【正文】 以運行的平臺，因此將它放在前面，先依據(jù)硬件的總體設計方案，完成各個單元電路的設計與實現(xiàn)，接下來再根據(jù)軟件模塊的總體方案設計程序流程，在硬件電路的基礎之上進行調(diào)試 。 硬件電路設計 硬件電路設計是進行軟件設計的基礎，是整個金屬探測器中最位重要的部分。本次設計的金屬探測器的框圖如圖 28所示，包括五大部分：線圈振蕩、信號放大、脈沖產(chǎn)生、中央處理和外圍設置顯示模塊。 軟件結(jié)構設計 1）前端程序結(jié)構設計 圖 29就是前端軟件的結(jié)構圖，從 圖中可以看出前端軟件的主要作用是，頻率測定、聲光報警和通訊。 圖 29 前端軟件設計結(jié)構圖 線 圈 振蕩電路 放 大 電 路 脈沖變換電路 CPU AT89C2051 CPU AT89S52 報警 液晶顯示 鍵盤 前端軟件 基 準 頻率測定 精 度 設置 頻 率檢 測 頻率比較 聲 光 報 警 通 訊 頻率測 定 比 較 13 2）外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序結(jié)構設計 引入外圍模塊的目的是借助于 PC機的強大資源或內(nèi)置有大容量編程存儲器的單片機進行數(shù)據(jù)分析與處理，從而加強和拓展金屬探測器的功能。外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的軟件結(jié)構圖如圖 210所示。以下是各功能模塊的軟件設計。好的軟件上在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下盡可能的友好，方便用戶的使用。它的程序量比較大，包括鍵盤的驅(qū)動和液晶的驅(qū)動，所以選擇模塊性比較強的 c語言進行 編寫，兩個模塊結(jié)合起來實現(xiàn)了一個更加方便、智能的數(shù)字金屬探測器。 1）頻率獲得 獲得頻率是通過定時器 T0和計數(shù)器 T1兩個協(xié)同工作而完成的。這對此次設計的手持式金屬探測器已經(jīng)足夠了，要想提高精度，一是延長獲得脈沖的時間，二是減小△ PRISE(它是頻率波動的范圍，如果超出此范圍則報警 )。其值的可靠性將影響整個程序的健壯性。 F_COMM：標志是否進行通訊； F_COMP：標志比較的結(jié)果； F_FR：標志基準頻率是否 成功獲得 F_FR：標志是否已經(jīng)順利獲得基準頻率。F_OK：標志通訊已建立。 F基準頻率。 4）精度設置模塊 精度設置模塊的程序流程圖如圖 44所示，精度設置是通過改變傳入給比較模塊的△ PRISEH，△ PRISEL的值來改變精度的，如果△ PRISEH，△ PRISEL的值設置的都比較大則對微小的頻率變化系統(tǒng)不會發(fā)出警報。用戶只需要調(diào)用封裝好的顯示函數(shù)： DisplayOneChar(顯示單個字符 )、 DisplayListChar(顯示一個字符串 )、 Displayarray(顯示一字符數(shù)組 )。這里 18 引入鍵盤的目的是， 1進行金屬探測精度的設置； 2在進行數(shù)據(jù)通訊時進行控制。為了防止抖動，在程序設計中采用了，一次鍵位判斷，兩次鍵位檢測的方法，每一步驟間隔 5ms，每次鍵位確定需要 15ms，在檢測與接受過程中每一步驟出現(xiàn)錯誤都將從新開始驗證，因此保證了對用戶輸入的無誤接受。 3）鍵盤處理模塊 鍵盤處理模塊在判斷是哪個鍵按下后，就立即引發(fā)相關的操作來滿足用戶的需求。精度設置部分程序流程圖如圖 46所示。完成每一個功能電路的設計后，設計階段才告以段落。 振蕩電路設計 振蕩電路部分采用的是電容三點式振蕩電路，設計的主旨是在保證產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的前提下，使頻率低于 300KHz， 這樣的目的是為了金屬探測器在進行工作時不受廣播頻段的影響。 圖 41 三點式震蕩電路 電路元器件參數(shù)是在滿足主旨的情況下進行選取的。其中電感值只是理論計算的理想值，實際中是用半徑 20圈直徑為 6cm的線圈而構成的，電感值接近 500uf但有一定范圍的偏差。共射極反饋放大電路中的晶體管選用放大倍數(shù)超過 50倍的 CS9014。 電容三點式振蕩電路的工作原理分析，假設將反饋回路斷開，同時假如晶體管的基極以 (+)極性信號，則 BJT的集電極為 ()極性 (共射極放大電路的反向放大特性 )，由于諧振回路的兩個電容的一端同時接地，另一端串一電感所以兩個電容的極性相反，即反饋端的為 (+)極性，因此滿足相位平衡條件。由于反饋電壓是從電容兩端去出的對高次諧波的阻抗小，因此可將高次諧波濾除，所以輸出的波形 好。電路的諧振頻率同時也影響著檢測金屬的精度，當諧振頻率高時線圈產(chǎn)生磁場的變化率也就越高，根據(jù)電磁感應原理在金屬內(nèi)部產(chǎn)生的渦流就越大，同是渦流產(chǎn)生磁場對原磁場的影響也就越大。電路原理圖如圖 42所示。電壓跟隨器和差分運放均選用 LM358。 圖 42 放大與脈沖轉(zhuǎn)換電路 放大部分的作用是對正弦交流信號進行無窮放大， LM358的反向端接受電壓跟隨器穿過來的電壓信號，同向端和反向端接一 5K的分壓電阻，給與同向端并聯(lián)的電阻并聯(lián)一個 10μf的電解電容的目的是為了使同向端保持一個穩(wěn)定的直流分壓，這樣送往集成運放的差分電壓信號就只是交流信號，在交流信號進行無窮倍的放大，最終產(chǎn)生的是頻率與正弦波頻率相同的梯形波。 22 0 0 整形波形 振蕩波形 使用 LS08進行波形變換的原理圖如圖 42所示，正弦波經(jīng)過圖 42的放大模塊后變?yōu)樘菪尾?，梯形波?jīng)過 74LS08（與門），最后變換為標準的方波，如圖 43所示。 圖 44 前端金屬探測部分單片機系統(tǒng) 1）復位電路 REST引腳一但變成兩個周期以上高電平所 有的 I/O口都將復位到 “1”狀態(tài)，編程地址計數(shù)器復位到 000H，針對這一特點在按鈕兩端并聯(lián)一 10μf的電解電容，正極接電源，這樣在按鈕按下又釋放后由于電容的充電可以在電阻兩端維持至少兩個時鐘周期以上的高電平。 3）單片機 23 單片機選用的是 AT89C2051高性能 CMOSE8位單片機，內(nèi)含 2K的可反復檫寫的FLASH只讀存儲器和 128B的隨機存儲器。 2051的“ 1”號記數(shù)器記錄由 LS08發(fā)送過來的脈沖信號，聯(lián)合“ 0”號計數(shù)器來檢測振蕩電路的頻率。 外圍設置與顯示系統(tǒng) 圖 45和圖 46是外圍設置與顯示系統(tǒng)，它有三部分構成：鍵盤輸入、液晶顯示和單片機系統(tǒng) 。該陣列鍵盤的工作原理是，將兩條行線和 3條列線接入 AT89S52的一組 I/O雙向接口 (比如： P1的低 5為 )，在程序中通過給行線和列線先后輸入，高電平低電平、低電平和高電平來判斷是哪個按鈕按下。再將 P1的低 5位置為 00111，由于第 2個按鈕被按下，則此時的管腳電壓為 00101，所以可以判斷是第 2列，到此就可以判斷是第 1行第 2列的按鈕被按下了。 圖 46 液晶顯示器接線圖 25 5 實現(xiàn)與性能分析 前面所有的準備都是為這一階段做準備，這一部分的內(nèi)容也將是最重要，最煩瑣，最能考驗人意志的。 其次，調(diào)試工作考驗人的細心與耐心，稍有不慎就可能燒毀器件，比如將單片機接反、電解電容接反、電源線接反、器件管腳焊接不對、電路板短路等等一系列由于不細心造成的后果。（這段可以寫在總結(jié)部分） 硬件電路焊接與調(diào)試 硬件電路的調(diào)試我分為四個階段：振蕩電路的焊接與調(diào)試、脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試、單片機處理系統(tǒng)的焊接與調(diào)試和外圍單片機系統(tǒng)的焊接與調(diào)試。 2）電感繞制 選用半徑為 的漆包線，繞成半徑為 3cm 的線圈，繞制 20 圈。 3）調(diào)試 所有的器件準備好并焊接在萬用 PCB 板上，按照電路圖 檢查各器件件的連接情況無誤后，進行上電調(diào)試。 4）出現(xiàn)的問題與解決方法 ① 可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波，頻率符合，但是幅值偏小。 ② 信號的直流分量不是一個固定的值而是在 ～ ，先從 ，再變?yōu)?。 26 放大電路與脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試 這一部分多為集成電路只需按照放大電路的要求進行連接連接就可以。 2）調(diào)試 振蕩電路產(chǎn)生的正弦波不能直接進行脈沖波的變換，因為它的幅值太小，所以必須經(jīng)過放大電路的放大。信號經(jīng)電壓跟隨器進入 LM358的反向端，同向端與反向端之 間接一 5K的電阻，而同向端則通過分壓器分得與反向端成固定比例的電壓。在加上在同向端并聯(lián)一 10μf的旁路電容，它可以短路交流信號，因此同向端可以保持一個固定的直流分量，而交流分量通過差分放大器進行無窮倍（實際 40萬倍左右）的放大。轉(zhuǎn)換為幅值為，在將其轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的脈沖波就相對容易了。將與門的一端接入 5V電源另一端接放大電路的輸出端。 3）出現(xiàn)的問題與解決方案 如果放大電路不是采用上面的接法，而是將同向端接一電阻接地或是從電源經(jīng)一分壓器得一固定的分壓，那么也可以產(chǎn)生梯形波不過它是不穩(wěn)定的，表現(xiàn)為波峰和波谷之間進行周期性的轉(zhuǎn)換，比如開始波峰占 2/3周期波谷占 1/3周期，過一會波峰占 1/3波谷占 2/3，最后到波峰消失，而后又回到初始狀態(tài)，這種現(xiàn)象對脈沖變換和最 后的頻率檢測都是不利的，更可怕的是會由于波形的不穩(wěn)定而造成意想不到的結(jié)果。 單片機系統(tǒng)的焊接與調(diào)試 單片機系統(tǒng)的焊接與調(diào)試往往是放在最后一個環(huán)節(jié)，這是由于單片機系統(tǒng)的作用是進行控制和數(shù)據(jù)的處理，因此在對它進行調(diào)試之前，被控制的功能電路必須已經(jīng)調(diào)試完畢，并能將信號發(fā)送給單片機供單片機進行分析判斷，最后將控制信號從 I/O口輸出。 2）調(diào)試 27 要使單片機系統(tǒng)進行工作，必須要有振蕩電路，以提供時鐘信號給單片機。這里用到的無論是前端探測的單片機系統(tǒng)還是外圍數(shù)據(jù)處理與顯示的單片機系統(tǒng)都選用 12MHz的石英晶振。 3） AT89C2051介紹 AT89C2051是 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高 CMOS8位單片機，片內(nèi)含有 2KB的可反復察寫的只讀程序存儲器和 128BYTES的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 15個 I/O口線，兩個 16位定時計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結(jié)構，一個全雙工串行通信口，內(nèi)置一個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼 續(xù)工作。器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 flash存儲單元。開始沒有注意這一點，直接將閃爍程序燒入單片機，發(fā)現(xiàn)燈一直亮但不閃爍 (復位后個管腳將置 4為高電平 )，開始還以為是延時的問題，但到后來延時已 設的很長還是沒有閃爍。該管腳要是接地的話執(zhí)行的是片外的程序。 2） AT89S52介紹 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52具有以下標準功能： 8K字節(jié) Flash，256字節(jié) RAM， 32位 I/O口線，看門狗定時器， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e模式 下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 3）調(diào)試 液晶和鍵盤的調(diào)試都是建立在單片機系統(tǒng)的基礎之上的，也就是說它們需要單片機執(zhí)行程序來進行控制。液晶顯示器的調(diào)試主要在于編寫的液晶驅(qū)動程序，因為不同的液晶顯示器它的控制時序和控制字是不同的，因此必須針對不同型號的液晶顯示器采用與之匹配的驅(qū)動程序。其次，液晶顯示器在沒有給它輸入正確的數(shù)據(jù)的時候，屏幕的一半是黑屏，這不能說液晶顯示器壞了，恰恰相反，它說明了液晶顯示器是好的你需要檢查你的程序。 鍵盤采用的是 2 3的按鍵陣列，鍵盤的調(diào)試，是在液晶調(diào)試完畢后，這樣可以借助于液晶來判斷鍵盤按下是否會有響應。另一種方法是軟件方法，就是在對鍵盤掃描采用一定的方法和延時來防止抖動。 4）出現(xiàn)的問題和解決方法 ① 在一開始調(diào)試液晶時發(fā)現(xiàn)液晶屏幕上即沒有顯示的 字符，也沒有出現(xiàn)半邊黑屏的現(xiàn)象，以為是接法不當將液晶顯示器給燒了，其實事實不是這樣，每個 1602的使用電路中都會要求配一個電位器，它是用來調(diào)整液晶的偏壓的，最后的結(jié)果是可以提高或降低液晶的對比度，必須選擇適當?shù)钠珘海驗槠珘哼^大就會出現(xiàn)剛才所說的現(xiàn)象，偏壓過小就會出現(xiàn)“鬼影現(xiàn)象”，兩個都不是我們所期望的。 ② 也是液晶問題，出現(xiàn)黑屏以后，發(fā)現(xiàn)無論送給液晶什么數(shù)據(jù)它都是黑屏，沒顯示任何字符串，最終決 定讓它只顯示一個字符，但是還是黑屏。因此總結(jié)出調(diào)試液晶時應該注意的問題，首先，若在在調(diào)試時液晶出現(xiàn)黑屏，那說明液晶顯示器是好的，你應檢查你的程序和電路，如果沒有出現(xiàn)黑屏，你應該調(diào)節(jié)電位器使偏壓減小以至有所顯示。另一個是保證向液晶傳入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)端口無誤。 軟件模塊的調(diào)試與集成 程序部分的調(diào)試采用的是從下到上逐步集成的思想，先將各個小的模塊驗證成功，在將它們集成為一個大的模塊進行驗證，最后到整個系統(tǒng)的集成調(diào)試。在進行調(diào)試時程序要不停的寫入單片機進行即時的驗證，所以必備燒寫程序的工具，這里使用的是 TOP2022 燒寫器和它的配套燒寫軟件。這一部分軟件的主要功能是頻率的檢測與報警。 1）頻率檢測 從示波器上可以看到振蕩的頻率大約為 33KHz，這里的頻率探測是以 50ms為一個單位，也就是 50ms內(nèi)計數(shù)器 1所記錄的脈沖數(shù)。在程序中將每次獲得的頻率值存到兩個內(nèi)存單元中，一個存高 8位，一個存 低 8位，使 30 用的時候