【文章內(nèi)容簡介】 感器是比較理想的選擇，但是它的價(jià)格卻比較高，而且安全度不夠高。因此在一般測距中不具有普遍適用性，而超聲波測距具有較強(qiáng)的抗干擾能力和 較短的響應(yīng)時(shí)間，在精度和方向性上都優(yōu)于紅外測距，因此本方案的距離測量部件選用超聲波測距模塊。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)方案的論證與選擇，本設(shè)計(jì)以單片機(jī) AT89C51 為控制核心，外圍配置超聲波發(fā)射接收模塊、聲音提示模塊、距離顯示模塊、電源模塊四部分。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖 21 所示。 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 控 制 器M C U超 聲 波 驅(qū) 動(dòng) 模塊 / 電 聲 換 能超 聲 波 接 收 模塊 / 聲 電 換 能信 號(hào) 調(diào) 理信 號(hào) 調(diào) 理障 礙 物距 離顯 示 模 塊聲 音提 示 模 塊時(shí) 鐘 電 路復(fù) 位 電 路電 源 模 塊 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖 其中，超聲波發(fā)射模塊選用軟件發(fā)生超聲波法，利用軟件產(chǎn)生 40kHz 的超聲波信號(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn) 生超聲波。超聲波接收模塊包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。探頭變換后的正弦波電信號(hào)經(jīng)放大電路放大并進(jìn)行波形變換 。 聲音提示模塊采用蜂鳴器報(bào)警電路，倒車時(shí)，車尾與障礙物之間距離小于所設(shè)定的安全值時(shí)，發(fā)出蜂鳴聲提醒駕駛員。鑒于 LED 數(shù)碼管顯示簡潔、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，距離顯示模塊采用4位 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第三章 系統(tǒng) 硬件電路 設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)以單片機(jī) AT89C51 為控制器，時(shí)鐘電路、手動(dòng)復(fù)位電路、電源和控制器一起構(gòu)成主控電路。利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生超聲波的周期方波信號(hào)，經(jīng)單片機(jī) 口輸出，通過信號(hào)調(diào)理和換能電路后發(fā)出超聲波。利用單片機(jī)中斷口 接收回波信號(hào)，計(jì)算時(shí)間差并換算距離信息。距離顯示電路采用 4位 LED 數(shù)碼管顯示，單片機(jī)的 P2口的高四位提供數(shù)碼管的位選信號(hào)，P0口作為數(shù)碼管的段碼；聲音提示電路采用蜂鳴器報(bào)警，由單片機(jī)的 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警電路發(fā)出提示聲音。 系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)以 AT89C51 為核心，配置時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路，構(gòu)成系統(tǒng)主控電路。具體主控電路如圖 31所示。 圖 31 系統(tǒng)主控電路圖 單片機(jī) AT89C51 簡介 AT89C51是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。 AT89C51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。而且，它還具有一個(gè)看 門狗（ WDT）定時(shí) /計(jì)數(shù)器，如果程序沒有正常工作，就會(huì)強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時(shí)候，讓單片機(jī)復(fù)位而不用整個(gè)系統(tǒng)斷電，從而保護(hù)外圍硬件電路。 AT89C51有 40個(gè)引腳， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 2個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2個(gè)全雙工串行通信口，片上 Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和 Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。其芯片引腳示意圖如圖 32所示。 圖 32 AT89C51引腳示意圖 主要引腳功能介紹如下： P0口 ： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1口緩沖器能接收輸揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 出 4TTL門電流。 P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸 出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。 P2口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè) TTL門電流，當(dāng) P2口被寫“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器 的內(nèi)容。 P2口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個(gè) TTL門電流。當(dāng) P3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，具體功能如表 31所示。 表 31 P3口引腳功能表 P3口引腳 第二功能 RXD（串行口輸入） TXD（串行口輸出） INT0（外部中斷 0輸入） INT1（外部中斷 1輸入） T0（定時(shí)器 0外部脈沖輸入） T1（定時(shí)器 1外部脈沖輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖輸出） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖輸出） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到 ：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 本系統(tǒng)采用內(nèi) 部振蕩 方式， 在 AT89C51 引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器(簡稱晶振 )或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 具體系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖 33 所示。 圖 33 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 復(fù)位電路有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種。本系統(tǒng)采用手動(dòng)復(fù)位方式，具體電路如圖 34 所示。系統(tǒng)上電時(shí)， RC 電路開始充電，因?yàn)殡娙蓦妷翰荒芡蛔儯?RST端的電位接近 Vcc，以后 RST 端的電位 將隨電容充電而逐漸下降。只要 RST 端出現(xiàn)的正脈沖時(shí)間保持在 10ms 以上，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。工作過程中，需要手動(dòng)復(fù)位時(shí)，按下按鈕時(shí)，電容瞬間完成放電， Vcc的 +5V 電平就會(huì)直接加到RST 端，完成系統(tǒng)復(fù)位。 圖 34 復(fù)位電路圖 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 超聲波發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路主要由 74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的第一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式 將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高發(fā)射強(qiáng)度。具體電路圖如圖 35 所示。 1 2U 4 A7 4 L S 0 4+5V C C3 4U 4 B7 4 L S 0 45 6U 4 C7 4 L S 0 411 10U 4 E7 4 L S 0 49 8U 4 D7 4 L S 0 41KR 1 01KR 1 1T C T 4 0 1 0 F 1S P E A K E RP 1 .0 圖 35 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路的設(shè)計(jì) 超聲波接收電路主要由 CX20216A 和超聲波換能器構(gòu)成， CX20216A 是一款紅外的專用芯片，考慮到紅外遙控常用的載波頻 38K與測距的超聲波頻率 40KHz較為接近，故利用它制作超聲波檢測接收電路，具體電路圖如圖 36 所示。 22 0KR 1210 KR 1310R 14C733 0P FC40. 05 6 uFRT C T 40 10 S 1V C C2 3 4 6178 5U5C X 2 01 6 0AP + C 63. 3u F+ C 51u F 圖 36 超聲波接收電路 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 測距顯示電路的設(shè)計(jì) LED 數(shù)碼管簡介 LED 數(shù)碼顯示管有兩種，一種是共陽極數(shù)碼管 ，其內(nèi)部是由八個(gè)陽極相連接的二極管組成；另一種是共陰極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陽極相連接的二極管組成。共陰極 LED 數(shù)碼顯示塊的發(fā)光二極管陰極連接在一起，形成該模塊的公共端（通常稱為位選端），因此稱為共陰極 LED 數(shù)碼顯示器， 8 個(gè)數(shù)碼管的另一端通常稱為段選段，當(dāng)顯示器的公共端接低電平，某個(gè)發(fā)光二極管的陽極接高電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；共陽極 LED 數(shù)碼顯示塊的發(fā)光二極管陽極連接在一起，形成該模塊的公共端，因此稱為共陽極 LED 數(shù)碼顯示器， 8 個(gè)數(shù)碼管的另一端通常稱為段選段，當(dāng)顯示器的公共端接高電平，某個(gè)發(fā)光二極管的陽 極接低電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。二者原理不同但功能相同。 LED 數(shù)碼管外形結(jié)構(gòu)圖如圖 37 所示。 圖 37 LED外形結(jié)構(gòu)圖 LED 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) LED 數(shù)碼管顯示方式有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。其中，靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制 LED，直到下次顯示時(shí)再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的 CPU 時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I/O接口，該接口用于筆劃段字型代 碼。這樣單片機(jī)只要把顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示 發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)再發(fā)送新的數(shù)據(jù)。 另一種方法就是動(dòng)態(tài)掃描顯示。由于單片機(jī)本身具有較強(qiáng)的邏輯控制能力，所以采用動(dòng)態(tài)掃描軟件譯碼并不復(fù)雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯可隨意編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯限制。采用動(dòng)態(tài)掃描軟件譯碼的方式能大大簡化硬件電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。它用分時(shí)的方法輪流控制各個(gè)顯示器的公共端，使各個(gè)顯揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象 就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)顯示電路采用 4 位共陽極 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，位碼用 PNP 三極管驅(qū)動(dòng)，具體電路圖如圖 38 所示。 12345678161514131211109R P 110kV C CP 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpcom9L1abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpcom9L2abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpcom9L3abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpcom9L4P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P1901 2P2901 2P3901 2P4901 2V C CP 24P 25P 26P 27[ P 00.. P 07 ]R1R2R3R4 圖 38 測距顯示電路圖 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，最常見的發(fā)聲器件就是蜂鳴器。蜂鳴器一般用于一些要求不高的