【文章內(nèi)容簡介】 容易知道，當(dāng)連接的線數(shù)越多，節(jié)省的 IO口效率就越明顯。不過矩陣鍵盤的識別原理比一般的獨立按鍵識別原理要復(fù)雜一些，最常用的識別方法就是“高低電平翻轉(zhuǎn)法”。以 4*4矩陣鍵盤為例，當(dāng)列線通過上拉電阻接電源正極，并將行線接到單片機的 IO口上，而列線所接的 IO 口作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵在斷開狀態(tài)下，它們的輸入端都呈現(xiàn)為 1，代表沒有按鍵按下去。此時行線輸出的是 0，當(dāng)檢測到有按鍵按下，則輸入線就會被拉低而置為 0，這樣，通過檢測下 輸入線的狀態(tài)就可判斷是否有鍵被按下 [8]。矩陣鍵盤具體電路圖如圖 210 所示。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12 圖 210 矩陣鍵盤原理圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 蜂鳴器報警模塊 本測距系統(tǒng)帶有超出手動設(shè)置量程報警的功能，報警裝置采用壓電式蜂鳴器發(fā)聲來報警。蜂鳴器是目前使用較多的一種小型發(fā)聲類器件。通常 采用直流電源供電，廣泛被用在小型嵌入 式裝置，聲控系統(tǒng)，實驗開發(fā)箱，報警裝置，打印裝置中。蜂鳴器按照其工作方式來分類可分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器 [9 ]。壓電式蜂鳴器主要由壓電發(fā)聲片、阻抗匹配電路及共鳴器、 多諧振蕩器 、塑料外殼等組成。多諧振蕩器由三極管或者 CMOS 管組成，也可由專門 IC 組成。當(dāng)接通 電源 后 ,多諧振蕩器起振 ,輸出 的 音頻信號 ，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由特殊的化學(xué)壓電 陶瓷 材料制成。在陶瓷片的兩面鍍有一層 電極 ，在經(jīng)過極化處理后，再與另外一種金屬片粘貼在一起來構(gòu)成 [10]。在嵌入式應(yīng)用的設(shè)計上，很多設(shè)計都需要用到蜂鳴器，由于蜂鳴器的發(fā)聲穩(wěn)定特性，經(jīng)常將蜂鳴器用作報警和提示的作用，還有也可用作按鍵、步驟提示或是故障停止等方面作用。由于 自激 蜂鳴器大部分是采用 直流電壓 來驅(qū)動，而很少使用交流電，只需對驅(qū)動口輸出驅(qū)動電平并通過 三極管 放大驅(qū)動電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音。蜂鳴器報警模塊原理圖如圖 211 所示。 圖 211 蜂鳴器報警模塊原理圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計總流程 當(dāng)整個系統(tǒng)上電后，首先單片機自動復(fù)位，然后配置外部中斷 0 和定時器中斷 0 的模式和觸發(fā)方式。初始化 DS18B20，等到 DS18B20 初始化完畢后，立刻啟動DS18B20 進行溫度測量，繼續(xù)等待，等待到測溫結(jié)束后，將當(dāng)前溫度值存儲到 EPROM中便于后續(xù)處理。接下來就初始化 LCD1602，一直等到 LCD1602 初始化完畢。之后單片機發(fā)送指令驅(qū)動 HCSR04 模塊發(fā)射超聲波，于此同時開啟定時器開始定時，并且開始等待，若在定時器中斷響應(yīng)前，接收到了超聲波遇到障礙物反射回來的聲波，則立刻停止計數(shù)，并把定時器計數(shù)值存儲起來 后續(xù)處理。如果在定時器溢出前沒有接收到超聲波，則響應(yīng)定時器中斷，并且置位 flag1 標(biāo)志為 1。之后判斷flag1 標(biāo)志位是否為 1，若為 1，則驅(qū)動 LCD1602 顯示錯誤，若 flag1 標(biāo)志等于 0（初始值）則首先調(diào)用轉(zhuǎn)換函數(shù)，將定時器計數(shù)值和當(dāng)前環(huán)境溫度值聯(lián)合轉(zhuǎn)換成距離值，再驅(qū)動 LCD1602 顯示當(dāng)前溫度值和距離值。在整個程序運行過程中，若沒有單獨外部中斷 0 響應(yīng)，說明沒有設(shè)置量程。若在程序運行過程中，有人為按鍵按下，則程序立即響應(yīng)外部中斷 0，并且置位 flag2=1。若程序運行到 flag2 判斷處，若為 0，則無需應(yīng)答，若 為 1，則立刻進入按鍵操作程序，在程序中首先同樣初始化 LCD1602 便于顯示按鍵操作值，然后調(diào)用矩陣鍵盤掃描函數(shù)，從而得到按鍵的鍵值，并且將鍵值通過 LCD1602 顯示出來，在顯示鍵值的同時，還需要顯示一些固化的字符，以作為標(biāo)示。最后我們通過將按鍵值進行處理，計算出人為設(shè)置的量程并將該值存儲起來。在程序運行過程中，若檢測到當(dāng)前所測得的距離，超出了人為設(shè)置的量程，則立刻啟動蜂鳴器報警，否則程序繼續(xù)運行。系統(tǒng)軟件流程圖如圖 31 所示。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 Y N Y N Y N Y N 圖 31 系統(tǒng)軟件流程圖 初始化 DS18B20 測溫模塊 是否初始化完畢 啟動 HCSR04 測距模塊發(fā)射超聲波并且開啟定時器計數(shù) 是否接收到回波 定時器是否溢出 置位 flag1=1 停止計數(shù)，保存計數(shù)值，置flag1=0 flag1 是否為 1 驅(qū)動 LCD1602 顯示錯誤 換算當(dāng)前距離值 驅(qū)動 LCD1602 顯示距離和溫度 結(jié)束 開始 初始化外部中斷 0 和定時器中斷 0 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 單片機驅(qū)動 HCSR04 模塊程序設(shè)計 等待 LCD 初始化與 DS18B20 測溫完畢后，單片機將 IO 口 電平拉高并且維持 10us 以上，之后 HCSR04 將自動產(chǎn)生 8 個 40KHZ 的方波驅(qū)動發(fā)射頭發(fā) 射超聲波，并且使得 口位高電平，當(dāng) HCSR04 模塊接收到發(fā)射回來的超聲波后，將。其時序邏輯圖如圖 32 所示。 圖 32 HCSR04 時序邏輯圖 由于該設(shè)計系統(tǒng)是采用定時器計數(shù)的方式來計算超聲波傳輸?shù)臅r間，而所用的定時器為 16 位定時器，計數(shù)最大時間為 65536us，當(dāng)計數(shù)時間達到此值時，超聲波接收頭還未接收到外射回來的超聲波時，將產(chǎn)生定時器中斷，此時表面已經(jīng)超出測量范圍，顯示錯誤。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 d 單片機計算測試模塊與障礙物距離算法設(shè)計 超聲波測距是通過計時超聲波來回所耗時間來實現(xiàn)的 。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為 t,超聲波在當(dāng)前溫度下傳播速度為 v,則從傳感器到被測物的距離 d可由下列公式計算得到 2/)( tvd ?? [11]其基本原理如圖 33所示。 圖 33 超聲波測距計算原理圖 由于此系統(tǒng)是利用超聲波的傳輸時間來測量距離，就需要考慮聲音傳輸媒介的彈性模量和密度對聲速的影響。在空氣中，氣體的溫度，濕度，壓強等因素會引起空氣密度和彈性模量的變化，氣體聲速主要受密度的影響，超聲波 在氣，液，固三者的中傳播速度關(guān)系是固體 液體 氣體。氣體中聲速受溫度影響較大，根據(jù)聲音在空氣中傳播速度為 273/10 TC ?? ，其中 T 為當(dāng)前環(huán)境溫度，單位為攝氏度，0C 為 [12]。根據(jù)此公式，我們將 DS18B20 測出的當(dāng)前環(huán)境溫度 T 代入上式計算，就可以提高測量的精度，對最終測量結(jié)果進行溫度補償。 單片機定時器計時程序設(shè)計 STC89C52 單片機內(nèi) 部有兩個 16 位可編程的定時器 /計數(shù)器，它們均是二進制加計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器計時后溢出時， CPU 自行產(chǎn)生溢出中斷并且置位標(biāo)志位，用于標(biāo)示計時時間達到或計數(shù)已經(jīng)終止。兩個定時器 /計數(shù)器均可編程設(shè)置為定時模式和計數(shù)模式兩種，在這兩種模式下又均可設(shè)定 4 種工作方式。其各類控制字節(jié)和 HCSR 超聲波測距模塊 超聲波發(fā)射頭 超聲波接收頭 障礙物 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 18 狀態(tài)標(biāo)示位都存儲在特定存儲器中，人為設(shè)定存儲器的初始值，就可改變工作方式和狀態(tài)。定時模式下的定時時間和計數(shù)模式下的計數(shù)值在程序運行之處就可裝載相應(yīng)存儲器中。定時器和計數(shù)器主要由 16 位加法計數(shù)器，工作方式寄存器 TMOD和控制寄存器 TCON 組成，定 時器 /計數(shù)器 T0， T1 均由 TH0/TH1（高八位）， TL0/TL1（低八位）組成， TMOD 用于設(shè)置定時器 /計數(shù)器的工作方式， TCON 用于控制 T0，T1的啟動 /停止計數(shù) [13]。 TCON 寄存器的格式如表 31 所示。 TCON 的高四位用于定時器 /計數(shù)器控制，并且可以進行位尋址。 TR0 與 TR1 用于控制定時器 /計數(shù)器的啟動和停止， 1 為啟動， 0 為停止。 TF0 與 TF1 分別為 TO 與 T1的溢出標(biāo)志位，當(dāng)定時或者計數(shù)溢出時，由單片機自動置位為 1[13]。 表 31 控制寄存器 TCON 的格式 位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H TCON TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TMOD 的格式如表 32 所示， TMOD 寄存器不支持位尋址，高四位為 T1 方式字段，低四位為 T0方式字段， GATE 用于控制定時器邏輯輸入， C/T 控制為定時模式還是計數(shù)模式， 1 為計數(shù)， 0 為定時， M1， M0用于選擇定時器的工作方式，其工作方式如表 33 所示 [13]。 表 32 方式控制寄存器 TMOD 格式 位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TMOD GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 表 33 定時器工作方式 M1 M0 工作方式 0 0 方式 0，為 13 位定時器 /計數(shù)器 0 1 方式 1，為 16 位定時器 /計數(shù)器 1 0 方式 2,8 位初始值自動重載的 8 位定時器 /計數(shù)器 1 1 方式 3，僅適用于 T0，分成兩個 8 位計數(shù)器， T1 停止計數(shù) 由定時器的工作原理，我們發(fā)射超聲波之前配置好定時器工作方式，在單片機發(fā)出控制超聲波發(fā)射的同時開啟定時器，一直等到接收到反射回來的超聲波時再關(guān)閉定時器，就可得到超聲波的傳播時間。 DS18B20 驅(qū)動程序設(shè)計 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 34 所示。 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光記好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼，每 DS18B20 的 64 位序列號均不相同。64 位 ROM 的排列是：前 8 位是產(chǎn)品家族碼，接著 48位 DS18B20 的序列號，最后 8位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼 (CRC=X8+X5 +X4 +1)[14]。 ROM 作用是使每一個DS18B20 都各不相同，這樣就可實現(xiàn)一根總線上掛接多個。像 DALLS 公司出產(chǎn)的單總線器件都有特點的操作時序，要按照公司給定時序圖 操作。 DS18B20 共有 6 種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、寫 讀 0 和讀 1。 DS18B20 的操作一般來說分為指令操作和數(shù)據(jù)操作，除了讀數(shù)據(jù)操作外的時序，一般都是采用數(shù)據(jù)和指令分時復(fù)用那一根單總線， CPU 首先向器件發(fā)送開始指令，標(biāo)志著數(shù)據(jù)和指令傳輸開始，然后再寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)或者指令，之后從機 DS18B20 就會給出相應(yīng)的應(yīng)答信號以標(biāo)志著數(shù)據(jù)或者指令傳輸完畢 [15]。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 20 圖 34 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 要在 DS18B20 的 單總線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，首先要對從機初始化 ，主機首先將總線拉低并且保持低電平時間至少 480us，從而產(chǎn)生使得從機復(fù)位。然后總線被釋放，由于總線上接了上拉電阻，所以此時總線釋放回高電平，然后延時 15 到 60 us左右，這個時候主機就處于準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)模式，而從機初始化完畢。若連接在總線上的 DS18B20 器件無損壞的情況下， DS18B20 將拉低總線 60 至于 240us，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時 480 us。其初始化時序圖如圖 35 所示。 圖 35 DS18B20 初始化時序圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 21 寫時序分為寫 0 和寫 1 兩種情況。二者都必須最 少保持 60us 時間間隔，若要重復(fù)的寫數(shù)據(jù)進去從機需要至少 1us 的等待時間，當(dāng)寫 0 或者寫 1 時，首先 CPU 把總線拉低，當(dāng)寫 1 的時候：主機拉高總線，維持 2us，然后釋放總線，維持 60us。寫 0 的時候：主機拉低總線，維持 2us，同樣釋放總線，延時 60us，之后 DS18B20將讀取到單片機要寫入到 DS18B20 的數(shù)據(jù)，等到讀取數(shù)據(jù)完畢后，將自動釋放總