【文章內容簡介】 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。目前世界各生產廠家生產的 4位、8 位、16 位、32 位通用型以及衍生出的五花/又門的系列及型號，使單片機技術的應用己達到了無孔不入的地步。但是在國內，單片機使用量最大的還是 8 位單片機，應用范圍最廣的也是 8 位單片機。目前世界各生產單片機的公司都在努力提高時鐘頻率，以提高單片機速度；精簡指令，采用多級流水線操作方式以提高指令的執(zhí)行速度，擴大尋址能力。擴大片內程序存儲器和數據存儲器容量，并在結構上細致化、智能化、密切化，以增加片內功能；盡量減少外部接口芯片，提供與主機的接口，降低單片機的功耗，提高寬電源的適應能力，增加高噪聲容限，并使其具有更好的電磁兼容性。面向應用對象的多功能多品種的增強型單片機將不斷出現。本系統(tǒng)的主控單元采用了 MCS51 系列的 AT89C2051 單片機，主要考慮到這種單片機操作相對簡單， 同時價格也較便宜，便于實驗時使用。充分運用單片機內部資源，對汽車的轉速、顯示和串口通信進行了研究。 AT89C2051 的特點與功能 ]8[ AT89C2051 是一個低功耗、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：128 bytes 內部 RAM，2Kbytes EPROM，15 根 I/O 線，2 個 16 位定時長春工程學院畢業(yè)設計（論文）12／計數器，5 個兩級中斷源，1 個全雙工串行口，一個片內精密模擬比較器和片內振蕩器，低功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 16 位定時／計數器寄存器 T0 和 T1，作定時器時，可計數機器周期，計數頻率為振蕩頻率的 1/12；作計數器時，可對外部輸入引腳 1，計數頻率為振蕩頻率的 1/24。AT89C2051 明細如圖 41 所示。 RST1P P X 24X 15P P P P G N D10V c c 20P 19P 18P 17P 16P 15P 14P 13P 12P 11AT89C2051 圖 41 AT89C2051 芯片引腳圖AT89C2051 芯片的 20 個引腳功能為： 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 ～ 提供內部上拉電阻。 和 要求外部上拉電阻。 和 還分別作為片內精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（AIN1)。P1 口輸出緩沖器可吸收 20mA 電流并能直接驅動 LED 顯示。當 P1 口引腳寫入“1”時，其可用作輸入端。當引腳 ～ 用作輸入并被外部拉低時，它們將因內部的上拉電阻而流出電流( )。P1 口還在閃速編程和程序校驗期間接收代碼數據。IL4. P3 口：P3 口的 ～、 是帶有內部上拉電阻的七個雙向 I/0 引腳。用于固定輸入片內比較器的輸出信號并且它作為通用 I/O 引腳而不可訪問。P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。當 P3 口引腳寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時，被外部拉低的 P3 口引腳將用上拉電阻而流出電流( )。此外 P3 口還用于實現ILAT89C2051 的功能：長春工程學院畢業(yè)設計（論文）13：RXD(串行輸入端口)：TXD(串行輸出端口)：INT0(外中斷 0)：INT1(外中斷 1)：TO(定時器 0 外部輸入)：T1(定時器 1 外部輸入)5. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內部時鐘發(fā)生器的輸入。 6. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。從上述引腳說明可看出，AT89C2051 沒有提供外部擴展存儲器與 I/O 設備所需的地址、數據、控制信號，因此利用 AT89C2051 構成的單片機應用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴展存儲器或 I/O 設備，也即 AT89C2051 本身即構成了最小單片機系統(tǒng)。 單片機系統(tǒng)的設計要求系統(tǒng)設計包括軟件和硬件設計兩個方面，兩者之間互相影響。一般設計原則是簡化設計(采用功能較強的芯片以簡化電路，增強可靠性)。冗余技術設計( 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。硬件設計一般包括單片機接口電路設計和單片機作用對象設計。在硬件電路的基礎上，高質量的軟件可使系統(tǒng)的性能大大地提高，其中包含:中斷控制、定時、顯示、數碼轉換以及數據采集、處理、輸出等程序。在設計時，較多的使用硬件來完成一些功能，可以提高工作速度，減少軟件工作量。 較多的使用軟件來完成一些功能，則可以降低成本，簡化電路，但是增加了編程的工作量。因此，在綜合設計時，應根據研制的周期和市場狀況來進行合理的分配。 ]1[ 系統(tǒng)各部分的硬件設計 超聲波發(fā)射電路的設計 超聲波發(fā)射電路由 NE555 時基電路和超聲波發(fā)射探頭組成。單片機 AT89C2051 的 引腳控制 NE555 時基電路產生 40kHz 的頻率信號給超聲波發(fā)生器，由超聲波探頭發(fā)射的超聲波射向障礙物。利用超聲波測距具有以下特點：測量靈敏度高，穿透力強，測量速度快，測量角度大，可對較大范圍內的物體進行檢測。其原理圖如圖 42 所示。 ]18[長春工程學院畢業(yè)設計（論文）14TRIG2OUT 3RST4CVOLT5 THR6DISC 7VCC 8GND1U1NE555VCC224C4C2103C1103104C11224C322μC22510R2VCCVCC3 2U2ACD4049UB/FP5 4CD4049UB/FP7 6CD4049UB/FP9 10CD4049UB/FP14 15CD4049UB/FP11 12CD4049UB/FPPLUS_ENUS1SuperSound_112 WAVEWAVEU2BU2CU2DU2EU2F18KR1 160KR19 圖 42 超聲波發(fā)射電路原理圖用于驅動超聲波傳感器的 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（即 AT89C2051 的 引腳） ；40KHz 的方波經 CD4049（驅動功能的反相器）調理后，成為振幅 18V 的方波，提高發(fā)射功率。 超聲波接收電路的設計超聲波接收電路由超聲波接收探頭、放大器和整形器組成。由障礙物反射回來的超聲波經接收探頭，變換為電脈沖信號，再由放大器、整形器放大和整形后送入到單片機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，以保持脈沖信號尤其是前沿不發(fā)生畸變，提高測距的精度。其原理圖如圖 43 所示。 ]18[814321U3ANE5532P84756 2U3BNE5532P224C520pFC6100pFC720pFC9104C8 104C10Q?JMP_COMCN12 J213BAL/STB6BAL5V427V+ 8U4LM311PUS2SuperSound_1WAVEWAVEVCCVCCVCCVCCCOM_lrm PACK_PLUS1KR922KR1010KR810KR71KR11KR61KR510KR41KR12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 搭成的兩級交流放大電路。經放大后的波形送入，LM311 比較器；經比較器調理后的波形成為方波，可送給AT89C2051 的 引腳。長春工程學院畢業(yè)設計（論文）15在此模塊電路的設計中，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，接收頭會一直接收到發(fā)射頭傳過來的非反射波，這是干擾波，在后面的軟件處理的時候將會清除這些干擾。 門控電路（ 觸發(fā)器）設計RS]6[為了在本超聲波測距電路中實現對超聲波發(fā)射和接收的自動控制，必須在電路中加入門控電路。下面結合系統(tǒng)總原理圖（見附錄）解釋一下該門控電路的作用。由 2vtS?式中 是所測得的距離， 是超聲波在空氣中的傳播速度， 是超聲波從發(fā)射到接收到Svt第一個回波經過的時間。如果 已知，距離便可確定，如何測量時間 呢？把輸出脈沖作為一t閘門信號，讓已知頻率 的脈沖恰好能通過閘門，那么：cf CtNT?式中， 為已知脈沖的周期； 為脈沖周期的個數或脈沖的個數。閘門信號與已知脈沖信CT號的關系如圖 44 所示。圖 44 閘門信號與已知脈沖信號的關系在本電路設計中門控電路由 觸發(fā)器來完成，而 觸發(fā)器是用 觸發(fā)器 CD4013 來完RSRSD成。當 時復位，即 ； 時置位，即 ,在原理分析中，就)0(1?SR0?Q)0(11?Q利用它的這一特性。當上電復位時， 觸發(fā)器 CD4013 的 腳輸出低電平加到單片機的 口，不啟動內部計數器，處于等待狀態(tài)。 報警電路的設計報警電路由語音集成電路、放大電路和揚聲器組成。根據測量結果，AT89C2051 的 產生一定頻率的低電平信號，使電路導通驅動揚聲器發(fā)出報警聲。原理圖如圖 45 所示。長春工程學院畢業(yè)設計（論文）162 35 41HFC5214Q2S9015D1IN5989DS0VS 6GND4 GAIN 8325BYP 7GAIN 1U6LM386N110μC44220μC333KR131KR141KR15820KR161KR17LS0SpeakerVCCU5圖 45 語音報警電路原理圖當車前方有障礙物時，反射回來的超聲波信號經超聲波接收器 US2 接收并轉變?yōu)橄鄳碾妷盒盘?。該信號經過芯片處理后從 以低電平信號輸出，三級管導通，語音集成電路（HFC5214）開始工作，然后再經過 LM386，LM386 是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，經過放大后由揚聲器發(fā)出“嘟嘟，請注意！” 的語言提示！同時二極管發(fā)光，實現聲光同時報警提示！ 測速電路設計測速電路由傳感器、倍頻電路組成?；魻柤蓚鞲衅鲗④囕嗈D速信號變成脈沖信號輸出，經放大、整形電路后送入倍頻電路，送入單片機 AT89C2051 的 引腳，控制 T1 計數器計數，實現了在單位時間內的計數。轉速傳感器由霍爾開關元件，帶磁鋼圓盤（裝在汽車車軸上的）及電平轉換電路組成。構成原理框圖如圖 46 所示。當車輪轉動時，磁塊與霍爾元件相對位置發(fā)生變化，磁塊靠近霍爾元件時，磁場增強，霍爾元件輸出低電平，相反則輸出高電平，因此車輪轉動，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號，通過整形送單片機，根據具體要求進行信號處理計算?；魻杺鞲衅鬟x用霍尼韋爾公司的 SS41 型霍爾位置傳感器 /開關輸出。它尺寸小，有靈敏的磁特性，響應速度快，工作頻率從 0～100kHz，完全滿足采樣時間的要求。可采用單 5V電源供電，輸出電壓值小于 ，故與微機接口時，需有后續(xù)電路放大脈沖信號。長春工程學院畢業(yè)設計（論文）17 圖 46 測速原理框圖轉速測量裝置的硬件包括脈沖發(fā)生部分以及脈沖信號與微機的接口電路兩部分。脈沖的形成是基于霍爾效應原理。車輪轉動霍爾元件輸出的脈沖信號頻率與轉速成正比，由于圓盤上貼有 60 塊（為了計算方便，選用 60 片小磁塊）磁塊，車輪轉動時，每個小磁片經過霍爾傳感器時，霍爾傳感器便產生一個脈沖。車輪每轉一周，霍爾元件輸出 60 個脈沖。若轉速傳感器輸出頻率為 ，則汽車車輪轉速 為：fn 60(min)ffr??因此轉速傳感器輸出信號頻率即為車輪每分鐘轉數。磁片選用 SH30 型，將 60 塊磁片粘貼于非磁性圓盤上，注意辨別每個磁片的 N、S 極，(N 極貼向轉動軸，S 極朝向霍爾傳感器)。其原理圖如下圖所示，其中 SH30 是粘貼于非磁性圓盤上的小磁片。123 SS41SH3012345678 U7LM311HN SD2100KR2020KR2115KR222KR18VCCVCCVCC 圖 47 霍爾傳感器測速電路原理圖微機接口電路將傳感器輸出的微弱的脈沖信號轉換為幅值為+5V 的單片機標準輸入信號。用 LM311 比較器實現。實際電路如圖 47 所示。R1R21 用于調整比較器的基準電壓，設定為 。當傳感器的輸出電壓高于基準電壓時，比較器輸出+5V 的高電平，反之則輸出為0V 的低電平。比較器上拉電阻的大小會影響輸出幅度，由 500Ω 改為 15kΩ 后，使輸出幅值長春工程學院畢業(yè)設計（論