声波的主要参数超声波的两个主要参数： 频率：F20K/Hz； 功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体外表的污物进行清洗，其原理可用“空化现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强到达一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可到达真
12、空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向到达最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体外表的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化现象。 太小的声强无法产生空化效应。2.1.3 超声波的特性 1超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2超声波可传递很强的能量。 3超声波会产生反射、干预、叠加和共振现象。 4超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。2.1.4 超声波的特点1超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2超声波能在各种不同媒质中传
13、播，且可传播足够远的距离。 3超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效应。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介如B超等用作诊断；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构用作治疗。2.1.5 超声波传感器的主要应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、
14、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢送。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的上下。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息地探测人们所需要
15、的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。2.2 超声波传感器测距原理2.2.1 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的鼓励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检
16、测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。2.2.2 超声波传感器的性能指标超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： 1工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 2工作温度。由于压电材料的居里点一般比拟高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比拟低，可以长时间地工作
17、而不会失效。医疗用的超声探头的温度比拟高，需要单独的制冷设备。 3灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。2.2.3 超声波传感器的结构超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，直探头、斜探头、外表波探头、兰姆波探头、双探头等。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，那么会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶
18、片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要到达1mm，并且具有较强的超声波辐射。利用常规
19、双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70KHz的情况下，是不可能到达此目的的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6107kg/m2s，而空气的声阻抗为4.3102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射外表上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻抗相匹配。这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下，仍然能够正常工作。2.2.4 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰
20、到障碍物就立即返回来，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340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法2。 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=CT式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。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
21、离测量，虽然目前的测距量程上能到达百米，但测量的精度往往只能到达厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。3MCS-51系列单片机3.1 8051单片机的总体结构MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制存放器、4kB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。3.1.1 8051单片机的总体框图及
22、功能内部总体结构如下：8位CPU4kbytes 程序存储器(ROM)128bytes的数据存储器(RAM)32条I/O口线111条指令，大局部为单字节指令21个专用存放器2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为64kB外部程序存储器寻址空间为64kB逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装单一+5V电源供电图3.1 8051单片机的内部根本结构图3.1是8051的内部结构框图，从图中可以看出，单片机内部各功能部件都是挂靠在内部总线上的，它们通过内部总线传送地址信息，各功能部件分时使用总线，即所谓的内部但总线结构。3.1.2 8051的引脚功
23、能8051单片机采用40脚双列直插式封装，其引脚排列及逻辑符号如图3.2所示。图3.2 8051单片机引脚图下面分别说明各引脚的含义和功能3。1主电源引脚Vcc和VssVcc电源端。工作电源和编程校验+5V。Vss接地端。2时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2分别用作晶体振荡电路的反相器输入和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号；假设采用外部振荡电路，那么XTAL2用于输入外部振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路，而XTAL1必须接地。3控制信号引脚RST/Vpp、ALE/PROG、PSE
24、N和EA/VppRST/Vpp RST为复位信号输入端。当RST端保持两个机器周期24个时钟周期以上的高电平时，使单片机完成复位操作。第二功能Vpp 为内部RAM的备用电源输入端。当主电源Vcc一旦发生断电称掉电或失电，降到一定低电压值时，可通过Vpp为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丧失，使上电后能继续正常运行。ALE/PROGALE为地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0扩展地址低8位的地址信号。在不访问外部存储器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，因而它又可用作外部定时或其它需要。但是，在遇到访问外部数据存储器时，会丧失一个ALE脉冲。
25、ALE能驱动8个LSTTL门输入。第二功能PROG是对内部ROM编程时的编程脉冲输入端。PSEN外部程序存储器ROM的读选通信号。当访问外部ROM时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号。而在访问外部数据RAM或片内ROM时，不会产生有效的PSEN信号。PSEN可驱动8个LSTTL门输入端。EA/Vpp访问外部程序存储器控制信号。对80C51，它们的片内有4KB的程序存储器，当EA为高电平时，CPU访问程序存储器有两种情况：第一种情况是访问的地址空间在04K范围内，CPU访问片内程序存储器；第二种情况是访问的地址超出4K时，CPU将自动执行外部程序存储器的程序，即访问外部ROM。当EA接
26、地时，只能访问外部ROM。第二功能Vpp 为编程电源输入。44个8位I/O端口P0、P1、P2和P3P0口P0.0P0.7是一个8位漏极开路型的双向I/O口。第二功能是在访问外部存储器时，分时提供低8位地址线和8位双向数据总线。在对片内ROM进行编程和校验时，P0口用于数据的输入和输出。P1口P1.0P1.7是一个内部带提升电阻的准双向I/O口。在对片内ROM编程和校验时，P1口用于接收低8位地址。P2口P2.0P2.7是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。第二功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址。在对片内ROM进行编程和校验时，P2口用作接收高8位地址和控制信号。P3口P2.0P2.
27、7是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。3.2 8051单片机的定时器/计数器3.2.1 8051的定时器计数器功能1计数功能所谓计数是指时外部脉冲进行计数。外部脉冲通过T0(P3.4)、T1(P3.5)两个信号引脚输入。输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加1(加法计数)。计数脉冲的频率不能高于晶振频率的1/24。2定时功能定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，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。3.2.2 定时器控制存放器表 3.1 定时器控制存放器TCON位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88
28、H位符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT01TF0TF1计数溢出标志位当计数器计数溢出计满时，该位置“1查询方式时，此位作状态位供查询，软件清“0；中断方式时，此位作中断标志位，硬件自动清“0。2TR0TR1 定时器运行控制位TR0TR1=0 停止定时器计数器工作TR0TR1=1 启动定时器计数器工作软件方法使其置“1或清“0。3.2.3 工作方式控制存放器各位定义如下：表3.2 工作方式控制器存放器 TMOD位序 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0位符号 GATE C/T( ) M1 M0 GATE C/T( ) M1 M01GATE 门控位GATE
29、=0以运行控制位TR启动定时器GATE=1以外中断请求信号/INT0或/INT1启动定时器2C/T 定时方式或计数方式选择位C/T=0定时工作方式C/T=l计数工作方式3M1、M0 工作方式选择位M1、M0=00 方式0M1、M0=01 方式1M1、M0=10 方式2M1、M0=11 方式33.2.4 中断允许控制存放器IE1EA中断允许总控制位2ET0和ET1定时计数中断允许控制位ET0(ET1)=0禁止定时计数中断ET0(ET1)=1允许定时计数中断3.2.5 定时器/计数器的工作方式1方式0方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH0全部8位和TL0的低5位构成。TH0的高3位弃之
30、不用。当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：213-计数初值晶振周期122方式1方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH0全部8位和TL0全部8位构成。其电路和工作情况与方式0完全相同。在方式1下的定时时间的计算公式为：216-计数初值晶振周期12 3方式2 初始化时，8位计数初值同时装入TL0和TH0中。当TL0计数溢出时，置位TF0，同时把保存在预置存放器TH0中的计数初值自动加载TL0，然后TL0重新计数。当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：255-计数初值晶振周期124方式3工作方式3下的定时器计数器0在工作方式3下，定时器计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH
31、0。其中TL0既可以计数使用，又可以定时使用，定时器计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。TH0那么只能作为简单的定时器使用。工作方式3下的定时器计数器1如果定时器计数器0已工作在工作方式3，那么定时器计数器1只能工作在方式0、方式1或方式2下，因为它的运行控制位TR1及计数溢出标志位TF1已被定时器计数器0借用，如下图。在这种情况下，定时器计数器1通常是作为串行口的波特率发生器使用，以确定串行通信的速率。3.3 8051单片机的中断3.3.1 中断的定义所谓的中断就是，当 CPU 正在处理某项事务的时候，如果外界或者内部发生了紧急事件，要求 CPU 暂停正在处理工作而去处理这个紧急事件，待
32、处理完后，再回到原来中断的地方，继续执行原来被中断的程序，这个过程称作中断。 从中断的定义我们可以看到中断应具备中断源、中断响应、中断返回这样三个要素。中断源发出中断请求，单片机对中断请求进行响应，当中断响应完成后应进行中断返回，返回被中断的地方继续执行原来被中断的程序。3.3.2 8051单片机的中断源8051单片机的中断源共有两类，它们分别是：外部中断和内部中断。1外部中断源 外部中断0：来自 P3.2 引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。外部中断1：来自 P3.3 引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。2内部中断源 定时器计数器0 T0 ：定时功能时，计数脉冲来自片内；
33、计数功能时，计数脉冲来自片外 P3.4 引脚。发生溢出时，产生中断请求。定时器计数器1 T1 ：定时功能时，计数脉冲来自片内；计数功能时，计数脉冲来自片外 P3.5 引脚。发生溢出时，产生中断请求。串行口：为完成串行数据传送而设置。单片机完成接受或发送一组数据时，产生中断请求。3.3.3 中断控制的专用存放器MCS-51单片机为用户提供了四个专用存放器，来控制单片机的中断系统。1定时器控制存放器TCON 该存放器用于保存外部中断请求以及定时器的计数溢出。进行字节操作时，存放器地址为88H。按位操作时，各位的地址为88H8FH。存放器的内容及位地址表示如下：表3.3 存放器TCON位地址 8FH
34、 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 位符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 IT0 和IT1外部中断请求触发方式控制位IT0 IT11 脉冲触发方式，下降沿有效IT0 IT10 电平触发方式，低电平有效IE0和IE1外中断请求标志位当CPU采样到INT0或INT1端出现有效中断请求时，IE0IE1位由硬件置“1。当中断响应完成转向中断效劳程序时，由硬件把IE0或IE1清零。TR0 和TR1定时器运行控制位TR0 TR1 0 定时器/计数器不工作TR0 TR1 1 定时器/计数器开始工作l TF0和TF1计数溢出标志位当计数器产生计数溢出时，
35、相应的溢出标志位由硬件置“1”。当转向中断效劳时，再由硬件自动清“0”。计数溢出标志位的使用有两种情况：采用中断方式时，作中断请求标志位来使用；采用查询方式时，作查询状态位来使用。2串行口控制存放器SCON 进行字节操作时，存放器地址为98H。按位操作时，各位的地址为98H9FH。存放器的内容及位地址表示如下：表3.4 串行口控制存放器SCON位地址 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H 位符号 SM0 SM1 SM2 R EN TB8 RB8 TIRI其中与中断有关的控制位共2位：TI串行口发送中断请求标志位当发送完一帧串行数据后，由硬件置“1；在转向中断效劳程序后
36、，用软件清“0。RI串行口接收中断请求标志位当接收完一帧串行数据后，由硬件置“1”；在转向中断效劳程序后，用软件清“0”。串行中断请求由TI和RI的逻辑或得到。就是说，无论是发送标志还是接收标志，都会产生串行中断请求。3中断允许控制存放器IE 进行字节操作时，存放器地址为0A8H。按位操作时，各位的地址为0A8H0AFH。存放器的内容及位地址表示如下：表3.5 中断允许控制存放器IE位地址 0AFH 0AEH 0ADH 0ACH 0ABH 0AAH 0A9H 0A8H 位符号 EA / / ES ET1 EX1 ET0 EX0 其中与中断有关的控制位共6位：EA中断允许总控制位EA0 中断总禁
37、止，禁止所有中断EA1 中断总允许，总允许后中断的禁止或允许由各中断源的中断允许控制位进行设置。EX0和EX1外部中断允许控制位EX0EX10 禁止外部中断EX0EX11 允许外部中断ET0和ET1定时器/计数器中断允许控制位ET0ET10 禁止定时器/计数器中断ET0ET10 允许定时器/计数器中断ES串行中断允许控制位ES=0 禁止串行中断ES=1 允许串行中断可见，MCS-51单片机通过中断允许控制存放器对中断的允许开放实行两级控制。即以EA位作为总控制位，以各中断源的中断允许位作为分控制位。当总控制位为禁止时，关闭整个中断系统，不管分控制为状态如何，整个中断系统为禁止状态；当总控制位为
38、允许时，开放中断系统，这时才能由各分控制位设置各自中断的允许与禁止。MCS-51单片机复位后IE00H，因此中断系统处于禁止状态。单片机在中断响应后不会自动关闭中断。因此在转中断效劳程序后，应根据需要使用有关指令禁止中断，即以软件方式关闭中断。4. 硬件设计硬件电路主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路以及温度检测电路组成。单片机选用8051，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机8051通过P1.0引脚经振荡器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变
39、为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，并进行温度的测量，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。最后通过数码管LED显示出来。用LED显示数字比拟清晰，而且电路结构简单，本钱低廉。4.1 8051单片机的最小系统组成单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成单片机可以工作的系统。对8051单片机来说，最小系统应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。下面是8051单片机的最小系统电路。图4.1 最小系统电路图图4.1中，P0.0P0.7用来控制LED的段码，P2.0P2.3用来控制LED的位码，P1.3用来和温度传感器DS18B20连接，超声波
40、发射电路和单片机8051的P1.0口连接，而超声波接收电路连接到8051的外部中断INT0。因此单片机8051不需要进行外部扩展就可满足超声波测距电路的系统要求4。电源采用+5V电源供电。晶振X1的频率是12MHZ。4.2 超声波发射电路设计4.2.1 超声波频率及探头的选择超声波在空气中频率越高，功率越大，精度越高，但在空气中衰减越快；相反频率越低，功率越小，在空气中衰减越慢，但误差大。综合考虑75KHZ、40KHZ、25KHZ等几个常用超声波频率的特点，取40KHZ可以较好的解决这个矛盾。为了便于超声波的发射和接收，采用共振频率为40KHZ的超声波探头，其发射探头选用TCT40-10F1。
41、4.2.2 超声波发射电路超声波发射电路由超声波换能器或称超声波振头和超声波发生器两局部组成， 40KHz的超声波信号是利用555时基电路振荡产生的，振荡频率f 1.43/(R9+2R10) C5，通过R10调节信号频率，使之与换能器的40KHz固有频率一致，为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源5。工作时，单片机通过P1.0口向超声波发生电路发出控制信号从555振荡电路的4脚输入到驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。 图4.2 超声波发射电路由555型电路组成多谐振荡器，它的振荡频率为40kHz。R10用来调节信号频率。多谐振荡器产生的40kHz的脉冲由3脚输出，通过超声波发射器向外发射。4.3 超声波接收电路设计4.3.1 超声波接收器超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路和波形变换电路三