【文章內容簡介】 電平，這樣，二者之間就可以通過 RS232 接口進行數字信號的傳送，其電路圖如下圖 34 所示。 PC 機與單片機的硬件連接 串口是 PC機上一種非常通用的設備通信協議。多數 PC機提供兩個 9針或 25針的 RS232標準串行口，簡稱為 COM1和 COM2。大多數計算機應用系統(tǒng)與智能基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 單元之間只要使用 3到 5根信號線即可工作，需使用 IXD(發(fā)送數據 )、 RXD(接收數據 )、 GND(地線 )等信號線，但有時還需使用 RTS(發(fā)送數據請求 )、 CTS(清除發(fā)送 )、DTR(數據終端就緒 )、 DSR(數據發(fā)送就緒 )等信號線。 串口通信的實現 單片機硬件系統(tǒng)是一個典型的信號采集系統(tǒng)， PC機控制端先給單片機發(fā)送“開始指令 ”和有關系統(tǒng)測量參數，單片機接收到后硬件系統(tǒng)開始工作，進行數據采集，采集到的信號經放大和 A/D變換后送入單 片機，單片機把處理后的數據按每個 180個字節(jié)為一幀整理成幀，然后通過 RS232接口傳到計算機 [18]。計算機首先對單片機發(fā)過來的每一幀數據進行正確的接收，并對數據進行實時顯示，然后再進行必要的處理，以達到實時監(jiān)控的目的。 PC機也可以隨時向單片機發(fā)送指令，使單片機根據指令的要求執(zhí)行相應的動作。 圖 34 TTL轉 RS232接口電路 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 電源電路 電源電路提供系統(tǒng)運行的能量，所以在進行電源電路設計保證原理正確的前提下，考慮電源容量并保證一定的余量。 為獲得一個標準設計的電源電路，可通過降壓，整流，穩(wěn)壓 ，濾波四個環(huán)節(jié)得到 5V的直流穩(wěn)壓電源： 1） 降壓：可通過變壓器將市電轉變后，選擇輸出電壓為 7～ 9 伏之間電源。 2）整流：將變壓后的電源通過四個整流二極管 4007 組成的整流橋，將交流電轉變成直流電，因此即使粗心電源接反單片機也不會燒掉，而電路也是正常工作的。 3）穩(wěn)壓：通過三端正穩(wěn)壓電路 7805 穩(wěn)壓成 5 伏直流電源提供給單片機系統(tǒng)使用。 4） 濾波： 7805 左邊兩個是降壓后的電源濾波電容，大電容旁邊并聯一個小電容的目的是降低高頻內阻，因為大的電解電容一般采用卷繞工藝制造 ,所以等效電感較大 ,小電容可以提供一個 小內阻的高頻通道 ,降低電源全頻帶內阻。 7805 右邊兩個電容是 5 伏電源的濾波電容。 通過以上四個環(huán)節(jié)即得到 5V 的直流穩(wěn)壓電源。整個電源電路都是圍繞這種7805穩(wěn)壓芯片進行設計的，是一種串聯的穩(wěn)壓電路，這樣就可以為單片機提供安全且穩(wěn)定的電源了，最后再并接一個高亮發(fā)光二極管來指示單片機的工作狀態(tài)。單片機系統(tǒng)的總電源電路圖如 35： 圖 35 電源電路圖 單片機復位電路設計 復位是單片機初始化操作，其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部分都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。復位輸入端管腳 RST 通過一個施基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 密特觸發(fā)器與復位電路相連，主要是用來抑制噪聲。 圖 36 為按鈕復位電路。在實際應用系統(tǒng)中，為了防止干擾竄入復位端，引起內部某些寄存器錯誤復位，可在 RST 端管腳上可接一個去藕電容。 圖 36 單片機復位電路圖 聲光報警顯示電路的設計 此模塊主要為聲光顯示功能，以提示是否進入或退出調整電子時鐘界面，更具有人性化。當系統(tǒng)正常工作時， P1 口的 8 個發(fā)光二極管（除了 ）全部點亮；當進入時間調整的時候， P1 口的 8 個發(fā)光二極管只有高四位點亮，且蜂鳴器發(fā)出兩聲急促響聲，此時即可 開始調時；調時完畢后，蜂鳴器再次發(fā)出兩聲急促的響聲，然后 8 位發(fā)光二極管回到正常工作時的點亮狀態(tài)。發(fā)光二極管電路中采用共陽法，即當單片機 I/O 口輸出低電平時，發(fā)光二極管亮；在蜂鳴器電路中，采用了 PNP 三極管 9012 來驅動，當單片機該端口輸出低電平時，蜂鳴器發(fā)出響聲，其電路圖如下圖 36，圖 37： 圖 37 P1 口二極管發(fā)光電路 圖 38 蜂鳴器電路 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 鍵盤電路的設計 如何以最少的器件、最小的功耗、最省的花費實現鍵盤功能，是人機接口設計的關鍵。 可選擇的方案有以下兩種： 方案一：采用行列式鍵盤方式輸入。用較少的 I/O 口就能夠連接很多按鍵，適宜于硬件資源緊張的情況。 方案二：采用獨立按鍵方式輸入。該方式的優(yōu)點是在軟件上對按鍵輸入的處理比較簡單、方便；在硬件上占用的 I/O 口數比較多。 由于本設計中所需 I/O 口不是很多，且 I/O 資源很充裕因此選擇了方案二。 本模塊電路占用了單片機的 ~ 四個 I/O 口，主要是完成時鐘調整功能，單片機系統(tǒng)初始化后， I/O 端口輸出高電平，由于按鍵的另一端都接公共地，因此可根據這幾個 I/O 口是否為低電平 中可檢測是否有按鍵按下，是哪個鍵被按下，然后轉向該按鍵所指向的功能。其電路圖如下圖 39 所示： 圖 39 單片機與按鍵的接口電路 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)主程序設計 超聲波測距系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計，主要包括主程序設計、 T1 中斷服務子程序、 INT0 外部中斷服務子程序、測溫子程序、距離計算子程序、顯示子程序、延時子程序和報警子程序設計等。 系統(tǒng)軟件編制時應考慮相關硬件的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設定定時 器 T0 工作模式為 16 位的定時計數器模式，置位總中斷允許位 EA，并給西安市端口清零，然后調用超聲波發(fā)生子程序發(fā)出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 （這也是測距器會有一個最小可測距離的原因）后，再打開外部中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用 12MHz 的晶振，機器周期為 1us，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器 T0 中的數（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可得到被測物體與測距儀之間的距離，當然，我們計算的時候還要考慮溫度對聲速的影響。 測出距 離后結果將以十進制 BCD 碼方式 LED，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。主程序框圖如下： 圖 41 主程序框圖 開始 系統(tǒng)初始化 溫度檢測子程序 測距子程序 結合溫度計算結果 顯示 結束 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 主程序流程圖： 圖 42 主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 位置回波接收標志位 發(fā)射超聲波脈沖開定時器 延時 開外部中斷 計算距離 顯示 回波標志位是否為 1 Y N 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 系統(tǒng)中斷程序設計 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送 2 個左右的超聲波信號頻率約 40KHz 的方波，脈沖寬度為 12us 左右，同時把計數器 T0 打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回 超聲波信號（ INT0 引腳出現低電平 )，立即進入中斷程序 [11]。進入該中斷后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 0 以表示此次測距不成功。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取，距離計算，結果的輸出等工作。 圖 43 定時中斷服務子程序 定時中斷入口 定時器初始化 發(fā)射超聲波 停止發(fā)射 返回 三方發(fā)射完否 Y N 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 超聲波測距子程序設計 超聲波發(fā)射 子程序在 口產生 40kHZ 方波脈沖寬度約 12us，作為超聲波發(fā)射器的輸出信號。一旦接收到超聲波返回信號后，就立即進入中斷程序。進入中斷程序后就立即關閉定時器， T0 停止計時，并將接收到的標志位為 1,，然后在主函數里調用計算距離公式，在顯示出來，流程圖如圖 44 所示。 圖 44 超聲波測距流程圖 開始 發(fā)生超聲波 停止發(fā)射，啟動計數器開始計數 外部 0 是否有中斷 計數器停止 計算檢測結果 結束 Y N 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 超聲波溫度補償子程序設計 溫度補償流程圖如圖 45 所示。 圖 45 溫度補償流程圖 開始 啟動溫度檢測電路 得出 對應的溫度值 返回 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 的設計 第 5 章系統(tǒng)電路調試及誤差分析 系統(tǒng)電路的調試 通過多次的實驗，對電路各部分進行了測量，調試和分析。首先測量發(fā)射電路對信號放大的倍數，先用信號源給發(fā)射電路輸入端一個 40kHz 真的方波信號，峰峰值為 。經過發(fā)射電路后，其信號峰峰值放大到 10V 左右。 40kHz 的方波驅動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經反射后由超聲波接收頭接收到 40kHz 的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形復制較低，經接收電路放大，整形，最后輸出一負跳變，在單片機的外部中斷源輸入端產生一個中斷 請求信號。 該測距電路的 40kHz 方波由單片機的編程產生，方波的周期為 1/40ms，即25μs，半周期為 。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產生半周期為 12μs或 13μs 的方波信號，頻率分別為 和 。 超聲波測距儀的制作和調試，其中超聲波發(fā)射和接收采用 Φ15 的超聲波換能器 TCT4010F1（ T 發(fā)射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用 金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容 C4 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調試好后，便可將單片機試運行 [15]。根據實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測的范圍為小于 6m，測距儀最大誤差不超過 1cm。系統(tǒng)調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。 系統(tǒng)的誤差分析 聲速引起的誤差 聲波是媒質中傳播的質點的位置、壓強和密度對相應靜止值的擾動。高于20kHz時的機械波稱為超聲波，媒質包括氣體，液體和固體。流體