【文章內(nèi)容簡介】 （ 論文 ） 11 圖 超聲波探測模塊 HCSR04 原理圖 根據(jù) HCSR04 的原理圖， HCSR04 測距模塊時一個相對獨立的系統(tǒng)。采用的電源芯片 MAX232 為超聲波換能器提供了合適的電壓，驅(qū)動換能器正常工作。它采用了單片機 EM78P135 作為控制器，完成了對外部觸發(fā)信號的檢測、產(chǎn)生脈沖信號、檢測回波首波信號等工作。 與此同時其還肩負(fù)著控制電路 的開啟，處理超聲波換能器的橫向干擾，并且消除電路固定延時影響等工作。對于本次設(shè)計，選用這種測距模塊將極大減少設(shè)計的工作，降低設(shè)計的成本。 超聲波探測模塊 HCSR04 的電氣參數(shù)如圖 所示。 圖 HCSR04 的電氣參數(shù) HCSR04總體性能分析 由于 HCSR04 在設(shè)計上的較為周全的考慮，使得其的精度較高。但是由于其基于性價比優(yōu)先的設(shè)計思路，其采用了應(yīng)用廣泛、性價比較高的經(jīng)典設(shè)計，即在回波接收處理電路中采用了放大、濾波、放大、 過零檢測的方法。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，便于集成化、小型化，但是由于回波信號隨著測量距離的變化將發(fā)生劇烈變化，這將極大增加系統(tǒng)的設(shè)計難度，過零檢山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 12 測電路的參考電壓的設(shè)置將極為困難。 1. 由于空氣氣流的起伏、目標(biāo)的形狀和粗糙度不同、傳感器的響應(yīng)特性較差等原因，使得傳感器的回波信號不是一個規(guī)則信號，有較大的不確定性，給觸發(fā)閥值的設(shè)置帶來難度，從而使首波的檢測發(fā)生錯誤。從而帶來了測距的不確定性。 2. 由于測量距離、超聲的入射角度、反射介質(zhì)等方面的不同，使得接收換能器所獲得的回波幅度相差很大。使用單一電平閾值時，若設(shè)置 的閉值過高，則可能使較微弱回波漏觸發(fā)，出現(xiàn)測量錯誤 。若閾值過低，則可能出現(xiàn)的測量相位誤差如圖 所示： 圖 閾值過低時可能出現(xiàn)的測量相位誤差 由于測距模塊的集成化、小型化的設(shè)計需求，所以選用的是低壓、小型換能器，其發(fā)射功率較小，這就直接決定了它的測量距離的不足。再加上換能器的發(fā)射角較大，能量不夠集中，這更是減小了其探測范圍。測距能力的不足，一定程度上意味著對較近距離的小體積物體探測能力的不足。 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 13 第 4章 硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計 單片機 STC89C52RC 單片機簡介 本設(shè)計中選用的宏晶科技的 STC89C52RC 型單片機是一種低功耗、高性能、采用 CMOS 工藝的 8 位微處理器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型 80C51 單片機的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。片內(nèi) 8K Flash 存儲器可在線重新編程，或使用通用的非易失性存儲器編程器。由于一般的距離測量中，距離的變化速度并不太快，而且單片機的機器周期可達(dá) μ s級，則其計時精度為 μ s級，完全可以滿足系統(tǒng)測量的要求，并且成本較低，所以本設(shè)計中選用 STC89C52RC型號的單片機。 STC89C52RC 單片機 ， 基于 STC89C51 內(nèi)核 ， 是新一代增強型單片機 ， 指令 代碼完全兼容傳統(tǒng) STC89C51,速度快 8～ 12 倍 ， 帶 ADC，4 路 PWM,雙串口 ， 有全球唯一 ID 號 ， 加密性好，抗干擾強。 STC89C52RC 單片機的引腳圖如圖 所示。 圖 STC89C52RC 單片機的引腳圖 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 14 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 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。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路，3 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 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 。 空閑模式下 ， 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(hù)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。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 STC89C52 單片機的基本組成框圖見圖 。 時 鐘 電 路R O M / E P R O M / F l a s h 4 K BR A M 1 2 8 BS F R 2 1 個定 時 個 / 計 數(shù) 器 2C P U總 線 控 制中 斷 系 統(tǒng)5 個 中 斷 源2 個 優(yōu) 先 級串 行 口全 雙 工 1 個4 個 并 行 口X T A L 2 X T A L 1R S TE AA L EP S E NP 0P 1P 2P 3V s sV c c 圖 STC89C52 單片機結(jié)構(gòu)圖 單片機主要特性 1. 一個 8 位的微處理器 (CPU)。 2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM(128B)，用以存放可以讀／寫的數(shù)據(jù)，如運算的山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 15 中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等， SST89 系列單片機最多提供1K 的 RAM。 3. 片內(nèi)程序存儲器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也有一些單片機內(nèi)部不帶 ROM/EPROM，如 8031， 8032， 80C31 等。目前單片機的發(fā)展趨勢是將 RAM 和 ROM 都集成在單片機里面，這樣既方便了用戶進(jìn)行設(shè)計又提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 SST 公司推出的 89 系列單片機分別集成了 16K、 32K、 64K Flash 存儲器，可供用戶根據(jù)需要選用。 4. 四個 8 位并行 I／ O 接口 P0~P3，每個口既可以用作輸入，也可以用作輸出。 5. 兩個定時器／計數(shù)器，每個定時器／計數(shù)器都可以設(shè)置 成計數(shù)方式，用以對外部事件進(jìn)行計數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制。為方便設(shè)計串行通信，目前的 52 系列單片機都會提供 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。 6. 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在新推出的單片機都不只 5 個中斷源，例如 SST89E58RD 就有 9 個中斷源。 7. 一個全雙工 UART(通用異步接收發(fā)送器 )的串行 I／ O 口，用于實現(xiàn)單片機之間或單機與微機之間的串行通信。 8. 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率為 12MHz。 SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達(dá) 40MHz，因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度。 STC89C52 單片機的中斷系統(tǒng) ： STC89C52 系列單片機的中斷系統(tǒng)有 5 個中斷源， 2 個優(yōu)先級，可以實現(xiàn)二級中斷服務(wù)嵌套。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器 IE控制CPU是否響應(yīng)中斷請求；由中斷優(yōu)先級寄存器 IP 安排各中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內(nèi)各中斷同時提出中斷請求時，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應(yīng)山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 16 次序。 STC89C52 單片機的定時 /計數(shù)器 ： 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，常常會有定時控制需求，如定時輸出、定時檢測、定時掃描等；也 經(jīng)常要對外部事件進(jìn)行計數(shù)。 89C52 單片機內(nèi)集成有兩個可編程的定時 /計數(shù)器： T0 和 T1，它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外部事件計數(shù)模式，此外， T1 還可以作為串行口的波特率發(fā)生器。 主控制模塊設(shè)計 本設(shè)計的主控制模塊包括： STC89C52RC 單片機，復(fù)位電路，超聲波測距模塊，時鐘電路。 主控制最小系統(tǒng)電路如圖 所示 。 12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U1U1Y112MC2 C3 VCCGNDR1410KC1 10uFVCC1234J1VCCS1P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P34P35P36P37 P23TrigEcho 圖 主控制最小系統(tǒng)電路 電路中用到 3 個 按鍵 ，一個是設(shè)定鍵，一個加鍵，一個減鍵。按下設(shè)置鍵，系統(tǒng)進(jìn)入報警距離設(shè)置界面，默 認(rèn)的報警距離是 米。當(dāng)按一下加鍵時，設(shè)置距離加一厘米，當(dāng)按一下減鍵時，設(shè)置距離減一厘米。 硬件電路總設(shè)計原理圖見 圖 ， 從以上的分析可知在本設(shè)計中要用 到如下器件： STC89C52RC、 超聲波 傳感器、按鍵、四位數(shù)碼管、蜂鳴器等一些單片機外圍應(yīng)用電路。 其中 D1 為 電源工作指示燈。 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 17 R1 1KR2 1KR3 1KR8 1KR9 1KR10 1KR11 1KR12 1KABCDEFGDPQ19012Q39012Q49012Q29012VCC1H3H2H4HR4 2KR5 2KR7 2KR6 2KP34P35 P36P37546231SW1sw 灰色12P2GNDR15 2K12D1發(fā)光二極管VCC12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U1STC89C52Y112MC2 20C3 20VCCGNDR1410KC110uFVCCS1P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P34P35P36P37S4S3S2GNDP20 P21 P22P23B1蜂鳴器Q59012VCCGND+R132K1234P1 VCCGNDTrigEchoTrigEcho數(shù)碼管驅(qū)動電路電源接口電路超聲波接口按鍵電路E1D2DP3C4G54H62H9F10A111H12B73H8DS1SMG04_1 圖 總設(shè)計電路圖 時鐘電路的設(shè)計 本設(shè)計的時鐘電路如圖 所 示，時鐘電路主要結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令 的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。 Y1 為 12MHZ 晶體振蕩器，單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號 ， C2 與 C3 為負(fù) 載電容。 晶振與單片機的腳 XTAL2 和腳 XTAL1 構(gòu)成的振蕩電路中會產(chǎn)生諧波，這個諧波對電路的影響不大 ， 但會降低電路的時鐘振蕩器的穩(wěn)定性。為了電路的穩(wěn)定性起見 ， 在晶振的兩引腳處接入山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 18 兩個 10pf50pf 的瓷片電容接地來削減