【文章內(nèi)容簡介】 ，信號(hào)接收端(RXD) 和信號(hào)地(GND)3 根線即可進(jìn)行通信。在89C52 單片機(jī)系統(tǒng)中， 引出串口線RXD 和TXD 轉(zhuǎn)換成RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)的電平，這樣，二者之間就可以通過RS232 接口進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳送，其電路圖如下圖34 所示。 PC機(jī)與單片機(jī)的硬件連接串口是PC機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議。多數(shù)PC機(jī)提供兩個(gè)9針或25針的RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，簡稱為COM1和COM2。大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與智能單元之間只要使用3到5根信號(hào)線即可工作，需使用IXD(發(fā)送數(shù)據(jù))、RXD(接收數(shù)據(jù))、GND(地線)等信號(hào)線，但有時(shí)還需使用RTS(發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求)、CTS(清除發(fā)送)、DTR(數(shù)據(jù)終端就緒)、DSR(數(shù)據(jù)發(fā)送就緒)等信號(hào)線。 串口通信的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)硬件系統(tǒng)是一個(gè)典型的信號(hào)采集系統(tǒng)，PC機(jī)控制端先給單片機(jī)發(fā)送“開始指令”和有關(guān)系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)，單片機(jī)接收到后硬件系統(tǒng)開始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的信號(hào)經(jīng)放大和A/D變換后送入單片機(jī)，單片機(jī)把處理后的數(shù)據(jù)按每個(gè)180個(gè)字節(jié)為一幀整理成幀，然后通過RS232接口傳到計(jì)算機(jī)[18]。計(jì)算機(jī)首先對(duì)單片機(jī)發(fā)過來的每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的接收，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，然后再進(jìn)行必要的處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。PC機(jī)也可以隨時(shí)向單片機(jī)發(fā)送指令，使單片機(jī)根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。圖34 TTL轉(zhuǎn)RS232接口電路 電源電路電源電路提供系統(tǒng)運(yùn)行的能量，所以在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)保證原理正確的前提下，考慮電源容量并保證一定的余量。為獲得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電源電路，可通過降壓，整流，穩(wěn)壓，濾波四個(gè)環(huán)節(jié)得到5V的直流穩(wěn)壓電源：1） 降壓：可通過變壓器將市電轉(zhuǎn)變后，選擇輸出電壓為7～9 伏之間電源。2）整流：將變壓后的電源通過四個(gè)整流二極管4007 組成的整流橋，將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，因此即使粗心電源接反單片機(jī)也不會(huì)燒掉，而電路也是正常工作的。3）穩(wěn)壓：通過三端正穩(wěn)壓電路7805 穩(wěn)壓成5 伏直流電源提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用。4）濾波：7805 左邊兩個(gè)是降壓后的電源濾波電容，大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻，因?yàn)榇蟮碾娊怆娙菀话悴捎镁砝@工藝制造,所以等效電感較大,小電容可以提供一個(gè)小內(nèi)阻的高頻通道,降低電源全頻帶內(nèi)阻。7805 右邊兩個(gè)電容是5 伏電源的濾波電容。通過以上四個(gè)環(huán)節(jié)即得到5V 的直流穩(wěn)壓電源。整個(gè)電源電路都是圍繞這種7805穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，這樣就可以為單片機(jī)提供安全且穩(wěn)定的電源了，最后再并接一個(gè)高亮發(fā)光二極管來指示單片機(jī)的工作狀態(tài)。單片機(jī)系統(tǒng)的總電源電路圖如35：圖35 電源電路圖 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位是單片機(jī)初始化操作，其作用是使CPU 和系統(tǒng)中的其他部分都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。復(fù)位輸入端管腳RST 通過一個(gè)施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，主要是用來抑制噪聲。圖36 為按鈕復(fù)位電路。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了防止干擾竄入復(fù)位端，引起內(nèi)部某些寄存器錯(cuò)誤復(fù)位，可在RST 端管腳上可接一個(gè)去藕電容。圖36 單片機(jī)復(fù)位電路圖 聲光報(bào)警顯示電路的設(shè)計(jì)此模塊主要為聲光顯示功能，以提示是否進(jìn)入或退出調(diào)整電子時(shí)鐘界面，更具有人性化。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，P1 口的8 個(gè)發(fā)光二極管（）全部點(diǎn)亮；當(dāng)進(jìn)入時(shí)間調(diào)整的時(shí)候，P1 口的8 個(gè)發(fā)光二極管只有高四位點(diǎn)亮，且蜂鳴器發(fā)出兩聲急促響聲，此時(shí)即可開始調(diào)時(shí)；調(diào)時(shí)完畢后，蜂鳴器再次發(fā)出兩聲急促的響聲，然后8 位發(fā)光二極管回到正常工作時(shí)的點(diǎn)亮狀態(tài)。發(fā)光二極管電路中采用共陽法，即當(dāng)單片機(jī)I/O 口輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管亮；在蜂鳴器電路中，采用了PNP 三極管9012 來驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)該端口輸出低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出響聲，其電路圖如下圖36，圖37： 圖37 P1 口二極管發(fā)光電路 圖38 蜂鳴器電路 鍵盤電路的設(shè)計(jì)如何以最少的器件、最小的功耗、最省的花費(fèi)實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，是人機(jī)接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?？蛇x擇的方案有以下兩種：方案一：采用行列式鍵盤方式輸入。用較少的I/O 口就能夠連接很多按鍵，適宜于硬件資源緊張的情況。方案二：采用獨(dú)立按鍵方式輸入。該方式的優(yōu)點(diǎn)是在軟件上對(duì)按鍵輸入的處理比較簡單、方便；在硬件上占用的I/O 口數(shù)比較多。由于本設(shè)計(jì)中所需I/O 口不是很多，且I/O 資源很充裕因此選擇了方案二。~ 四個(gè)I/O 口，主要是完成時(shí)鐘調(diào)整功能，單片機(jī)系統(tǒng)初始化后，I/O 端口輸出高電平，由于按鍵的另一端都接公共地，因此可根據(jù)這幾個(gè)I/O 口是否為低電平中可檢測(cè)是否有按鍵按下，是哪個(gè)鍵被按下，然后轉(zhuǎn)向該按鍵所指向的功能。其電路圖如下圖39 所示：圖39 單片機(jī)與按鍵的接口電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、T1 中斷服務(wù)子程序、INT0 外部中斷服務(wù)子程序、測(cè)溫子程序、距離計(jì)算子程序、顯示子程序、延時(shí)子程序和報(bào)警子程序設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)軟件編制時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時(shí)還要進(jìn)行存儲(chǔ)空間、寄存器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用。主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時(shí)器T0 工作模式為16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA，并給西安市端口清零，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，（這也是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，再打開外部中斷0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz 的晶振，機(jī)器周期為1us，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）按下式計(jì)算即可得到被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，當(dāng)然，我們計(jì)算的時(shí)候還要考慮溫度對(duì)聲速的影響。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD 碼方式LED，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。主程序框圖如下：開始系統(tǒng)初始化溫度檢測(cè)子程序測(cè)距子程序結(jié)合溫度計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)束圖41 主程序框圖主程序流程圖：開始系統(tǒng)初始化位置回波接收標(biāo)志位發(fā)射超聲波脈沖開定時(shí)器開外部中斷計(jì)算距離顯示回波標(biāo)志位是否為1YN 圖42 主程序流程圖 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì) 端口發(fā)送2 個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約40KHz 的方波，脈沖寬度為12us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0 引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序[11]。進(jìn)入該中斷后就立即關(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0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值0 以表示此次測(cè)距不成功。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(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。定時(shí)中斷入口定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波停止發(fā)射返回三方發(fā)射完否YN圖43 定時(shí)中斷服務(wù)子程序，作為超聲波發(fā)射器的輸出信號(hào)。一旦接收到超聲波返回信號(hào)后，就立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷程序后就立即關(guān)閉定時(shí)器，T0停止計(jì)時(shí)，并將接收到的標(biāo)志位為1,，然后在主函數(shù)里調(diào)用計(jì)算距離公式，在顯示出來，流程圖如圖44所示。開始發(fā)生超聲波停止發(fā)射，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)外部0是否有中斷計(jì)數(shù)器停止計(jì)算檢測(cè)結(jié)果結(jié)束YN圖44 超聲波測(cè)距流程圖溫度補(bǔ)償流程圖如圖45所示。開始啟動(dòng)溫度檢測(cè)電路得出對(duì)應(yīng)的溫度值返回圖45 溫度補(bǔ)償流程圖第5 章系統(tǒng)電路調(diào)試及誤差分析 系統(tǒng)電路的調(diào)試通過多次的實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路各部分進(jìn)行了測(cè)量，調(diào)試和分析。首先測(cè)量發(fā)射電路對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù)，先用信號(hào)源給發(fā)射電路輸入端一個(gè)40kHz 真的方波信號(hào)。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號(hào)峰峰值放大到10V 左右。40kHz 的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz 的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形復(fù)制較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。該測(cè)距電路的40kHz 方波由單片機(jī)的編程產(chǎn)生，方波的周期為1/40ms，即25μs。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生半周期為12μs或13μs 的方波信號(hào)， 。超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15 的超聲波換能器TCT4010F1（T 發(fā)射）和TCT4010S1（R 接收），中心頻率為40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將單片機(jī)試運(yùn)行[15]。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為小于6m，測(cè)距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。 系統(tǒng)的誤差分析 聲速引起的誤差聲波是媒質(zhì)中傳播的質(zhì)點(diǎn)的位置、壓強(qiáng)和密度對(duì)相應(yīng)靜止值的擾動(dòng)。高于20kHz時(shí)的機(jī)械波稱為超聲波，媒質(zhì)包括氣體，液體和固體。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強(qiáng)波，對(duì)一般流體媒質(zhì)而言，聲波是一種縱波，傳播速度為C=(E/ρ)178。 （51）式（51）中E 為媒質(zhì)的彈性模量，單位為kg/mm178。；ρ為媒質(zhì)的密度，單位為kg/mm179。；E 為復(fù)數(shù)，其虛數(shù)部分代表損耗；C 也