第4章 主要元件介绍
4.1 单片机AT89C51
单片机即单片微型计算机SCMC（Single Chip MicroComputer）。它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入输出设备（例如：串行口、并行输出口等）、中断系统、定时计数器等集中在一块芯CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入输出设备（例如：串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器EMCU（Embedded Microcontroller Unit)。
本设计的MCU采用的是DIP（Dual In-line Package塑料双列直插式）封装的AT89C51高性能8位单片机。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入输出（IO）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51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。其引脚图如右图4.1。
AT89C51的引脚功能有： 图4.1 AT89C51的引脚图
1) 主电源引脚
VSS——第20脚，电路接地电平。
VCC——第40脚，正常运行和编程校验+5V电源。 2) 时钟源
XTAL1——第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。当直接采用外部信号时，此引脚应接地。
XTAL1——第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。
3) 控制、选通或复用
RSTVPD——第9脚，RESET复位信号输入端口。当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。在VCC掉电期间，此引脚(即VPD)可接通备用电源，以保持片内RAM信息不受破坏。
——第30脚，输出允许地址锁存信号。当单片机访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。在非访问外部存储器期间，ALE仍以16振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。
——第29脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。
：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存端状态。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。
4) 多功能IO端口
P0口——第32~39脚，8位漏极开路双向IO端口。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，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
P1口——第1~8脚，具有内部上拉电路的8位准双向IO端口。在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。
P2口——第21~28脚，具有内部上拉电路的8位准双向IO端口。当单片机访问存储器时，用做高8位地址总线；在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。
P3口——第10~17脚，具有内部上拉电路的8位准双向IO端口。它还提供特殊的第二变异功能。它的每一位均可独立定义为第一功能的IO口或第二变异功能。第二变异功能的具体含义如表4.2：
表4.2 P3口的第二变异功能
端口引脚 P3.0 P3.1
第二功能 RXD （串行输入口） TXD （串行输出口）
P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 （外中断0） （外中断1） T0 （定时计数器0） T1 （定时计数器1） （外部数据存储器写选通） （外部数据存储器读选通） 4.2 超声波传感器T40、R40
超声波是指频率高于20kHz的机械波。超声波在恒定环境条件下的传播速度不变。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成接收器和发送器。超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成，当压电晶片的两极加上频率等于其固有谐振频率的脉冲信号时，压电晶片产生共振，并带动共振板产生振动，同时带动压电晶片也一起振动，将机械能转换为电能，称为超声波接收器。超声波传感器利用压电效应进行电能和超声波机械能的相互转换，也称为超声波换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志，但外观基本一致。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，其结构如图1所示，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工 图4.2 T40、R40外观 作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有TR-40-16，TR-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。本设计采用的就是发送超声波传感器T40及接收超声波传感器R40,其外观如图4.3。
4.3 温度传感器DS18B20
温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而增加）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而下降）。
本设计采用的是美国Dallas 半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。DS18B20支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
DS18B20采用3脚PR-35封装（图4.4）： DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下： 1) 适用电压为3V～5V；
2) 9～12位分辨率可调，对应的可编程温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、
0.0625℃；
3) TO-92、SOIC及CSP封装可选； 4) 测温范围：-55℃～125℃； 5) 精度：-10℃～85℃范围内±0.5℃；
6) 无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起； 7) 每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。
图4.4 PR-35封装图
第5章 硬件电路设计
5.1 超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图5.1所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
图5.1 超声波发射电路原理图
5.2 超声波接收电路
超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。超声波传感