【文章內容簡介】 z 的石英晶振，使內部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進行振蕩 ，從而就可以產生時鐘信號 。 時鐘信號電路如圖 所示。 圖 時鐘信號電路 （ 3） 復位 RST（ 9 腳） 當振蕩器運行時，只要有有兩個機器周期即 24 個振蕩周期以上的高電平在這個引腳出現(xiàn)時，那么就將會使單片機復位，如果將這個引腳保持高電平，那么 51 單片機 芯片就會循環(huán)不斷地進行復位 [5]。復位后的 P0 口至 P3 口均置于 高電平 ，這時程序計數(shù)器和特殊功能寄存器 將 全部清零 [5]。本課題設計的單片機復位電路如圖 所示。 圖 單片機復位電路圖 （ 4） 輸入輸出口 （ I/O 口 ） 引腳 P0 口是一個三態(tài)的雙向口 ，既可以作為數(shù)據(jù)和地址的分時復用口，又可以作為通用輸入輸出口 [5]。 P0 口在有外部擴展存儲器時將會被作為地址 /數(shù)據(jù)總線口，此時 P0口就是一個真正的雙向口；而在沒有外部擴展存儲器時， P0 口也可以作為通用的 I/O接口使用，但此時只是一個準雙向口；另外， P0 口的輸出級具有驅動 8 個 LSTTL 負載的能力即輸出電流不小于 800 uA[5]。 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 12 頁 共 37 頁 P1 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，而 P1 口只有通用 I/O 接口一種功能，而且 P1 口能驅動 4 個 LSTTL 負載；在使用時通常不需要外接上拉電阻就能夠直接驅動發(fā)光二極管；在端口 置 1 時，其內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入端口用 [5]。 對于輸出功能，在單片機工作的時候，可以通過用程序指令控制單片機引腳輸出高電平或低電平 [5]。例如： 指令 CLR 是清零的意思， CLR 的意思 就是讓單片機的 端口輸出低電平；而指令 SETB 是置 1 的意思， SETB 的意思就是讓單片機 端口輸出高電平 [5]。 P2 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，而且 P2 口具有驅動 4 個 LSTTL負載的能力 [5]。 P2 端口置 1 時，內部上拉電阻將端口的電位拉到高電平，作為輸入口使用；在 對內部的 Flash 程序存儲器編程時， P2 口接收高 8 位地址和控制信息，而在訪問外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口就送出高 8 位地址 [5]。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 引腳上的內容在此期間不會改變 [5]。 P3 口也是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口能驅動 4 個 LSTTL 負載，這 8 個引腳還用于專門的第二功能 [5]。 P3 口作為通用 I/O 口接口時，第二功能輸出線為高電平。 P3 口置 1 時，內部上拉電阻將端口電位拉到高電平，作輸入口使用；在對內部 Flash 程序存儲器編程時，此端接控制信息 [5]。 P3 口的第二功能，如表 所示 [5]。 表 P3 口第二功能表 P3 引腳 兼用功能 串行通訊輸入口（ RXD） 串行通訊輸出口（ TXD） 外部中斷 0 請求輸入端 （ INT0） 外部中斷 1 請求輸入端 （ INT1） 定時器 0 輸入端 (T0) 定時器 1 輸入端 (T1) 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端（ /WR） 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端（ /RD） 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 13 頁 共 37 頁 （ 5） 其它控制或復用引腳 （ a） ALE/PROG（ 30 腳）：地址鎖存有效 信號輸出端。在 訪問片外存儲器時，ALE（地址鎖存允許）以每機器周期兩次進行信號輸出，其下降沿用于控制鎖存 P0口 輸出的低 8 位地址；在不訪問片外存儲器的時候， ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號 (此頻率是振蕩器頻率的 1/6),而在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 脈沖會跳空一個 ,此時是不可以做為時鐘輸出 [5]。對片內含有 EPROM 的機型在編程時，這個引腳用于輸入編程脈沖 /PROG 的輸入端 [5]。 （ b） /PSEN（ 29 腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平時有效。 當89S51 從外部程序存儲器取指令或常數(shù)時，每個機 器周期內輸出 2 個脈沖即兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線 P0 口讀回指令或常數(shù)。但在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時， /PSEN 將不會有脈沖輸出 [5]。 （ c） /EA/Vpp（ 31 腳）： /EA 為 片外程序存儲器訪選用端。當該引腳訪問片外程序存儲器時，應該輸入的是低電平，要使 89S51 只訪問片外程序存儲器 ,這時該引腳必須保持低電平；而在對 Flash 存儲器編程時，用于施加 Vpp 編程電壓 [5]。 單片機最小系統(tǒng) 單片機 最小 系統(tǒng) 是其他 拓展 系統(tǒng)的最 基本的基礎 ，單片機 最小系統(tǒng)是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng) 即單片機能工作的系統(tǒng) 。對于 80S51 單片機，由于片內 已經(jīng)自帶 有 了 程序存儲器， 所以 只 要單片機 外接時鐘電路和復位電路就 可以 組成了 單片機的 最小系統(tǒng) 了 。 單片機的最小系統(tǒng)如圖 所示。 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 14 頁 共 37 頁 圖 單片機最小系統(tǒng)原理圖 超聲波發(fā)射和接收電路設計 超聲波是一種振動頻率超過 20 kHz 的機械波，它可以沿直線方向傳播，而且傳播的方向性好，傳播的距離也較遠，在介質中傳播時遇到障礙物在入射到它的反射面上就會產生反射波 [6]。由于超聲波的以上幾個特點，所以超聲波被廣泛地應用于物體距離的測量、厚度等方面 [6]。而且，超聲波的測量是一種 比較理想的的非接觸式的測距方法 [6]。 當進行距離的測量時，由安裝在同一水平線上的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，并且同時啟動定時器進行計數(shù) [7]。首先由超聲波發(fā)射探頭向倒車的方向發(fā)射超聲波并同時啟動定時器計時，超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會被反射回來，當接收探頭收到反射波后就會給負脈沖到單片機使其立刻停止計時 []。這樣，定時器就能夠準確的記錄下了超聲波發(fā)射點至障礙物之間往返傳播所用的時間 t（ s） [7]。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為 340 m/s[7]，所以障礙 物到發(fā)射探頭之間的距離為： S=340t/2=170t 因為單片機內部定時器的計時實際上就是對機器周期 T的計數(shù)，而本設計中時鐘頻率 fosc取 12 MHz，設計數(shù)值 N，則： T＝ 12/fosc=1μs 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 15 頁 共 37 頁 t=NT＝ N（ s） S＝ 170NT＝ 170N/1000000（ m） 在程序中按 式 S＝ 170NT＝ 170N/1000000 計算距離。 超聲波發(fā)射電路設計 超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號轉換為機械波發(fā)射出去，而單片機所產生的 40 kHz 的方波脈沖需要進行放大才能將超聲波探頭驅動將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅動實際上就是一個信號的放大電路，本設計選用 74LS04 芯片進行信號放大，超聲波發(fā)射電路如圖 所示。 圖 超聲波發(fā)射電路 工作時，由單片機產生 40 kHz 的脈沖從 口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號，再經(jīng) 74LS04 放大電路放大后，驅動超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。 超聲波接收電路設計 由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的信號進行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路 CX20206A 芯片電路構成的， CX20206A 芯片電路可以對超聲波信號進行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機去請求中斷，當即單片機停止計時，并開始去進行數(shù)據(jù)的處理。 CX20206A 芯片的前置放大器具有自動增益控制的功能，當測 量的距離比較近時，放大器不會過載；而當測量距離比較遠時，超聲波信號微弱，前置放大器就有較大的 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 16 頁 共 37 頁 放大增益效果。 CX20206A 芯片的 5 腳在外接電阻對它的帶通濾波器的頻率進行調節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場對芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。 CX20206A 芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而且靈敏度也比較高，所以，能滿足本設計的要求。超聲波接收電路如圖 所示。 圖 超聲波接收電路 HRSR04 超聲波集成模塊 HRSR04 超聲波集成模塊是將超聲 波發(fā)射探頭，超聲波接收探頭， CX20206A 芯片電路， 74LS04 芯片放大電路集成到的一起的一個超聲波集成模塊。 HRSR04 超聲波集成 模塊正面外觀如圖 所示， HRSR04 超聲波集成 模塊的背面外觀如圖 所示。 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 17 頁 共 37 頁 圖 HRSR04 超聲波集成模塊正面外觀圖 圖 HRSR04 超聲波集成模塊背面外觀圖 HRSR04 型 超聲波集成模塊的工作電壓為 5 V，而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于 2 mA 的 ，工作時候可以比較穩(wěn)定。而且，它的感應的角度不大于 15176。，可以減少了很大部分可能存在的角度 干擾問題。此模塊的測距范圍為 2 cm～ 5 m，能基本滿足測距要求，而且其精度可以達到 cm，盲區(qū)僅僅為 2 cm，完全可以能夠滿足本設計的測距要求，而且測距也比較穩(wěn)定。 HRSR04 超聲波集成模塊采用的是 I/O 觸發(fā)測距，給至少 10 us 的高電平信號。另外，此模塊可以自動發(fā)送 8 個 40 kHz 的方波脈沖，并能夠自動檢測是否有信號返回，如果檢測到有信號返回則通過 I/O 口輸出高電平，高電平的持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回所用的時間，則，所測量的距離 =（高電平 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 18 頁 共 37 頁 時間 聲速） /2。 一個控制口發(fā) 出 一個 10 us 以上的 高電平 ， 就可以在接收口等待高電平輸出 。 一有輸出就可以開定時器計時 ， 當此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值 ， 此時就為此次測距的時間 ，就能夠 算出距離 。這樣 不斷的 循環(huán) 周期測 ， 就可以 在不停地移動的過程中 測量 距離 值了 。但是，為防止發(fā)射信號對回收信號的影響，本超聲波集成模塊的測量周期最好定在 60 ms 以上，所以本設計將測量周期定在 80 ms。 顯示報警模塊設計 液晶片 顯示模塊設計 市面上常用的 LED 數(shù)碼管有兩種即共陽極數(shù)碼管與共陰極數(shù)碼管 ，由于耗電量大故選擇了這款液晶片，其內部結構與數(shù)碼管類似； 單片機對數(shù)碼管的顯示可以分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示能夠穩(wěn)定地顯示數(shù)值，但是搭建電路時比較煩索，而動態(tài)顯示是數(shù)碼管輪流顯示再利用人眼的“視覺暫留”特性，這樣看出來的就是在顯示不同數(shù)值 [8]。 液晶片 的動態(tài)顯示比較實用，電路構建簡單，所以本設計采用動態(tài)掃描的方法顯示測量距離，只要輪流顯示的速度足夠快的時候就能夠實現(xiàn)測量數(shù)值的顯示 。顯示模塊選用 4 位 液晶片 進行動態(tài)掃描，此掃描方式能完全達到顯示要求。顯示模塊連接電路圖如圖 所示。 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 19 頁 共 37 頁 圖 顯示模塊連接電路圖 報警模塊設計 報警模塊通過單 片機給定不同頻率利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。報警模塊電路圖如圖 所示。 圖 報警模塊電路圖 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 20 頁 共 37 頁 3． 4 系統(tǒng)整體電路 根據(jù)本章前面對設計的各個相關模塊的分別講述講述，再結合單片機的引腳功能，從而得到系統(tǒng)整體電路圖，如圖 所示。 圖 系統(tǒng)整體電路圖 在圖 中， 4 位共陽極數(shù)碼管的八個顯示比劃分別外接到單片機的 到 端口，用于顯示所測量距離，數(shù)碼管的共陽極端分別接在單片機的 、 、 、 這四個端口，利用單片機的動態(tài)掃描的方式將距離顯示出 來。單片機的 接到蜂鳴器報警電路，用于蜂鳴器測距報警。 專業(yè)技能綜合實訓報告 第 21 頁 共 37 頁 4 系統(tǒng)軟件設計 本設計采用的是模塊化的思路來進行設計和編寫程序，程序主要由系統(tǒng)主程序和中斷程序構成。主程序完成單片機的初始化，超聲波的發(fā)射和接收、計算超聲波發(fā)射點與障礙物之間的距離、數(shù)碼管顯示和蜂鳴器報警等。系統(tǒng)程序設計的主要的功能