【正文】 和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。下面就各模塊方案的選擇進(jìn)行比較分析。綜合各方面的因素考慮，充分利用單片機(jī)的內(nèi)部資源，本設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的方法，即用單片機(jī)編程產(chǎn)生 40KHz 的方波信號(hào)，利用反相器來(lái)提高超聲波發(fā)射強(qiáng)度的發(fā)射電路模塊。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。按照上面所討論的原理，單片機(jī)需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。綜合各方面的因素考慮，本設(shè)計(jì)采用的紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片 CX20226A 來(lái)實(shí)現(xiàn)。但前者應(yīng)用時(shí)成本較高，且需要用到單片機(jī)的接口較多，而后者使用成本較超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路檢波電路定時(shí)器 單片機(jī) 控制LED 數(shù)碼管顯示器語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)低，符合本設(shè)計(jì)的要求，所以在設(shè)計(jì)時(shí)我使用的是 LED 數(shù)碼管顯示，在降低成本的情況下也可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)結(jié)果的要求。ISD4000 系列語(yǔ)音芯片有ISD400ISD400ISD4004 這三個(gè)系列，共 16 種型號(hào)，不同型號(hào)的引腳功能和應(yīng)用電路相同，只是錄音時(shí)間等參數(shù)有些差異。ISD4000 系列語(yǔ)音芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)。取樣頻率可為、取樣頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，而音質(zhì)有所下降，片內(nèi)信息存于閃存中，可在斷電情況下保存 100 年（典型值） ，可反復(fù)錄音 10 萬(wàn)次。 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇合適的系統(tǒng)核心器件就成為能否成功完成設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵，而作為控制系統(tǒng)核心的單片機(jī)的選擇更是重中之重。選擇好合適的單片機(jī)可以最大地簡(jiǎn)化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，而且功能優(yōu)異，可靠性好，成本低廉，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。一般來(lái)說(shuō)，選擇單片機(jī)需要考慮以下幾個(gè)方面：（1）單片機(jī)的基本性能參數(shù)。（2）單片機(jī)的增強(qiáng)功能。（3）單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。（4）芯片的封裝形式。（5）芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)、軍工級(jí)還是商業(yè)級(jí)。（6）芯片的功耗。（7）供貨渠道是否暢通、價(jià)格是否低廉。包括芯片手冊(cè)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序等。綜合各方面因素的考慮，本設(shè)計(jì)使用的系統(tǒng)核心器件為 AT89S51 單片機(jī)。執(zhí)行指令又是取指令和執(zhí)行指令的周而復(fù)始的過(guò)程。此外，AT89S51 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。如圖 所示，本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位。 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路原理圖如下圖 所示，發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)能力。74LS04 芯片資料介紹：(1).74LS04 主要電特性的典型值：Tplh=9ns, Tphl=10ns , Pd=12mW (2).引出端符號(hào)： 1A—6A 輸入端 1Y—6Y 輸出端(3).邏輯圖：圖 雙列直插封裝 超聲波檢測(cè)接收電路設(shè)計(jì)超聲波檢測(cè)接收電路采用的是一款 CX20226A 的集成電路作為接收的芯片，它是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片。下面對(duì)紅外遙控接收器集成電路 CX20226A 做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。CX20226A 的基本性能如下：(1）電源電壓典型值 5V，最大 17V。(3）輸出低電平 。(5）輸入阻抗為 27kΩ。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 所示?；驹砣缦拢航邮論Q能器把超聲波回波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的數(shù)字編碼脈沖調(diào)幅波，并由 1 腳進(jìn)入集成放大器的正相輸入端。在放大器輸入端設(shè)置有 ABLC 電路（即自動(dòng)偏壓電路或者自動(dòng)電平控制電路，它可使放大及限幅電路輸出電平穩(wěn)定的編碼信號(hào)） ，可自動(dòng)調(diào)整放大器的偏置電壓，使放大器的輸出電平穩(wěn)定。信號(hào)再進(jìn)入帶通濾波器，濾除頻率范圍 3050KHZ以外的干擾信號(hào)。調(diào)節(jié)其阻值可調(diào)節(jié)帶通濾波器的中心頻率值。檢波出的信號(hào)再送到整形電路中進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換與整形，最后由 7 腳輸出數(shù)字編碼脈沖信號(hào)，送至 CPU 去識(shí)別，處理。而由檢波器輸出的數(shù)據(jù)編碼信號(hào)，CPU 不能識(shí)別，故在檢波器后設(shè)置由積分電路和磁滯回線型比較器組成的整形電路，整形電路是一種波形變換電路，它可將檢波器輸出的寬度編碼脈沖整形變換為 CPU 所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)以上原理，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的超聲波檢測(cè)接收電路設(shè)計(jì)如下圖 所示：圖 超聲波檢測(cè)接收電路設(shè)計(jì)由圖 所示，超聲波接收換能器將接收到的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò) 的電容初步濾波后，進(jìn)入 CX20226A 的 1 腳，經(jīng)過(guò) CX20226A 的前置放大器，限幅放大，帶通濾波器（中心頻率為 40KHZ） ，檢波器及比較器，最后經(jīng)過(guò)內(nèi)部的整形電路，從 7 腳輸出至 89C51 單片機(jī)的外部中斷 0（）口。表 331 CX20226A 引腳功能引腳名稱(chēng) 功能1 IN 信號(hào)輸入端2 C1 RC 網(wǎng)絡(luò)連接端，該端與地串接一 RC 網(wǎng)絡(luò)，以確定前置放大器的頻率特性與增益。3 C2 檢波電容連接端，該端與地接檢波電容，電容量大，則為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容值小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動(dòng)大。6 C3 積分電容連接端，該腳所接積分電容標(biāo)準(zhǔn)值為 330PF，當(dāng)電容值增大時(shí)，則外部濾波干擾增強(qiáng)，而且輸出脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增加。LED 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)如圖（圖 ）：圖 LED 數(shù)碼管顯示電路 由圖 所示,74LS244 芯片在這里的功能是輸出數(shù)據(jù)。里面的電阻起到分壓和限流的作用，從而起到保護(hù)數(shù)碼管壽命的作用。PNP 三極管 9012 資料介紹：9012 是一種最常用的普通三極管。主要用途：開(kāi)關(guān)應(yīng)用和射頻放大。74LS244 芯片資料介紹：74LS244（圖 ）是三態(tài)輸出的八緩沖器，由 2 組、每組四路輸入、輸出構(gòu)成。74LS244 內(nèi)部共有兩個(gè)四位三態(tài)緩沖器，分別以 作為它們的選通工作信號(hào)。74LS244 是不帶鎖存的，如果輸入設(shè)備提供的數(shù)據(jù)時(shí)間比較短，就要用帶鎖存的芯片進(jìn)行擴(kuò)展。ISD400304M 語(yǔ)音芯片與AT89S51 單片機(jī)接口電路如圖（圖 ）所示。單片機(jī)的 接 ISD400304M 的片選引腳 SS，控制 ISD400304M 是否選通； 接ISD400304M 的串行輸入引腳 MOSI，從該引腳讀入放音的地址； 接 ISD400304M的串行輸出引腳 MISO； 接 ISD400304M 的串行時(shí)鐘引腳 SLCK； 接撥動(dòng) S2 開(kāi)關(guān)，用于選擇錄音或者放音； 接按鈕 S3，用來(lái)對(duì) ISD400304M 開(kāi)始工作； 接按鈕 S4，按下時(shí) ISD400304M 進(jìn)行復(fù)位；(INT1)接 ISD400304M 的中斷引腳INT。此外，由于 ISD400304M 的工作電壓為 3 V，而單片機(jī)所需供電電壓為 5 V，因此需要采用LM317 變壓電路得到 3 V 電壓供 ISD400304M 使用。SPI 協(xié)議是一個(gè)同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,協(xié)議假定微控制器的 SPI 移位寄存器在 SCLK 的下降沿動(dòng)作,因此對(duì) ISD4003 而言,在時(shí)鐘止升沿鎖存 MOSI 引腳的數(shù)據(jù),在下降沿將數(shù)據(jù)送至 MISO 引腳。2 SS 在傳輸期間必須保持為低電平 ,在兩條指令之間則保持為高電平。4 SS 變低,輸入指令和地址后 ,ISD 才能開(kāi)始錄放操作。6 ISD 的任何操作(含快進(jìn))如果遇到 EOM 或 OVF,則產(chǎn)生一個(gè)中斷,該中斷狀態(tài)在下一個(gè) SPI 周期開(kāi)始時(shí)被清除。因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當(dāng)前進(jìn)行的操作兼容。8 所有操作在運(yùn)行位(RUN)置 1 時(shí)開(kāi)始,置 0 時(shí)結(jié)束。上電順序：器件延時(shí) TPUD(8kHz 采樣時(shí),約為 25 毫秒)后才能開(kāi)始操作。例如：從 00 從處發(fā)音,應(yīng)遵循如下時(shí)序：1 發(fā) POWER Up 命令。3 發(fā)地址值為 00 的 SETPLAY 命令。器件會(huì)從此 00 地址開(kāi)始放音,當(dāng)出現(xiàn) EOM 時(shí),立即中斷 ,停止放音。2 等待 TPUD(上電延時(shí))。4 等待 2 倍 TPUD。6 發(fā) REC 命令。表 指令表：指令 5 位控制碼11 位地址 操作摘要POWERUP 00100XXXXXXXXXXX 上電:等待 TPUD 后器件可以工作SET PLAY 11100 A10A0 從指定地址開(kāi)始放音。必須后跟 REC 指令錄音繼續(xù)REC 10110XXXXXXXXXXX 從當(dāng)前地址開(kāi)始錄音 (直至 OVF 或停止)SET MC 11101A10 A0 從指定地址開(kāi)始快進(jìn)。我國(guó)和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類(lèi)產(chǎn)品可供選用，是使用極為廣泛的一類(lèi)串聯(lián)集成穩(wěn)壓器。它的使用非常簡(jiǎn)單，僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。LM386 資料介紹：LM386 是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。由于 C 語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，由于超聲波測(cè)距程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)） ，有要求精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)間） 。 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)右圖 示意了超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就會(huì)被超聲波接收器 R 接收到。該距離的計(jì)算公式如右圖中顯示。L為超聲波發(fā)生器與反射物之間的距離。圖 超聲波測(cè)距的原理在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。其部分源程序如下： 。啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T0，用以計(jì)算超聲來(lái)回時(shí)間 SETB TR1 。T1 中斷，發(fā)超聲波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 。 MOV R4,04H lcall delay_250 。開(kāi)啟接收回波中斷RETIOUT: RETI。關(guān)計(jì)數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA 。 MOV 44H,TL0 。 SETB 00H 。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約 （這也就是超聲波測(cè)距會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后才打開(kāi)外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃時(shí)的聲速為 340m/s，則有L＝ｖΔｔ／２ =(170*T/1000)………………………………（421）其中：T 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值。軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)以及功能子程序，如圖（）、（）、() （） 所示。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成超聲波的發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序和功能子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出以及語(yǔ)音報(bào)警功能等工作。車(chē)距的實(shí)時(shí)檢測(cè)與提示系統(tǒng)工作過(guò)程如下：（1） 由單片機(jī)通過(guò) 產(chǎn)生 40KHZ 脈沖信號(hào)。（3） 單片機(jī)在發(fā)送脈沖時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)。（5） 讀取 T0 口計(jì)數(shù)值。（7） LED 顯示與語(yǔ)音報(bào)警。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以必須采用匯編語(yǔ)言編程。進(jìn)入該中斷后，就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0，停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。 LED 顯示與語(yǔ)音報(bào)警電路程序設(shè)計(jì)LED 顯示電路的程序設(shè)計(jì)是最簡(jiǎn)單的，只要把計(jì)算出來(lái)的距離轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的數(shù)，然后按高位到低位的順次顯示出來(lái)就可以了。下面為語(yǔ)音報(bào)警電路的程序設(shè)計(jì)過(guò)程。本設(shè)計(jì)所采用的語(yǔ)音芯片為ISD400304M，錄音時(shí)間為最多為 4 分鐘，最大段數(shù)為 1200 段。其他段錄音的存儲(chǔ)空間依此類(lèi)推。錄音程序見(jiàn)附錄。而在有可靠的電路原理圖之后，我需要再做的就是將電路原理圖變成一個(gè)硬件，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。但是在使用萬(wàn)能板時(shí)有許多的不便之處，比如說(shuō)在焊接的過(guò)程中需要跳線，而板子本身也不夠美觀，好看。 PCB 圖的生成與電路板的制作由前面一節(jié)我提到在 PROTEL 里繪制的原理圖，如果要生成制作電路板所用的 PCB圖的話(huà)，首先要確認(rèn)我們前面畫(huà)的電路原理圖的正確性，確定每個(gè)元器件的連線都連接上，所以在生成 PCB 之前我們要對(duì)每個(gè)元器件進(jìn)行封裝，封裝庫(kù)沒(méi)有的元器件要自己做一個(gè)。然后是進(jìn)行元器件的電氣檢測(cè)，檢測(cè)沒(méi)有錯(cuò)誤的話(huà)會(huì)顯示沒(méi)有錯(cuò)誤，如果錯(cuò)誤，連線沒(méi)有連上等等都會(huì)在原理圖中只指示出來(lái)。之后就可以在 Design 設(shè)計(jì)里更新 PCB，只要沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤就可以生成 PCB 圖。完成了 PCB 的布線后，將做好的 PCB 進(jìn)行打印出來(lái)，打它貼在銅板上，就是電路板的印制，之后就用三氯化鐵來(lái)腐蝕板子，留下的就是電路部分。分別為超聲波發(fā)射與接收模塊板、LED 數(shù)碼管顯示模塊板、單片機(jī)最小系統(tǒng)以及語(yǔ)音報(bào)警功能模塊板。超聲波發(fā)射與接收模塊板 PCB 原理圖：圖 超聲波發(fā)射與接收電路 PCB 圖LED 數(shù)碼管顯示模塊板 PCB 原理圖：圖 LED 數(shù)碼管顯示電路 PCB 圖單片機(jī)最小系統(tǒng)以及語(yǔ)音報(bào)警功能模塊板原理圖：圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)以及語(yǔ)音報(bào)警功能電路 PCB 圖6 調(diào)試與性能分析由于本設(shè)計(jì)涉及的模塊比較多，包括了超聲波測(cè)距模塊，單片機(jī)模塊，顯示報(bào)警，所以調(diào)試