【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)值（此次設(shè)計(jì)是四米） ，則進(jìn)行報(bào)警。 單片機(jī)的選擇在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇合適的系統(tǒng)核心器件就成為能否成功完成設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵，而作為控制系統(tǒng)核心的單片機(jī)的選擇更是重中之重。目前各半導(dǎo)體公司、電氣商都向市場(chǎng)上推出了形形色色的單片機(jī)，并提供了良好的開發(fā)環(huán)境。一般來說，選擇單片機(jī)需要考慮以下幾個(gè)方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)的基本性能參數(shù)。例如指令執(zhí)行速度、程序存儲(chǔ)器容量、I/O 引腳數(shù)量等。單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。對(duì)于程序存儲(chǔ)器來說，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器和 OTP（一次性可編程）存儲(chǔ)器相比較，最好是 Flash 存儲(chǔ)器。芯片的封裝形式。如 DIP（雙列直插）封裝，PLCC（PLCC 有對(duì)應(yīng)插座）封裝及表面貼附等。芯片的功耗。比如設(shè)計(jì)并口加密狗時(shí)，信號(hào)線取電只能提供幾 mA 的電流，選用 AT 單片機(jī)就是因?yàn)樗軡M足低功耗的要求。供貨渠道是否暢通、價(jià)格是否低廉。芯片保密性能好、單片機(jī)的抗干擾性能好。AT89C51 在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn) 8051 單片機(jī)完全兼容，DIP40 封裝系列與 8051 為 PintoPin 兼容。AT89 系列單片機(jī)高速(最高時(shí)鐘頻率 90MHz)，低功耗，不占用戶資源。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，選擇 AT89C51單片機(jī)。與其他的單片機(jī)相比，AT89C51 有其獨(dú)特的特點(diǎn)。首先 AT89C51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，有 40 個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口。其次內(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。同時(shí) AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。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。I/O 端口的編程實(shí)際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對(duì) I/O 寄存器進(jìn)行編程。具體步驟如下：(1) 根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 偽指令定義其相應(yīng)的寄存器；(2) 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時(shí)的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作；(3) 根據(jù)外圍電路功能，確定 I/O 端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對(duì)于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因?yàn)?I/O 的復(fù)位缺省值為輸入；(4) 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻；(5) 最后對(duì) I/O 端口進(jìn)行輸出(寫數(shù)據(jù)輸出寄存器)和輸入(讀端口)編程，完成對(duì)外圍電路的相應(yīng)功能。圖 31 AT89C51 的引腳圖圖 32 AT89C51 單片機(jī)芯片外觀圖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，各接口功能如下：: 產(chǎn)生輸出一個(gè) 40KHZ 的脈沖信號(hào)。: 產(chǎn)生輸出一個(gè) 40KHZ 的脈沖信號(hào)。: 產(chǎn)生輸出一個(gè) 40KHZ 的脈沖信號(hào)。INT0: 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，接前方測(cè)距電路。INT1: 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，接前方測(cè)距電路。: 接 ICA3 輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。: 接 ICA3 輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。: 用于顯示輸出，接顯示器。: 用于顯示輸出，接顯示器。: 用于顯示輸出，接顯示器。: 用于顯示輸出，接顯示器。: 用于顯示輸出，接顯示器。: 用于顯示輸出，接顯示器。: 用于顯示輸出，接顯示器。: 用于顯示輸出，接顯示器。: 接報(bào)警電路。 : 接報(bào)警電路。: 接報(bào)警電路。XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。RST：AT89C51 的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片要復(fù)位時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。 超聲波測(cè)距發(fā)射電路方案選擇與設(shè)計(jì) 發(fā)射電路方案選擇與論證方案一：利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生 40kHz 的超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是無需驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。方案二：利用軟件產(chǎn)生超聲波信號(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。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為 100mA 以上的驅(qū)動(dòng)電路。綜合上述情況，本次設(shè)計(jì)采用方案一。 發(fā)射電路方案的設(shè)計(jì)發(fā)射電路主要由反向器 74ls04 和超聲波發(fā)生器 T 構(gòu)成，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發(fā)生器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器送到超聲波的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波發(fā)生器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。電路設(shè)計(jì)如圖 33 所示。1A1 1Y22A3 2Y43A5 3Y6GND7 4Y 84A95Y 105A 116Y126A 13VCC 14U4B74LS041KR21KR1T1VCCINTD12RESET9P101 P112P123 P134P145 P156P167INTO13T014 T115EAVPP31X119 X218WR16 RD17P07 32P0633P05 34P04 35P0336P02 37P01 38P178P00 39P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALEP30RXD 10TXD 11U5AT89C51VCCVCC圖 33 超聲波發(fā)射器的設(shè)計(jì) 反相器 74LS04 簡(jiǎn)介反向器 74LS04 是 6 非門，其工作電壓為 5V，他的內(nèi)部含有 6 個(gè) CMOS 反相器，74LS04 的作用就是反相把 1 變成 0。下表 31 是其工作范圍的分布情況，圖 34 為引腳圖介紹。表 31 執(zhí)行工作的極限值符號(hào) 參量 最小值 最大值 單位VCC 電源電壓 VTA 工作溫度范圍 0 75 176。CIOH 最大輸出電流 8 mAIOL 最小輸出電流 mA圖 34 74LS04 引腳圖 超聲波測(cè)距接收電路方案的選擇與設(shè)計(jì) 接收電路方案的選擇與論證超聲波測(cè)距系統(tǒng)接收電路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。超聲波接受探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)(主要是頻率要求一致，否則會(huì)因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收)。由于經(jīng)接收探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦信號(hào)不能直接被處理器接收，因此最后必須進(jìn)行波形變換。常用的波形變換的方法有三種 ： 方案一：采用集成鎖相環(huán) NE567 對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行頻率監(jiān)視和控制。探頭接到回波，如果接收到的信號(hào)頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由ＲＣ值決定），則其輸出引腳的電平將從“1”變?yōu)椤?”（此時(shí)鎖相環(huán)已進(jìn)入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機(jī)對(duì)接收探頭的接收情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這種方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但鎖相環(huán)接收的頻帶較窄，不易鎖相。 方案二：采用紅外線檢波接收的專用集成芯片 CX20226A，它常用于電視機(jī)紅外遙控接收器，由于紅外遙控常用的 38kHz 載波與測(cè)距用的 40kHz 超聲波接近，當(dāng)它沒有接收到信號(hào)時(shí)輸出為高電平，當(dāng)它接收相近頻率的信號(hào)時(shí)輸出為低電平。因此它可以用來作為超聲波檢測(cè)接收電路。這種方法的特點(diǎn)是不僅靈敏度很高，抗干擾能力很強(qiáng)，而且還不需要放大電路，可使系統(tǒng)電路更為簡(jiǎn)潔。 方案三：采用集成運(yùn)放芯片（LM324）作為比較器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行波形變換。當(dāng)輸入信號(hào)的電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出為“1”；當(dāng)輸入信號(hào)的電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出為“0”；這樣就起到對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行變換的目的。這種方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但選擇比較電壓非常關(guān)鍵。 綜合考慮各種方案的特點(diǎn)，所以用方案二。 接收電路的設(shè)計(jì)超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計(jì)采用 TCT40－16T/R，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號(hào)不能直接被單片機(jī)接收，必須進(jìn)行波形變換。按照上面所討論的，單片機(jī)需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。接收電路的設(shè)計(jì)采用 CX20226A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測(cè)距超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以利用它作為超聲波發(fā)射電路。下面對(duì)紅外遙控接收器集成電路 CX20226A 做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。CX20226A 是日本索尼公司生產(chǎn)的彩電專用紅外遙控接收器，采用單列 8 腳直插式，超小型封裝。CX20226A 的基本性能如下：(1）電源電壓典型值 5V，最大 17V。(2）電源電流 ～(典型值為 )。(3）輸出低電平。(4）電壓增益 77～79dB。(5）輸入阻抗為 27kΩ。(6）濾波器中心頻率f0 為 30～60kHz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 35 所示，各引腳功能如下表 32 所示。 檢波器及 前置放大 限幅放大 寬頻帶濾波器 比較器 整形 滯后比較器 + —— IN C1 C2 GND fo C3 OUT Vcc1 83 74 652ABLG紅外信號(hào)輸入端增益調(diào)節(jié)端檢測(cè)端 地 帶通濾波器調(diào)整端積分端 信號(hào)輸出端電源端圖 35 CX20226A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表 32 CX20226A 引腳功能引腳 名稱 功能1 IN 信號(hào)輸入端2 C1 RC 網(wǎng)絡(luò)連接端，該端與地串接一 RC 網(wǎng)絡(luò)，以確定前置放大器的頻率特性與增益。R 阻值大，C 容量小，增益低；反之則高但 C 不宜過大，否則瞬態(tài)響應(yīng)速度會(huì)降低。3 C2 檢波電容連接端，該端與地接檢波電容，電容量大，則為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容值小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動(dòng)大。4 GND 接地端5 f0 帶通濾波器中心頻率設(shè)置端，通過該腳與電源正端接一電阻 R 來確定 f0，當(dāng) R=200 千歐時(shí)，中心頻率 f0=40KHZ；當(dāng) R=220 千歐時(shí)，中心頻率 f0=38KHZ。6 C3 積分電容連接端，該腳所接積分電容標(biāo)準(zhǔn)值為 330PF，當(dāng)電容值增大時(shí)，則外部濾波干擾增強(qiáng)，而且輸出脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增加。7 OUT 信號(hào)輸出端，該端口為集電極開路輸出，當(dāng)該腳與電源正端接一22 千歐的電阻時(shí)，輸出脈沖低電平的標(biāo)準(zhǔn)值約為 8 VDD 電源正端，接+5VCX20226A 的內(nèi)部主要包括前置放大器，限幅放大，帶通濾波，峰值檢波，積分濾波及波形整形電路等?；驹砣缦拢航邮論Q能器把超聲波回波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的數(shù)字編碼脈沖調(diào)幅波，并由 1 腳進(jìn)入集成放大器的正相輸入端。2腳是放大器的反相輸入端，外接 RC 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，可以決定和調(diào)節(jié)放大器的頻率特性和電壓增益，當(dāng)電阻值小或者電容值大時(shí)，電壓增益高，通頻帶窄；反之，電壓增益低，通頻帶寬。在放大器輸入端設(shè)置有 ABLC 電路（即自動(dòng)偏壓電路或者自動(dòng)電平控制電路，它可使放大及限幅電路輸出電平穩(wěn)定的編碼信號(hào)），可自動(dòng)調(diào)整放大器的偏置電壓，使放大器的輸出電平穩(wěn)定。然后，信號(hào)進(jìn)入限幅放大器，可以濾除雜亂的寄生調(diào)幅和其他干擾，輸出包絡(luò)脈沖頂部平直的編碼脈沖調(diào)幅波。信號(hào)再進(jìn)入帶通濾波器，濾除頻率范圍 3050KHZ 以外的干擾信號(hào)。5 腳外接電阻。調(diào)節(jié)其阻值可調(diào)節(jié)帶通濾波器的中心頻率值。然后信號(hào)進(jìn)入峰值檢波器，對(duì)編碼脈沖的調(diào)幅波進(jìn)行振幅檢波，解調(diào)出數(shù)字編碼脈沖信號(hào)，3 腳外接電容是峰值檢波器的濾波電容。檢波出的信號(hào)再送到整形電路中進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換與整形，最后由 7 腳輸出數(shù)字編碼脈沖信號(hào)，送至 CPU 去識(shí)別，處理。6 腳外接積分電容，可以濾除已調(diào)波的載波頻率分量。而由檢波器輸出的數(shù)據(jù)編碼信號(hào)，CPU 不能識(shí)別，故在檢波器后設(shè)置由積分電路和磁滯回線型比較器組成的整形電路，整形電路是一種波形變換電路，它可將檢波器輸出的寬度編碼脈沖整形變換為 CPU 所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。而實(shí)用的波形整形電路是積分電路和施密特比較器組成的電路。接收電路如圖 36 所示，TX3傳傳傳T2傳傳傳傳傳傳傳傳1KR31KR45100pFC51 2 3 4 5 6 7 8CX2022A100pFC81KR5VCC1+TX4傳傳傳TX1傳傳傳TX2傳傳傳TX5傳傳傳1 100pFC6100pFC7圖 36 超聲波接收電路圖 顯示模塊方案的選擇與設(shè)計(jì) 顯示模塊方案選擇與論證方案一：采用 LCD 液晶顯器，液晶顯示器的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字、圖形、顯示多樣，清晰可見，但是價(jià)格昂貴，需要的接口線多，所以在此設(shè)計(jì)中不采用 LED 數(shù)碼管。方案二：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較適合，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi)，且價(jià)格也相對(duì)較