【文章內(nèi)容簡介】 射與接收，為距離的測量工作提供計算時間的依據(jù)； （ 3）四位共陽數(shù)碼管：實時顯示距離； （ 4）按鍵：負(fù)責(zé)給單片機最小系統(tǒng)輸入設(shè)置指令，比如加鍵、減鍵、復(fù)位鍵； （ 5）復(fù)位電路：當(dāng)系統(tǒng)運行 的過程中出現(xiàn)不正常的狀況時，為了保證整個系統(tǒng)的正常運行可通過復(fù)位電路進行系統(tǒng)初始化； （ 6）時鐘電路：負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的計時工作； （ 7）電源電路：為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸出。 本次基于單片機的無線測距儀設(shè)計主要包括硬件電路和軟件程序設(shè)計兩個部分。數(shù)據(jù)采集、按鍵控制、四位數(shù)碼管顯示、報警機制是整個硬件電路的主要組成模塊。程序設(shè)計主要體現(xiàn)在，設(shè)計出編碼語言讓單片機計算系統(tǒng)實時計算出距離值并發(fā)出報警反饋上。 如圖 1 所示：系統(tǒng)方框結(jié)構(gòu)圖。 6 S T C 8 9 C 5 2超 聲 波發(fā) 射 電 路超 聲 波接 收 電 路蜂 鳴 器數(shù) 碼 管按 鍵復(fù) 位 電 路電 源 電 路時 鐘 電 路 圖 1 系統(tǒng)方框圖 3 硬件電路及模塊單元設(shè)計 主要元件介紹 STC89C52 單片機 單片機是指將具有強大運算功能的系統(tǒng)集成在一塊芯片上的微型計算機。既然是微型計算機，單片機也同樣具有跟普通計算機相同的功能結(jié)構(gòu)，我們知道普通計算機具備的功能模塊有：進行運算和控制功能的 CPU，進行數(shù)據(jù)存儲的 RAM，進行程序存儲的 ROM，控制系統(tǒng)需要與外部設(shè)備發(fā)生連接時所需要的控制串行口、并行口的輸入 /輸出設(shè)備，除了以上這些模塊，單片機還有對內(nèi)外部指令進行執(zhí)行與中斷的信號中斷系統(tǒng)，也有控制時間計數(shù)的定時 /計數(shù)器等等。單片機都將這些功能模塊集中在一起并加以實現(xiàn)，所以單片機又被叫做是微控制器 MCU（ MicrocontrollerUnit） 。相對于普通計算機笨重的主機 ， 單片機展現(xiàn)出了體積小、分量輕、性價比高優(yōu)勢 ， 而且實現(xiàn)自動檢測與控制 ， 因此單片機也被稱為嵌入式微控制器EMCU（ EmbeddedMicrocontrollerUnit)。 本課程設(shè)計所使用的 STC89C52 單片機在外表封裝方面，采用的是目前比較普遍的塑料雙列直插式（ DIP）封裝技術(shù)，由于從芯片引出來的管教較長，更利于我們在搭建電路板塊時，對單片機模塊 的焊接。而在內(nèi)部性能方面， STC89C52 單片機則表現(xiàn)的更為強大，它的強大主要表現(xiàn)在：不僅對電壓值的要求低，以便滿足普通的小實驗設(shè)計要求與實際的運用，另外STC89C52 還搭載了 高性能 CMOS 8 位 微控制器 內(nèi)含 8k 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的 Flash，只讀程序存儲器（ ROM）和 512k 字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 （ RAM）， 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，這使得 STC89C52 在功能表現(xiàn)好不遜色，足以完成普遍的實驗設(shè)計的要求。由此看來， 內(nèi)置功能強大的 STC89C52 單片機為我此次的課程設(shè)計。在單片機系統(tǒng)運算方面 提供了高性 價比 7 的解決方案。 下面具體的介紹 STC89C52 的強大內(nèi)置功能，低功耗高性能的特點是 STC89C52 單片機主要吸引單片機設(shè)計愛好者的重大因素之一，它所據(jù)有的引腳數(shù)一共有 40 個，其中 32 個引腳可以作為外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時負(fù)責(zé)內(nèi)含外部中斷口有 4 個， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串行通信口 等等， STC89C52 都將這些功能與 通用的微處理器和Flash 存儲器結(jié)合在一起，這樣一來又讓 STC89C52 的高性價比得到了提升，另外讓 Flash 存儲器實現(xiàn)了可反復(fù)擦寫，不僅利于愛好者們的多次試驗測試還可有效地降低開發(fā)成本。其引腳圖如下圖 2 所示 [2]。 圖 2 單片機引腳圖 從圖 3 我可知道 STC89C52 單片機一共有 40 個引腳，每個或某一類引腳都有各自指向的作用，本次設(shè)計我進運用到了只有單片機中的 P1 系列端口、 P2 系列部分端口、 RST 端口、 0 INT0/INT1 端口、 WR 端口、 RD 端口、時鐘源端口、主電源端口，其主要引腳功能如 下： （ 1）主電源引腳 單片機必須在通電的情況下才能正常使用，所以為保證正常運行和編程校驗，必須將第40 位引腳 VCC 引腳接電源正極；此外，光 VCC 接電源正極是不夠的，為了形成一個回路，我們還需將第 20 位引腳 —VSS 引腳接地，這也是我們常見的 GND 引腳。 （ 2）時鐘源引腳 單片機的時鐘引腳有兩個，即第 19位引腳 —XTAL1引腳和 XTAL2引腳。 XTAL1和 XTAL2分別是單片機片內(nèi)反相器的輸入和輸出端口，它們的作用主要是用來給單片機控制器里的時鐘電路提供外部震蕩源。在接法上，應(yīng)將外部晶振的兩個引腳分別接在 XTAL1 與 XTAL2 端口上，另外由于使用的情況不同，兩個端口接法也有所差異。如在設(shè)計試驗中直接采用外部震蕩信號的話，那就應(yīng)該把 XTAL1 引腳接地，而將外部振蕩信號源與 XTAL2 的端口想連接；而在單片機使用內(nèi)部時鐘時，應(yīng)該將 XTAL1 引腳和 XTAL2 引腳接石英晶體和電容。 （ 3）復(fù)位引腳 8 為了提高單片機在運行過程中的抗干擾能力，而且保證整個電路的穩(wěn)定工作， STC89C52還具備復(fù)位功能 RST——第 9 位引腳， RST 作為 RESET 復(fù)位信號輸入端口，為了讓單片機能夠正常工作，當(dāng)給系統(tǒng)連續(xù)輸入 2 個周期以上的有效高電 平時，復(fù)位引腳接收到高電平信號后，使得整個系統(tǒng)完成復(fù)位初始化操作。 （ 4）多功能 I/O 端口引腳 由圖可知， STC89C52 一共具有 4 類 I/O 端口，分別是 P0、 P P P3 口。順便補充一句，在這 4 類 I/O 端口中 P3 口還具有第二功能，在下文我會簡單地介紹。 單片機的第 39～ 32 引腳分別是 P0 口的 ～ 端口，對應(yīng)著 8 位漏極開路的雙向 I/O端口。在 P0 口作為輸出端口的時候，這 8 個引腳端口能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，在對這 8個端口進行賦值定義的時候，只要寫入 “1”就意味著將這些端口設(shè)置為高阻抗輸入端。此外當(dāng)P0 提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)總線，只能在訪問數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器的情況下才能實現(xiàn)，并且只有激活內(nèi)部上拉電阻才能算是有效的。 單片機的第 1～ 8 引腳分別是 P1 口的 ～ 端口，與 P0 口所不同的是： P1 口是 8位具有內(nèi)部上拉電路的準(zhǔn)雙向 I/O 端口。要想將它在用作為低 8 位地址總線，只能在對片內(nèi)程序存儲器（ EPROM 型）進行程序編程和校驗時才行。 單片機的第 21～ 28 引腳分別是 P2 口的 ～ 端口，它和 P1 同樣是 8 位具有內(nèi)部上拉電路的準(zhǔn)雙向 I/O 端口。但 是和 P1 端口有所區(qū)別的是：當(dāng)單片機訪問存儲器時， P2 口在對片內(nèi)程序存儲器（ EPROM 型）進行程序編程和校驗時，用做高 8 位地址總線。 單片機的第 10～ 17 引腳分別是 P3 口的 ～ 端口，它具有內(nèi)部上拉電路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。與其他 3 個 I/O 端口有不同的是，它有其他端口不具備的第二特殊變異功能。也就是說， P3 口既能獨立定義原來的 I/O 口功能，也能定義第二變異功能。第二變異功能的具體含義如表 1 所示： 表 1 引腳第二功能表 端口引腳 第二功能 RXD （串行輸入口） TXD （串行輸出口） INT0 （外中斷 0） INT1 （外中斷 1） T0 （定時 /計數(shù)器 0） T1 （定時 /計數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） （ 5） WR/RD 端口引腳 9 在對 P3 端口的介紹中，我們知道 WR 和 RD 是 P3 端口的第二特意功能中的兩種，當(dāng)前作為第二特意功能時，只要將外部數(shù)據(jù)存儲器接入這兩個端口，即可對外部數(shù)據(jù)進行讀寫功能了。 超聲波傳感器 我們通常提到的超聲波傳感器具體來講是這樣的一種傳感型設(shè)備：它一方面可以自己產(chǎn)生一定頻率的超聲波，在產(chǎn)生超聲波之后，與此同時它也可以接收碰到被攝物而被反射過來的聲波信號。因此，它還有另外一個名稱，那就是超聲換能器。 一般情況下，我們選擇的超聲波傳感器都是以壓電的方式來產(chǎn)生超聲波的，這種傳感器的探頭通常是用晶體材料或者陶瓷材料制成的，這些材料也要通過壓電處理，而探頭的工作原理正是利用這些通過壓電處理過的材料所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，如圖 3 所示 [3]。 圖 3 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器的探頭由分為兩種，一種是用于發(fā)射， 稱為發(fā)射探頭，一種是用于接收，稱為接收探頭。發(fā)射探頭通常是利用逆向的壓電效應(yīng)來工作的，其原理是在逆向的壓電效應(yīng)中，頻率較高的電振動會被轉(zhuǎn)化稱為同等高頻率的機械振動，通過這樣的方式來產(chǎn)生超聲波。而接收探頭通常是利用正向的壓電效應(yīng)來工作的，其原理是把傳感器產(chǎn)生的帶有振動的波形轉(zhuǎn)化成電信號。對于超聲波傳感器探頭而言，其最重要的部分是一塊通過壓電處理過的晶片，這個晶片儲藏在探頭外部的包裹之下，而探頭的外部材料通常是塑料材質(zhì)或金屬材質(zhì)的。超聲波傳感器之所以能發(fā)射和接收超聲波，這塊經(jīng)過壓電處理的晶片起到了決定性的核心作 用。 另外，衡量超聲波傳感器的優(yōu)勢和性能特點主要依靠以下三個參數(shù)： 第一個衡量參數(shù)是傳感器的工作頻率。傳感器工作時所產(chǎn)生的頻率是由經(jīng)過壓電處理的晶片在共同振動時所產(chǎn)生的頻率決定的。也就是說，增加超聲波傳感器靈敏度的方法，就是通過調(diào)節(jié)使得傳感器的工作時所產(chǎn)生的交流電的電壓頻率和晶片共同振動時所產(chǎn)生的頻率一致，這樣能產(chǎn)生巨大的能量和超高的靈敏度。 第二個衡量參數(shù)是傳感器的工作溫度。因為通過壓電處理過的材料，通常來說其居里點都很高，但是超聲波探頭在測量物體距離時所消耗的功率很小，這就導(dǎo)致了其工作時的溫度 10 幾乎不會發(fā)生變化，這樣傳感器就能連續(xù)工作而不至于因為溫度的劇烈變化而失去作用。 第三個衡量參數(shù)是靈敏度。傳感器靈敏度的高低主要是由其生產(chǎn)制造過程中所使用的晶片決定的。而晶片的機械和電力之間的耦合系數(shù)是和靈敏度成正比的。 電路設(shè)計 針對本次課程設(shè)計的目的和要求，我把系統(tǒng)的整體硬件電路主要劃分成超聲波接口電路，單片機的最小系統(tǒng)、數(shù)碼管的顯示電路、蜂鳴 器的報警電路、電源接口電路，按鍵電路六大主要硬件部分來做，最后他們之間通過軟件指令的形式連接在一起 [4]。 如圖 4 硬件電路圖。 ａ STC89C52 ｂ 超聲波 傳感器 11 c 數(shù)碼管 ｄ 按鍵 圖 4 硬件元件電路組圖 超聲波電路 通過內(nèi)部原理圖， 可以發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器中的反相器和超聲波發(fā)射換能器主要構(gòu)成超聲波傳感器的發(fā)射電路。超聲波的接收器、兩級放大電路和鎖相環(huán)電路則構(gòu)成了超聲波傳感器的接收電路。發(fā)射電路與接收電路的結(jié)合實現(xiàn)了超聲波傳感器發(fā)射與接收聲波的功能 [5]。超聲波電路原理圖如圖 5 所示 ： 圖 5 超聲波發(fā)射電路原理圖 12 超聲波發(fā)射電路 超聲波傳感器中的反相器和超聲波發(fā)射換能器主要構(gòu)成超聲波傳感器的發(fā)射電路。單片機的第 12 號引腳 INT0 端口輸出 8 個頻率在 40kHz 左右的方波信號，這個信號分成兩路形成一個回路，其中超聲波換能器的一個電極接收到的信號是由一級反向器推送到，而超聲波換能器的另一個電極所接收到的信號則是由兩級反向器推送到。為了提高超聲波的發(fā)射強度，我將方波信號以推換的形式加到超聲波換能器的兩端，另外把兩個反向器連接方式設(shè)置為并聯(lián)的連接方式，用以提高傳感器的驅(qū)動能力 [6]。 圖 6 超聲波發(fā)射電路原理圖 超聲波接收電路 與發(fā)射電路所不同的是，超聲波傳感器的接收電路由三部分構(gòu)成。如圖 7 所示： 圖 7 超聲波接收電路原理圖 一、超聲波接收器，其作用主要負(fù)責(zé)對發(fā)射出的超聲波進行回波的接收；二、兩級放大 13 電路，由于接收器接收回來的反射波信號比較微弱，以至于傳感器難以對其進行解析，所以我們利用放大電路來把接收到的反射波信息進行放大；三、鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)電路起到一個向單片機控制器發(fā)出中斷信號的作用，這意味著測距已經(jīng)成功完成向。其工作的模式為：反射源信號經(jīng)過放大以后，通過對信號的解析，只要接收到符合要求的頻率信號，單片機控制器就會接到來自鎖相環(huán)電路發(fā)出的中斷請求。由于發(fā)送的超聲波頻率為 40kHz 左右，為了提高超聲波接收器能夠準(zhǔn)確接受到反 射波，也為了避免其他頻率信號的干擾，我在調(diào)整相關(guān)元件的時候，將 40kHz 設(shè)置為鎖相環(huán)的中心頻率，這樣一來，鎖相環(huán)電路很大程度上只能響應(yīng)該頻率的信號，有利于其對反射波的接收。