【文章內(nèi)容簡介】 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 51 頁 電控制電路由發(fā)射部分，接收部分和信號(hào)處理部分組 成。 發(fā)射部分的主要元件為紅外發(fā)光二極管。它實(shí)際上是一只特殊的發(fā)光二極管，由于其內(nèi)部材料不同于普通發(fā)光二極管，因而在其兩端施加一定電壓時(shí)，它便發(fā)出的是紅外線而不是可見光。目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940rim左右，外形與普通發(fā)光二極管相同 (見下圖 )，只是顏色不同。紅外發(fā)光二極管一般有黑色、深藍(lán)、透明三種顏色。判斷紅外發(fā)光二極管好壞的辦法與判斷普通二極管一樣：用萬用表電阻檔量一下紅外發(fā)光二極管的正、反向電阻即可。紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率要用專門的儀器才能精確測(cè)定，而業(yè)余條件下只能用拉距法來粗略判定。 圖 紅外發(fā)光二級(jí)管 發(fā)光電路由振蕩電路和紅外發(fā)光管 HG413組成，電路圖如圖 。 圖 發(fā)光電路圖 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 51 頁 接收部分的紅外接收管是一種光敏二極管。紅外光敏二極管的特點(diǎn)：在實(shí)際應(yīng)用過程中，光敏二極管加反向電壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應(yīng)用時(shí)是反向運(yùn)用，這樣才能獲得較高的靈敏度。 接收電路由光敏二極管，放大驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載組成。由于外接負(fù)載的不同，所采用的放大電路的形式也很多。如果負(fù)載電流較小，可采用晶體管作放大器，輸出端直接帶負(fù)載 (如圖 )。該電路的優(yōu)點(diǎn)是：電 路元件少，電路簡單，成本低。 圖 接收放大電路 為了抑制干擾和噪聲，便于進(jìn)行信號(hào)處理，一般將紅外線發(fā)光二極管內(nèi)調(diào)制成脈沖光源，方波脈沖發(fā)生器采用時(shí)基集成塊 NE555時(shí)基集成電路 [4]。時(shí)基集成塊NE555輸出振蕩頻率由外接電阻 R1， R2及電容 C1決定： 2ln1)221( 1f CRR ?? () 3端為輸出端， R3是限流電阻，避免由于電流過大而燒壞紅外發(fā)光管 D，其輸出信號(hào)為方波，占空比 q為 : 221 21Rq RR R??? () 電路原理： T1在沒有光照射的時(shí)候截止，此時(shí) T2基極電位為 0， Uout輸出為高電平。當(dāng) Tl有光照射導(dǎo)通，此時(shí) T2有基極偏壓， Uout輸出為低電平。 當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在人腳落地區(qū)域排布一定數(shù)量的紅外線發(fā)光二極管，當(dāng)人腳落清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 共 51 頁 地時(shí)，必然會(huì)擋住紅外線發(fā)光二極管發(fā)出的光，通過軟件的處理實(shí)現(xiàn)， 即可計(jì)算出落地最近點(diǎn)距起跳線的距離，即為受測(cè)者的立定跳遠(yuǎn)成績。 (2)利用紅外線測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，測(cè)量速度快，精度高，成本較低，輔助設(shè)備簡單，易于維護(hù)，性能穩(wěn)定； 缺點(diǎn)：晶體管的參數(shù)具有分散性，且由于負(fù)載電流流經(jīng)晶體管，故電流受到限制，不能超過晶體管集電極最大允許電流；易受太陽光的干擾。 設(shè)計(jì)方案的確定 根據(jù) ，從系統(tǒng)實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性能出發(fā)，本立定跳遠(yuǎn)測(cè)距系統(tǒng)采用紅外線發(fā)光二極管測(cè)距的方案，它不僅具有其他三個(gè)方案所具有的共有優(yōu)點(diǎn)，而且制作簡單，成本低廉，為了提高產(chǎn)品的性能和市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)力。 根據(jù)紅外線測(cè)距原理，設(shè)計(jì)出測(cè)距系統(tǒng)的電路原理圖，如圖 。 圖 測(cè)距系統(tǒng)的電路原理圖 在測(cè)距系統(tǒng)中，在人腳落地區(qū)域左右各排布 128個(gè)二極管，相鄰的兩個(gè)二極管間隔為 8mm。左側(cè)為發(fā)光二極管，右側(cè)為光敏二極管，左右兩側(cè)二級(jí)管一一對(duì)應(yīng)，感應(yīng)距離大于 1米，既每一對(duì)二級(jí)管 (發(fā)光管和接收管 )的距離大于 lm。設(shè)置起跳線為 5條，分別為 ， 1m起跳線， ， 2m起跳線， 。當(dāng)被測(cè)者的腳落在二極管的感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)把被人雙腳 (或身體 )擋住的光線所對(duì)應(yīng)的紅外線發(fā)光二極 管中的最短的一個(gè)距離記錄下來，經(jīng)過軟件處理所得的數(shù)據(jù)，再加上起跳距離的數(shù)值即為被測(cè)者的立定跳遠(yuǎn)成績。布局如圖 。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 51 頁 其測(cè)量過程為： 首先通過計(jì)算機(jī)軟件面板，設(shè)置測(cè)量的基準(zhǔn)。然后采用循環(huán)檢測(cè)方式對(duì) 128個(gè)接收二極管進(jìn)行檢測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)某一個(gè) (或數(shù)個(gè) )接收二極管低電平，所對(duì)應(yīng)發(fā)光管發(fā)出的紅外線被遮擋，說明有運(yùn)動(dòng)員跳過，則單片機(jī)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)員所跳的距離。并把計(jì)算的數(shù)據(jù)傳送到到上位機(jī)進(jìn)行處理。接著對(duì)下一個(gè)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行測(cè)試，循環(huán)往復(fù)進(jìn)行。 圖 測(cè)距布局圖 AT89C51 單片機(jī)簡介 單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)。它是把微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件：中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、 FO接口、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器以及串行通信接口等集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，故又把它稱為單片微型計(jì)算機(jī) (Single Chip Microputer)。由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表、工業(yè)測(cè)控、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)等領(lǐng)域中。 單片機(jī)種類繁多，各種單片機(jī)都有其獨(dú)有特點(diǎn)，至于具體選擇哪種 單片機(jī)型號(hào)，則完全遵循工程應(yīng)用的實(shí)際需要和經(jīng)濟(jì)性。 紅外線發(fā)光二極管 紅外線光敏二極管 ＞ 1m 0 米 米 米 米 米 米 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 51 頁 本系統(tǒng)采用 ATMEL公司的產(chǎn)品 AT89C51作為系統(tǒng)微控制器 (MCU)。其特點(diǎn)如下 [5]： (1)內(nèi)部資源配置 AT89C51是 40引腳的 MCS51系列單片機(jī)，是低功耗、高性能 8位 CMOS微控制器 。 含有 4KB Flash Memory可重復(fù)編程閃速存儲(chǔ)器，一般作程序存儲(chǔ)器； 具有 128B的內(nèi)部 RAM； 2個(gè) 16位定時(shí)，計(jì)數(shù)器； 32條 I/O口線，大部分用作數(shù)字和脈沖輸入或輸出； 1個(gè)全雙工串行口； 5個(gè)中斷源、 2個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)； 片內(nèi)振蕩電路和時(shí)鐘 電路， 89C51的時(shí)鐘利用它的內(nèi)部振蕩器生成，在 XTALl、XTAL2上外接定時(shí)反饋電路，時(shí)鐘頻率最大可達(dá) 24MHz。本系統(tǒng)采用 12MHz，需外接。 (2)由于 AT89C51是以 8031核構(gòu)成的，所以它與 MCS51系列單片機(jī)是兼容的。這對(duì)于熟悉 MCS5l系列的廣大用戶來說用 AT89系列單片機(jī)取代 MCS51系列迸行系統(tǒng)設(shè)計(jì)是容易實(shí)現(xiàn)的。 (3)含 FLASH存儲(chǔ)器?？梢猿惺?1萬次寫 /擦循環(huán)。這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中．可隨意進(jìn)行程序修改，即使錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期；同時(shí)在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息 (數(shù)據(jù)保存期 10年 )。 (4)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，節(jié)省電能，這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有利。AT89C51帶 4kB Flash Memory。 Flash Memory又稱閃爍存儲(chǔ)器，它是 EPROM和 EEPROM技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。其既具有 EPROM一樣的可編程能力，有帶有象 EEPROM的電可擦除性能，具有不發(fā)揮性、訪問速度快 (60ns)和密度高的特點(diǎn)。這使 AT89C51可靠性高、實(shí)時(shí)性好，速度快、系統(tǒng)掉電后重要數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息不會(huì)丟失，并可方便地在線重 復(fù)編寫程序等。它為解決許多嵌入式控制及便攜式儀器開發(fā)提供了更多的靈活性 [6]。 Intel公司的 80C31單片機(jī)，其通用性強(qiáng)、可靠性好、技術(shù)支持全面，但片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，需要片外擴(kuò)展，這樣便增加了芯片數(shù)量，加大印刷電路板面積。若采清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 51 頁 用片內(nèi)帶 EPROM的 87C51單片機(jī)，則芯片成本較高，而 89C51單片機(jī)則融合 8031與閃速 (Flash)存儲(chǔ)器技術(shù)于一體，自帶 4K內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，其使用壽命長 (可重復(fù)編程1000次以上 )，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，而且具有邏輯加密，使研制的系統(tǒng)不易被仿制。 AT89C51具有全靜態(tài)工作方式并 支持軟件選擇兩種節(jié)電模式。 AT89C51與 87C51相比較，功能相近，但從價(jià)格上看，前者是后者的三分之一；從片擦除來看， 87C51靠紫外光，須專門裝置，且要花費(fèi)較長時(shí)間 (約 30min)，而 AT89C51只要適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)組合且保持 ALE/PROG為低 10ms即可在線將整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)擦除。與 8031相比，使用89C51不但節(jié)電，而且其硬件電路大為簡潔且顯而易見 [7]。 89C51與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51系列單片機(jī)指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器空間能滿足本系統(tǒng)程序存儲(chǔ)的需要，可省去片外的 EPROM程序存儲(chǔ)器，使 電路結(jié)構(gòu)簡化。 除了上述技術(shù)性能外，還有價(jià)格低廉，保密性強(qiáng)，功耗低，應(yīng)用靈活、方便等特點(diǎn)，故選擇 89C51單片機(jī)為本立定跳遠(yuǎn)測(cè)距儀的核心是最佳的選擇。綜上， AT89C51是一種性價(jià)比很高的單片機(jī)。用它組成實(shí)際系統(tǒng)，不僅設(shè)計(jì)簡便、工作可靠、成本低廉，而且它所具備的兩種節(jié)電模式更適合于嵌入控制或便攜式智能儀表以及要求節(jié)電的場(chǎng)合。如圖 AT89C51芯片引腳。 圖 AT89C51芯片引腳 本章小結(jié) 本章通過對(duì)兩種測(cè)距方案的對(duì)比，確定了紅外線發(fā)光二級(jí)管的測(cè)距方案。對(duì)測(cè)距方案的 原理進(jìn)行了分析，最后對(duì)本系統(tǒng)采用的 AT89C51 單片機(jī)進(jìn)行了介紹。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 51 頁 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原則 作為一個(gè)實(shí)現(xiàn)功能豐富、元器件復(fù)雜、工作獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)，首先要考慮的就是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O口、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路 [9]。 在硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)中遵循以下原則 [1012]： (1)盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)； (2)系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以便進(jìn)行二次開發(fā)； (3)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但是，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件實(shí)現(xiàn)來得長，而且占 用CPU的時(shí)間 (比如延時(shí)程序 )； 一般情況下，用硬件實(shí)現(xiàn)速度比較快，可以節(jié)省 CPU的時(shí)間，但是系統(tǒng)的硬件接線復(fù)雜，系統(tǒng)成本較高。用軟件實(shí)現(xiàn)比較經(jīng)濟(jì)，但要更多 CPU的時(shí)間。所以在 CPU時(shí)間不緊張的情況下，應(yīng)盡量采用軟件。如果系統(tǒng)回路多，實(shí)時(shí)性要求高，則考慮用硬件完成。 (4)整個(gè)系統(tǒng)的性能要盡量做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時(shí)，存儲(chǔ)器的存取時(shí)間有限，應(yīng)該選擇允許存取速度較高的芯片；選擇 CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有的芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品； (5)單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮器件驅(qū)動(dòng) 能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 51 頁 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)外圍電路如圖 。 P0接口主要控制指示燈。其中 Pl接口主要控制接收二極管和發(fā)光二極管。 P2接口主要用于鍵盤接口。 通訊接口。 P3． 5判斷接收二極管的狀態(tài) [1314]。 圖 AT89C51單片機(jī)外圍電路原理圖 3． 3 紅外線發(fā)射電路設(shè)計(jì) 由于紅外線發(fā)射端采用的是 128個(gè)發(fā)光二極管，并且二極管的發(fā)光是分時(shí)控制的，即在按一定的順序控制發(fā)光二極管發(fā)光。而且由于單片機(jī)的 AT89C51的控制端不能直接對(duì) 這 128個(gè)二極管進(jìn)行控制，必須采用外圍擴(kuò)展電路。在此設(shè)計(jì)中，采用74HCl38譯碼器進(jìn)行控制。通過單片機(jī)的管腳控制譯碼器的使能端，決定譯碼器是否工作，同時(shí)也控制譯碼器的不同的狀態(tài)。其電路圖如圖 ，其中 74HCl38管腳 5使能端接單片機(jī)的 [1518]。 圖 74LS138電路圖 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 51 頁 74HCl38的控制端 A、 B、 C由單片機(jī)來控制，但由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力小，而且在此控制電路中需要多個(gè) 74HCl38譯碼器，為了提高驅(qū)動(dòng)能力，我們采用了 74HC244這個(gè)芯片，它能夠提供 8路的驅(qū)動(dòng)能力，其電 路圖如圖 ，它是一個(gè)三態(tài)的，通過管腳 2使其是否工作，在此設(shè)計(jì)中，把 2管腳接低電平，使其處于工作