【文章內(nèi)容簡介】 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 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，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：在實際應(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)用時是反向運用，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，便于進行信號處理，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)生器采用時基集成塊 NE555時基集成電路 [4]。時基集成塊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在沒有光照射的時候截止，此時 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 T2有基極偏壓， Uout輸出為低電平。 當(dāng)進行測量時，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)計說明書 第 10 頁 共 51 頁 地時，必然會擋住紅外線發(fā)光二極管發(fā)出的光，通過軟件的處理實現(xiàn)， 即可計算出落地最近點距起跳線的距離，即為受測者的立定跳遠(yuǎn)成績。 (2)利用紅外線測距的優(yōu)缺點 優(yōu)點：靈敏度高，測量速度快，精度高，成本較低，輔助設(shè)備簡單，易于維護，性能穩(wěn)定； 缺點：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)計方案的確定 根據(jù) ，從系統(tǒng)實用性及經(jīng)濟性能出發(fā)，本立定跳遠(yuǎn)測距系統(tǒng)采用紅外線發(fā)光二極管測距的方案，它不僅具有其他三個方案所具有的共有優(yōu)點，而且制作簡單，成本低廉，為了提高產(chǎn)品的性能和市場競 爭力。 根據(jù)紅外線測距原理，設(shè)計出測距系統(tǒng)的電路原理圖，如圖 。 圖 測距系統(tǒng)的電路原理圖 在測距系統(tǒng)中，在人腳落地區(qū)域左右各排布 128個二極管，相鄰的兩個二極管間隔為 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)二級管一一對應(yīng)，感應(yīng)距離大于 1米，既每一對二級管 (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)被測者的腳落在二極管的感應(yīng)范圍內(nèi)時，單片機把被人雙腳 (或身體 )擋住的光線所對應(yīng)的紅外線發(fā)光二極 管中的最短的一個距離記錄下來，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)計說明書 第 11 頁 共 51 頁 其測量過程為： 首先通過計算機軟件面板，設(shè)置測量的基準(zhǔn)。然后采用循環(huán)檢測方式對 128個接收二極管進行檢測。如果發(fā)現(xiàn)某一個 (或數(shù)個 )接收二極管低電平，所對應(yīng)發(fā)光管發(fā)出的紅外線被遮擋，說明有運動員跳過，則單片機計算出運動員所跳的距離。并把計算的數(shù)據(jù)傳送到到上位機進行處理。接著對下一個運動員進行測試，循環(huán)往復(fù)進行。 圖 測距布局圖 AT89C51 單片機簡介 單片微型計算機簡稱單片機。它是把微型計算機的各個功能部件：中央處理器CPU、隨機存取存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、 FO接口、定時器／計數(shù)器以及串行通信接口等集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個完整的微型計算機，故又把它稱為單片微型計算機 (Single Chip Microputer)。由于單片機具有體積小、功耗低、控制功能強等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表、工業(yè)測控、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)等領(lǐng)域中。 單片機種類繁多，各種單片機都有其獨有特點，至于具體選擇哪種 單片機型號，則完全遵循工程應(yīng)用的實際需要和經(jīng)濟性。 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)。其特點如下 [5]： (1)內(nèi)部資源配置 AT89C51是 40引腳的 MCS51系列單片機，是低功耗、高性能 8位 CMOS微控制器 。 含有 4KB Flash Memory可重復(fù)編程閃速存儲器，一般作程序存儲器； 具有 128B的內(nèi)部 RAM； 2個 16位定時，計數(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個全雙工串行口； 5個中斷源、 2個優(yōu)先級的中斷系統(tǒng)； 片內(nèi)振蕩電路和時鐘 電路， 89C51的時鐘利用它的內(nèi)部振蕩器生成，在 XTALl、XTAL2上外接定時反饋電路，時鐘頻率最大可達(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系列單片機是兼容的。這對于熟悉 MCS5l系列的廣大用戶來說用 AT89系列單片機取代 MCS51系列迸行系統(tǒng)設(shè)計是容易實現(xiàn)的。 (3)含 FLASH存儲器?？梢猿惺?1萬次寫 /擦循環(huán)。這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中．可隨意進行程序修改，即使錯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)時鐘方式，節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有利。AT89C51帶 4kB Flash Memory。 Flash Memory又稱閃爍存儲器，它是 EPROM和 EEPROM技術(shù)有機結(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。這使 AT89C51可靠性高、實時性好，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，其通用性強、可靠性好、技術(shù)支持全面，但片內(nèi)無程序存儲器，需要片外擴展，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)計說明書 第 13 頁 共 51 頁 用片內(nèi)帶 EPROM的 87C51單片機，則芯片成本較高，而 89C51單片機則融合 8031與閃速 (Flash)存儲器技術(shù)于一體，自帶 4K內(nèi)部程序存儲器，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，且要花費較長時間 (約 30min)，而 AT89C51只要適當(dāng)?shù)目刂菩盘柦M合且保持 ALE/PROG為低 10ms即可在線將整個存儲區(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系列單片機指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。片內(nèi)程序存儲器空間能滿足本系統(tǒng)程序存儲的需要，可省去片外的 EPROM程序存儲器，使 電路結(jié)構(gòu)簡化。 除了上述技術(shù)性能外，還有價格低廉，保密性強，功耗低，應(yīng)用靈活、方便等特點，故選擇 89C51單片機為本立定跳遠(yuǎn)測距儀的核心是最佳的選擇。綜上， AT89C51是一種性價比很高的單片機。用它組成實際系統(tǒng)，不僅設(shè)計簡便、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)電的場合。如圖 AT89C51芯片引腳。 圖 AT89C51芯片引腳 本章小結(jié) 本章通過對兩種測距方案的對比，確定了紅外線發(fā)光二級管的測距方案。對測距方案的 原理進行了分析，最后對本系統(tǒng)采用的 AT89C51 單片機進行了介紹。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁 共 51 頁 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計原則 作為一個實現(xiàn)功能豐富、元器件復(fù)雜、工作獨立的單片機系統(tǒng)，首先要考慮的就是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。 一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)擴展，即單片機的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O口、定時 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計相應(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、 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路 [9]。 在硬件系統(tǒng)的擴展和配置設(shè)計中遵循以下原則 [1012]： (1)盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(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)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但是，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件實現(xiàn)來得長，而且占 用CPU的時間 (比如延時程序 )； 一般情況下，用硬件實現(xiàn)速度比較快，可以節(jié)省 CPU的時間，但是系統(tǒng)的硬件接線復(fù)雜，系統(tǒng)成本較高。用軟件實現(xiàn)比較經(jīng)濟，但要更多 CPU的時間。所以在 CPU時間不緊張的情況下，應(yīng)盡量采用軟件。如果系統(tǒng)回路多，實時性要求高，則考慮用硬件完成。 (4)整個系統(tǒng)的性能要盡量做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存儲器的存取時間有限，應(yīng)該選擇允許存取速度較高的芯片；選擇 CMOS芯片單片機構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有的芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品； (5)單片機外接電路較多時，必須考慮器件驅(qū)動 能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 51 頁 單片機外圍電路設(shè)計 單片機外圍電路如圖 。 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單片機外圍電路原理圖 3． 3 紅外線發(fā)射電路設(shè)計 由于紅外線發(fā)射端采用的是 128個發(fā)光二極管，并且二極管的發(fā)光是分時控制的，即在按一定的順序控制發(fā)光二極管發(fā)光。而且由于單片機的 AT89C51的控制端不能直接對 這 128個二極管進行控制，必須采用外圍擴展電路。在此設(shè)計中，采用74HCl38譯碼器進行控制。通過單片機的管腳控制譯碼器的使能端，決定譯碼器是否工作，同時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使能端接單片機的 [1518]。 圖 74LS138電路圖 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 51 頁 74HCl38的控制端 A、 B、 C由單片機來控制，但由于單片機的驅(qū)動能力小，而且在此控制電路中需要多個 74HCl38譯碼器，為了提高驅(qū)動能力，我們采用了 74HC244這個芯片，它能夠提供 8路的驅(qū)動能力，其電 路圖如圖 ，它是一個三態(tài)的，通過管腳 2使其是否工作，在此設(shè)計中，把 2管腳接低電平，使其處于工作