单片机应用系统设计-声波测距仪设计.doc

单片机应用系统设计声波测距仪51 第 页摘 要本文详细介绍了一种基于单片机的超声测距系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离。在介绍了单片机性能和特点的基础上，分析了超声波测距的发展及基本原理，介绍了传感器的原理及特性。由此提出了系统的总体构成。然后简要介绍了利用51系列单片机设计测距仪的原理:单片机发出的超声波，通过换能器发射出去，遇到被测物体后反射回来，计算此超声波从发射出到接受的时间差从而得出被测物体到测距仪的距离。针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案做了论证。给出了系统的硬件原理图和软件实现框图。关键词:单片机,超声波,测距 The Design of System for Ultrasonic Distance Measurement Using MCUAbstractThe thesis introduces a kind of single-pulse-reflection ultrasonic distance meter system in detail based on single chip processor. The system could measure certain distance on the premise that the speed of reflected wave in the air is fixed. Based on the study of single chip processor, this paper summarizes the development and fundamental principle of ultrasonic detection. Then it presents the theory and characters of ultrasonic sensor. Moreover, it proposes the whole structure of the system by introducing the function of ultrasonic distance meter. Then this paper introduces the principle of distance一measuring一device which is designed with the single chip Processor of 51series. This principle is based on the ultrasonic measure which is calculated by the time used by ultrasonic traveling from the target. And then the transmission, receiver, detection, display scheme of this distance meter system are brought out. This paper presents the design of the Circuit and debug of the ultrasonic distance sensor.Key words: single-chip processor, ultrasonic, distance- measurement目录1 绪论11.1 课题背景11.2 超声波检测综述11.2.1 超声波检测的发展11.2.2 超声波检测简介31.3 单片机简介41.4超声波简介52 超声波测距仪的总体构想72.1 超声波测距的原理72.2 常见的测距法72.3 超声波传感器82.3.1 超声波传感器的原理及结构82.3.2超声波传感器的特性102.4 系统主要参数的确定112.4.1 测距仪的工作频率112.4.2 声速122.4.3 发射脉冲宽度122.4.4 测量盲区133 单片机基本原理153.1 单片机的组成153.2 单片机指令系统与汇编语言程序183.3 中断系统的基本原理与操作方式213.3.1中断系统的基本组成223.3.2中断系统的应用224 超声波测距仪的硬件设计254.1 超声波发射电路2542 超声波检测接收电路264.2.1 集成电路CX20106A简介264.2.2 接收电路图274.3 单片机系统及显示电路285 超声波测距仪的软件设计305.1 超声波测距仪的算法设计305.2 主程序305.3 超声波发射中断程序325.4 超声波接收中断程序335.5 显示子程序345.6 距离计算子程序356 总结37参考文献38附录39致谢511 绪论1.1 课题背景利用超声波作为定位技术是蝙蝠等生物作为防御和捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不能被人们听到的超声波(20Hz以上的机械波)，借助空气或其它介质传播。通过被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短和反射回来的信号强弱来判断反射物的类型及距离的远近。人类采用仿生学，人工发射出超声波。目前，超声波已应用在民用及国防工业中。例如:用超声波探测海洋潜艇位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置。利用超声波在固体里传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物界面上的反射来确定物体内部损伤(如裂缝、气孔及杂质等)位置，称之为无损探伤。利用超声波测距辅助机器人确定机器人自身位置和环境识别，从而准确避开障碍物按照预先规划好的行进方向行进来完成预定任务。另外还应用于矿井探测、液面探测、建筑、汽车报警等领域。超声波测距是一种非接触式检测方式，和红外、激光及无线电测距相比，超声波测距有其不受光线影响，结构和操作简单，成本低等特点。采用高精度视觉识别环境技术需要复杂的信息处理，且体积较大，价格昂贵。对于体积较小成本较低的机器人，这些特点尤为突出，相比之下，超声波测距的特点弥补了以上不足，在许多情况下能很好地完成探测任务。就此而言，本课题的研究是有一定实际意义的。1.2 超声波检测综述1.2.1 超声波检测的发展我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究上作，在一些上程检测中取得了较好的效果。 五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建上部门使用不多。自至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2, CTS-10型仪器。 1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑上程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项口，组织全国6个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有口的的研究阶段。随着电子上业的飞速发展，半导体兀件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是山晶体管分立兀件组成，具有波形和数码显示，仪器重量1OKg。七十年代，英国C.N.S公司推出仅有3. 5Kg重的PUNDIT便携式超声仪。 1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。 随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可以发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可以充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号己超过国外同类仪器水平。1.2.2 超声波检测简介超声波是一种频率超过20kHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性一反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到上业实用的要求，主要应用于倒车雷达、建筑施上上地以及一些上业现场，例如:液位、井深、管道长度等场合。超声在介质(固体、液体、气体)中传播时，利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射这一性质，在金属，非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土、人造石磨等进行探伤检验:在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深度以及探查海底底层等:在人体中则可以协助临床诊断疾病(如肝脓肿、肿瘤、胆结石等)和探测胎儿等。利用超声连续波的共振性质，可以测量高压容器，锅炉，轮船甲板等的厚度或腐蚀程度，也可制成机械滤波器。利用超声波的哀减特性，可以研究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动体时，利用多普勒效应，可以测量流速流量，探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某些信号，则可制成水中电话，水中遥测仪等，以进行水中通信。利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换。还可利用超声波检漏、测量液位、粘度、硬度和温度等。除此之外、声发射、声成像技术(包括声全息成像技术)的发展更大大丰富了超声检测的内容。超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结简单，成本低廉的优点，有利于上程实际使用。近十几年来由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。1.3 单片机简介随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术中的一个独特的分支，单片机的应用领域特越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。 单片机属于计算机的一个种类。从应用领域来看，单片机主要用于控制，所以也称它为微控制器（Microcontroller）。从单片机呈现给用户的供应状态来看，单片机产品仅是一块集成电路芯片，即它的所有功能部件都是集成在一块芯片上，所以称之为单片机（Single-Chip Microcomputer）。MCS-51单片机组成结构中包含运算器、控制器，片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。 图1 .1 51系列单片机封装图1.4超声波简介根据声音的频率不同，可分为很多种声波。人能听见声音的频率为20Hz20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的 声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波。它主要有以下特性:（1） 声速特性超声波速度受介质温度、压力等因素的影响,但在相同外部环境下,超声波在同一介质中的传播速度是一常数。这是所有超声仪表进行测量的基础。（2） 反射特性超声波从一种介质进入另一种介质时,由于两种介质密度不同,在两种介质分界面,其传播方向会发生改变,其中一部分折射入另一种介质,另一部分被反射回来。当超声波从固体传播到液体(或反过来) 时,声波因为传播的介质密度相近而几乎全部折射;当超声波从气体传播到固体或液体时,由于两种介质密度相差悬殊,声波几乎全部被反射,超声波测距仪充分利用了这一特性。（3） 衰减特性超声波在传播过程中,由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收,声波强度会产生衰减。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的 这种性质就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播速度较慢，为340 m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。2 超声波测距仪的总体构想2.1 超声波测距的原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离SCt2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。表2.1 温度与波速的关系表温度/-20-100102030100波速/m/s319325323338344349386由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。所以列出了几种不同温度下的波速,请看表2.1所示。在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。2.2 常见的测距法目前最常用的测距法有两种:(1) 超声波测距法:超声波是频率20kHz以上的机械振动波，利用发射脉冲和接收脉冲的时间间隔推算出距离。超声波测距法的缺点是波束较宽，其分辨力受到严重的限制，因此，主要用于导航和回避障碍物。(2) 激光测距法:激光测距法也可以利用回波法，或者利用激光测距仪，其工作原理如下:氦氖激光器固定在基线上在基线的一端由反射镜将激光点射向被测物体，反射镜固定在电动机轴上，电动机连续旋转，使激光点稳定地对被测目标扫描。由CCD(电荷耦合器件)摄像机接受反射光，采用图像处理的方法检测出激光点图像，并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射角。利用三角测距原理即可算出反射点的位置。 由于我们是在实验室中进行的实验和设计，所以我们选用超声波测距法，这样会使成本降低。2.3 超声波传感器2.3.1 超声波传感器的原理及结构超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨” 或“笛” 。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为的 交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。双压电晶片由A，两部分构成当在 AB 间施加交流电压时，若 A 片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。双压电晶片的等效电路如图 2.1 所示，静电电容，R 为陶瓷材料介电损耗并联电阻 Cm 和 Lm 为机械共振回路的电容和电感，Rm 为损耗串联电阻。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。 图2.1 双压电晶片等效电路超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。2.3.2超声波传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的SZW-S40-12M 发射型超声波传感器为例进行说明。A.频率特性 图2.2 超声波传感器频率特性图 2.2 是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中，40KHz 为超声发射传感器的中心频率，在处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在处所产生的超声声压能级最高。而在 两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率的交流电压来激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R 也有很大关系，如果 R 很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果 R 较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。B.指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。图 2.3 是电路中选用得发射传感器的指向图。 图2.3 超声波发射传感器指向图超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为 40 80，课题中超声发射传感器的指向角为 75。2.4 系统主要参数的确定2.4.1 测距仪的工作频率传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑：(1) 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率2) 工作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。(3) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。2.4.2 声速声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为 V=331.40.607T(mm/ms)式中，T 是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 mm/ms。2.4.3 发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了 24s (1 个 40KHz 脉冲方波)，48s( 2个 40KHz 脉冲方波)，240s (10 个 40KHz 脉冲方波)，作为发射信号后的接收信号，最终选用 48s (2个 40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。2.4.4 测量盲区在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下：当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平 VM ；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值 Vm ，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。由图 2.4从 b 点以后，接收的信号低于阈值，相当于测距的远限。另外，从图中A 点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。从 c 点以后，发射信号低出阈值 Vm ，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高时，把 oc 这段时间规定为盲区时间。从距离上说，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。因此，cb 为可测距范围；b 点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。 图2.4 传感器回波检测原理分析3 单片机基本原理3.1 单片机的组成随着计算机应用技术的迅速发展，单片机在工业测控领域的应用越来越广泛。单片机自身所具有的体积小、重量轻、灵活性强、价格低等许多优点，决定了它在较长的时期内还会获得形式多样、特点不同的广泛应用，8051系列单片机在小到中型场合很常见，而自80年代中期INTEL公司将8051单片机的内核向世界各大半导体公司扩散以来，8051已经成为有众多制造商支持、具有上百个品种的大家族，并成为单片机领域的实际标准。用户要单片机执行的各种命令（程序）也以数据的形式由存贮器送入控制器，由控制器解读（译码）后变为各种控制信号，以便执行如加、减、乘、除等功能的各种命令。所以，这一类信息就称为控制命令，即由控制器去控制运算器一步步地进行运算和处理，又控制存贮器的读（取出数据）和写（存入数据）等。第三类信息是地址信息，其作用是告诉运算器和控制器在何处去取命令取数据，将结果存放到什么地方，通过哪个口输入和输出信息等。存贮器又分为只读存贮器和读写存贮器两种，前者存放调试好的固定程序和常数，后者存放一些随时有可能变动的数据。顾名思义，只读存贮器一旦将数据存入，就只能读出，不能更改（EPROM、E2PROM等类型的ROM可通过一定的方法来更改、写入数据）。而读写存贮器可随时存入或读出数据。实际上，人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元CPU。单片机除了进行运算外，还要完成控制功能。所以离不开计数和定时。因此，在单片机中就设置有定时器兼计数器。到这里为止，我们已经知道了单片机的基本组成，即单片机是由中央处理器（即CPU中的运算器和控制器）、只读存贮器（通常表示为ROM）、读写存贮器（又称随机存贮器通常表示为RAM）、输入/输出口（又分为并行口和串行口，表示为I/O口）等等组成。实际上单片机里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运算和控制时，都能有节奏地进行。另外，还有所谓的“中断系统”，这个系统有“传达室”的作用，当单片机控制对象的参数到达某个需要加以干预的状态时，就可经此“传达室”通报给CPU，使CPU根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施。单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带”，即所谓的“内部总线”。此总线有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAMI/O口、中断系统等就分布在此“总线”的两旁，并和它连通。从而，一切指令、数据都可经内部总线传送，有如大城市内各种物品的传送都经过干道进行。MCU-51 CPU和存储器。单片机8051的CPU由运算器和控制器组成。A 运算器：运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器ACC是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV P对用户来讲，最关心的是以下四位。 a、进位标志CY（PSW.7）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。 b、辅助进位标志AC。又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则AC为1状态，否则为0。 c、溢出标志位OV。MCS51反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。 d、奇偶标志P。反映累加器ACC内容的奇偶性，如果ACC中的运算结果有偶数个1（如11001100B，其中有4个1），则P为0，否则，P=1。PSW的其它位，将在以后再介绍。由于PSW存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字。运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机（又称布尔处理机）。其功能在介绍位指令时再说明。B 控制器控制器是CPU的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。这里程序计数器PC是由16位寄存器构成的计数器。要单片机执行一个程序，就必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM的某个区域。单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。因此，必须有一个电路能找出指令所在的单元地址，该电路就是程序计数器PC。当单片机开始执行程序时，给PC装入第一条指令所在地址，它每取出一条指令（如为多字节指令，则每取出一个指令字节），PC的内容就自动加1，以指向下一条指令的地址，使指令能顺序执行。只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令，或遇到中断时（后面将介绍），PC才转到所需要的地方去。8051 CPU碢C指定的地址，从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号，这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化的电平和时钟，即所谓控制信息，在CPU内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。C 存储器存储器是单片机的又一个重要组成部分，每个存储单元对应一个地址，256个单元共有256个地址，用两位16进制数表示，即存储器的地址（00HFFH）。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息，通常用两位16进制数来表示，这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念，不能混淆。a、程序存储器：程序是控制计算机动作的一系列命令，单片机只认识由“0”和“1”代码构成的机器指令。如前述用助记符编写的命令MOV A，20H，换成机器认识的代码74H、20H：（写成二进制就是01110100B和00100000B）。在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中，该存储器称为程序存储器。程序存储器可以放在片内或片外，亦可片内片外同时设置。由于PC程序计数器为16位，使得程序存储器可用16位二进制地址，因此，内外存储器的地址最大可从0000H到FFFFH。8051内部有4k字节的ROM，就占用了由0000H0FFFH的最低4k个字节，这时片外扩充的程序存储器地址编号应由1000H开始，如果将8051当做8031使用，不想利用片内4kROM，全用片外存储器，则地址编号仍可由0000H开始。不过，这时应使8051的第31脚（即EA脚）保持低电平。当EA为高电平时，用户在0000H至0FFFH范围内使用内部ROM，大于0FFFH后，单片机CPU自动访问外部程序存储器。b、数据存储器：单片机的数据存储器由读写存储器RAM组成。其最大容量可扩展到64k，用于存储实时输入的数据。8051内部有256个单元的内部数据存储器，其中00H7FH为内部随机存储器RAM，80HFFH为专用寄存器区。实际使用时应首先充分利用内部存储器，从使用角度讲，搞清内部数据存储器的结构和地址分配是十分重要的。因为将来在学习指令系统和程序设计时会经常用到它们。8051内部数据存储器地址由00H至FFH共有256个字节的地址空间，该空间被分为两部分，其中内部数据RAM的地址为00H7FH（即0127）。而用做特殊功能寄存器的地址为80HFFH。在此256个字节中，还开辟有一个所谓“位地址”区，该区域内不但可按字节寻址，还可按“位（bit）”寻址。对于那些需要进行位操作的数据，可以存放到这个区域。从00H到1FH安排了四组工作寄存器，每组占用8个RAM字节，记为R0R7。究竟选用那一组寄存器，由前述标志寄存器中的RS1和RS0来选用。在这两位上放入不同的二进制数，即可选用不同的寄存器组，。c、特殊功能寄存器：特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为80HFFH。在MCS51中，除程序计数器PC和四个工作寄存器区外，其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。其中5个是双字节寄存器，它们共占用了26个字节。特殊功能寄存器反映了8051的状态，实际上是8051的状态字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS51共有P0P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。3.2 单片机指令系统与汇编语言程序前面已经讲述了单片机的几个主要组成部分，这些部分构成了单片机的硬件。所谓硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的实体。但是光有这样的硬件，还只是有了实现计算和控制功能的可能性。单片机要真正地能进行计算和控制，还必须有软件（Software）的配合。软件主要指的是各种程序。只有将各种正确的程序“灌入”（存入）单片机，它才能有效地工作。单片机所以能自动地进行运算和控制，正是由于人把实现计算和控制的步骤一步步地用命令的形式，即一条条指令（Instruction）预先存入到存贮器中，单片机在CPU的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行。就以两个数相加这一简单的运算来说，当需要运算的数已存入存贮器后，还需要进行以下几步： 所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作（Operation），我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令。但是怎样才能辨别和执行这些操作呢？这是在设计单片机时由设计人员赋予它的指令系统所决定的。一条指令，对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统（Instruction Set），不同种类的单片机，其指令系统亦不同。使用单片机时，事先应当把要解决的问题编成一系列指令。这些指令必