【文章內(nèi)容簡介】 28 腳） 準(zhǔn)雙向 8 位 I/O 口，每個口可獨立控制，內(nèi)帶上拉電阻，與P1 口相似。 P3 口（ 10 腳 ~17 腳） 準(zhǔn)雙向 8 位 I/O 口，每個口可獨立控制，內(nèi)帶上拉電阻。作為第一功能使用時就當(dāng)做普通 I/O 口，與 P1 口相似。作為第二功能使用時，各引腳的定義如表 所示。 P3 口的每 個引腳均可獨立定義為第一功能的輸入 /輸出或第二功能。 表 P3 口第二功能 標(biāo)號 引腳 第二功能 說明 10 RXD 串行輸入口 11 TXD 串行輸入口 12 /INTO 外部中斷 0 13 /INT1 外部中斷 1 14 TO 定時器 /計數(shù)器 0 外部輸入斷 15 T1 定時器 /計數(shù)器 1 外部輸入斷 16 /WR 外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖 17 /WD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖 單片機(jī)最 小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需必要電源、時鐘、復(fù)位等部件，它能使單片機(jī). . 處于正常運(yùn)行狀態(tài)。電源、時鐘等電路時使單片機(jī)能運(yùn)行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，對其進(jìn)行擴(kuò)展、 A/D 擴(kuò)展等。 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)的功能主要如下： （ 1） 能夠運(yùn)行用戶程序。 （ 2） 用戶可以復(fù)位單片機(jī)。 （ 3） 具有相對強(qiáng)大的外部擴(kuò)展功能。 單片機(jī) 最小系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)如圖 所示。 時鐘電路 復(fù)位電路 51 系列單片機(jī) 接口 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖 （ 1） 時鐘電路 時鐘信號可以由兩種方式產(chǎn)生：一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路產(chǎn)生；另一種為外部方式，時鐘信號由外部引入。本設(shè)計采用芯片內(nèi)部 的振蕩電路產(chǎn)生。 單片機(jī)有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩的反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是放大器的輸入、輸出端，外接石英晶體和陶瓷電容構(gòu)成自激振蕩器。這種方式稱為內(nèi)部時鐘方式，如圖 所示。 如果振蕩器已起振，則在 XTAL2 引腳上輸出 3V左右的正弦波。 振蕩器的頻率取決與晶振的頻率。電容 C1 和 C2 的主要作用是幫助起振，其值得大小對振蕩頻率也有影響?？梢詫?C1 和 C2 進(jìn)行微調(diào)，電容的大小通常在 20PF~100PF 之間選擇，本次設(shè)計采用 12MHZ 晶振和大小為 30PF 的電容。 圖 內(nèi)部振蕩電路連接 圖 . . （ 2） 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)驅(qū)動運(yùn)行時必須先復(fù)位，目的是使單片機(jī)在一初始狀態(tài)開始工作。當(dāng)系統(tǒng)工作異常的特殊情況下，可以人為地復(fù)位。復(fù)位的方式可以分為上電自動復(fù)位和人工復(fù)位方式。本次設(shè)計采用人工復(fù)位方式。 其電路如圖 所示。 圖 人工復(fù)位電路 按一下開關(guān)就會在 RST 端出現(xiàn)一段時間的高電平，使單片機(jī)復(fù)位。電容和電阻的參考值是： C=10UF, R=10K 歐。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 所示。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖 超聲波發(fā)射接收電路設(shè)計 方案論證與比較 超聲 波 發(fā)射接收電路有多種，常用的電路如下： 1． 超聲波發(fā)射電路 （ 1） 分立元件構(gòu)成的發(fā)射電路 . . 圖 分立元件構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 圖 是由兩只普通低頻小功率三極管 C9013 構(gòu)成的振蕩、驅(qū)動電路，三極管 TT2 構(gòu)成兩級放大器，但是由于超聲波發(fā)射頭 具有 正反饋作用， 令電路變成了一個 振蕩器。超聲波發(fā)射器的壓電晶片可等效于一個串聯(lián) LC 諧振電路，具有選頻作用， 但該電路唯有在振蕩頻率等于超聲波發(fā)聲頭的固有頻率時才能工作。 第二個圖中用電感 L 替代R3， ,可 使得 激勵電壓 增大 ， 令其輸出功率更大 。 （ 2） 集成電路構(gòu)成的發(fā)射電路 圖 為由 555 集成芯片構(gòu)成的振蕩、調(diào)制、激勵電路。該電路應(yīng)使用雙極型 555，不宜使用單極型 7555， 因為 7555 帶負(fù)載能力小。 圖 555 構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 圖 是由非門構(gòu)成的一個振蕩器發(fā)送電路，用非門構(gòu)成的電路簡單，調(diào)試容易。很容易通過軟件控制。圖中把兩個非門的 輸入相連接可以 提高其吸入電流， 使 電路驅(qū)動能力 得到 提高。 . . 圖 由非門構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 2． 超聲波接收電路 （ 1） 分立元件構(gòu)成的接收電路： 圖 為由三極管 T1,T2 和若干電阻 、 電容組成的兩 級阻容耦合交流放大電路。第一級 放大電路 中 R3 為集電極負(fù)載電阻； R2 為偏流電阻， 并采用 交直流并聯(lián)電壓負(fù)反饋，能夠 有效的穩(wěn)定靜態(tài)工作點， 減少 非線性失真以及 提高 增益的穩(wěn)定性； R4 是發(fā)射極負(fù)反饋電阻，采用直 交流串聯(lián)電流負(fù)反饋， 具有 穩(wěn)定 靜態(tài)工作點 、 穩(wěn)定 增益、 減少 失真 和輸入阻抗等作用。 圖 分立元件構(gòu)成的超聲波接收電路 (2) 由運(yùn)算放大器構(gòu)成的接收電路 圖 是由運(yùn)放構(gòu)成的超聲波放大電路，該電路的形式在其他應(yīng)用中經(jīng)常遇到，特點如下： 1）一般式用運(yùn)放組成的放大電路都要求對稱的正負(fù)電源供電， 這里以單電源供電，輸出端的靜態(tài)電位必須設(shè)置在 1/2 的電源電壓，這由同相輸入端的點位來確定， 和 分壓取得 1/2 的電源電壓加到運(yùn)放的同相輸入端，使其電位 1/2 電源電壓。 2）采用同相端輸入方式其輸入阻抗高，超聲波接收傳感器的輸出信號接到放大器的同相端，有利于超聲波傳感器充分發(fā)揮接收靈敏度和自生的選頻作用。 3）反相端對地不提供直流通路，因此通過隔直電容 提供直流通路。 . . 圖 運(yùn)放構(gòu)成的超聲波接收電路 (3) LM1812 收發(fā)集成電路構(gòu)成 LM1812 是一種專用于超聲波接收和發(fā)送的 集成電路，它 既 可 用作 發(fā)送電路，又可以 用作接收電路 。如圖 所示。 圖 由 LM1812 構(gòu)成的接收電路 （ 2） CX20216 構(gòu)成的接收電路 圖 CX20216 構(gòu)成的接收電路 . . 超聲波發(fā)射電路 以上為常用的發(fā)射和接收電路，分立元件構(gòu)成的收發(fā)電路容易受到外界因素影響，體積、功耗也比較大。而集成電路構(gòu)成的發(fā)射和接收電路具有調(diào)試簡單方便，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，功耗低的優(yōu)點，所以優(yōu)先考慮采用集成電路來組成收發(fā)電路。 本次設(shè)計采用由非門構(gòu)成的超聲波發(fā)射 電路和由 CX20216 芯片構(gòu)成的 超聲波 接收電路， 采用以上電路只要 考慮 到便于調(diào)試 ，易于采用程序控制，而且成本低，可靠性好。 超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分 。超聲 波 探頭發(fā)射超聲波頻率為 40HZ。本設(shè)計通過 采用軟件產(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號，通過 端口 輸入至 超聲波發(fā)射電路 ， 由超聲波探頭發(fā)射超聲波 。 本設(shè)計通過 軟件產(chǎn)生信號能靈活地控制和調(diào)控 。超聲波發(fā)射電路 如 圖 所示 。 圖 超聲波發(fā)射電路 從圖中可知，當(dāng)輸入的信號為高電平時，上面經(jīng)過兩級反向超聲波探頭的 1 引腳為高電平，下面經(jīng) 過一級反向后為低電平；當(dāng)輸入信號為低電平時，電平正好相反，實現(xiàn)了振蕩的信號驅(qū)動超聲波探頭，保證輸入信號頻率接近 40HZ，就能正常產(chǎn)生超聲波。 超聲波接收電路 超聲波接收包括接收探頭，信號放大以及波形變換電路三部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭型號相同，否則可能導(dǎo)致接收效果不佳有雜波甚至不能接收。正常狀態(tài)下，超聲波探頭的信號非常弱，不足以被單片機(jī)處理器接收處理，因此需要通過放大器進(jìn)行放大。放大后的信號為正弦信號，并不能被單片機(jī)處理器接收處理 ，所以 還需要對波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程需要適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器。本設(shè)計為了降 低調(diào)試難度，減少成本，提供系統(tǒng)可靠性，采用了一種用在彩色電視機(jī)上面的一種紅外接收檢波芯片 CX20216，由于紅外遙控的中心頻率在 38KHz，和超聲波的 40KHz 很接近，所以可以用來做接收電路。使用 CX20216A 優(yōu)點是簡單易用，電路簡單，減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。但必須保證接收到的信號為 40KHz，否則無法解調(diào)出。 CX20216 是日本索尼公司的產(chǎn)品，采用單列 8. . 引腳的直插式封裝，內(nèi)部包含自動偏置控制電路、前置放大電路、帶通濾波、峰值檢波、積分比較器、斯密特整形輸出電路，配合少量外接元件就可以對 38KHz 左右的信號 的接收與處理，該芯片內(nèi)部 結(jié)構(gòu) 如圖 所示 。 本設(shè)計超聲波接收電路圖 所示。 圖 CX20216 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 超聲波接收電路 使用 CX20216A 集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波 ， 其總放大增益80db。以下是 CX20216A 的引腳注釋 ： 1 腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。 2 腳：該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R4 或減小 C4,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則 放大倍數(shù)增大。但 C4 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為 R4=， C4=1μF。 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 。 4 腳：接地端。 5 腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200kΩ時， f0≈42kHz，若取 R=220kΩ，則中心頻率 f0≈38kHz。 . . 6 腳： 該腳與地 之間接一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為 22kΩ，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。 8 腳：電源正極， ～ 5V。 其中 CX20216A 的第 5 腳的電阻決定接收的中心頻率， 200k 的電阻決定了接收的中心頻率為 40KHz。使用 CX20216A 存在的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：簡單易用，電路簡單，減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。 缺點：必須保證接收到的信號為 40KHz，否則無法解 調(diào)出。 四位數(shù)碼管顯示電路 本設(shè)計為了能實時顯示測量的距離和提高測量的正確性，設(shè)計了數(shù)碼管顯示電路。 數(shù)碼管發(fā)光原理：每個數(shù)碼管內(nèi)部都有 8 個小的發(fā)光二極管，通過選擇性點亮發(fā)光二極管，從而顯示出不同的數(shù)字或符號。數(shù)碼管有一個公共端，根據(jù)公共端的不同，可以分為共陽極和共陰極， 圖 為其內(nèi)部原理圖 [3]。 圖 數(shù)碼管內(nèi)部原理圖 本設(shè)計采用四位共陽極數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管的顯示方式有兩種，分別是靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示是指數(shù)碼管顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定導(dǎo)通或恒定截止。 這種顯 示方式的各位數(shù)碼管相互獨立，公共端恒定接地（共陰極）或接正電源（共陽極）。每個數(shù)碼管的 8 個字段分別與一個 8 位 I/O 口地址相連， I/O 口只要有段碼輸出，相應(yīng)字符即顯示出來，并保持不變，直到 I/O 口輸出新的段碼。采用靜態(tài)顯示方式，較小的電流即可獲得較高的亮度，且占用 CPU 時間少，編程簡單，顯示便于監(jiān)測和控制，但其占用的口線多，硬件電路復(fù)雜，成本高，只適合于顯示位數(shù)較少的場合 [3]。 動態(tài)顯示又叫動態(tài)掃描顯示，即輪流向各位數(shù)碼管送出字型碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光二極管的余暉和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼 管同時都在顯示，而實際上多位數(shù)碼管是一位一位 快速 輪流顯示的。 動態(tài)顯示具有節(jié)省 I/O 端口線的優(yōu)點，但其缺點是顯示亮度不夠穩(wěn)定，影響因素較多；編程較復(fù)雜，占用 CPU 時間較多 [3]。. . 由于本設(shè)計包含幾部分模塊，單片機(jī)的 I/0 口有限，故選擇動態(tài)顯示減少對 I/O 口的占用。至于動態(tài)顯示的顯示亮度不穩(wěn)定可以通過選用合適的串聯(lián)電阻來改善。在編程方面，只要設(shè)置好各模塊的運(yùn)行狀態(tài)和時間，能保證整體的正常運(yùn)行工作 [3]。 本設(shè)計的 4 位數(shù)碼管顯示電路如圖 所示。 圖 4 位數(shù)碼管顯示電路 如圖所示 4 位數(shù)碼管為共陽極， ~ 位數(shù)碼管段選， ~ 對應(yīng)數(shù)碼管位選 。電路 按端口與單片機(jī)連接 ，通過軟件控制點亮顯示。 報警電路設(shè)計 本設(shè)計采用兩種報警電路，分別為發(fā)光二極管 閃爍 報警和蜂鳴器報警。采用兩種報警方式，用戶可以根據(jù)工作的環(huán)境不同選擇不同的報警方式，例如在集體需要安靜的環(huán)境下，選用發(fā)光二極管 閃爍 報警。 蜂鳴器報警電路如圖 所示。 圖 蜂鳴器報警電路 . . 蜂鳴器報警電路中，當(dāng)作邊 INPUT 輸入為高電平時，由于三極管的發(fā)射極也是高電平， 三極管不能導(dǎo)通，蜂鳴器沒有電流， 不能發(fā)出聲音，即輸入高電平時不報警。相反，輸入低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器有電流，蜂鳴器報警。 在這過程中三極管起到開關(guān)和電流放大作用，基極電阻起限流作用。 發(fā)光二極管閃爍報警電路如圖 所示。 圖 發(fā)光二極管閃爍報警電路 發(fā)光二極管閃爍報警電路中，由于發(fā)光二極管的驅(qū)動電路較少一般為 15 毫安，所以串聯(lián)一個阻值位 1K 的電阻起限流保護(hù)作用。當(dāng)左邊 INPUT 輸入高電平時，發(fā)光二極管發(fā)光報警，低電平熄滅。 光強(qiáng)檢測電路