無線超聲波測距儀

1、無線超聲波測距儀摘要：本文介紹一種基于兩片AT89S52單片機(jī)作為主控單元的超聲波測距系統(tǒng)，主AT89S52通過測量輸出脈沖寬度(即發(fā)射與接收超聲波的時間間隔)從而計(jì)算距障礙物的距離，并將計(jì)算的距離以無線方式發(fā)送給從單片機(jī)，從單片機(jī)通過無線方式接收到距離數(shù)據(jù)，通過LCD以及PM5020語音芯片實(shí)時顯示并且讀出所測的距離，同時，該系統(tǒng)采用DS18B20實(shí)時采集環(huán)境溫度，來修正超聲波的傳輸速度因溫度變化所發(fā)生的變化。這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。 關(guān)鍵詞 單片機(jī) 超聲波 測距 語音功能 顯示功能

2、 溫度傳感器Wireless ultrasonic rangefinderAbstract: This paper describes a microcontroller AT89S52 based on two main control unit as the ultrasonic ranging system, the main AT89S52 by measuring the output pulse width (ie, transmit and receive ultrasonic time interval) in order to estimate the distance fr

3、om the obstacles, and calculation Distance from wirelessly sent to the microcontroller from the microcontroller wirelessly receive distance data, through the LCD and the PM5020 voice chip, real-time display and read out the measured distance at the same time, the system uses real-time collection DS1

4、8B20 ambient temperature, to fix the transmission of ultrasound velocity changes due to temperature changes.The system hardware and software design is reasonable, anti-interference ability, good real-time, after the system expansion and upgrades, can effectively solve the car parking, construction s

5、ites, as well as the location of a number of industrial on-site monitoring.Key words :SCM Ultrasonic Ranging voice display temperature sensor39目錄第一章 緒論111選題背景11.2 超聲波測距技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r113 現(xiàn)階段幾種常用的超聲波發(fā)生方法2本章小結(jié):2第二章 方案論證32.1 超聲波測距系統(tǒng)的基本組成32.2 超聲波測距系統(tǒng)工作原理32.3 實(shí)現(xiàn)功能及控制系統(tǒng)方案的確定4本章小結(jié)：5第三章 硬件電路設(shè)計(jì)63.1 超聲波發(fā)射電路及驅(qū)動63.

6、2 超聲波檢測接收電路73.3 測溫電路的設(shè)計(jì)83.4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.4.1 CPU的介紹93.4.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)133.4.3 時鐘電路設(shè)計(jì)143.4.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)143.4.5 看門狗的設(shè)計(jì)153.5 LCD顯示電路的設(shè)計(jì)173.6 無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)223.7 語音模塊的設(shè)計(jì)233.8 電源的設(shè)計(jì)26本章小結(jié)：27第四章 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)284.1 軟件設(shè)計(jì)284.2子程序流程圖294.2.1無線發(fā)射流程圖304.2.2無線接收流程圖314.2.3測溫模塊流程圖324.2.4液晶顯示流程圖33本章小結(jié)34參考文獻(xiàn)35附錄136附錄237第一章 緒論11選題背景傳感器技術(shù)

7、是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，超聲波測距作為一種典型的非接觸測量方法，在很多場合，諸如工業(yè)自動控制,建筑工程測量和機(jī)器人視覺識別等方面得到廣泛的應(yīng)用。和其他方法相比，如激光測距、微波測距等,由于聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無線電波的傳播速度,對于時間測量精度的要求遠(yuǎn)小于激光測距、微波測距等系統(tǒng)，因而超聲波測距系統(tǒng)電路易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單和造價(jià)低,且超聲波在傳播過程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影

8、響，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且測量精度較高。超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。對本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對單片機(jī)的理解和應(yīng)用。1.2 超聲波測距技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r隨著技術(shù)的發(fā)展，在短短幾十年中，超聲波技術(shù)得到迅猛發(fā)展，超聲波測距相對其他測距技術(shù)而言成本低廉,測量精度較高,不受環(huán)境的限制,所以應(yīng)用十分廣泛，將它與紅外、灰度傳感器等結(jié)

9、合共同實(shí)現(xiàn)繞障、自動尋線、測距等功能。超聲波是一種頻率在20KHz以上的機(jī)械波，在空氣中的傳播速度約為340 ms(20C時)。超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測量。它主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測距儀、物位測量儀、移動機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時控制，在測量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本課題的研究是非常有實(shí)用和有商業(yè)價(jià)值的。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，

10、如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時控制，然而超聲波測距在實(shí)際應(yīng)用也有很多局限性，這都影響了超聲波測距的精度。一是超聲波在空氣中衰減極大，由于測量距離的不同，造成回波信號的起伏,使回波到達(dá)時間的測量產(chǎn)生較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過程中被極大地展寬，影響了測距的分辨率，尤其是對近距離的測量造成較大的影響。其他還有一些因素，諸如環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會對測量造成一定的影響，這些因素都限制了超聲波測距在一些對測量精度要求較高的場合的應(yīng)用，如何解決這些問題,提高超聲波測距的精度，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的

11、要求，因此在移動機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動機(jī)器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。超聲波測距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運(yùn)動距離信息。13 現(xiàn)階段幾種常用的超聲波發(fā)生方法為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)

12、生器。本章小結(jié): 超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。第二章 方案論證2.1 超聲波測距系統(tǒng)的基本組成本系統(tǒng)采用兩片AT89S52單片機(jī)作為主控單元，主AT89S52通過測量輸出脈沖寬度(即發(fā)射與接收超聲波的時間間隔)結(jié)合環(huán)境溫度來計(jì)算距障礙物的距離，并將計(jì)算的距離以無線方式發(fā)送給從單片機(jī)，從單片機(jī)通過無線方式接收到距離數(shù)據(jù)，通過LCD和語音電路實(shí)時顯示和播報(bào)測量結(jié)果。其結(jié)構(gòu)如圖1所示圖 1超聲波測距系統(tǒng)框圖2.2 超聲

13、波測距系統(tǒng)工作原理人能聽到的聲音頻率為: 20Hz20kHz, 即為可聽聲波, 超出此頻率范圍的聲音, 即20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波, 20kHz 以上的聲音稱為超聲波。超聲波是一種只有少數(shù)生物( 如蝙蝠、海豚) 才能感覺的機(jī)械波, 其頻率在20kHz 以上, 波長短, 繞射小、能定向傳播。超聲波為直線傳播方式, 頻率越高, 繞射能力越弱, 但反射能力越強(qiáng)。為此, 利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理

14、是一樣的。測距的公式表示為：L=C T式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T 為測量距離傳播的時間差(T 為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。根據(jù)超聲波測距公式L=C T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和

15、測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差當(dāng)要求測距誤差小于1mm 時，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907ms。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm 的誤差。使用的12MHz 晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時器能方便的計(jì)數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89C51 定時器能保證時間誤差在1mm 的測量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著

16、密切的關(guān)系，如表1 所示。已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：溫度C-30-20-100102030100聲速m/s313319325332338344350388 表1 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系表2.3 實(shí)現(xiàn)功能及控制系統(tǒng)方案的確定本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）測量距離：0.01m6.00m，測距精度：0.3cm； （2）具有溫度補(bǔ)償功能；（3）具有測量距離數(shù)值和環(huán)境溫度的無線傳輸功能；（4）實(shí)時顯示測量的距離，精確度為0.001 m；（5）實(shí)時測量環(huán)境的溫度；（6）漢字提醒顯示：當(dāng)超聲波測距模塊沒開啟時顯示“請打開測距模塊！”，當(dāng)測距進(jìn)行時顯示“超聲波測距中！”，距離在0.00m1.00m，顯

17、示“危險(xiǎn)”并用紅色LED燈指示；距離在1.00m2.00m，顯示阿“保持”并用黃色LED燈指示；距離在2.0m以上，顯示“安全”并用綠色LED燈指示。（7）具有實(shí)時語音播報(bào)功能，實(shí)時播報(bào)測量距離數(shù)值，實(shí)時播報(bào)聲音清晰明亮、無失真，在5m距離處人耳能準(zhǔn)確分辨。語音播報(bào)與顯示同步。 系統(tǒng)方案確定：我們知道，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到日常使用的要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的

18、壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)液晶顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完成本章小結(jié)：本章主要介紹了超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，主要以AT89S52單片機(jī)為核心，并配有溫度傳感器，超聲波傳感器，語音電路，顯示等控制電路組成，能夠根據(jù)需求測得障礙物的實(shí)時距離。第三章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件部分主要由分為單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路、無線收發(fā)模塊、語音模塊、LCD模塊、測溫模塊等部分組成。3.1 超聲波發(fā)射電路及驅(qū)動超聲波發(fā)射電路主要由超聲波換能器和反向器74LS04構(gòu)成，單片機(jī)P1.2端口輸出的

19、40KHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R1、R2一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其振蕩的時間，提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力；另一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力。超聲波發(fā)射原理圖如圖3所示。 圖表 2超聲波發(fā)射電路原理圖超聲波換能器，要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一種作用距離大、頻帶寬的超聲波換能器。它由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymba

20、l陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成，Cymbal陣列接收器由816只Cymbal換能器、兩個金屬圓環(huán)和橡膠墊圈組成。壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超聲波換能器，由它發(fā)射和接收超聲波信號；Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器之上，作為超聲波接收器，用于接收圓盤換能器頻帶之外的多普勒回波信號。本發(fā)明的作用距離大于35m，頻帶寬度達(dá)到10kHz，能檢測高速移動的遠(yuǎn)距離目標(biāo)。超聲波換能器，包括外殼、匹配層即聲窗、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜，其特征在于它還包括Cymbal陣列接收器，它由引出電纜、816只Cymbal換能器、金屬圓環(huán)和橡膠墊圈組成；C

21、ymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器3之上；壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超聲波換能器，由它發(fā)射和接收超聲波信號；Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器之上，作為超聲波接收器，用于接收圓盤換能器頻帶之外的多普勒回波信號。3.2 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)的紅外接收器。因?yàn)榧t外遙控常用的載波頻率38KHz與測距的超聲波頻率40KHz比較接近，所以本設(shè)計(jì)利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)證明，用CX20106A超聲波（無信號時輸出高電平）具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變電容C1的大小，可以改變接收電路的靈敏度

22、和抗干擾能力。圖表 3超聲波檢測接收電路CX20106A的引腳注釋：引腳號說明1超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k 2 該腳與GND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R或減小C，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C的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=4.7，C=3.3F。3該腳與GND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3.3F4接地端5該腳

23、與電源端VCC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=200k時，fn42kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz6該腳與GND之間接入一個積分電容，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遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降8電源正極，4.5V5V3.3 測溫電路的設(shè)計(jì)由于超聲波波速V與溫度有關(guān)，不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系： V=331.4+0.61T通過上式可知，溫度對聲速的影響較

24、大，若不采取補(bǔ)償措施，將會帶來較大的測量誤差，為了提高系統(tǒng)的測量精度，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來采集溫度，不需要進(jìn)行模數(shù)換，DS18B20數(shù)字溫度計(jì)提供9位(二進(jìn)制) 溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入DSl8B20 或從DSl8B20送出，因此從主機(jī)CPU到DSl8B20僅需一條線(和地線)。DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。圖表 4 DS18B20與單片機(jī)的接口電路 DS18B20的特性 DS18B20可以程序設(shè)定9-12位的分辨率，精度0.5度?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率的設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲在EEPR

25、OM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性價(jià)比也非常出色！DS18B20新特點(diǎn)：使用電壓為3V-5V， 9-12位分辨率可調(diào)。3.4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.1 CPU的介紹AT89S52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合

26、在單個芯片中，ATMEL的AT89S52是一種高效微控制器，AT89S52單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖3.7所示。一、主要特性：(1) 與MCS-51 兼容；(2) 8K字節(jié)可編程閃爍存儲器；(3) 壽命：1000寫/擦循環(huán)；(4) 數(shù)據(jù)保留時間：10年；(5) 全靜態(tài)工作：0Hz-33Hz；(6) 三級程序存儲器鎖定；(7) 看門狗定時器；(8) 32可編程I/O線；(9) 三個16位定時器/計(jì)數(shù)器；(10) 8個中斷源；(11) 全雙工UART串行通道； (12) 低功耗的閑置和掉電模式；(13) 雙數(shù)據(jù)指針。二、管腳說明：圖表 5AT89S

27、52引腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下,P0具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳

28、由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能 P1.0 T2（定時器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL

29、邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗(yàn)時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P3 端口

30、寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收/輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表3-4所示：表3-4 P3口的一些特殊功能口口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0

31、外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0

32、。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)

33、部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。三、振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。四、芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”，且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低

34、到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。3.4.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需給MCS-51的復(fù)位引腳RST加上大于2個機(jī)器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就可使MCS-51復(fù)位。復(fù)位時，PC初始化為0000H，使MCS-51單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵使RST引腳為高電平使MC

35、S-51重新啟動。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。本設(shè)計(jì)采用按鍵電平復(fù)位電路。該復(fù)位電路是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)時鐘頻率選用6MHz時，C取22F，R2取200,R1取1k。圖表 6復(fù)位電路3.4.3 時鐘電路設(shè)計(jì)時鐘電路用于產(chǎn)生MCS-51單片機(jī)工作時所需要的時鐘控制信號。MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部電路在時鐘信號控制下，嚴(yán)格地按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。而時序所研究的是指令執(zhí)行中各個信號在時間上的關(guān)系。圖表 7 時鐘電路3.4.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可

36、以工作的系統(tǒng)。對52系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、按鍵輸入、顯示輸出等。用89S52單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)，只要將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路即可。圖表 8單片機(jī)最小系統(tǒng)3.4.5 看門狗的設(shè)計(jì)MCS-51的PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，可能會是程序陷入死循環(huán)。指令冗余和軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫死循環(huán)的困境，這時系統(tǒng)將完全癱瘓，如果操作人員在現(xiàn)場，可按下人工復(fù)位按鈕，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。但操作人員不可能一直監(jiān)視著系統(tǒng)，既使監(jiān)視著系統(tǒng)，也往往是在引起不良后果之后才進(jìn)行人工復(fù)位，為了能夠擺脫系統(tǒng)的死循環(huán)，并且不要人的監(jiān)視，引進(jìn)了看門狗技術(shù)?？撮T狗技術(shù)就是使用一

37、個計(jì)數(shù)器來不斷計(jì)數(shù)，監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行。若發(fā)現(xiàn)時間超過已知的循環(huán)設(shè)定時間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了死循環(huán)，這時計(jì)數(shù)器溢出，然后強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，在復(fù)位入口000H處安排一段出錯處理程序，使系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入正軌。另外，在單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時，有可能會發(fā)生電源掉電的意外情況，一些重要的數(shù)據(jù)可能丟失，這時要求系統(tǒng)首先檢測到電源的變化，然后通過切換電路把備用電池接入系統(tǒng)，以保護(hù)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。目前肯們夠電路和掉電保護(hù)電路，都已經(jīng)集成在一片微處理器監(jiān)控芯片中。因此，MCS-51只需擴(kuò)張一片未處理器監(jiān)控器芯片即可，并且能大大提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。本文用X25045芯片設(shè)計(jì)了一種新的看門狗電路，具有體積小

38、、占用I/O口線少和編程方便的特點(diǎn)X25045芯片簡介X25045是美國Xicor公司的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片。X25045引腳如圖9所示。圖表 9X25045引腳圖X25045硬件連接圖如圖10所示。X25045芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預(yù)置的時間內(nèi)若沒有總線活動，則X25045將從RESET輸出一個高電平信號，經(jīng)過微分電路C2、R3輸出一個正脈沖，使CPU

39、復(fù)位。圖2電路中，CPU的復(fù)位信號共有3個：上電復(fù)位(C1、R2)，人工復(fù)位(S、R1、R2)和Watchdog復(fù)位(C2、R3)，通過或門綜合后加到RESET端。C2、R3的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。圖表 10X25045看門狗電路硬件連接圖其引腳功能如下 CS：片選擇輸入；SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出；SI：串行輸入，數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入X25045；SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；WP：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時，寫操作被禁止；Vss：地；Vcc：電源電壓；RESET：復(fù)位輸出。3.5 LCD顯示電路

40、的設(shè)計(jì)液晶顯示模塊是12864點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式為了節(jié)省IO資源，采用了串行方案，利用三個IO口與單片機(jī)通信，系統(tǒng)使用的是帶中文字庫的12864液晶模塊，可以實(shí)現(xiàn)較好的界面顯示，易于人機(jī)交流。當(dāng)超聲波測距模塊沒開啟時在主界面的第一行顯示“請打開測距模塊！”，當(dāng)測距進(jìn)行時顯示“超聲波測距中！”；第二行顯示“測距情況：XX”當(dāng)距離在0.00m1.00m，顯示“危險(xiǎn)”并用紅色LED燈

41、指示；距離在1.00m2.00m，顯示“保持”并用黃色LED燈指示；距離在2.0m以上，顯示“安全”并用綠色LED燈指示。第三行顯示“距障礙物：X.XXXM”;第四行顯示“環(huán)境溫度：XX”。液晶顯示與單片機(jī)的接口電路如圖7所示。圖7液晶顯示與單片機(jī)的接口電路12864引腳說明：引腳名稱方向說明1VSSGND(0V)2VDD邏輯門電路電壓（+3.3V）3V0提供LCD電壓（懸空）4RS(CS)0H:數(shù)據(jù) L:指令碼5R/W(SID)0H:讀 L:寫6E(SCLK)0使能信號7DB01數(shù)據(jù)08DB11數(shù)據(jù)19DB21數(shù)據(jù)210DB31數(shù)據(jù)311DB41數(shù)據(jù)412DB51數(shù)據(jù)513DB61數(shù)據(jù)614

42、DB71數(shù)據(jù)715PSB0H:并行模式 L:串行模式16NC空腳17/RST0復(fù)位信號（低電平有效）18NC空腳19LEDA背光源負(fù)極（LED-0V）20LEDK背光源正級 (LED+5V)用戶指令集（1）指令表1（RE=0：基本指令集）指令 指令碼說明執(zhí)行時間RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0清楚顯示0000000001將DDRAM填滿“20H”，并且設(shè)定DDRAM的地址計(jì)數(shù)器（AC）到“00H”4.6ms 地址歸位000000001X設(shè)定DDRAM的地址計(jì)數(shù)器（AC）到“00H”，并且將游標(biāo)移到開頭原點(diǎn)位置；這個指令并不改變DDRAM的內(nèi)容4.6ms 進(jìn)入點(diǎn)設(shè)定000

43、00001I/DS指定在資料的讀取與寫入時，設(shè)定游標(biāo)移動方向及指定顯示的移位72us 顯示狀態(tài)開/關(guān)0000001DCBD=1：整體顯示ON C=1：游標(biāo)ON B=1：游標(biāo)位置ON 72us 游標(biāo)或顯示移位控制000001S/CR/LXX設(shè)定游標(biāo)的移動與顯示的移位控制位元；這個指令并不改變DDRAM的內(nèi)容72us 功能設(shè)定00001DLX0REXXDL=1 （必須設(shè)為1） RE=1： 擴(kuò)充指令集動作 RE=0： 基本指令集動作72us 設(shè)定CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0設(shè)定CGRAM地址到地址計(jì)數(shù)器（AC）72us 設(shè)定DDRAM地址001AC6AC5AC4AC3A

44、C2ACAC0設(shè)定DDRAM地址到地址計(jì)數(shù)器（AC）72us 讀取忙碌標(biāo)志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0讀取忙碌標(biāo)志可以確認(rèn)內(nèi)部動作是否完成，同時可以讀出地址計(jì)數(shù)器（AC）的值0us 寫資料到RAM10D7D6D5D4D3D2D1D0寫入資料到內(nèi)部的RAM72us 讀RAM的值11D7D6D5D4D3D2D1D0從內(nèi)部RAM讀取資料72us 具體指令介紹：1、 清除顯示CODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LLLLLLLLLH功能：清除顯示屏幕，把DDRAM位址計(jì)數(shù)器調(diào)整為“00H”2、 位址歸位CODE:RW RS DB

45、7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LLLLLLLLHX功能：把DDRAM位址計(jì)數(shù)器調(diào)整為“00H”，游標(biāo)回原點(diǎn)，該功能不影響顯示DDRAM3、 位址歸位CODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LLLLLLLLI/DS功能：把DDRAM位址計(jì)數(shù)器調(diào)整為“00H”，游標(biāo)回原點(diǎn)，該功能不影響顯示DDRAM功能：執(zhí)行該命令后，所設(shè)置的行將顯示在屏幕的第一行。顯示起始行是由Z地址計(jì)數(shù)器控制的，該命令自動將A0-A5位地址送入Z地址計(jì)數(shù)器，起始地址可以是0-63范圍內(nèi)任意一行。Z地址計(jì)數(shù)器具有循環(huán)計(jì)數(shù)功能，用于顯示行掃描同步，當(dāng)掃描完一行

46、后自動加一。4、 顯示狀態(tài) 開/關(guān)CODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LLLLLLHDCB功能： D=1；整體顯示ON C=1；游標(biāo)ON B=1；游標(biāo)位置ON5、 游標(biāo)或顯示移位控制CODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LLLLLHS/CR/LXX功能：設(shè)定游標(biāo)的移動與顯示的移位控制位：這個指令并不改變DDRAM的內(nèi)容6、 功能設(shè)定CODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LLLLHDLXO REXX功能：DL=1（必須設(shè)為1） RE=1；擴(kuò)充指令集動作 RE

47、=0：基本指令集動作7、 設(shè)定CGRAMCODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LLLHAC5AC4AC3AC2AC1ACO功能：設(shè)定CGRAM位址到位址計(jì)數(shù)器（AC）8、 設(shè)定DDRAM位址CODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LLHAC6AC5AC4AC3AC2AC1ACO功能：設(shè)定DDRAM位址到位址計(jì)數(shù)器（AC）9、 讀取忙碌狀態(tài)和位址CODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LHBFAC6AC5AC4AC3AC2AC1ACO功能：讀取忙碌狀態(tài)（BF）可以

48、確認(rèn)內(nèi)部動作是否完成，同時可以讀出位址計(jì)數(shù)器（AC）的值10、 寫資料到RAMCODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0HLD7D6D5D4D3D2D1DO功能：寫入資料到內(nèi)部的RAM（DDRAM/CGRAM/TRAM/GDRAM）11、 讀出RAM的值CODE:RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0HHD7D6D5D4D3D2D1DO功能：從內(nèi)部RAM讀取資料（DDRAM/CGRAM/TRAM/GDRAM）3.6 無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用了Nordic公司生產(chǎn)的無線射頻模塊nRF905。nRF905模塊是使用n

49、RF905芯片開發(fā)而成。無線發(fā)射電路的nRF905模塊與單片機(jī)的接口電路如圖10所示，無線接收電路的nRF905模塊與單片機(jī)的接口電路如圖11所示。圖表 11無線發(fā)射電路的nRF905模塊與單片機(jī)的接口電路圖表 12無線接收電路的nRF905模塊與單片機(jī)的接口電路管腳名稱管腳功能說明1VCC電源電源（+3DV）2TX_EN數(shù)字輸入TX_EN=1 TX模式；TX_EN=0 RX模式3TRX_CE數(shù)字輸入使能芯片發(fā)射或接受4PWR_UP數(shù)字輸入芯片上電5Uclk時鐘輸出有警惕震蕩器分頻的輸出時鐘6CD數(shù)字輸出載波檢測7AM數(shù)字輸出地址匹配8DR數(shù)字輸出接受或發(fā)射數(shù)據(jù)完成9MISOSPI接口SPI輸

50、出10MOSISPI接口SPI輸入11SCKSPI時鐘SPI時鐘12CSNSPI使能SPI使能13GND電源地（0V）14GND3.7 語音模塊的設(shè)計(jì)語音模塊具有實(shí)時語音播報(bào)功能，實(shí)時播報(bào)測量距離數(shù)值，格式：X.XXX m，實(shí)時播報(bào)聲音清晰明亮、無失真，在5m距離處人耳能準(zhǔn)確分辨。語音播報(bào)與顯示同步。本系統(tǒng)采用PM5020智能語音模塊，它有20S的多段語音播放功能。語音模塊與單片機(jī)的接口電路如圖9所示。單片機(jī)與PM5020采用了串行通訊方案，在該串行模式下，k1為數(shù)據(jù)端，k2為時鐘端，O1為忙信號端。時鐘上升沿時數(shù)據(jù)端有效。外部單片機(jī)直接送入要放音的段號數(shù)據(jù)，播放，結(jié)束時PM50的忙信號拉低，

51、在判斷一段語音結(jié)束時，外部單片機(jī)再送入下一段段號。圖表 13語音模塊與單片機(jī)的接口電路PM50系列智能語音芯片 PM50系列智能語音芯片是中青世紀(jì)科技公司2003年開發(fā)的智能語音產(chǎn)品，它既是語音播放電路，也是智能單片機(jī)，其音質(zhì)水平、加個都要略于知名的ISD電路，同時也有21KHZ高保真音質(zhì)。而其開發(fā)設(shè)計(jì)簡單度、智能控制的簡單度、整體性價(jià)比等指標(biāo)要遠(yuǎn)勝過ISD，而如果用量超過1-3萬片，可以原樣投產(chǎn)掩膜片，價(jià)格可降低50%。 該芯片由專用的語音單片機(jī)和FLASHRAM存儲器集合構(gòu)成，它既有13秒到100秒的多段語音播放功能，也有單片機(jī)可編程的智能特性，大規(guī)模復(fù)雜電路已經(jīng)縮微到只有COB28封裝（18*36mm）的印版上，可以方便的作為DIP28封裝的標(biāo)準(zhǔn)集成電路來使用。功能&特點(diǎn)（1） 可存儲聲音長度：13100秒（2） 寬范圍工作電壓：DC3-6V（3） 工作電流50Ma,靜態(tài)電流1uA （4） 直接驅(qū)動8歐姆0.5瓦德喇叭，PWM和DAC兩種音頻輸出模式（5） 寬范圍采樣頻率：4.8K-21KHz（6） 錄制的語音可分并行1-8段或串行128段（7） 自