【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 如果 在超聲波的傳播速度是 正確 的前提下， 那么 測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距 的 誤差小于 1毫米 的誤差。使用的 12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的 89C52單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采 用 89C52定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在 1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。 影響超聲波探測(cè)的因素 在圖 ，用超聲波傳感器中的發(fā)射探頭來(lái)發(fā)射超聲波，同時(shí)用另一個(gè)接收探頭接收到回波。一般采用超聲波頻率為 40KHZ。根據(jù)以上原理，所算出的障礙物距離都是指障礙物到傳感器的距離。 圖 超聲波測(cè)距示意圖 傳感器發(fā)射超聲波的角度不同，對(duì)測(cè)量的結(jié)果也有不同的影響，圖 感器的探測(cè)角度。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 設(shè)計(jì)方案分析 8 圖 探測(cè)范圍 以上菱形區(qū)域就是發(fā)射超聲波的所覆蓋的區(qū)域，覆蓋區(qū)域之外的障礙物是不容易被探測(cè)到的，而覆蓋區(qū)域內(nèi)的障礙物是否能被探測(cè)到，則與下面的因素有關(guān) (見(jiàn)圖 示 ): 1） 從反射原理可知 :反射角是等于入射角，所以反射面的角度的大小，決定了反射波是否能被傳感器捕捉到。垂直面是最理想測(cè)量。 2） 反射面的面積太小，會(huì)造成部分超聲波不會(huì)被反射回去。所以反射面的大小不同，也會(huì)影響反射波的強(qiáng)度。 3）超聲波也是會(huì)被障礙物吸收掉一部分，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，則與障礙物的材質(zhì)和表面處理相 關(guān)。疏松、多孔的表面較易吸收超音波而導(dǎo)致反射效率較低，不易被偵測(cè)。 圖 超聲波探測(cè)障礙物 4） 超聲波在空氣中的傳播也是會(huì)衰減的，所以在反射面、角度都是相同的話，那么距離越遠(yuǎn)，發(fā)射和反射的超聲波衰減越大，越不容易被測(cè)到。 5） 以上幾點(diǎn)簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是 :角度、大小、表面材質(zhì)和距離。以上這些因素決 水平探測(cè) 垂直探測(cè) 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 設(shè)計(jì)方案分析 9 定障礙物是否能被探測(cè)到。 根據(jù)以上原理可知，在下列環(huán)境下，易造成無(wú)法偵測(cè)及偵測(cè)不良的情況。 （ 1）鐵絲網(wǎng)，繩索類細(xì)小物體。 （ 2）草地行車(chē)或崎嶇不平路面。 （ 3）棉質(zhì)或表 面易吸收聲波之物質(zhì)。 （ 4）傳感器表面附著異物。 （ 5）障礙物為銳角反射體，錐狀物體。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 硬件電路 10 第三章 硬件電路 器件說(shuō)明 AT89C52單片機(jī) AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能的 CMOS 位單片機(jī)，片內(nèi)含 256 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 8kb 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器， 2個(gè) I／ O 口線， 3個(gè) 16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口 ,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路 ,同時(shí)， AT89C52可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操 作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM ，定時(shí)／計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89C52具有語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、可移植性好、表達(dá)能力強(qiáng)、表達(dá)方式靈活、可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、可以直接控制計(jì)算機(jī)硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。 器件采用的是 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用的 8位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元。 適用許多較復(fù)雜的 控制應(yīng)用場(chǎng)合。 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 本設(shè)計(jì)采用了 一種低價(jià)格﹑數(shù)字化﹑高性能的溫度傳感器 DS18B20 用來(lái)采集溫度， DSl8B20 是 單線數(shù)字溫度傳感器是 由 DALLAS 公司生產(chǎn)的，他具有獨(dú)特 圖 DS18B20 溫度傳感器 的單線總線接口方式。 它體積小、功 耗低、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器連結(jié)。它無(wú)東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 硬件電路 11 需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)行溫度測(cè)量，與單片機(jī)交換信息僅需要一根 I/O 線。 該數(shù)字溫度傳感器具有精度高（提供 9— 12位溫度讀數(shù)）﹑溫度測(cè)量快﹑操作簡(jiǎn)單，測(cè)量溫度范圍為－ 55 到 125 攝氏度，在－ 10 到 85 攝氏度范圍內(nèi)精度為177。 攝氏度等優(yōu)點(diǎn)。 DS18B20 的供電方式有兩種 ,外部電源和寄生供電。寄生供電就是從 DQ 數(shù)據(jù)獲取電源，采用這種方式供電時(shí)，需要 V接地，這種供電方式可能使得 DQ 線沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，因此本文使用的是第二種供電方式，即將 V直接接外部電源（ 3～ ）。DSl8B20 的管腳圖如下圖所示： DQ 為數(shù)據(jù)輸入輸出端， GND 接地， V接高電平，同時(shí)接 10k 的上拉電阻以增加該 I／ O 的驅(qū)動(dòng)能力。 超聲波傳感器 超聲波傳感器又叫超聲波探頭，習(xí)慣上也稱為超聲換能器（如圖 所示），它的功能是通過(guò)它發(fā)射超聲波和接收超聲波。超聲換能器的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料有許多種。如果晶片的大小，比如直徑和 圖 超聲波換能器 厚度也各不相同，那么每個(gè)超聲波傳感器的性能都是不同的。在本設(shè)計(jì)中 我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電陶瓷和壓電晶體，往往是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行工作的。逆壓電效應(yīng)就是將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭 ,然而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。 一般常用的超聲波傳感器有兩種：兼用型和專用型。專用型是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，也可以接收超聲波。本設(shè)計(jì)選用的專用型的超聲波傳感器，其型號(hào)為 TCT4016T 和 TCT4016R，其中 40表示傳感器工作的中心頻率為 40KHz,16表示傳感器的外徑為 16mm， T和 R分別表示發(fā)射器和接收器。 ISD2560 語(yǔ)音芯片的結(jié)構(gòu)和引腳功能 ISD2560 共有三種封裝形式： 32 引腳的 TSOP 封裝， 28 引腳的 DIP 封裝和 28引腳的 SOIC 封裝。本設(shè)計(jì)選用 SOIC 封裝， 其引腳功能如下： 電源（ VCCA， VCCD）：為了最大限度的減小噪聲，芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝上。模擬和數(shù)字電源端最好分別走線，并應(yīng)盡可能在靠近供電端處相連，而 去耦電容則應(yīng)盡量靠近芯片。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 硬件電路 12 地線（ VSSA， VSSD）：由于芯片內(nèi)部使用不同的模擬和數(shù)字地線，因此，這兩腳最好通過(guò)低阻抗通路連接到地。 節(jié)電控制（ PD）：該端拉高可使芯片停止工作而進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。 片選（ CE）：該端變低且 PD也為低電平時(shí)，允許進(jìn)行錄、放操作。 錄放模式（ P/R）：該端狀態(tài)一般在 CE 的下降沿鎖存。高電平選擇放音，低電平選擇錄音。錄音時(shí)，由地址端提供起始地址，直到錄音持續(xù)到 CE或 PD 變高，或內(nèi)存溢出；如果是前一種情況，芯片將自動(dòng)在錄音結(jié)束處寫(xiě)入 EOM 標(biāo)志。放音時(shí)，由地址端提供起始地址，放音持續(xù) 到 EOM 標(biāo)志。如果 CE 一直為低，或芯片工作在某些操作模式，放音則會(huì)忽略 EOM 而繼續(xù)進(jìn)行下去，直到發(fā)生溢出為止。 信息結(jié)尾標(biāo)志（ EOM）： EOM 標(biāo)志在錄音時(shí)由芯片自動(dòng)插入到該信息段的結(jié)尾。當(dāng)放音遇到 EOM時(shí)，該端輸出低電平脈沖。另外， ISD2560 芯片內(nèi)部會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電源電壓以維護(hù)信息的完整性，當(dāng)電壓低于 ，該端變低，此時(shí)芯片只能放音。在模式狀態(tài)下，可用來(lái)驅(qū)動(dòng) LED，以指示芯片當(dāng)前的工作狀態(tài)。 溢出標(biāo)志（ OVF)：芯片處于存儲(chǔ)空間末尾時(shí)，該端輸出低電平脈沖以表示溢出，之后該端狀態(tài)跟隨ＣＥ端的狀態(tài)，直 到 PD 端變高。此外，該端還可用于級(jí)聯(lián)多個(gè)語(yǔ)音芯片來(lái)延長(zhǎng)放音時(shí)間。 話筒輸入（ MIC）：該端連至片內(nèi)前置放大器。片內(nèi)自動(dòng)增益控制電路（ AGC）可將增益控制在－１５～２４ｄＢ。外接話筒應(yīng)通過(guò)串聯(lián)電容耦合到該端。耦合電容值和該端的１０ｋΩ輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點(diǎn)。 話筒參考（ MIC REF）：該端是前置放大器的反向輸入。當(dāng)以差分形式連接話筒時(shí)，可減小噪聲，并提高共模抑制比。 自動(dòng)增益控制（ AGC）： AGC 可動(dòng)態(tài)調(diào)整前置增益以補(bǔ)償話筒輸入電平的寬幅變化，這樣在錄制變化很大的音量（從耳語(yǔ)到喧囂聲）時(shí)就能保持 最小失真。響應(yīng)時(shí)間取決于該端內(nèi)置的 5ｋΩ電阻和從該端到 VSSA 端所接電容的時(shí)間常數(shù)。釋放時(shí)間則取決于該端外接的并聯(lián)對(duì)地電容和電阻設(shè)定的時(shí)間常數(shù)。選用標(biāo)稱值分別為 470ｋΩ和 4.7μＦ的電阻、電容可以得到滿意的效果。 模擬輸出 (ANA OUT)：前置放大器輸出。其前置電壓增益取決于 AGC 端電平。 模擬輸入 (ANA IN)：該端為芯片錄音信號(hào)輸入。對(duì)話筒輸入來(lái)說(shuō)， ANA OUT 端應(yīng)通過(guò)外接電容連至該端，該電容和本端的３ｋΩ輸入阻抗決定了芯片頻帶的附加低端截止頻率。其它音源可通過(guò)交流耦合直接連至該端。 揚(yáng)聲器輸出 （ SP+、 SP）：可驅(qū)動(dòng) 16Ω以上的喇叭 （ 內(nèi)存放音時(shí)功率為１２．２ｍＷ AUX IN 放音時(shí)功率為５０ｍＷ）。單端輸出時(shí)必須在輸出端和喇叭間接耦合電容 而雙端輸出則不用電容就能將功率提高至４倍。 輔助輸入 (AUX IN)：當(dāng) CE 和 P/R 為高，不進(jìn)行放音或處入放音溢出狀態(tài)時(shí) 該端的輸入信號(hào)將通過(guò)內(nèi)部功放驅(qū)動(dòng)喇叭輸出端。當(dāng)多個(gè) ISD2560 芯片級(jí)聯(lián)時(shí) 后級(jí)的喇東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 硬件電路 13 叭輸出將通過(guò)該端連接到本級(jí)的輸出放大器。為防止噪聲 建議在存放內(nèi)存信息時(shí) 該端不要有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 外部時(shí)鐘 (XCLK)：該端內(nèi)部有下拉元件，不用時(shí)應(yīng) 接地。 硬件 硬件框圖 單片機(jī) AT89C52作為主控器，復(fù)位端接上電 +按鈕復(fù)位電路。 XTAL1和 XTAL2接 12MHZ晶振構(gòu)成的時(shí)鐘電路。 DS1820芯片并接收所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)。 超聲波傳感器 TCT4016T組成的發(fā)射電路發(fā)射超聲波。超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)就會(huì)立刻返回，傳感器，濾波電容，放大器，電壓比較器傳給單片機(jī)的 INT0口一個(gè)低電平。 ， 報(bào)警電路。 ， 顯示電路。 硬件框圖如圖 。 圖 硬件框圖 時(shí)鐘電路 RESET INT0 XTAL1 XTAL2 AT89C52 超聲波發(fā)送電路 超聲波 接收電路 測(cè)溫電路 聲音報(bào)警電路 復(fù)位電路 晶振電路 顯示電路 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 硬件電路 14 單片機(jī)各種功能部件能有條不紊地地工作，是因?yàn)楦鞑考际且詴r(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量影響單片機(jī)系統(tǒng)的 圖 時(shí)鐘電路 圖 穩(wěn)定性。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)方式主要有：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本文采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，其電路圖如圖 所示。 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)由反相放大器構(gòu)成的震蕩電路，芯片上的 XTAL1 和 XTAL2 該高分別為震蕩電路的和輸出端。只要在這兩個(gè)引腳上跨接一個(gè)石英振蕩器 Y1 和微調(diào)電容 C14 和 C16 就構(gòu)成了內(nèi)部方式的振蕩器電路，由震蕩器產(chǎn)生自激振蕩，便構(gòu)成一個(gè)完整的震蕩信號(hào)發(fā)生器。電容的大小會(huì)影響振蕩的頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，使用溫度特性好的電容，可以提供溫度穩(wěn)定性。所以電容選擇很重要，本文的時(shí)鐘電路采用了所提供的 22pF 電容可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器電路。 復(fù)位電路 復(fù)位電路是采用手動(dòng)按鍵電平來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī) 系統(tǒng)的復(fù)位的。復(fù)位電平是通過(guò) RST端經(jīng)電阻與電源 Vcc