【文章內(nèi)容簡介】 復(fù)位電路設(shè)計在單片機日常工作時，除了系統(tǒng)正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為解決這個問題，也需要復(fù)位致使其重新啟動。所以，系統(tǒng)復(fù)位電路顯得尤為重要。單片機復(fù)位全靠外部電路實現(xiàn)，每當在時鐘電路工作后時，一旦在單片夾中的RST引腳上表現(xiàn)出24個時鐘振蕩脈沖以上高電平，單片機就會實現(xiàn)初始化狀態(tài)的復(fù)位。為了保證并可靠復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，RST須高電平。只要RST電平不變，單片機就循環(huán)復(fù)位。單片機復(fù)位電路通常采用以下幾種方式： 上電復(fù)位電路 （1）上電自動復(fù)位在通電瞬間，由于R?C電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機復(fù)位。 （2）按鍵電平復(fù)位 通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的。 （3）在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。這種特別適合于應(yīng)用現(xiàn)場干擾大、電壓波動大的工作環(huán)境，并且，當系統(tǒng)由多個復(fù)位端時，能保證可靠地同步復(fù)位?？紤]本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，干擾小，故采用上電自動復(fù)位。 晶振電路它是單片機系統(tǒng)正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統(tǒng)將會不能工作。假如振蕩器運行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行程序的時候就會出現(xiàn)時間上的誤差，這在通信中會體現(xiàn)的很明顯：電路將無法通信。它是由一個晶振和兩個瓷片電容組成的，晶振和瓷片電容是沒有正負的，兩個瓷片電容相連的那端一定要接地。 晶振電路一般單片機的晶振工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容的一部分。它是根據(jù)晶振廠家提供的晶振要求負載電容選值的，換句話說，晶振的頻率就是在它提供的負載電容下測得的，能最大限度的保證頻率值的誤差，也能保證溫漂等誤差。機器周期:通常從內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間來規(guī)定CPU周期,(也就是計算機通過內(nèi)部或外部總線進行一次信息傳輸從而完成一個或幾個微操作所需要的時間),它一般由12個時鐘周期組成。而時鐘周期=1秒/晶振頻率，因此單片機的機器周期=12秒/晶振頻率 ，補充其他幾個周期： 指令周期（Instruction Cycle）：取出并執(zhí)行一條指令的時間?？偩€周期（BUS Cycle）：也就是一個訪存儲器或I/O端口操作所用的時間。 時鐘周期（Clock Cycle）：又稱節(jié)拍周期，是處理操作的最基本單位。(晶振頻率的倒數(shù)，也稱T狀態(tài)) 指令周期、總線周期和時鐘周期之間的關(guān)系：一個指令周期由若干個總線周期組成，而一個總線周期時間又包含有若干個時鐘周期。一般處理器的一個機器周期由12個時鐘周期所組成。所以單片機用12M晶振，運行速度為1M。負載電容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C[6 ]，跟晶振特性、單片機內(nèi)部時鐘電路等效電容有關(guān)。兩個電容的取值都是相同的，或者說相差不大，如果相差太大，容易造成諧振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。其起到一個并聯(lián)協(xié)振的作用，這樣可以讓它的脈沖更平穩(wěn)與協(xié)調(diào)。 LCD顯示電路顯示器是一個典型的輸出設(shè)備且實際應(yīng)用廣泛，幾乎所有電子產(chǎn)品都會使用顯示器，各自的差別僅僅在于是顯示器結(jié)構(gòu)類型相異而已。其中，最簡單的顯示器能夠使LED發(fā)光二極管，并給出一個簡單開關(guān)的信息，但復(fù)雜且較完整的顯示器應(yīng)是CRT監(jiān)視器或屏幕里較大的LCD液晶屏。綜合一些實際要求和考慮單片機的接口資源，采用串行的方式顯示的LED驅(qū)動輸出設(shè)備。由于全程顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，用3個LED數(shù)碼管顯示距離的數(shù)值。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動方式；靜態(tài)顯示驅(qū)動和動態(tài)顯示驅(qū)動。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動，就是給要點亮的LED通過恒定的電流，即每一位LED顯示器各引腳都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口。單片機只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，在發(fā)送新的自行段碼。因此，使用這種方法單片機中的CPU開銷小，但這種驅(qū)動方法需要寄存器、編譯碼等硬件設(shè)備。當需要顯示的位數(shù)增加時，所需要的期間和連線也應(yīng)該增加，成本也增加。而所謂動態(tài)顯示驅(qū)動就是給欲點亮的LED通以脈沖電流，即采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮，這是LED的亮度就是通斷的平均亮度?？紤]各種因素，本設(shè)計選用動態(tài)驅(qū)動顯示。 顯示電路 報警電路設(shè)計方案系統(tǒng)報警電路由一個運算放大器、一個發(fā)光二極管和一個喇叭組成。R25的阻值為1K，R26的阻值為10K。對于二級運算放大，都采用F007芯片，兩級放大電路均是負反饋接法，即反相比例運算電路，而反相比例運算電路中，輸入信號從反相輸入端輸入，同相輸入端接地，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點。所謂“虛短”是由于理想集成運放Au0→∞。所以可以認為兩個輸入端之間的差模電壓近似為零。由于兩個輸入端間的電壓為零，而又不是短路，故稱為“虛短”。而“虛短”是由于理想集成運放的輸入電阻Rid→∞，故可以認為輸入端不取電流，這樣輸入端相當于斷路，而不是斷開，成為“虛斷”。而電路中，反相輸入端與地端等電位，但又不是真正接地，這種情況成為“需地”。所以=，==，因為=0，=，則可得=，故可將信號進行放大。 報警電路 按鍵設(shè)置電路單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個I/O口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡單且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設(shè)計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。獨立式鍵盤的實現(xiàn)方法是利用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O口，程序開始時將此I/O口置于高電平，平時無鍵按下時I/O口保護高電平。當有鍵按下時，此I/O口與地短路迫使I/O口為低電平。按鍵釋放后，單片機內(nèi)部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態(tài)就可以了解我們是否有按鍵動作了。在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10~200毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現(xiàn)法是先查尋按鍵當有低電平出現(xiàn)時立即延時10~200毫秒以避開抖動（經(jīng)典值為20毫秒），延時結(jié)束后再讀一次I/O口的值，這一次的值如果為1表示低電平的時間不到10~200毫秒，視為干擾信號。當讀出的值是0時則表示有按鍵按下，調(diào)用相應(yīng)的處理程序。： 按鍵電路圖 HCRS04超聲波測距模塊 （1）測距原理超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的，設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離D可用下式求出：D=ct/2。定時器控制計算傳輸調(diào)制40k振蕩超聲波發(fā)射計時增益放大超聲波接收障礙物基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長約6mm，頻率為40khz的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號后產(chǎn)生級的微弱電壓信號。 （2）性能特點HCSR04超聲波測距模塊可提供2cm400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理：1　 采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；2　 模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；3　 有信號返回，通過IO口ECH0輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=（高電平時間*聲速/340M/S）/2；4　 當TRIG從01時，主控制板啟動，當超時10ms時ECH0仍然沒有出現(xiàn)150us的0信號，表示沒有障礙。 （3）超聲波時序圖 此時序圖表明只需提供一個10us一上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到右回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式：/58=厘米或者/148=英寸；或是，距離=高電平時間*聲速（340M/S）/2；建議測量周期為60ms一上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。 語音IC模塊 此系列語音芯片是技針對市場推出的一款具有 PWM 輸出的 OTP 語音標準芯片。共有 3 個 IO 口，外圍最低僅需要一個 104 電容就可以穩(wěn)定的工作，產(chǎn)品方案成本極低。此語音芯片內(nèi)置電阻，沒有外圍元件，外圍電路只需要一個 104 電容。整個方案的費用為您節(jié)省 30%50%左右。 單片機控制之基本應(yīng)用電路圖控制原理說明：此控制方式是采用了模擬串行的控制方式。如需要播放第幾個地址的內(nèi)容就發(fā)送幾個脈沖（大于 50us 即可，建議采用 100us 左右，下同）的原理，可以快速的控制多達 128 段地址的任意組合。模擬串行工作時各 IO 的作用：BUSY：芯片工作時（播放聲音），輸出低電平，停止工作或者待機時，保持高電平；DATA：接受控制脈沖的腳位。收到幾個脈沖，就播放第幾個地址的內(nèi)容；REST：任何時候，收到一個脈沖的時候，可以使芯片的播放指針歸零（就是是 DATA 的腳位恢復(fù)到初始狀態(tài)），同時即刻是芯片停止，進入待機狀態(tài)；工作示例：例如現(xiàn)在需要播放第十段聲音。單片機控制原理是：先發(fā)送一個復(fù)位脈沖到 RST（Rest）腳，接著發(fā)送 10 個脈沖到 DATA 腳。芯片即刻工作，播放第十段的聲音；如果需要播放第五段的聲音，則是：先發(fā)送一個復(fù)位脈沖到 REST 腳，接著發(fā)送 5 個脈沖到 DATA 腳。芯片即刻工作，播放第5段的聲音。4. 軟件設(shè)計 系統(tǒng)對軟件的要求在系統(tǒng)硬件表現(xiàn)出的超聲波測距基本功能的同時，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)功能主要是系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。根據(jù)上節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能：（1）信號控制在系統(tǒng)的硬件中，已完成的發(fā)射電路、接收電路、檢測電路、顯示電路等設(shè)計。在系統(tǒng)軟件里，要完成出增益控制信號與門控信號、發(fā)射脈沖信號與峰值采集信號及遠近控制信號的時序及輸出。（2）數(shù)據(jù)傳輸與顯示通過軟件的處理得到距離送顯示輸出，用三位 LED 顯示。因為采用單片機STC89C51并且考慮了系統(tǒng)的控制流程，所以整一個系統(tǒng)軟件都是 STC89C51系列單片機的匯編語言實現(xiàn)。由于距離值的得出和顯示是在中斷子程序里完成的，因此在初始化的發(fā)射程序后進入到中斷響應(yīng)的等待過程。繼中斷響應(yīng)后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過計數(shù)值和距離值換算子程序與二進制和十進制轉(zhuǎn)換子程序之后顯示輸出。整一個系統(tǒng)軟件的功能實現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序等主要的部分。 主程序軟件設(shè)計是完成整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，相當于一個部門的主心骨，沒有軟件的硬件等于沒有了靈魂，因此，軟件設(shè)計必須建立在了解整個系統(tǒng)運作的基礎(chǔ)之上。本課題采用模塊化的設(shè)計思路，先調(diào)試每個模塊，確認無誤后再將其添加到主程序，完成軟件整體設(shè)計的控制流程。 。 主程序的主要功能是負責距離的顯示、讀出并處理HCRS04的測量距離值，按鍵控制有效距離限制，當測量的值超過預(yù)設(shè)值時，蜂鳴器發(fā)聲報警。程序思路為先對程序進行初始化，開啟超聲波模塊，然后將測距模塊調(diào)用開啟，如果檢測到障礙物，則實時顯示與障礙物距離。如果未檢測到障礙物，則繼續(xù)返回初始化，開始新一輪檢測。 顯示數(shù)據(jù)子程序 顯示數(shù)據(jù)子程序的主要功能就是把超聲波模塊測量后的結(jié)果經(jīng)單片機處理完畢的距離顯示在數(shù)碼管上。 。 顯示數(shù)據(jù)子程序的主要功能就是把超聲波模塊測量后的結(jié)果經(jīng)單片機處理完畢的距離顯示在數(shù)碼管上。當程序啟動顯示模塊時，此模塊將實時顯示與障礙物間的距離。 報警子程序 。 報警子程序的主要功能是在距離值超過預(yù)警值時，能夠使蜂鳴器發(fā)聲從而達到報警的目的。當報警模塊檢測到報警脈沖時，上電工作，蜂鳴器與LED等開啟，用來向外界報警。如果沒有檢測到報警脈沖則返回繼續(xù)檢測。 按鍵子程序 。 按鍵子程序的主要功能是有效距離可調(diào)，功能鍵調(diào)整上限，再次功能鍵調(diào)整下限，再次按功能退出。程序檢測鍵位脈沖，如果檢測到低電平，則為按鍵按下，則啟動設(shè)置下線閾值功能子程序，對系統(tǒng)閾值進行調(diào)節(jié)，當再次檢測到低電平脈沖時，則調(diào)節(jié)閾值。否則，繼續(xù)檢測，直到檢測到低點位脈沖為止。 任何一個系統(tǒng)在設(shè)計完成后，都要進行軟硬件調(diào)試，這也是一個發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程。在經(jīng)過反復(fù)修改和優(yōu)化后，系統(tǒng)的各個功能才能達到要求，抗環(huán)境干擾強且能夠穩(wěn)定運行。 軟件仿真 Proteus簡介Proteus軟件不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真電路及外圍器件，是由英國Lab Center Electronics公司出版的一種EDA軟件工具。它是目前比較好的單片機仿真及外圍器件的工具。目前，雖然在國內(nèi)的推廣剛剛起步，但已受到好多單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的廣大歡迎。Proteu