【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 介紹了顯示模塊電路和電源模塊電路的設(shè)計(jì)。 第4章主要是對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。在軟件設(shè)計(jì)中采用不同模塊不同編程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，本設(shè)計(jì)分別對(duì)系統(tǒng)的主程序模塊、中斷子程序模塊、超聲波測(cè)距模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊和數(shù)碼管的顯示模塊的各個(gè)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)和展望。第二章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方案 超聲波發(fā)生器及測(cè)距原理超聲波發(fā)生器的可分幾大類，本節(jié)介紹壓電式發(fā)生器的原理和超聲波測(cè)距的原理。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。圖21 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)在超聲探測(cè)電路中，在發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，這一系列方波的寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時(shí)間間隔，顯然被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖的個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比[2]。超聲測(cè)距大致有以下方法： (1)取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓(電壓的幅值基本固定)與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離。 (2)測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t。因此，被測(cè)距離為S=1/2vt。 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)我們做的是基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀。用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射、接受電路以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，在由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：D = VT/2 其中，D為換能器與障礙物之間的距離，V為波聲傳播速度，T為超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間間距。原理框圖如下：開始測(cè)量超聲波信號(hào)開定時(shí)器關(guān)定時(shí)器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器接收檢測(cè)電聲換能器電聲換能器驅(qū)動(dòng)電路圖22 總原理框圖本次設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，采用AT89S52單片機(jī)，配置時(shí)鐘電路，復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，由模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成超聲波發(fā)射、接收模塊。由4位共陽(yáng)極數(shù)碼管構(gòu)成顯示模塊，以及供電電源模塊來(lái)構(gòu)成由單片機(jī)最小系統(tǒng)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀，其結(jié)構(gòu)框圖如下：電源模塊MCU（AT89S52）超聲波發(fā)射模塊超聲波接收模塊數(shù)碼管顯示圖23 總結(jié)構(gòu)框圖第三章 硬件電路設(shè)計(jì)介紹本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。 AT89C52介紹AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案[5]。AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位[3]。該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，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，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器[3]。AT89S52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[5]。AT89S52芯片的管腳、引線與功能AT89C52芯片圖如圖：圖31 AT89C52芯片圖 引腳信號(hào)介紹：P00～P07 ：P0口8位雙向口線P10～P17 ：P1口8位雙向口線P20～P27 ：P2口8位雙向口線P30～P37 ：P3口8位雙向口線訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)：當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；而當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，則對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器[5]。ALE地址鎖存控制信號(hào)：在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出低8位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖作用[5]。外部程序存儲(chǔ)器讀選取通信號(hào)：在讀外部ROM時(shí)有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作[5]。XTAL1和XTAL2外接晶體引線端：當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于拉外部的時(shí)鐘脈沖信號(hào)[5]。RST復(fù)位信號(hào)：當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 VSS：地線 VCC：+5V電源 P3口的第二功能表31 P3口的第二功能口線第二功能替代的專用功能RXD串行輸入口TXD串行輸出口外部中斷0外部中斷1T0定時(shí)器0的外部輸入T1定時(shí)器1的外部輸入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)是其他拓展系統(tǒng)的最基本的基礎(chǔ)，單片機(jī)最小系統(tǒng)是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)即單片機(jī)能工作的系統(tǒng)[4]。對(duì)于89S52單片機(jī)，由于片內(nèi)已經(jīng)自帶有了程序存儲(chǔ)器，所以只要單片機(jī)外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路再接上工作電源就可以組成了單片機(jī)的最小工作系統(tǒng)了。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖所示。圖32 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖主要分為超聲波發(fā)生電路和差聲波接收感應(yīng)電路 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路，本設(shè)計(jì)選用74LS04芯片進(jìn)行信號(hào)放大，超聲波發(fā)射電路如圖所示。圖33 超聲波發(fā)射電路工作時(shí)，由單片機(jī)產(chǎn)生40 ，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。 超聲波接收電路由于超聲波在空氣中的傳播過(guò)程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大[1]。超聲波接收電路主要是由集成電路CX20106A芯片電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。CX20106A芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制的功能，當(dāng)測(cè)量的距離比較近時(shí)，放大器不會(huì)過(guò)載；而當(dāng)測(cè)量距離比較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波信號(hào)微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。CX20106A芯片的5腳在外接電阻對(duì)它的帶通濾波器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場(chǎng)對(duì)芯片電路的干擾[6]，而且它的可靠性也是比較高的。CX20106A芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而且靈敏度也比較高，所以，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。超聲波接收電路如圖所示。圖34 超聲波接收電路 HCSR04超聲波集成模塊HCSR04超聲波集成模塊是將超聲波發(fā)射探頭，超聲波接收探頭，CX20106A芯片電路，74LS04芯片放大電路集成到的一起的一個(gè)超聲波集成模塊。，HCSR04超聲波集成模塊的背面外觀如圖所示。圖35 HCSR04超聲波集成模塊正面外觀圖圖36 HCSR04超聲波集成模塊背面外觀圖HCSR04型超聲波集成模塊的工作電壓為5 V，而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于2 mA的，工作時(shí)候可以比較穩(wěn)定。而且，它的感應(yīng)的角度不大于15176。，可以減少了很大部分可能存在的角度干擾問(wèn)題。此模塊的測(cè)距范圍為2 cm～5 m，能基本滿足測(cè)距要求， cm，盲區(qū)僅僅為2 cm，基本