【文章內(nèi)容簡介】 以滿足很多手提設(shè)備、掌上設(shè)備低能耗的需求 ； 可方便的用來實(shí)現(xiàn)聲音錄制、播放， Midi音樂合成和語音識(shí)別 ； 可方便的完成一系列乘加的運(yùn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)處理比較容易 ； 芯片里具備 在線仿真調(diào)試電路，使調(diào)試和程序下載更加方便，也把仿真器和燒錄器的成本給節(jié)省下來了。 51單片機(jī) ：有優(yōu)異的性價(jià)比 ； 集成度高、體積小、有很高的可靠性 ； 控制作用強(qiáng) ；擴(kuò)展性能好，非常容易構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。 以上三種單片機(jī)的開發(fā)過程和編程思維都是相似的。 AVR單片機(jī)功能強(qiáng)大，功耗 8 低，一般小型都可以滿足。而凌陽單片機(jī)是一款功能強(qiáng)大的語音處理單片機(jī)。 51單片機(jī)比較基礎(chǔ)、成熟，一般教學(xué)都用這種單片機(jī) 。因此，對(duì)于本系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和要求，在此選用 51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制核心。 51 單片機(jī)全稱 AT89S51 單片機(jī)，是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有 4K bytes 的課反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度。非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS— 51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89S51 單片機(jī)可以為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。由于其集成度高，體積小且可靠性強(qiáng)，有很好的擴(kuò)展性能易于構(gòu)成多種應(yīng)用系統(tǒng)，所以我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)里采用 AT89S51 單片機(jī)。 AT89S51 主要性能參數(shù)及功能 AT89S51 單片機(jī)性能參數(shù)有：與 MCS— 51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； 4K 字節(jié)可以重復(fù)擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器； 1000 吃擦寫周期；全靜態(tài)操作范圍為 0Hz— 24Hz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM； 32 個(gè)可編程 I/O 口線； 6 個(gè)中斷源；可編程串行 UART 通道；低功耗空閑和掉電模式 。 AT89S51 提供以下功能： k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器； 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM； 32 個(gè) I/O口線；兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器； 一個(gè) 5 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)；一個(gè)雙工串行口通信；片 內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 同時(shí)， AT89S51 可以降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)點(diǎn)工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，當(dāng)允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 超聲波發(fā)生器選型 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波 發(fā)生 器來實(shí)現(xiàn)。 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算 出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接 9 收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式 [4]。 測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇高頻率的傳感器，而長距離測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。 超聲波接收傳感器選型 超聲探頭的核心是其塑 料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度 也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)為。 工作頻率：工作頻率就是壓電晶片的共振頻率 。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 工作溫度 ： 由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。 靈敏度 ： 主要取決于 制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高 。 因此超聲波接受傳 感器應(yīng)該應(yīng)用集成電路 CX20216A， CX20216A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz與測(cè)距的超聲波頻率 40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(如圖 23)。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20216A接收超聲波 (無信號(hào)時(shí)輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 CS的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上。 顯示單元選型 顯 示單元是 計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)開發(fā)時(shí)使用的主要設(shè)備之一，它可將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、中間結(jié)果、存儲(chǔ)器地址以及存儲(chǔ)器、寄存器中的內(nèi)容顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話?？梢宰鲲@示器的有： LED,LCD,CRT 等。 CRT 就是常見的顯像管式的顯示器。優(yōu)點(diǎn)是顏色視覺效果好，視角寬，可靠性高，便宜；缺點(diǎn)是體積大耗電多，有微量的 X 射 10 線輻射。 LED 就是發(fā)光二極管。 LED 一般適合做大屏幕的顯示設(shè)備，最突出的有點(diǎn)那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如顯色性、對(duì)比度等都不如 CRT 顯示器。 但是考慮到本設(shè)計(jì)需要 顯示測(cè)量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，保 持 ，安全等警告信號(hào)。所以選擇采用 128 64 液晶模塊。 語音播報(bào)電路選型 語音播報(bào)語音芯片 有很多種，例如 WT1380、 WT588D等。 WT1380具有多種報(bào)警功能，定時(shí)器功能，時(shí)鐘輸出功能，中斷輸出功能以及語音播報(bào)功能。它的語音功能和萬年歷功能可以同時(shí)工作，主頻采用 RC振蕩，副頻采用 ?？梢杂?jì)算年、月、日、時(shí)、分、秒等信息，并可以將時(shí)間信息反饋給主控單片機(jī)。因而，WT1380是一款性價(jià)比極高的語音時(shí)鐘芯片。但是本設(shè)計(jì)不要求芯片有可以計(jì)算年、月、日、時(shí)、分、秒等信息的復(fù)雜功能 。所以 播報(bào)電路采用 WT588D系列的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。 WT588D系列語音單片機(jī)是廣州唯創(chuàng)科技有限公司聯(lián)合臺(tái)灣華邦共同研發(fā)出來的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應(yīng)用范圍廣性能穩(wěn)定是 WT588D系列語音單片機(jī)的特長，彌補(bǔ)了以往各類語音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷，MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制 I/O口擴(kuò)展輸出模式，讓應(yīng)用人員能將產(chǎn)品投放在幾乎可以想象得到的場所。 WT588D是一款功能強(qiáng)大 的可重復(fù)擦除燒寫的語音單片機(jī)芯片。 WT588D讓語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機(jī)電路，高度集成的單片機(jī)技術(shù)足于取代復(fù)雜的外圍控制電路。 溫度傳感器的選型 大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}。 溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器 AD590。 AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。 AD590的測(cè)溫范圍為 55℃ ～ +150℃ 。 AD590的電源電壓范圍為 11 4V～ 30V。 電源電壓可在 4V6V范圍變化，電流變化 1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。 AD590可以承受 44V正向電壓和 20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì) 被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。 AD590共有 I、 J、 K、 L、 M五檔，其中 M檔精度最高，在 55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為177。 ℃。 但是考慮到成本問題我選用 TS18B20 數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國 DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制 領(lǐng)域。 獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 至 無需備用電源測(cè)量。溫度范圍為 55176。 C 至 +125℃ 。 10176。 C 至 +85176。 C 范圍內(nèi)精度為177。 176。 C 溫度傳感器可編程的分辨率為 9~12 位溫度轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字格式最大值為 750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng) 。 12 第 3 章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、語音播報(bào)電路 、溫度補(bǔ)償電路、無線傳輸、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接受電路五部分。單片機(jī)采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40KHz 的方波信號(hào)，利用外部中斷 1 口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。 顯示單元部分采用 12864 液晶模塊。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。 如圖 所示 ，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由 AT89S51 單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和 +5V 電源組成。在外部振蕩電路中，單片機(jī) 的 XTAL1 和 XTAL2 管腳分別接至由 12MHZ 晶振和兩個(gè) 30PF 電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時(shí)鐘脈沖。在復(fù)位電路中，單片機(jī) RESET 管腳一方面經(jīng) 20 F 的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān) s 接電源。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，是單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng) 。 因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 13 圖 中 晶振 Y1 串聯(lián) C C11，并在 C10 和 C11 之間接地，單片機(jī)通電之后即可運(yùn)行。當(dāng)按下 S5 按鍵時(shí)單片機(jī)復(fù)位。 超聲波發(fā)射電路 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振 [5]，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器 與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 表 反相器 74LS04 參數(shù) 最大額定值 電源電壓 to + DC 輸入電壓 to Vcc+ 直流輸出電壓 to Vcc+ 鉗位二極管電流 177。20mA 直流輸出電流，每個(gè)引腳（輸出） 177。25mA 功耗 600mW 發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，如圖 所示，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號(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，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。 上位電阻 R R3 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 14 圖 超聲波發(fā)射電路 超聲波檢測(cè)接收電路 超聲波接收電路 CX20216A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率