【文章內(nèi)容簡介】 電路（ LCD 或 LED驅(qū)動電路），脈寬 調(diào)制電路 (PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換及 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機上，構(gòu)成一個最小然而很完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。總的而言單片機的特點可以歸納為以下幾個方面：集成度高、存儲容量大、外部擴展能力強、控制功能強、低電壓、低功耗、性能價格比高、可靠性高這幾個方面。 單片機按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為 4位、 8 位、 16位及 32位單片機。它們被應(yīng)用在不同領(lǐng)域里， 8位單片機由于功能強大，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能接口、儀表儀器等各個領(lǐng)域。 8位單片機在中、小規(guī)模應(yīng) 用場合仍占主流地位，代表了單片機的發(fā)展方向，在單片機應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進入家庭， 32 位單片機應(yīng)用得到了長足發(fā)展。 單片機有著微處理器所不具備的功能，它可以獨立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機的最大特點。然而單片機又不同于單板機，芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微機控制系統(tǒng)。它與單板機或個人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機屬于芯片級應(yīng)用，需要用戶了解單片機芯片的結(jié)構(gòu)和指令 系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計應(yīng)用程序，從而使芯片具備特定的智能。 AT89C52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造， 與工業(yè) 17 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下 標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 它一共有 40個引腳，引腳又分為四類。其中有四個電源引腳，用來接入單片機的工作 電源。工作電源又分主電源、備用電源和編程電源。還有兩個時鐘引腳 XTAL XTAL2。還有由 P0口、 P1口、 P2口、 P3口的所有引腳構(gòu)成的單片機的輸入 /輸出（ I\O）引腳。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復(fù)位功能。 綜上所述，單片機的引腳特點是： 單片機多功能，少引腳，使得引腳復(fù)用現(xiàn)象較多。 單片機具有四種總線形式： P0和 P2組成的 16位地址地址總線； P0分時復(fù)用為 8位數(shù)據(jù)總線； ALE、 PSEN、 RST、 EA和 P3口的 INT0、 INT T0、 T WR、RD以及 P1口的 T T2EX組成控制總線；而 P3口的 RXD、 TXD組成串行通信總線。 鑒 于 89C52 所具備的功能可以實現(xiàn)本測速系統(tǒng)的要求，所以本系統(tǒng)主控芯片選擇 89C52，然后在主 芯片外圍加上 12MHZ 的晶振，以及電源 等電子元器件構(gòu)成單片機 最小系統(tǒng)，本設(shè)計要求按鍵控制超聲波信號的發(fā)射，數(shù)碼管顯示，所以 在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加以補充 電路 。 物體的運動速度經(jīng)過單片機的運算處理后送到數(shù)碼管顯示 ，數(shù)碼管顯示的電路連接圖如圖 10 所示， 數(shù)碼管顯示所用的驅(qū)動為集成芯片 74HC573，其引腳圖如圖 9所示： 18 OE1D12D23D34D45D56D67D78D89GND10LE11Q812Q713Q614Q515Q416Q317Q218Q119VCC20SN74HC573AN 圖 9 74HC573引腳圖 圖 9 為 74HC573 引腳圖 ， 74HC573 有 三態(tài)總線驅(qū)動輸出 、 置數(shù)全并行存取 、 使能輸入 以及 有改善抗擾度的滯后作用 等特點。 74HC573 的八個鎖 存器都是 透明的 D 型鎖存器，當(dāng)使能（ G）為高時， Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（ D）輸入而變。當(dāng)使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上 。 輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種 電路可以驅(qū)動大電容 或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動總線，而不需 要外接口。特別適用于緩沖寄存器， I/O 通道 ， 雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器 。 單片機系統(tǒng)設(shè)計完成后 與前文所設(shè)計的超聲波發(fā)射與接收電路進行連接，整體設(shè)計原理圖見附錄 2。 19 圖 10 數(shù)碼管顯示電路 本次設(shè)計的所使用的數(shù)碼管為共陰極 ，圖 10 所示的兩個三位數(shù)碼管，可以看到所有數(shù)碼管的陽極，即標(biāo)有 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H的引腳全部連接在一起，然后與上面的 U4 元件 74HC573 鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端相連，鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端連接單片機的 P0 口， P0口同時加了上拉電阻。數(shù)碼管中WE1， WE2， WE3， WE4， WE5， WE6 是它們的位選端，每一個數(shù)碼對應(yīng)一個位選端，與上面的 U5 元件 74HC573 的數(shù)據(jù)輸出端的低 6位 相連， U5 的數(shù)據(jù)輸入端也連接到單片機的 P0 口。兩個鎖存器的鎖存端分別與單片機的 、 相連，因為單片機可以控制鎖存器的鎖存端，進而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，這種分時控制的方法便可以方便的控制數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。 20 小結(jié) 本章 對超聲波 測速雷達(dá)系統(tǒng)的硬件電路進行了設(shè)計 ， 其中包括了超聲波發(fā)射、超聲波接收、單片機控制以及數(shù)碼管顯示幾部分。其中超聲波發(fā)射又包括低通濾波電路和超聲波換能電路， 超聲波接收則包括整形放大電路、波形變換電路以及超聲波檢測接收電路。有了超聲波發(fā)射與接收的硬件電路，為后續(xù)單片機控制軟件編程打下了基礎(chǔ)。 21 第 3章 超聲波測速系統(tǒng)軟件的 設(shè)計 主程序 由超聲波超聲波測速 用 C語言開發(fā)系統(tǒng)可以大大縮短開發(fā)周期，明顯增強程序的可讀性，便于改進和擴充。使用 C語言進行 8052系列單片機系統(tǒng)開發(fā)，編程者可以專注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計，不必將大量的精力花在內(nèi)存分配等底層工作上，從而大大加快了軟件開發(fā)的速度。因此，本系統(tǒng)采用 C語言來進行系統(tǒng)的軟件設(shè)計，本次設(shè) 計軟件調(diào)試的環(huán)境是 Keil uVision4。 本 次設(shè)計的超聲波雷達(dá)測速系統(tǒng)同時具有時差法以及多普勒測速功，對單片機進行初始化之后，調(diào)用發(fā)射子程序產(chǎn)生產(chǎn)生兩個周期 40KHZ的方波發(fā)射出去，同時定時器 0開始計時，當(dāng)超聲波信號碰到物體反射回來后，當(dāng)接收器收到回波信號時定時器 0停止工作，同時啟動定時器 1，當(dāng)下一個上升沿到來時，定時器 1停止計時進入外部中斷，同理再發(fā)射一次超聲波信號，利用定時器 0的時間記錄得到兩次物體與發(fā)射探頭的距離進而求出物體運動速度，而利用定時器 1的時間記錄則可以得出回波信號的頻率，進而利用多普 勒原理求出物體速度。超聲波雷達(dá)測速的 主 程序流程圖如圖 12所示，超聲波測速源程序見附錄 1。 測速系統(tǒng)程序由按鍵 s1控制單片機發(fā)送方波，方波的發(fā)射是靠單片機產(chǎn)生方波， 由 ， 周期的控制由高低電平時間來實現(xiàn)，設(shè)計要求產(chǎn)生 40KHZ的方波，所以控制方波的周期為 25us，即高電平 ，低電平。由于要進行多普勒測速 所以理論上至少要發(fā)射兩個周期以上才能利用定時器捕捉回波信號的周期 ，以此來得出回波信號與所發(fā) 40KHZ之間的頻差來得到物體運動速度。 當(dāng)?shù)谝粋€高電平產(chǎn)生并發(fā)送出去后定時器 0開始計時。 發(fā)出的 的 超聲 波在碰到運動物體反射回來進入超聲波接收電路 后，經(jīng)波形變換以及整形放大后通過芯片 CX20206a進入到單片機的 ，其中CX20206a在沒有高電平到時，其輸出為高電平，當(dāng)有信號到時其跳變?yōu)榈? 22 電平。 所以可以根據(jù) ，當(dāng)收到第一個高電平時，即 0的計時停止，存儲 T0的數(shù)據(jù)為 num1，同時啟動定時器 1，當(dāng) ， T1定時停止，并存儲 T1數(shù)據(jù)為 num2。等接受完畢后接著再發(fā)射一次，同時啟動定時器 0，當(dāng)收到回 波后停止，定時器 0記錄數(shù)據(jù)為 num3。得到定時器數(shù)據(jù)后，分別利用時差法計算公式以及多普勒計算公式對速度進行計算。 但測速系統(tǒng)在測速過程中 還應(yīng)該考慮干擾物體對測速的影響，應(yīng)該考慮此次測速是否有效，本設(shè)計擬對 5m以上物體的速度進行測量，所以利用軟件編程設(shè)計對 T0定時器的時間記錄進行判斷，即當(dāng) num1次測速失敗，應(yīng)該重新測量。其次就是對兩種方法測速結(jié)果進行比較如果二者測速結(jié)果相差 ，即△ V量。 子程序流程圖如圖 11所示。 當(dāng)系統(tǒng)判斷 測速 數(shù)據(jù)有效時，需要對測量出來的數(shù)據(jù)進行顯示，本次設(shè)計是針對速度在 10m/s以下運動物體速度測量，顯示保留兩位小數(shù)，即利用 3位顯示。 圖 11 測量結(jié)果判斷流程圖 開始 △ V輸出到顯示 開始 輸出到顯示num1 輸出到顯示 N N Y Y 23 圖 12 測速系統(tǒng)流程圖 開始 初始化 調(diào)發(fā)射子程序 定時器 0 開始計時 N到 Y 定時器 0停止計時 是 否有 上升沿 是 否有 回波 N Y 顯示 結(jié)束 啟動定時器 1 定時器 1停 止計時 調(diào)發(fā)射子程序 是 否有 回波 定時器 0停止計時 計算速度 定時器 0 開始計時 Y N 24 主程序中 對于定時器的控制 由 定時中斷服務(wù)子程序以及外部中斷 子程序來實現(xiàn)， 定時中斷服務(wù)子程序以及外部中斷 子程序如圖 13 和圖 14 所示： 圖 13 定時中斷服 務(wù)子程序 圖 14 外部中斷服務(wù)子程序 小結(jié) 本章根據(jù)超聲波 測速系統(tǒng)的 硬件電路 設(shè)計，對系統(tǒng)軟件進行了設(shè)計，從系統(tǒng)的算法入手，按照測速步驟對超聲波測速系統(tǒng)軟件編程進行了詳細(xì)的介紹，畫出了測速系統(tǒng)的主要流程，將軟件和硬件充分結(jié)合， 測速 系統(tǒng)已初步形成。 定時中斷 入口 定時器初始化 發(fā)射超聲波 是否 發(fā)射完 停止發(fā)射 返回 外部 中斷入口 關(guān)外部中斷 讀取時間值 計算速度 結(jié)果輸出 開外部中斷 返回 25 第 4章 系統(tǒng) 性能 分析 系統(tǒng)功能分析 本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對變速物體的速度進行比較準(zhǔn)確的測量 ， 由于現(xiàn)有的超聲波換能器最遠(yuǎn)的探測距離 為 35m，所以無法實現(xiàn)對更遠(yuǎn)距離的物體進行速度測量 。 對于時差法測速 ， 是根據(jù)兩次超聲波發(fā) 射與接收物體的運動位移與所用時間之間的關(guān)系得出的， 本系統(tǒng)設(shè)計本著以最短測量周期實現(xiàn)對速度的測量，所以經(jīng)過系統(tǒng)分析超聲波探頭的探測距離為 10m,設(shè)在常溫下，即 15℃下聲波在空氣中傳播速度為 340m/s,則 在這個基礎(chǔ)上可以將測量周期控制在 以內(nèi) ,在運動物體的速度不超過 10m/s 的情況下，根據(jù)系統(tǒng)的程序計算，測量誤差不超過 。 對于時差法測速， 在 測速 過程中物體的運動位移是一定的，但在時差上在程序中未能考慮到 各部分電路的傳輸速度，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差，實際測速中應(yīng)在回波接收完之后才發(fā)射第二次 ,但在程 序計算中，是默認(rèn)在第一次回波后直接發(fā)射第二次，所以由此造成對速度的計算中少加了 50us的時間，這個時間 對 時差法測速 測速的誤差 影響 不足 ,40KHZ 的方波其波長為 25us，根據(jù)超聲波雷達(dá)測速系統(tǒng)的要求，當(dāng)測量距離在 10m 以下時， 設(shè)此時的聲速為 340m/s，則 對于時差法的兩次發(fā)射 與接收 所耗時間可以控制在 以內(nèi)，可以實現(xiàn)測量周期不超過 的設(shè)計要求。 對于多普勒測速 ， 多普勒測速時捕捉回波信號的周期， 其測量的精度損失主要來源于電路 以及持續(xù) 運行速度， 再對測量精度影響的就是環(huán)境溫度對測量的影響 ， 但一般情況下溫度相對恒定， 所以測量精度相對較高，可以實現(xiàn)預(yù)期的精度要求 ，多普勒測速是對回波信號的的周期進行測量進而得出速度的，理論上只需發(fā)射一次即可實現(xiàn)測速，其測量周期在測量距離不超過 30m 的情況下，設(shè)聲速為 340m/s，其測量周期小于 ，符合測速系統(tǒng)的設(shè)計要求。 無論是時差法測速還是多普勒測速，其速度最后都利用數(shù)碼管進行顯示，數(shù)碼管顯示可以保證測速結(jié)果精確到 26 系統(tǒng)誤差分析 本次設(shè)計的超聲波雷達(dá)測速系統(tǒng)，按照系統(tǒng)設(shè)計要求把時差法測速以及多普勒測速在一套系統(tǒng)中得到了 實現(xiàn)，由單片機為