【正文】 STC89C52 單片機(jī)作為核心控制器 ,在智能小車移動的過程中，由測距儀進(jìn)行實(shí)時(shí)距離的探測與對比，當(dāng)無線測距儀通過對超聲波傳播時(shí)間的運(yùn)算得到實(shí)際的距離值之后，主控制器便會拿實(shí)際的距離跟系統(tǒng)設(shè)定的距離報(bào)警值進(jìn)行對比，當(dāng)測量出來的實(shí)際距離值小于系統(tǒng)初始設(shè)定的報(bào)警距離時(shí)，蜂鳴器收到報(bào)警指令后就會立即報(bào)警。 系統(tǒng)主要功能包括 [1]： （ 1） STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)：主要控制計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示 以及距離的計(jì)算等； （ 2）超聲波發(fā)射與接收電路：控制聲波的發(fā)射與接收，為距離的測量工作提供計(jì)算時(shí)間的依據(jù)； （ 3）四位共陽數(shù)碼管：實(shí)時(shí)顯示距離； （ 4）按鍵：負(fù)責(zé)給單片機(jī)最小系統(tǒng)輸入設(shè)置指令，比如加鍵、減鍵、復(fù)位鍵； （ 5）復(fù)位電路：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行 的過程中出現(xiàn)不正常的狀況時(shí)，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行可通過復(fù)位電路進(jìn)行系統(tǒng)初始化； （ 6）時(shí)鐘電路：負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)工作； （ 7）電源電路：為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸出。 如圖 1 所示：系統(tǒng)方框結(jié)構(gòu)圖。相對于普通計(jì)算機(jī)笨重的主機(jī) ， 單片機(jī)展現(xiàn)出了體積小、分量輕、性價(jià)比高優(yōu)勢 ， 而且實(shí)現(xiàn)自動檢測與控制 ， 因此單片機(jī)也被稱為嵌入式微控制器EMCU（ EmbeddedMicrocontrollerUnit)。在單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算方面 提供了高性 價(jià)比 7 的解決方案。 （ 2）時(shí)鐘源引腳 單片機(jī)的時(shí)鐘引腳有兩個(gè)，即第 19位引腳 —XTAL1引腳和 XTAL2引腳。 （ 3）復(fù)位引腳 8 為了提高單片機(jī)在運(yùn)行過程中的抗干擾能力，而且保證整個(gè)電路的穩(wěn)定工作， STC89C52還具備復(fù)位功能 RST——第 9 位引腳， RST 作為 RESET 復(fù)位信號輸入端口，為了讓單片機(jī)能夠正常工作，當(dāng)給系統(tǒng)連續(xù)輸入 2 個(gè)周期以上的有效高電 平時(shí)，復(fù)位引腳接收到高電平信號后，使得整個(gè)系統(tǒng)完成復(fù)位初始化操作。在 P0 口作為輸出端口的時(shí)候，這 8 個(gè)引腳端口能驅(qū)動 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，在對這 8個(gè)端口進(jìn)行賦值定義的時(shí)候，只要寫入 “1”就意味著將這些端口設(shè)置為高阻抗輸入端。 單片機(jī)的第 21～ 28 引腳分別是 P2 口的 ～ 端口，它和 P1 同樣是 8 位具有內(nèi)部上拉電路的準(zhǔn)雙向 I/O 端口。也就是說， P3 口既能獨(dú)立定義原來的 I/O 口功能，也能定義第二變異功能。 一般情況下，我們選擇的超聲波傳感器都是以壓電的方式來產(chǎn)生超聲波的，這種傳感器的探頭通常是用晶體材料或者陶瓷材料制成的，這些材料也要通過壓電處理，而探頭的工作原理正是利用這些通過壓電處理過的材料所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，如圖 3 所示 [3]。對于超聲波傳感器探頭而言，其最重要的部分是一塊通過壓電處理過的晶片，這個(gè)晶片儲藏在探頭外部的包裹之下，而探頭的外部材料通常是塑料材質(zhì)或金屬材質(zhì)的。也就是說，增加超聲波傳感器靈敏度的方法，就是通過調(diào)節(jié)使得傳感器的工作時(shí)所產(chǎn)生的交流電的電壓頻率和晶片共同振動時(shí)所產(chǎn)生的頻率一致，這樣能產(chǎn)生巨大的能量和超高的靈敏度。傳感器靈敏度的高低主要是由其生產(chǎn)制造過程中所使用的晶片決定的。 ａ STC89C52 ｂ 超聲波 傳感器 11 c 數(shù)碼管 ｄ 按鍵 圖 4 硬件元件電路組圖 超聲波電路 通過內(nèi)部原理圖， 可以發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器中的反相器和超聲波發(fā)射換能器主要構(gòu)成超聲波傳感器的發(fā)射電路。單片機(jī)的第 12 號引腳 INT0 端口輸出 8 個(gè)頻率在 40kHz 左右的方波信號，這個(gè)信號分成兩路形成一個(gè)回路，其中超聲波換能器的一個(gè)電極接收到的信號是由一級反向器推送到，而超聲波換能器的另一個(gè)電極所接收到的信號則是由兩級反向器推送到。其工作的模式為：反射源信號經(jīng)過放大以后，通過對信號的解析，只要接收到符合要求的頻率信號，單片機(jī)控制器就會接到來自鎖相環(huán)電路發(fā)出的中斷請求。只要傳感器的接收電路檢測到有回波信號，則傳感器的 ECHO 引腳便開始輸出回響信號。 圖 8 超聲波時(shí)序圖 電源設(shè)計(jì) 觸發(fā)信號 模塊內(nèi)部 發(fā)出信號 輸出回響 信號 14 電源電路如圖 9 所示。 數(shù)碼管的顯示由 STC89C52 的 P1 口控制輸出，傳感器動態(tài)接受反射波過程中，控制器在距離測量結(jié)束后開始調(diào)用顯示程序，將主控制器計(jì)算出的距離值通過 P3 端口中的 口送到數(shù)碼管并顯示出來，這樣我們就能清楚實(shí)時(shí)的距離變化了。 至于機(jī)器周期的問題，根據(jù)所采用的晶振類型不同，機(jī)器周期也會隨之產(chǎn)生變化，以頻率為 12MHz 的晶振為例，復(fù)位信號持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于 2us。如果，在設(shè)計(jì)過程中采用的是外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件時(shí)候，我們要特別注意： XTAL2應(yīng)接地。 圖 12 時(shí)鐘電路圖 聲音報(bào)警電路 16 如下圖所示，系統(tǒng)中 的聲音報(bào)警電路主要是由蜂鳴器、三極管、 2K 電阻 3 個(gè)元件構(gòu)成，在實(shí)際測量中只要測量值小于警報(bào)值，單片機(jī)的 端口就發(fā)出一個(gè)信號聲音報(bào)警電路，使得蜂鳴器開始嘯叫，達(dá)到報(bào)警效果。 圖 14 最小系統(tǒng) 超聲波傳感器模塊 17 在此次基于單片機(jī)的超聲波測距儀的設(shè)計(jì)在超聲波傳感器的模塊選材上本次設(shè)計(jì)采用的元件是現(xiàn)成的 HC—SR04 超聲波傳感器模塊。只要傳感器的接收電路檢測到有回波信號，則傳感器的 ECHO 引腳便開始輸出回響信號。其中 VCC：需要提供 5V電源， GND：負(fù)責(zé)接地線， Trig：觸發(fā)控制信號輸入， Echo：回響信號輸出。根據(jù)聲波遇到障礙物會被反射回來的原理，超聲波傳感器的信號接收器只要在聲波信號發(fā)射之后，一旦接收到被反射回來的發(fā)射信號，就將停止計(jì)時(shí)的指令回復(fù)給單片機(jī)的時(shí)鐘電路，與此同時(shí)時(shí)鐘電路停止計(jì)時(shí)。因此本次課程設(shè)計(jì)所用的超聲波傳感器測距儀，不僅測量精度高，而且也適合中長距離測量 [14]。 超聲波測距的應(yīng)用場景很多，主要包括倒車提醒、工業(yè)現(xiàn)場、建筑工地、雷達(dá)測試等場景，但是超聲波測距也有一些不足之處，雖然測量長度上能達(dá)到上百米的測量范圍，但是在測量精度 上面目前還停留在厘米數(shù)量級。 4 軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 我們知道在整個(gè)單片機(jī)程序在開始運(yùn)行的時(shí)候，都會首先執(zhí)行初始化、自檢操作，保證系統(tǒng)接下來的正常運(yùn)行。 將整體程序拆分開來，分工完成各自要實(shí)現(xiàn)的功能語句，有利于我能夠清晰把握每個(gè)模塊的作用與設(shè)計(jì)進(jìn)度 [15]。在系統(tǒng)通電之后，主控制器通過 ITN0 端口自動發(fā)送 8 個(gè)頻率在 40kHz 左右的方波脈沖信號，并且持續(xù)最少10us 的高電平信呈，與此同時(shí)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)工作由計(jì)數(shù)器 T1 開始進(jìn)行，另外在本次課程設(shè)計(jì)中，我將模式 0 設(shè)定作為定時(shí)器 T1 工作方式。 計(jì)時(shí)器 T1 在中斷程序執(zhí)行后，也馬上由計(jì)時(shí)狀態(tài)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，如果在計(jì)時(shí)器未溢出前，接收器成功檢測到了回波信號，則將完成測距任務(wù)的信號賦值 1。 在單片機(jī)的最小系統(tǒng)經(jīng)過測試能夠正常運(yùn)行之后，在軟件調(diào)試完成的基礎(chǔ)上，將超聲波程序燒入單片機(jī)內(nèi)，觀察數(shù)碼管顯示的距離是否正常，并在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行修改，直至數(shù)碼管能夠穩(wěn)定地顯示超聲波測距儀與障礙物的距離為止，整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試完畢。 （ 2）測距盲區(qū) 本次設(shè)計(jì)調(diào)試過程中為避免超聲波發(fā)出的波直接回到接收端，在軟件的距離計(jì)算部分設(shè)置了一個(gè)延時(shí)，這就是超聲波的測距系統(tǒng)會有一個(gè)最小可測距離的原因，它使系統(tǒng)的最小測量距離為 2cm，大于 2cm 的距離均可連續(xù)顯示，不會出現(xiàn)大于 2cm 的誤差。下面羅列幾點(diǎn)我在實(shí)際的測試環(huán)境下發(fā)現(xiàn)的一些干擾因素： （ 1）如果被攝對象的形狀和質(zhì)地發(fā)生變化，超聲波的反射率也會隨著障礙物改變而改變。 （ 1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：一個(gè)系統(tǒng) 能否順利的運(yùn)營主要取決于整個(gè)系統(tǒng)框架的構(gòu)思是否合理。在同學(xué)之間的互相幫助和老師的精心指導(dǎo)下，我們對系統(tǒng)改進(jìn)也更加得心應(yīng)手，設(shè)計(jì)出了簡約、實(shí)用、符合日常使用習(xí)慣的系統(tǒng)。我做的模塊是基于單片機(jī)的無線測距系統(tǒng)，主要給智能小車提供距離報(bào)警，這其中就要對單片機(jī)擁有足夠充分的了解，在 能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能要求的基礎(chǔ)上，使整個(gè)儀器在操作上更加簡單、方便 。 （ 3）程序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)硬件電路的整合：在單獨(dú)模塊的首次調(diào)試時(shí)，便卻發(fā)現(xiàn)電源指示燈不亮，用萬用表檢測過后，才排除了電路故障。 24 參考文獻(xiàn) [1]. 高飛燕 . 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]. 信息技術(shù) , 20xx,(07): 4345. 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