【文章內容簡介】 互模塊的方案，主要在于顯示方案的選擇。通常的顯示方案可以考慮 LED數碼管顯示或者 LCD 液晶顯示。 如果 本系統(tǒng)采用 LED數碼管顯示方案，則至少選用 3 片 7段數碼管， 這樣 電路相對復雜， 且僅僅能夠顯示距離信息，狀態(tài)指示非常很局限。如果采用LCD 液晶顯示方案，則電路相對簡化，并且系統(tǒng)的狀態(tài)信息和測距數據都能很好的給出，但是軟件設計部分會相對復雜?？紤]到測距系統(tǒng)應該有一個很好的交互指示功能，所以本系 5 統(tǒng)用了 16*2 字符型 1602ZFA液晶顯示器 作為顯示模塊。 電源模塊方案論證 對于電源模塊的 方案，因為本系統(tǒng)的設計任務是一個攜便式設備，故采用電池供電 ?？紤]使用時間和系統(tǒng)整體功耗問題，本系統(tǒng)選用電池為 9V干電池。這里電源模塊可供選擇的方案有：串聯型穩(wěn)壓電路或者開關型穩(wěn)壓電路。開關型穩(wěn)壓電路的效率較高，且紋波較串聯型較小，但是制作成本較高，并且電路結構比較復雜。又因為本系統(tǒng)的其他基本均為數字 單元，對電源紋波要求較小，故本系統(tǒng)最終采用了串聯型穩(wěn)壓電源方案，采用集成三端穩(wěn)壓芯片 LM2940。 3 硬件設計 單片機模塊 單片機模塊主要由 AT89C52 單片機及其外圍時鐘電路和復位電路 等 構成 ，具體電路 連接和分析在以下幾節(jié)中論述 。 單片機模塊電路 本節(jié)給出單片機模塊的整體電路圖包括單片機模塊的引腳連接、時鐘電路和復位電路，如下圖 31 所示。其中單片機的 口和 US— 100超聲波模塊的觸發(fā)引腳TX和接受引腳 RX， P0口和 P2口提供給液晶模塊的數據傳輸和控制，且單片機的 EA引腳應接高電平，使用單片機的內部 ROM 作為單片機的程序存儲器 [2]。 圖 31 單片機模塊電路 圖 時鐘電路 單片機的時鐘電路 是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號 [3]， 51系列單片機的時鐘電路 通常 分為兩 種：外部震蕩方式 電路 和內部震蕩方式 電路 。本系統(tǒng)的單片機模塊采用本部震蕩方式 時鐘電路 ，即在其引腳 XTAL1 和 引腳 XTAL2 外接石英晶體和微調電容，構成振蕩器。本 系統(tǒng) 6 采用時鐘電路的 晶振為 ，電容為 30pF。 其連接圖如 32 所示 。 圖 32 時鐘電路 復位電路 當晶體振蕩電路工作后，在單片機的 RESET 輸入端出現兩個機器周期 [4]以上的高電平，單片機會被初始化復位，復位后 各特殊功能寄存器將恢復初始狀態(tài)。 51 單片機 通常采用上電復位和手動復位的方法，這里同時采用了這兩種方式，當接通電 源時會產生一次復位，當正在工作時，若需要復位可以按復位鍵進行復位，即手動復位。該電路電阻為 10K，電容為10uF，其電路連接 如圖 33 所示 。 圖 33 復位電路 超聲波 模塊 本節(jié)主要論述 US100 超聲波測距模塊在本系統(tǒng)中的連接方法。 US100超聲波測距方法 本系統(tǒng)采用 US100 的電平觸發(fā)測距，其在電平觸發(fā)下的工作時序圖 34 所示，根據時序圖只需在 Trig/TX 管腳輸入一個 10US 以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出 8 個 40KHZ 的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后 ，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果通過 Echo/RX 管腳輸出。 在此模式下，模塊將距離值轉化為 340m/s 時的時間值的 2 倍，通過 Echo 端輸出一高電平，可根據此高電平的持續(xù)時間來計算距離值。即距離值為： (高電平時間 *340m/s)/2。 在這里 因為距離值已經經過溫校正，此時無需再根據環(huán)境溫度對超聲波聲速進行校正，即不管溫度多少，聲速選擇 340m/s 即可 。 7 圖 34 US100 在電平觸發(fā)下的工作時序圖 US100模塊 電路 在本系統(tǒng)中 US100超聲波模塊的連接如下圖 35所示 ,其 Trig/TX 管腳連接單片機的 口，由單片機輸出一個 10us的高電平； Echo/RX 管腳連接單片機的 ，單片機檢測 口的電平變化，其具體檢測方法在第 四 章軟件設計分析部分給出 。 圖 35 US100 模塊 電路圖 人機交互模塊 本系統(tǒng)的人機交互模塊分為液晶顯示器和按鍵開關兩個部分，下面幾節(jié)將分別分析這兩個部分。 液晶顯示器 本系統(tǒng)采用的液晶顯示器型號為 1062ZFR，它是一個 16*2字 符型液晶顯示器 [5]， 專門用于顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶顯示模塊 。 LCD 1062ZFR的引腳 如下： D0— D7八個數據端口， VSS負電源端口， VDD正電源端口， VO對比度調節(jié)端口， RS狀態(tài)控制端， RW讀寫控制端， E使能端， A和 K灰度參考端口。 顯示器硬件 電路 液晶顯示器 LCD 1062ZFR在電路中的連接如圖 36所示， 將其八個數據端 D0D7分別連接單片機的 ； RS連接 ； RW連接 ； E連接 ； A端口給電平接 GND； 8 K端口給高電平接 VCC； VL端口接一個 10K的滑動 變阻器，用來調節(jié)液晶顯示器的對比度；VDD端口接系統(tǒng)電源 VCC，而負電源端口 VSS接地即可。 圖 36 液晶顯示模塊 電路 圖 按鍵與開關 為了使得本測距系統(tǒng)有更好的操作性、觀測性，本系統(tǒng)設計了一個測量暫停按鍵 K1，此按鍵的具體作用如下：當短按按鍵 K1時，超聲波測距系統(tǒng)停止發(fā)生超聲波，顯示器保留前一時刻的測量數據，以測量者方便觀察和記錄數據；當長按按鍵 K1時，返回正常測距狀態(tài)，可以重新開始測量距離。其硬件連接如下圖 37所示，即按鍵 K1接在單片機 。 圖 37 按鍵連接圖 電源 模塊 本系統(tǒng)中的電源模功能是為系統(tǒng)的其他模塊提供穩(wěn)定的 5V工作電壓，其實現方法是采用一個 5V 的集成穩(wěn)壓芯片 LM2940， 用 9V 的干電池作為其輸入，則可以從 LM2940 的輸出端得到 5V 的穩(wěn)定電壓 。 為了使得電源模塊提供的 5V 直流工作電壓文波更少、穩(wěn)定性更好，在輸入輸出端口分別并接濾波電容和電解電容，并且在輸出端口并接上一個 LED 系統(tǒng) 9 電源指示燈，以方便指示本系統(tǒng)的電源模塊是否正常工作，其電路連接如圖 38 所示 。 圖 38 電源模塊 電路 圖 4 軟件設計 軟件設計概述 本系統(tǒng)軟件全部采用 c語言編寫 ，開發(fā)環(huán)境為 Keil C。軟件組織 [6]分為兩個部分， 分別是 和 ，前者是系統(tǒng)程序主函數和超聲波驅動程序所在的 c文件，后者是系統(tǒng)采用的字符液晶器 1602ZFR的驅動程序。軟件組織圖如下圖 31所示。關于軟件設計思路，算法，各個驅動程序將在后面幾節(jié)中給出論述 ，完整程序代碼在附錄二給出 。 圖 41 軟件組織圖 軟件設計思路和流程圖 單片機在上電復位后，首先進行各個模塊的初始化、各個變量的初始賦值，進入循環(huán)測距 和 顯示部分。 在循環(huán)部分中，把完成一次測量和一次顯示刷 新作為系統(tǒng)的一個工作周期。在這個工作周期中，首先完成的是超聲波測距，即向超聲波模塊給出觸發(fā)信號，然后檢測模傳回來的測距信號，打開計時器 T0， 得到相關數據，然后計算出測量距離，最后再刷新液晶模塊顯示出測量距離。 此外系統(tǒng)具有 兩個中斷程序，一個是利用定時器 T0中斷，防止測量超出距離而導致 T0溢出。另一個應用外部中斷 INT0來實現 測量暫停功能，對應外部中斷 0引腳 K1，當按鍵短按時，進入外部中斷 0的中斷程序，在中斷程序中顯示前 10 一時刻的測距數據，并再次檢測按鍵 K1；當發(fā)現 K1長按時，則從中斷程序中返回 之前的工作循環(huán)。 軟件流程圖如下圖 42所示 。 圖 42 軟件流程圖 （ b） T0 中斷程序 （ a） 主程序 否 否 否 否 是 是 是 是 口 10us 觸發(fā)電平 系統(tǒng)初始化 100us 延時 TH0、 TL0 清 0 打開 T0 定時器，允許中斷 =0 =1 =0 關閉 T0 定時器，關閉中斷 讀 TH0、 TL0,計算距離 刷新液晶，顯示距離數據 開始 清空 TF0 設置測距錯誤鍵值 =1 （ c） INT0中斷程序 返回主程序 禁止總中斷 刷新液晶屏 顯示最后測量的數據 按下 是 返回主程序 清空 IE0 11 超聲波模塊驅動程序 發(fā)射接收程序 本系統(tǒng)超聲波測距傳感器采用的是 US100超聲波測距模塊，并且利用其 電平 測量模式，其工作原理圖在第二章圖 。 其模塊的驅動程序是由發(fā)射程序和接收程序兩部分，另外加上一個防溢出中斷程序構成 。 發(fā)射程序是 通過 給 單片機 的 （即與 US100的 TX引腳 相連接）大約 10us的高電平 ，程序中完成 10us的時間并 沒有 采 用定時器，而是采用延時程序完成，程序中的函數名為delay_10us()。經過示波器測量，此段延時的時間大約為 。然后給持續(xù)一段約 100us的低電平，這樣便完成了發(fā)射程序，之后便可以進行 接收程序。 接收程序是用單片機檢測 （即與 US100的 RX引腳相連接）的電平變化。 根據US100工作原理圖可知，首先保證 ，即此時 US100還沒有接收到超聲波信號，當 ，打開 T0定時器，進行時間間隔記時，此時 TH0和TL0初值都為 0。再等待 ，此時表示 超聲波信號接收完畢，關閉定時器 T0，