【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ? ?（ t v+v t）]7[ 由此可以知道，由于速率的變化或者測(cè)量誤差、時(shí)間的測(cè)量誤差都會(huì)給所測(cè) 得的距離帶來(lái)誤差，其中， ?tv是由于速率的變化引起的誤差，而 ?vt則是由于計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確引起的誤差。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具平臺(tái)簡(jiǎn)介 系統(tǒng)模塊的組成及各部分的功能 碰撞報(bào)警控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)的基本系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、接收電路、測(cè)速電路、報(bào)警電路、 LED顯示電路組成。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，單片機(jī)是主要的智能單元，控制方案通過(guò) 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)參數(shù)。測(cè)量控制系統(tǒng)面板上的 LED顯示器顯示車(chē)與障礙物之間的距離和自車(chē)的速度，便于駕駛員及時(shí)了解汽車(chē)的運(yùn)行情況，必要的時(shí)候?qū)嵤┳詣?dòng)報(bào)警 。 單片機(jī)的選擇 ]1[ 單片機(jī)是數(shù)據(jù)采集器的核心，因此單片機(jī)的選型很重要。在單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程中， Intel公司扮演了重要角色。從 1980 年以來(lái)， Intel 公司在 MCS48 系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上又推出了MCS518 位的高檔單片機(jī)以及今天的 MCS96 系列及各種 CMOS 系列，使單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和完善。無(wú)論是哪一種位數(shù)的單片機(jī)，哪一系列的單片機(jī)，都為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用系統(tǒng)的研制、智能控制器的研究等，創(chuàng)造了極其有力的硬件環(huán)境。目前世界各生產(chǎn)廠(chǎng)家生產(chǎn)的 4位、 8 位、 16 位、 32 位通用型以及衍生出的五花 /又門(mén)的系列及型號(hào)，使單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用己達(dá)到了無(wú)孔不入的地步。但是在國(guó)內(nèi)，單片機(jī)使用量最大的還是 8 位單片機(jī)，應(yīng)用范圍最廣的也是 8 位單片機(jī)。目前世界各生產(chǎn)單片機(jī)的公司都在努力提高時(shí)鐘頻率，以提高單片機(jī)速度；精簡(jiǎn)指令，采用多級(jí)流水線(xiàn)操作方式以提高指令的執(zhí)行速度，擴(kuò)大尋址能力 。擴(kuò)大片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量，并在結(jié)構(gòu)上細(xì)致化、智能化、密切化，以增加片內(nèi)功能；盡量減少外部接口芯片，提供與主機(jī)的接口，降低單片機(jī)的功耗，提高寬電源的適應(yīng)能力，增加高噪聲容限，并使其具有更好的電磁兼容性。面向應(yīng)用對(duì)象的多功能多品種的增強(qiáng)型單片機(jī)將不斷出現(xiàn)。本系統(tǒng)的主控單元采用了 MCS51 系列的 AT89C2051 單片機(jī)，主要考慮到這種單片機(jī)操作相對(duì)簡(jiǎn)單， 同時(shí)價(jià)格也較便宜，便于實(shí)驗(yàn)時(shí)使用。充分運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部資源，對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)速、顯示和串口通信進(jìn)行了研究。 AT89C2051 的特點(diǎn)與功能 ]8[ AT89C2051是一個(gè)低功耗、高性能的 CMOS 8位微處理器，與 MCS51 系列指令集和引腳兼容，具有以下特點(diǎn)： 128 bytes內(nèi)部 RAM， 2Kbytes EPROM， 15根 I/O線(xiàn)， 2個(gè) 16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器， 5個(gè)兩級(jí)中斷源， 1個(gè)全雙工串行口，一個(gè)片內(nèi)精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，低功長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 耗的閑置和掉電模式。工作電壓范圍 ～ ，工作頻率取 12MHz。 AT89C2051中的兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器寄存器 T0和 T1，作定時(shí)器時(shí)，可計(jì)數(shù)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)頻率為振蕩 頻率的1/12；作計(jì)數(shù)器時(shí)，可對(duì)外部輸入引腳 ，計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/24。 AT89C2051明細(xì)如圖 41 所示。 R S T1P 2P 3X24X15P 6P 7P 8P 9GND10V c c20P 19P 18P 17P 16P 15P 14P 13P 12P 11AT89C2051 圖 41 AT89C2051 芯片引腳圖 AT89C2051 芯片的 20個(gè)引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓 2. GND：地 3. P1 口： P1口是 8位雙向 I/O口。 P1口引腳 ～ 。 。 (AIN0)和反相輸入（ AIN1)。 P1 口輸出緩沖器可吸收 20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng) LED顯示。當(dāng) P1 口引腳寫(xiě)入 “1” 時(shí)，其可用作輸入端。當(dāng)引腳 ～ ，它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流 ( ILI )。 P1口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。 4. P3 口： P3 口的 ～ 、 是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙向 I/0 引腳。 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào) 并且它作為通用 I/O引腳而不可訪(fǎng)問(wèn)。 P3口緩沖器可吸收 20mA電流。當(dāng) P3口引腳寫(xiě)入 “1” 時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí)，被外部拉低的 P3 口引腳將用上拉電阻而流出電流 ( ILI )。 此外 P3 口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051 的功能 ： ： RXD(串行輸入端口 ) 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 ： TXD(串行輸出端口 ) ： INT0(外中斷 0) ： INT1(外中斷 1) ： TO(定時(shí)器 0外部輸入 ) ： T1(定時(shí)器 1外部輸入 ) 5. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 6. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 從上述引腳說(shuō)明可看出， AT89C2051 沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與 I/O 設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)，因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或 I/O 設(shè)備，也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括軟件和硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，兩者之間互相影響。一般設(shè)計(jì)原則是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)(采用功能較強(qiáng)的芯片以簡(jiǎn)化電路，增強(qiáng)可靠 性 )。冗余技術(shù)設(shè)計(jì) (提高系統(tǒng)可靠性和便于維修 )。以軟代硬 (在速度允許的條件下，能用軟件的盡量不用硬件 )，如用軟件低通濾波代替硬件低通濾波，用軟件中斷代替硬件中斷等。硬件設(shè)計(jì)一般包括單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)和單片機(jī)作用對(duì)象設(shè)計(jì)。在硬件電路的基礎(chǔ)上，高質(zhì)量的軟件可使系統(tǒng)的性能大大地提高，其中包含 :中斷控制、定時(shí)、顯示、數(shù)碼轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集、處理、輸出等程序。在設(shè)計(jì)時(shí)，較多的使用硬件來(lái)完成一些功能，可以提高工作速度，減少軟件工作量 。較多的使用軟件來(lái)完成一些功能，則可以降低成本，簡(jiǎn)化電路，但是增加了編程的工作量。因此，在 綜合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)研制的周期和市場(chǎng)狀況來(lái)進(jìn)行合理的分配。 ]11[ 系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路由 NE555 時(shí)基電路和超聲波發(fā)射探頭組成。單 片機(jī) AT89C2051 的 引腳控制 NE555 時(shí)基電路產(chǎn)生 40kHz 的頻率信號(hào)給超聲波發(fā)生器，由超聲波探頭發(fā)射的超聲波射向障礙物。利用超聲波測(cè)距具有以下特點(diǎn)：測(cè)量靈敏度高，穿透力強(qiáng)，測(cè)量速度快，測(cè)量角度大，可對(duì)較大范圍內(nèi)的物體進(jìn)行檢測(cè)。其原理圖如圖 42 所示 。 ]18[ 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 T R I G2OUT3R S T4C V O L T5T H R6D I S C7V C C8GND1U1N E 55 5V C C224C4C2103C1103104C 11224C322μC 22510R2V C CV C C3 2U 2AC D 40 49 U B / F P5 4C D 40 49 U B / F P7 6C D 40 49 U B / F P9 10C D 40 49 U B / F P14 15C D 40 49 U B / F P11 12C D 40 49 U B / F PP L U S _E NU S 1S up e r S ou nd _112W A V EW A V EU 2BU 2CU 2DU 2EU 2F18KR1R3160KR 19 圖 42 超聲波發(fā)射電路原理圖 用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40KHz 的方波由一片 NE555 搭成的多諧振蕩器生成，受控于控制器的 PLUS_EN 信號(hào) （即 AT89C2051 的 引腳） ； 40KHz 的方波經(jīng) CD4049（驅(qū)動(dòng)功能的反相器） 調(diào)理后，成為振幅 18V 的方波，提高發(fā)射功率。 超聲波接收電路的設(shè)計(jì) 超聲波接收電路由超聲波接收探頭、放大器和整形器組成。由障礙物反射回來(lái)的超聲波經(jīng)接收探頭，變換為電脈沖信號(hào)，再 由放大器、整形器放大和整形后送入到單片機(jī) AT89C2051的 引腳。放大器宜選用有足夠增益和較低噪聲的寬帶放大器，以保持脈沖信號(hào)尤其是前沿不發(fā)生畸變，提高測(cè)距的精度。其原理圖如圖 43 所示 。 ]18[ 814321U 3AN E 5532P847562U 3BN E 5532P224C520pFC6100pFC720pFC9104C8104C 10Q?J M P _C O M C N12J213B A L / S T B6B A L5V427V+8U4L M 311PU S 2S upe r S ound_1W A V EW A V EV C CV C CV C CV C CC O M _ l r m P A C K _P L U S1KR922KR 1010KR810KR71KR 1110KR61KR510KR41KR 12 圖 43 超聲波接收電路原理圖 發(fā)射頭發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后，反射到接收頭，而接收到的波形幅度非常小，所以在回波處理電路中，把接收到的波形放大了 5000倍，用的是 NE5532搭成的兩級(jí)交流放大電路。經(jīng)放大后的波形送入， LM311 比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波 形成為方波，可送給長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 AT89C2051 的 。 在 此 模塊電路的設(shè)計(jì)中，超聲波發(fā)射頭和接收頭之間 存在一些 干擾 。 一般壓電式的超聲波換能器都會(huì)存在余波的干擾，發(fā)射頭和接收頭間要有 5cm 的距離 。 而在發(fā)射頭發(fā)射超聲波后的 3ms 內(nèi)，接收頭會(huì)一直接收到發(fā)射頭傳過(guò)來(lái)的非反射波，這是干擾波，在 后面的 軟件處理的時(shí)候 將會(huì)清除這些 干擾。 門(mén)控電路（ RS 觸發(fā)器）設(shè)計(jì) ]6[ 為了在本超聲波測(cè)距電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，必 須在電路中加入門(mén)控電路。下面結(jié)合系統(tǒng)總原理圖（見(jiàn)附錄）解釋一下該門(mén)控電路的作用。由 2vtS? 式中 S 是所測(cè)得的距離， v 是超聲波在 空氣中 的 傳播 速度， t 是超聲波從發(fā)射到接收到第一個(gè)回波經(jīng)過(guò)的時(shí)間 。如果 t 已知，距離便可確定，如何測(cè)量時(shí)間 t 呢？把輸出脈沖作為一閘門(mén)信號(hào)，讓已知頻率 cf 的脈沖恰好能通過(guò)閘門(mén)，那么： Ct NT? 式中， CT 為已知脈沖的周期； N 為脈沖周期的個(gè)數(shù)或脈沖的個(gè)數(shù)。閘門(mén)信號(hào)與已知脈沖信號(hào)的關(guān)系如圖 44所示。 圖 44 閘門(mén)信號(hào)與已知脈沖信號(hào)的關(guān)系 在本電路設(shè)計(jì)中門(mén)控電路由 RS 觸發(fā)器來(lái)完成，而 RS 觸發(fā)器是用 D 觸發(fā)器 CD4013來(lái)完成。當(dāng) )0(1 ?? SR 時(shí)復(fù)位，即 0?Q ； )0(1 ?? RS 時(shí)置位，即 1?Q ,在原理分析中，就利用它的這一特性。當(dāng)上電復(fù)位時(shí)， D 觸發(fā)器 CD4013 的 Q 腳輸出低電平加到單片機(jī)的 口，不啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器，處于等待狀態(tài)。 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 報(bào)警電路由語(yǔ)音集成電路、放大電路和揚(yáng)聲器組成。根據(jù)測(cè)量結(jié)果， AT89C2051 的 產(chǎn)生一定頻率的低電平信號(hào)，使電路導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。原理圖 如圖 45 所示。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 2 35 41H F C 52 14Q2S 90 15D1I N 59 89D S 0VS6GND4G A I N8325B Y P7G A I N1U6L M 38 6N 1C 2210μC 44220μC 333KR 131KR 141KR 15820KR 161KR 17L S 0S pe a k e rV C CU5 圖 45 語(yǔ)音報(bào)警電路原理圖 當(dāng)車(chē)前方有障礙物時(shí)， 反射回來(lái) 的超聲波信號(hào)經(jīng)超聲波接收器 US2接收并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片處理后從 以低電平信號(hào)輸出，三級(jí)管導(dǎo)通，語(yǔ)音集成電路（ HFC5214）開(kāi)始工作， 然后再經(jīng)過(guò) LM386， LM386 是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)放大后由揚(yáng)聲器發(fā)出 “嘟嘟，請(qǐng)注意！ ”的 語(yǔ)言提示！同時(shí)二極管發(fā)光，實(shí)現(xiàn)聲光同時(shí)報(bào)警提示 ！ 測(cè)速電路設(shè)計(jì) 測(cè)速電路由傳感器、倍頻電路組成。霍爾集成傳感器將車(chē)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)變成脈沖信號(hào)輸出，經(jīng)放大、整形電路后送入倍頻電路