【文章內(nèi)容簡介】 /2MHz，即計(jì)數(shù)脈沖的周期要大于 2 ms。 電子信息工程系畢業(yè)論文 9 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) 超聲波測(cè)距模塊 HCSR04 實(shí)物圖 圖 33 HCSR04 實(shí)物圖 主要技術(shù)參數(shù) 所用工作電壓：直流 5V 電壓。 工作靜態(tài)電流：小于 2mA。 電子信息工程系畢業(yè)論文 10 電平輸出：高電平為 5V，低電平為 0V。 感應(yīng)角度：不大于 15度。 探測(cè)距離及精度： 2cm450cm。 高精度：可達(dá) 3mm。 HCSR04 工作原理 采用 IO 觸發(fā)測(cè)距，給至少 10us 的高 電平信號(hào) 。 模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； 有信號(hào)返回，通過 IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從 發(fā)射到返回的時(shí)間．測(cè)試距離 =(高電平時(shí)間 *聲速 (340M/S))/2。 圖 34 時(shí)序圖 超聲波發(fā)射電路 超聲波傳感器的發(fā)射電路主要由方波發(fā)生芯片， 40kHz 的晶振和 MAX232 芯片構(gòu)成，單片機(jī)給方波發(fā)生芯片觸發(fā)信號(hào)后，方波發(fā)生芯片開始工作，產(chǎn)生 40kHz的方波信號(hào)，電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 將 TTL 電平轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)振蕩器的高電壓，進(jìn)而產(chǎn)生所需的 40kHz 的超 聲波。 電子信息工程系畢業(yè)論文 11 圖 35 超聲波發(fā)射電路圖 超聲波接收電路 本設(shè)計(jì)中選用的 TL740C 芯片采用了前置放大電路 +帶通濾波電路 +后級(jí)放大電路。將接收到的波形經(jīng)過整形、積分、檢波、濾波和限幅放大等實(shí)現(xiàn)接收超聲波的功能。 當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，回波信號(hào)會(huì)非常微弱，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)電平幅值很小，故要經(jīng)過若干級(jí)放大，使輸出功率達(dá)到一定要求，并且為了防止信號(hào)出現(xiàn)較大的失真，接收電路可以保證有 4MHz 的帶寬。放大后的交流信號(hào)送入比較器后輸出一個(gè)方波信號(hào)，并使觸發(fā)器觸發(fā)，向 CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求。在中斷服務(wù)程序中，讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值 ，結(jié)合溫度補(bǔ)償后的聲速計(jì)算出測(cè)距儀距離障礙物的距離。 電子信息工程系畢業(yè)論文 12 圖 36 超聲波接收電路圖 DSB18B20 溫度傳感器 實(shí)物與引腳定義 圖 37 DS18B20 實(shí)物圖 表 31 DS18B20 各引腳描述 DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)以 9 位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值，通過一根單線接口發(fā)送和接收信息，因此在單片機(jī)和 DS18B20之間僅需一條連接線（加管腳號(hào) 符號(hào) 功 能 1 GND 電源地 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入輸出 3 VDD 電源可選 電子信息工程系畢業(yè)論文 13 上地線）。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線 本身獲得，無需外部電源。 DS18B20 主要特性 獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊 簡單的多點(diǎn)分布應(yīng)用 無需外部器件 可通過數(shù)據(jù)線供電 零待機(jī)功耗 測(cè)溫范圍 55℃～ +125℃。華氏器件 67℉～ +257℉，以 ℉遞增 溫度以 9位數(shù)字量讀出 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間 200ms（典型值） 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件 應(yīng)用包括溫度控制工業(yè)系統(tǒng)消費(fèi)品溫度計(jì)或任何熱感測(cè)系統(tǒng) 圖 38 與單片機(jī)連接圖 語音播報(bào)模塊 ISD1700 系列芯片是華邦公司新推出的單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路，該芯片提供多項(xiàng)新功能，包括內(nèi)置專利的多信息管理系統(tǒng)，新信息提示（ vAlert ） ,雙運(yùn)作模式（獨(dú)立 amp。嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片內(nèi)部包含有自動(dòng)增益控制、麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線路、振蕩器與內(nèi)存等的全方位整合系統(tǒng)功能。 特點(diǎn)： 可錄、放音十萬次，存儲(chǔ)內(nèi)容可以斷電保留一百年。 兩種控制方式，兩種錄音輸入方式，兩種放音輸出方式 電子信息工程系畢業(yè)論文 14 可處理多達(dá) 255 段以上信息 有豐富多樣的工作狀態(tài)提示 多種采樣頻率對(duì)應(yīng)多種錄放時(shí)間 音質(zhì)好，電壓范圍寬，應(yīng)用靈活，價(jià)廉物美 電特性： 工作電壓： ,最高不能超過 6V 靜態(tài)電流： 1 μ A 工作電流： 20mA 用戶可利用震蕩電阻來自定芯片的采樣頻率，芯片的采樣率可以通過外部振蕩電阻來調(diào)節(jié) ： 表 32 采樣頻率與振蕩電阻的關(guān)系 采樣頻率 12KHz 8KHz 4KHz 振蕩電阻 60kΩ 80kΩ 100kΩ 120kΩ 160kΩ 主控單片機(jī)主要通過四線 （ SCLK ， MOSI， MISO， /SS ） SPI 協(xié)議對(duì) ISD1730 進(jìn)行串行通信。 ISD1730 作為從機(jī)，幾乎所有的操作都可以通過這個(gè) SPI 協(xié)議來完成。為了兼容獨(dú)立按鍵模式，一些 SPI 命令： PLAY ， REC， ERASE， FWD， RESET和 GLOBAL_ERASE 的運(yùn)行類似于相應(yīng)的獨(dú)立按鍵模式的操作。另外， SET_PLAY，SET_REC， SET_ERASE 命令允許用戶指定錄音、放音和擦除的開始和結(jié)束地址。此外，還有一些命令可以訪問 APC 寄存器，用來設(shè)置芯片模擬輸入的方式。 微機(jī)接口 主控單片機(jī)主要通過四線（ SCLK ， MOSI， MISO， /SS ） SPI 協(xié)議對(duì) ISD1700 進(jìn)行串行通信。 ISD1700 作為從機(jī)，幾乎所有的操作都可以通過這個(gè) SPI 協(xié)議來完成。為了兼容獨(dú)立按鍵模式，一些 SPI 命令： PLAY ， REC， ERASE， FWD， RESET和 GLOBAL_ERASE 的運(yùn)行類似于相應(yīng)的獨(dú)立按鍵模式的操作。另外， SET_PLAY，SET_REC， SET_ERASE 命令允許用戶指定錄音、放音和擦除的開始和結(jié)束地址。此外，還有一些命令可以訪問 APC 寄存器，用來設(shè)置芯片模擬輸入的方式。 ISD1700 系列的 SPI 串行接口操作遵照以下協(xié)議： ．一個(gè) SPI 處理開始于 /SS 管腳的下降沿。 ．在一個(gè)完整的 SPI 指令傳輸周期， /SS 管腳必須保持低電平。 ．?dāng)?shù)據(jù)在 SCLK 的上升沿鎖存在芯片的 MOSI 管腳，在 SCLK 的下降沿從 MISO管腳輸出，并且首先移出低位。 ． SPI 指令操作碼包括命令字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)和地址字節(jié)，這決定于 1700 的指令類型 ．當(dāng)命令字及地址數(shù)據(jù)輸入到 MOSI 管腳時(shí)，同時(shí)狀態(tài)寄存器和當(dāng)前行地址信息從 MISO 管腳移出。 . 一個(gè) SPI 處理在 /SS 變高后啟動(dòng)。 電子信息工程系畢業(yè)論文 15 . 在完成一個(gè) SPI 命令的操作后，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)中斷信息，并且持續(xù)保持為低，直到芯片收到 CLR_INT 命令或者芯片復(fù)位。 。 圖 39 語音播報(bào)電路 顯示單元 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8個(gè)顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取 決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 在本次設(shè)計(jì)中，我們選用 P0 口作為‘段碼’，連接 SM410564‘ a,b,c,d,e,f,g,dp’，每一段的亮滅。選用 ~ 分別對(duì)應(yīng)‘位碼’，電子信息工程系畢業(yè)論文 16 即連接 SM410564 的‘ S1， S2， S3， S4’分別控制每一位的亮滅?！?S1， S2，S3， S4’相當(dāng)于是每一段的 COM 端，由于是共陽極，只有某一位對(duì)應(yīng)的 COM端為‘ 1’時(shí)，所送的‘段碼’對(duì)該端來說才是有效的。 圖 310 顯示電路圖 電子信息工程系畢業(yè)論文 17 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C語言程序有利于 實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序需要有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），所以控制程序可采用 C語言編程。 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器 R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為： L=s/2=(c?t)/2 其中， L為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離， s為聲波的來回的路程， c 為聲速，t 為聲波來回所用的時(shí)間。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖 4圖 4圖 43所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成單方向超聲波的發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。 主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約 （這也就是超聲波測(cè)距會(huì)有一個(gè) 最小可測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷 1接收返回的超聲波信號(hào)。 電子信息工程系畢業(yè)論文 18 單 片 機(jī) 初 始 化定 時(shí) 器 初 始 化顯 示 測(cè) 量 值開 始開 外 部 中 斷等 待 中 斷 圖 41 主 程序流程 由于采用的是 12MHz 的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1μ s，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（ 41）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃時(shí)的聲速為 344m/s 則有： d=(c?t)/2=172T0/10000cm 其中， T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)算值。 測(cè)出距離后結(jié)果將傳給 LCD 數(shù)碼顯示約 5s，同時(shí)測(cè)量距離送語音模塊播報(bào)。然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用 C 語言編寫。 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送 2 個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約 40kHz 的方波），脈沖寬度為 12μ s左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確。 電子信息工程系畢業(yè)論文 19 定 時(shí) 中 斷 入 口定 時(shí) 器 初 始 化發(fā) 射 超 聲 波發(fā) 射 完 否 ？停 止 發(fā) 射返 回 Y N 圖 42 定 時(shí)中斷服務(wù)子程 電子信息工程系畢業(yè)論文 20 外 部 中 斷 入 口關(guān) 外 部 中 斷讀 取 時(shí) 間 值計(jì) 算 距 離結(jié) 果 輸 出開 外 部 中 斷返 回 圖 43 外部中斷服務(wù)子程序 超聲波測(cè)距主程序利用外中斷 1 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT1 引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 1 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2以表示此次測(cè)距不成功。 語音模塊子程序 設(shè)所測(cè)量距離值為 S=135cm,分別得到百位值、分位值、個(gè)位值 ，調(diào)用函數(shù) ISD_SET_PLAY 進(jìn)行組合播放語音，本例所播放的語音為“ 1點(diǎn) 35 米” 流程圖如下： 電子信息工程系畢業(yè)論文 21 相關(guān)源程序代碼如下： bai1=S%1000/100。 shi1=S%100/10。 ge1=S%10。 ISD_SET_PLAY(add1[bai1],0,add2[bai1],