【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 物圖　顯示模塊元件的選用與論證本設(shè)計(jì)中選用的是 LCD1602 液晶屏顯示距離數(shù)據(jù)，LCD1602 是一種廣泛使用在工業(yè)中的字符型液晶顯示屏，能夠同時(shí)顯示 16 列 2 行即 32 個(gè)字符。而且 1602 中不僅有 160 個(gè)內(nèi)建的字符發(fā)生器 CGROM，集成常用字型，可以完全滿足用于所需的基本字符（不包括中文） ，還有 8 個(gè)字符發(fā)生器 CGRAM，可以憑借自己的喜好和程序需要定義一些簡(jiǎn)單的漢字，在點(diǎn)數(shù)允許的情況下。價(jià)格 7 元。1602 液晶顯示屏的實(shí)物圖如下：基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)7圖 26　QC1602A 液晶顯示屏實(shí)物圖　語(yǔ)音模塊元件的選用與論證本設(shè)計(jì)選用的是宇音天下生產(chǎn)的芯片 SYN6288。ISD400x 系列的語(yǔ)音芯片是現(xiàn)在最常見的語(yǔ)音芯片，這一類芯片需要先將要播放的信息由錄音部分錄入到芯片中，再由播音部分播出，聲音保真，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，以其廣泛的應(yīng)用可以說(shuō)明它的優(yōu)點(diǎn)毋庸置疑，但是以 8 位的為例，如果使用半集成的語(yǔ)音錄放模塊，價(jià)格在60 元以上而且元件的尺寸比較大，不適合本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與 ISD400x 系列的芯片相比，宇音天下公司生產(chǎn)的芯片更適合本次的設(shè)計(jì)，不論是早期的 OSYNO6188 還是本設(shè)計(jì)中使用的 SYN6288 都迅速的贏得了業(yè)界內(nèi)大批忠實(shí)的粉絲， SYN6288 擁有簡(jiǎn)單的接口方便硬件連接使用，可以智能識(shí)別中文文本數(shù)字機(jī)常見的符號(hào)，通過(guò)上位機(jī)的串口可以直接發(fā)送需要播放的內(nèi)容，可以大大減小軟件編程的工作量，除此之外，它的功耗低、封裝尺寸小，半集成的語(yǔ)音模塊僅僅只有硬幣大小，價(jià)格僅需 50 元，加適合車載系統(tǒng)使用即節(jié)約成本也節(jié)約體積。SYN6288 語(yǔ)音模塊實(shí)物圖如下：圖 27　SYN6288 實(shí)物圖圖 28　喇叭的實(shí)物圖　報(bào)警模塊元件的選用與論證本設(shè)計(jì)中報(bào)警模塊使用三色 LED 和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)距離障礙物 100cm 及以上時(shí)綠色燈亮，蜂鳴器不發(fā)生鳴叫；當(dāng)距離障礙物 50cm100cm 時(shí)黃色燈低頻率閃爍，蜂鳴器發(fā)出頻率較低的鳴叫；當(dāng)距離障礙物在 50cm 以內(nèi)時(shí)紅色等高頻率閃基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)8爍，蜂鳴器發(fā)出頻率較高的鳴叫。圖 29　蜂鳴器及 LED 燈實(shí)物圖　電源及燒寫模塊元件的選用及論證本設(shè)計(jì)選用的是集成好的 USB 下載器同時(shí)供電和更新程序，由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)車載系統(tǒng)開發(fā)，所以電源部分使用 USB 供電，但是由于在板上設(shè)計(jì)單獨(dú)的串口來(lái)更新程序明顯不實(shí)用，所以選擇集成好的 USB 下載器，既可以供電，也可以用來(lái)燒寫程序。價(jià)格 12 元。圖 210　USB 下載器實(shí)物圖基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)93　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)　整體的硬件設(shè)計(jì)通過(guò)分析上文中的系統(tǒng)的功能以及每部分的設(shè)計(jì)可以得出硬件部分的設(shè)計(jì)。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，外圍有 6 個(gè)模塊要與之相連，其中每個(gè)模塊的 VCC 和GND 端都與系統(tǒng)的高電平和低電平相連，除此以外，還有 1602 的根數(shù)據(jù)線，RS 寄存器選擇端、E 使能端和 RW 讀寫信號(hào)線，有 DHT11 的單總線數(shù)據(jù)端 DATA，有HC_SR04 的觸發(fā)控制信號(hào)輸入端 TRIG 和回響信號(hào)輸出端 ECHO，有 SYN6288 的RXD、 TXD、BUSY 和直接驅(qū)動(dòng)喇叭的兩個(gè) SPK 端以及 LED 燈和蜂鳴器端等。對(duì)于 51 系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，P0 口為開漏輸出，內(nèi)部并沒有集成上拉電阻 [7]，所以若要使用 P0 作為普通的 I/O 端口輸出數(shù)據(jù)時(shí)，就必須外接 8 個(gè)上拉電阻，保證高電平的正確輸出，而很巧的是顯示模塊所使用的 1602 在內(nèi)部的 8 根數(shù)據(jù)總線 DB0DB7 上已經(jīng)集成了上拉電阻，所以將單片機(jī)的管腳中 與 1602 的 DB0DB7端順序相連，P0 口和 P2 口位于同一側(cè)，所以為了連線方便 1602 的另外三個(gè)控制端占用 P2 口的三個(gè)端口。又因?yàn)樵诠δ苌?LED 燈和蜂鳴器的報(bào)警模塊也屬于數(shù)據(jù)輸出端，在成品中的位置盡量靠近 1602，所以報(bào)警模塊的 4 個(gè)端口也與 P2 口的端口相連。從功能上看，HC_SR04 和 DHT11 屬于數(shù)據(jù)的輸入端，而且位置應(yīng)處于板的邊緣，同時(shí)兩者應(yīng)該距離較近，所以將 HC_SR04 的 ECHO 和 TRIG 以及 DHT11 的DATA 端連到 P1 口上。語(yǔ)音模塊使用的是上位機(jī)固定的串口 RXD/，TXD/上，同時(shí)由于程序下載也需要固定的串口端，所以這兩個(gè)端口復(fù)用。當(dāng)然為了保證單片機(jī)的正常工作還需要將它的 VCC(第 40 管腳) 接高電平，GND( 第 20 管腳)接低電平，RST( 第 9 管腳)接復(fù)位電路，XTAL1(第 19 管腳)、XTAL2( 第 20 管腳)接時(shí)鐘電路，EA/VPP( 第 31 管腳)直接接高電平，選擇內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 [1]。本次硬件設(shè)計(jì)使用的軟件是 Protel99se，這個(gè)軟件集成了豐富的元件封裝，常用的器件基本都可以直接使用，當(dāng)遇到?jīng)]有封裝的元件時(shí)，Protel 也提供了原理圖庫(kù)文件和 PCB 的庫(kù)文件可以自己制作元件的封裝。而且還可以對(duì)繪制的電路圖進(jìn)行電氣檢查、列出元件清單，當(dāng)然它最強(qiáng)大的功能還是印刷電路板的設(shè)計(jì)，可以幫助使用者對(duì)硬件進(jìn)行排線等，雖然 DXP2022 比 Protel99se 更加先進(jìn)，但是運(yùn)行所需內(nèi)存較大，電腦運(yùn)行慢，所以還是選擇 Protel99se?！∶總€(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)　測(cè)距模塊的硬件特點(diǎn)及外圍電路對(duì)于 HC_SR04 超聲波測(cè)距模塊來(lái)說(shuō)，它的硬件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，外部沒有什么特基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)10別需要添加的元件，采用高電平觸發(fā) TRIG 發(fā)射超聲波信號(hào)，然后通過(guò)檢測(cè) ECHO的高電平持續(xù)時(shí)間計(jì)算距離。所以只需將它的 VCC 接高電平（5V ） ，GND 接地，TRIG、 ECHO 分別接單片機(jī)的 、 即可。圖 31　HC_SR04 引腳圖　溫濕度模塊的硬件特點(diǎn)及外圍電路DHT11 溫濕度傳感器外部共有 4 個(gè)引腳，但是 NC 引腳懸空不接，所以在電路圖中只畫出了其中 3 個(gè)引腳。它的 VCC 需提供 的電壓，為了增強(qiáng)它的穩(wěn)定性要在它的 VCC 和 GND 之間接一個(gè) 100nF 的電容，用以去耦濾波。為了保證高低電平的正確輸入輸出，當(dāng)連接線少于 20 米時(shí)要在 DATA 端接一個(gè) 5K 大小的上拉電阻。圖 32　DHT11 引腳及外圍電路連接圖　顯示模塊的硬件特點(diǎn)及外圍電路在整體的硬件連接中已經(jīng)分析過(guò) 1602 的位置與占用端口的原因，由于自帶的排阻和端口在實(shí)物上的靠近，1602 的第 4 到第 14 引腳與單片機(jī)直接相連。將第 15 引腳 A 即背光電源正接高電平，第 16 引腳 K 即背光電源負(fù)接地，將第 1 引腳 VSS 地電源接地，第 2 引腳 VDD 接高電平，比較復(fù)雜的是第 3 引腳 V0，它是液晶顯示屏的對(duì)比度調(diào)整端，使用時(shí)應(yīng)該通過(guò) 10K 大小的電位器接。當(dāng)電位器阻值變化時(shí)，效果如下圖：基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)11圖 33　對(duì)比度過(guò)低圖 34　對(duì)比度過(guò)高圖 35　對(duì)比度合理圖 36　LCD1602 引腳及外圍電路連接圖　語(yǔ)音模塊的硬件特點(diǎn)及外圍電路語(yǔ)音模塊集成度比較高基本不用連接外部電路，只需將喇叭的兩端接到 SPK1和 SPK2 上，VCC 接高，GND 接地，BUSY 可接可不接， RXD 接單片機(jī) TXD 端，基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)12TXD 也是可接可不接（不接是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中語(yǔ)音芯片有些功能沒有使用） 。電路圖如下：圖 37　語(yǔ)音模塊引腳及外圍電路連接圖　報(bào)警模塊的硬件特點(diǎn)及外圍電路由于所使用的單片機(jī) STC89C52 的端口做普通的輸入輸出時(shí)，拉電流的能力是微安級(jí)別，灌電流的能力是 10 倍的毫安級(jí)別，要點(diǎn)亮 LED 燈微安級(jí)別的電流是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以通常使用的灌電流連接方式電亮 LED，即 LED 的正極直接接高電平，負(fù)極接保護(hù)電阻后接單片機(jī)的輸入輸出口。同樣，蜂鳴器也采用灌電流的連接方式連接，但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這樣連接并不能讓蜂鳴器發(fā)出比較高的聲音，再一次修改了蜂鳴器的連接方式，蜂鳴器的正極直接接高電平，負(fù)極接三極管 NPN 的集電極，三極管的發(fā)射極接地，基極接保護(hù)電阻后接到單片機(jī)的輸入輸出口。圖 38　報(bào)警模塊引腳及外圍電路連接圖基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)134　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)　整體的軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的核心使用的 51 系列的單片機(jī)，在內(nèi)存上是無(wú)法與計(jì)算機(jī)相比的，所以要在數(shù)據(jù)空間的使用和程序的復(fù)雜度上盡量節(jié)省，最大限度的使用單片機(jī)已經(jīng)集成好的比如中斷、定時(shí)器、看門狗等功能，防止程序空間以及數(shù)據(jù)空間過(guò)大溢出。在編程的過(guò)程中盡量提高程序的模塊化，增加復(fù)用率。使用的編程語(yǔ)言是基于 51 單片機(jī)的 C 語(yǔ)言，編程難度小，理解方便，已有一些集成的函數(shù)方便調(diào)用，與計(jì)算機(jī)的 C 語(yǔ)言相比，它更接近底層，可以按位定義和運(yùn)算，十分靈活，與對(duì)應(yīng)單片機(jī)的匯編語(yǔ)言相比他的優(yōu)點(diǎn)在于可讀性強(qiáng)，更接近人的語(yǔ)言，維護(hù)、更新、擴(kuò)展都更加的方便。使用 Keil4 進(jìn)行軟件的編程，這個(gè)軟件界面簡(jiǎn)單使用方便，內(nèi)部包含了 C 的編譯器還集成了大量的庫(kù)函數(shù)，當(dāng)然最喜實(shí)用的時(shí)它強(qiáng)大的 Debug 功能，可以將整個(gè)程序逐步運(yùn)行出來(lái)，可以減小當(dāng)程序直接燒寫到板子上風(fēng)險(xiǎn)，也比普通的仿真軟件更容易看到每一步的結(jié)果和內(nèi)部的如定時(shí)器、寄存器、內(nèi)存等的實(shí)時(shí)狀態(tài)，是單片機(jī)軟件開發(fā)必備的幫手。圖 41　keil4 的 debug 圖除了軟件編程工具外還使用 進(jìn)行硬件仿真 [4]，可以在電腦上直接觀看到程序的運(yùn)行結(jié)果，還有一些比如示波器等測(cè)量?jī)x器，比上面的 Debug 更加的直觀，方便對(duì)外圍電路的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)就是本次設(shè)計(jì)中使用的版本有些低有一些元件沒有對(duì)基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)14應(yīng)的仿真，只能采用模擬的方式。圖 42　倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真圖在仿真圖中 HC_SR04 用兩個(gè)按鍵模擬， SYN6288 用示波器模擬，DHT11 使用ATMEGA16 模擬。其余的元件都有自己的仿真庫(kù)文件?！∶總€(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)　主程序主程序是系統(tǒng)函數(shù)的入口，起總體協(xié)調(diào)的功能，主程序中盡量少出現(xiàn)具體的處理過(guò)程，采用函數(shù)調(diào)用及返回的方式對(duì)系統(tǒng)的其他模塊進(jìn)行調(diào)度，合理安排每個(gè)模塊的先后順序。程序開始運(yùn)行時(shí)先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，先初始化液晶屏，并且延時(shí)一段時(shí)間使其穩(wěn)定，然后清屏，緊接著初始化測(cè)距模塊和語(yǔ)音模塊。然后對(duì)單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行設(shè)定，程序中使用了定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1，并且對(duì)系統(tǒng)的中斷進(jìn)行設(shè)定。再然后顯示歡迎界面，并且播報(bào)程序開始運(yùn)行。緊接著就進(jìn)入主程序大循環(huán)部分，調(diào)用 HC_SR04 的 SR04_read_data 函數(shù)讀取距離數(shù)據(jù)，調(diào)用 DHT11 的 getDHT11 函數(shù)讀取溫度濕度數(shù)據(jù)，檢測(cè)這兩組數(shù)據(jù)是否正確，是否超出邊界。如果沒有問(wèn)題那么使用溫度濕度數(shù)據(jù)對(duì)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到比較準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成字符串格式，調(diào)用 SYN6288 的基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)15Speech 函數(shù)播報(bào)距離數(shù)據(jù)，調(diào)用 1602 的 LCD_Write_String 函數(shù)顯示到液晶屏上，將距離與內(nèi)設(shè)閾值進(jìn)行比較更新標(biāo)志，接著調(diào)用報(bào)警函數(shù)并傳遞標(biāo)志，按級(jí)別發(fā)出警報(bào)，最后延時(shí)防止超聲波的信號(hào)干擾，并且利于語(yǔ)音播報(bào)的完成。然后返回循環(huán)開始的地方，再次獲取數(shù)據(jù)。開始各模塊初始化定時(shí)器設(shè)定中斷設(shè)置歡迎界面及語(yǔ)音1讀取距離數(shù)據(jù)讀取溫濕度數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)處理語(yǔ)音播報(bào)距離液晶顯示數(shù)據(jù)L E D 與蜂鳴器警報(bào)圖 43　主程序程序流程圖基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)16　基礎(chǔ)函數(shù)庫(kù)基礎(chǔ)函數(shù)庫(kù)是存放一些常被其它模塊的函數(shù)多次調(diào)用的函數(shù)，比如延時(shí)函數(shù)?；A(chǔ)函數(shù)庫(kù)中有兩個(gè)延時(shí)函數(shù)，是使用軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是準(zhǔn)確的延時(shí)還是需要單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)函數(shù)一個(gè)是微妙級(jí)的一個(gè)是毫秒級(jí)，可以基本滿足程序大致延時(shí)使用。這樣寫可以大大減小代碼的重復(fù)率。　測(cè)距模塊的軟件設(shè)計(jì)測(cè)距模塊中包含了與距離測(cè)量有關(guān)的所有函數(shù)，包括 HC_SR04 的初始化，距離數(shù)據(jù)的讀取，以及啟動(dòng)模塊的函數(shù)。每個(gè)函數(shù)的設(shè)計(jì)都離不開 HC_SR04 的工作特性，它的時(shí)序圖如下：圖 44　超聲波測(cè)距時(shí)序圖由時(shí)序圖可以得出，上位機(jī)需要通過(guò) TRIG 向模塊發(fā)送一段 TTS 高電平，不少于 10uS，用來(lái)觸發(fā)超聲波模塊開始測(cè)距。函數(shù) StartModule 就實(shí)現(xiàn)了這一功能，先將 TRIG 電位拉高，然后軟件延時(shí)大于 10uS，然后再將它的電位拉低。然后在軟件中等待 ECHO 的電平變高，一旦變高就打開定時(shí)器 0，以工作方式 1 開始計(jì)數(shù)，初值為 0，等待 ECHO 電平變低，一旦變低就停止計(jì)數(shù)，并讀取 TH0 和 TL0 的值，計(jì)算 ECHO 高電平持續(xù)時(shí)間，然后進(jìn)一步計(jì)算出距離，并將測(cè)量的距離值返回。其中定時(shí)器的工作方式是在初始化時(shí)進(jìn)行定義的，由于本次設(shè)計(jì)中要用到多次定時(shí)計(jì)數(shù)器，所以在設(shè)置 TCON 時(shí)要使用按位或： TMOD|=0x01，這樣就不會(huì)影響到另外一個(gè)定時(shí)器的工作。因?yàn)橐o定時(shí)器選擇 16 位定時(shí)器所以讓它工作在工作方式 1,，計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自內(nèi)部而不是外部，所以 C/T 位為 0，僅需軟件啟動(dòng)所以GATE=0，所以 TMOD 定義為 0x01。基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)17向 T R I G 發(fā)送 1 0 u S 高電平開計(jì)時(shí)器E C H O 為低電平E C H O 為高電平關(guān)計(jì)時(shí)器計(jì)算距離重置計(jì)時(shí)器返回開始是否是否圖 45　測(cè)距模塊程序流程圖　溫濕模塊的軟件設(shè)計(jì)該模塊的軟件設(shè)計(jì)主要是用來(lái)獲取當(dāng)前環(huán)境的溫