无线超声波测距仪

无线超声波测距仪 摘要:本文介绍一种基于两片AT89S52单片机作为主控单元的超声波测距系统，主AT89S52通过测量输出脉冲宽度(即发射与接收超声波的时间间隔)从而计算距障碍物的距离，并将计算的距离以无线方式发送给从单片机，从单片机通过无线方式接收到距离数据，通过LCD以及PM5020语音芯片实时显示并且读出所测的距离，同时，该系统采用DS18B20实时采集环境温度，来修正超声波的传输速度因温度变化所发生的变化。 这套系统软硬件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。 关键词 单片机 超声波 测距 语音功能 显示功能 温度传感器 I Wireless ultrasonic rangefinder Abstract: 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 from 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 DS18B20 ambient temperature, to fix the due to temperature changes. transmission of ultrasound velocity 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 sites, as well as the location of a number of industrial on-site monitoring. Key words :SCM Ultrasonic Ranging voice display temperature sensor II 目录 第一章 绪论 ........................................................................................ 1 1(1选题背景 ...................................................................................................... 1 1.2 超声波测距技术在国内外的发展状况 .......................................................... 1 1(3 现阶段几种常用的超声波发生方法 ........................................................... 2 本章小结: ............................................................................................................. 2 第二章 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证.................................................................................. 3 2.1 超声波测距系统的基本组成 .......................................................................... 3 2.2 超声波测距系统工作原理 .............................................................................. 3 2.3 实现功能及控制系统方案的确定 .................................................................. 4 本章小结: ........................................................................................................... 5 第三章 硬件电路设计 ........................................................................... 6 3.1 超声波发射电路及驱动.................................................................................. 6 3.2 超声波检测接收电路 ..................................................................................... 7 3.3 测温电路的设计 ............................................................................................. 8 3.4 单片机系统设计 ............................................................................................. 9 3.4.1 CPU的介绍 .............................................................................................. 9 3.4.2 复位电路的设计 .................................................................................... 13 3.4.3 时钟电路设计 ........................................................................................ 14 3.4.4 单片机最小系统设计 ............................................................................. 14 3.4.5 看门狗的设计 ........................................................................................ 15 3.5 LCD显示电路的设计 ................................................................................... 17 3.6 无线收发模块的设计 ................................................................................... 22 3.7 语音模块的设计 ........................................................................................... 23 3.8 电源的设计 ................................................................................................... 26 本章小结: ......................................................................................................... 27 第四章 单片机软件设计..................................................................... 28 I 4.1 软件设计 ....................................................................................................... 28 4.2子程序流程图 ............................................................................................... 29 4.2.1无线发射流程图 ..................................................................................... 30 4.2.2 ..................................................................................... 31 无线接收流程图 4.2.3 ..................................................................................... 32 测温模块流程图 4.2.4 ..................................................................................... 33 液晶显示流程图 本章小结 ............................................................................................................. 34 参考文献 ............................................................................................................. 35 附录1 .................................................................................................................. 36 附录2 .................................................................................................................. 37 II III 第一章 绪论 1(1选题背景 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制,建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。 和其他方法相比，如激光测距、微波测距等,由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度,对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低,且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。 利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如:液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.2 超声波测距技术在国内外的发展状况 随着技术的发展，在短短几十年中，超声波技术得到迅猛发展，超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,所以应用十分广泛，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波是一种频率在20KHz以上的机械波，在空气中的传播速度约为340 m,s(20?C时)。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如:距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。 1 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏,使回波到达时间的测量产生较大的误差;二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题,提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向)。超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。 1(3 现阶段几种常用的超声波发生方法 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 本章小结: 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 2 第二章 方案论证 2.1 超声波测距系统的基本组成 本系统采用两片AT89S52单片机作为主控单元，主AT89S52通过测量输出脉冲宽度(即发射与接收超声波的时间间隔)结合环境温度来计算距障碍物的距离，并将计算的距离以无线方式发送给从单片机，从单片机通过无线方式接收到距离数据，通过LCD和语音电路实时显示和播报测量结果。其结构如图1所示 超声波接受显示模块 AT89S5AT89S5 22超声波发送 语音模块 测温模块 无线发射模块无线接受模块 图 1超声波测距系统框图 2.2 超声波测距系统工作原理 人能听到的声音频率为: 20Hz~20kHz, 即为可听声波, 超出此频率范围的声音, 即20Hz 以下的声音称为低频声波, 20kHz 以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物( 如蝙蝠、海豚) 才能感觉的机械波, 其频率在20kHz 以上, 波长短, 绕射小、能定向传播。超声波为直线传播方式, 频率越高, 绕射能力越弱, 但反射能力越强。为此, 利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在 3 发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 表示为:L=C × T式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T 为测量距离传播的时间差(T 为发射到接收时间数值的一半)。 由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 根据超声波测距公式L=C × T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差当要求测距误差小于1mm 时，假设已知超声波速度C=344m/s (20?室温)，忽略声速的传播误差。测距误差,?t<(0.001/344) ?0.000002907s 即2.907,s。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm 的误差。使用的12MHz 晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51 定时器能保证时间误差在1mm 的测量范围内。超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与 温度有着密切的关系，如表1 所示。已知超声波速度与温度的关系如下: 温度C -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速m/s 313 319 325 332 338 344 350 388 表1 超声波的传播速度与温度关系表 2.3 实现功能及控制系统方案的确定 本系统可实现以下功能: (1)测量距离:0.01m,6.00m，测距精度:?0.3cm; (2)具有温度补偿功能; (3)具有测量距离数值和环境温度的无线传输功能; (4)实时显示测量的距离，精确度为0.001 m; (5)实时测量环境的温度; (6)汉字提醒显示:当超声波测距模块没开启时显示“请打开测距模块～”， 4 当测距进行时显示“超声波测距中～”，距离在0.00m,1.00m，显示“危险”并用红色LED灯指示;距离在1.00m,2.00m，显示阿“保持”并用黄色LED灯指示;距离在2.0m以上，显示“安全”并用绿色LED灯指示。 (7)具有实时语音播报功能，实时播报测量距离数值，实时播报声音清晰明亮、无失真，在5m距离处人耳能准确分辨。语音播报与显示同步。 系统方案确定: 我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。 超声波发生器可以分为两类:一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现液晶显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成 本章小结: 本章主要介绍了超声波测距系统的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，主要以AT89S52单片机为核心，并配有温度传感器，超声波传感器，语音电路，显示等控制电路组成，能够根据需求测得障碍物的实时距离。 5 第三章 硬件电路设计 硬件部分主要由分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路、无线收发模块、语音模块、LCD模块、测温模块等部分组成。 3.1 超声波发射电路及驱动 超声波发射电路主要由超声波换能器和反向器74LS04构成，单片机P1.2端口输出的40KHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R1、R2一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其振荡的时间，提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力;另一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力。超声波发射原理图如图3所示。 图表 2超声波发射电路原理图 超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。它由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8,16只Cymbal换能器、两 6 个金属圆环和橡胶垫圈组成。压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号;Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。 超声波换能器，包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括Cymbal阵列接收器，它由引出电缆、8,16只Cymbal换能器、金属圆环和橡胶垫圈组成;Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器3之上;压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号;Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。 3.2 超声波检测接收电路 集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机的红外接收器。因为红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率40KHz比较接近，所以本设计利用它制作超声波检测接收电路，如图4所示。实验证明，用CX20106A超声波(无信号时输出高电平)具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变电容C1的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 7 图表 3超声波检测接收电路 CX20106A的引脚注释: 引脚号 说明 1 超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ 该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分， 改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C， 2 将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C的改变会影 响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3 μF。 3 该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度 低;若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度 变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF 4 接地端 5 该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻 值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，fn?42kHz，若取R=220k Ω，则中心频率f0?38kHz 6 该脚与GND之间接入一个积分电容， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值为330pF，如果该电容取得太大， 会使探测距离变短 7 遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上 拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高 电平，有信号时则会下降 8 电源正极，4.5V,5V 3.3 测温电路的设计 由于超声波波速V与温度有关，不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系: 8 V=331.4+0.61T 通过上式可知，温度对声速的影响较大，若不采取补偿措施，将会带来较大的测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。本设计采用数字温度传感器DS18B20来采集温度，不需要进行模数换，DS18B20数字温度计提供9位(二进制) 温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DSl8B20 或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线)。DS18B20与单片机的接口电路如图4所示。 图表 4 DS18B20与单片机的接口电路 DS18B20的特性 DS18B20可以程序设定9-12位的分辨率，精度?0.5度。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率的设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的～性价比也非常出色～ DS18B20新特点:使用电压为3V-5V， 9-12位分辨率可调。 3.4 单片机系统设计 3.4.1 CPU的介绍 AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.7所示。 一、主要特性: 9 (1) 与MCS-51 兼容; (2) 8K字节可编程闪烁存储器; (3) 寿命:1000写/擦循环; (4) 数据保留时间:10年; (5) 全静态工作:0Hz-33Hz; (6) 三级程序存储器锁定; (7) 看门狗定时器; (8) 32可编程I/O线; (9) 三个16位定时器/计数器; (10) 8个中断源; (11) 全双工UART串行通道; (12) 低功耗的闲置和掉电模式; (13) 双数据指针。 二、管脚说明: 图表 5AT89S52引脚图 VCC:供电电压。 GND:接地。 P0 口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节;在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口:P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由 10 于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2 的触发输入(P1.1/T2EX)，具体如下表所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2(定时器/计数器T2的外部计数输入)，时钟输出 P1.1 T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制) P1.5 MOSI(在系统编程用) P1.6 MISO(在系统编程用) P1.7 SCK(在系统编程用) P2 口:P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR) 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址(如MOVX @RI)访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口:P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收/输出4个TTL门电流。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3-4所示: 11 表3-4 P3口的一些特殊功能口 口管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 \INT0(外部中断0) P3.3 \INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 \WR(外部数据存储器写选通) P3.7 \RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期两次\PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的\PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 三、振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 12 四、芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”，且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.4.2 复位电路的设计 复位是单片机的初始化操作，只需给MCS-51的复位引脚RST加上大于2个机器周期(即24个时钟振荡周期)的高电平就可使MCS-51复位。复位时，PC初始化为0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使RST引脚为高电平使MCS-51重新启动。 复位电路通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。本设计采用按键电平复位电路。该复位电路是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。当时钟频率选用6MHz时，C取22μF，R2取200Ω,R1取1kΩ。 图表 6复位电路 13 3.4.3 时钟电路设计 时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所需要的时钟控制信号。MCS-51单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作。而时序所研究的是指令执行中各个信号在时间上的关系。 图表 7 时钟电路 3.4.4 单片机最小系统设计 单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对52系列单片机来说，最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。用89S52单片机构成最小系统，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。 图表 8单片机最小系统 14 3.4.5 看门狗的设计 MCS-51的PC受到干扰而失控，引起程序乱飞，可能会是程序陷入死循环。指令冗余和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱死循环的困境，这时系统将完全瘫痪，如果操作人员在现场，可按下人工复位按钮，强制系统复位。但操作人员不可能一直监视着系统，既使监视着系统，也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位，为了能够摆脱系统的死循环，并且不要人的监视，引进了看门狗技术。 看门狗技术就是使用一个计数器来不断计数，监视程序循环运行。若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这时计数器溢出，然后强迫系统复位，在复位入口000H处安排一段出错处理程序，使系统运行进入正轨。 另外，在单片机系统运行时，有可能会发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据可能丢失，这时要求系统首先检测到电源的变化，然后通过切换电路把备用电池接入系统，以保护RAM中的数据不丢失。 目前肯们够电路和掉电保护电路，都已经集成在一片微处理器监控芯片中。因此，MCS-51只需扩张一片未处理器监控器芯片即可，并且能大大提高单片机应用系统的抗干扰能力和可靠性。 本文用X25045芯片设计了一种新的看门狗电路，具有体积小、占用I/O口线少和编程方便的特点 X25045芯片简介 X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图9所示。 图表 9X25045引脚图 15 X25045硬件连接图如图10所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。图2电路中，CPU的复位信号共有3个:上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。 图表 10X25045看门狗电路硬件连接图 其引脚功能如下 CS:片选择输入; SO:串行输出，数据由此引脚逐位输出; SI:串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045; SCK:串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出; WP:写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止; Vss:地; Vcc:电源电压; RESET:复位输出。 16 3.5 LCD显示电路的设计 液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机:8-位并行及串行两种连接方式为了节省IO资源，采用了串行方案，利用三个IO口与单片机通信，系统使用的是带中文字库的12864液晶模块，可以实现较好的界面显示，易于人机交流。当超声波测距模块没开启时在主界面的第一行显示“请打开测距模块～”，当测距进行时显示“超声波测距中～”;第二行显示“测距情况:XX”当距离在0.00m,1.00m，显示“危险”并用红色LED灯指示;距离在1.00m,2.00m，显示“保持”并用黄色LED灯指示;距离在2.0m以上，显示“安全”并用绿色LED灯指示。第三行显示“距障碍物:X.XXXM”;第四行显示“环境温度:XX?”。液晶显示与单片机的接口电路如图7所示。 图7液晶显示与单片机的接口电路 17 12864引脚说明: 引脚 名称 方向 说明 1 VSS — GND(0V) 2 VDD — 逻辑门电路电压(+3.3V) 3 V0 — 提供LCD电压(悬空) 4 RS(CS) 0 H:数据 L:指令码 5 R/W(SID) 0 H:读 L:写 6 E(SCLK) 0 使能信号 7 DB0 1 数据0 8 DB1 1 数据1 9 DB2 1 数据2 10 DB3 1 数据3 11 DB4 1 数据4 12 DB5 1 数据5 13 DB6 1 数据6 14 DB7 1 数据7 15 PSB 0 H:并行模式 L:串行模式 16 NC — 空脚 17 /RST 0 复位信号(低电平有效) 18 NC — 空脚 19 LEDA — 背光源负极(LED-0V) 20 LEDK — 背光源正级 (LED+5V) 用户指令集 (1)指令表1(RE=0:基本指令集) 指令 指令码 说明 执行时 间 R R D D D D D D D D S W B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 清楚显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 将DDRAM4.6ms 填满 “20H”，并 且设定 18 DDRAM的 地址计数器 (AC)到 “00H” 地址归0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 设定4.6ms DDRAM的位 地址计数器 (AC)到 “00H”，并 且将游标移 到开头原点 位置;这个 指令并不改 变DDRAM 的内容 进入点0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 指定在资料72us 的读取与写设定 入时，设定 游标移动方 向及指定显 示的移位 显示状0 0 0 0 0 0 1 D C B D=1:整体显72us 示ON 态开/关 C=1:游标ON B=1:游标 位置ON 游标或0 0 0 0 0 1 S/C R/L X X 设定游标的72us 移动与显示显示移 的移位控制位控制 位元;这个 指令并不改 变DDRAM 的内容 功能设0 0 0 0 1 DL X 0 X X DL=1 (必须72us 设为1) 定 RE 19 RE=1: 扩充 指令集动作 RE=0: 基 本指令集动 作 设定0 0 0 1 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 设定72us CGRAM地CGRAM 址到地址计地址 数器(AC) 设定0 0 1 AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC AC0 设定72us DDRAM地DDRAM 址到地址计地址 数器(AC) 读取忙0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 读取忙碌标0us 志可以确认碌标志 内部动作是和地址 否完成，同 时可以读出 地址计数器 (AC)的值 写资料1 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 写入资料到72us 内部的到RAM RAM 读RAM1 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 从内部72us RAM读取的值 资料 具体指令介绍: 1、 清除显示 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L L L L H 功能:清除显示屏幕，把DDRAM位址计数器调整为“00H” 2、 位址归位 20 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L L L H X 功能:把DDRAM位址计数器调整为“00H”，游标回原点，该功能不影响显示 DDRAM 3、 位址归位 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L L L I/D S 功能:把DDRAM位址计数器调整为“00H”，游标回原点，该功能不影响显示 DDRAM功能:执行该命令后，所设置的行将显示在屏幕的第一行。显示起始行 是由Z地址计数器控制的，该命令自动将A0-A5位地址送入Z地址计数器，起始地 址可以是0-63范围内任意一行。Z地址计数器具有循环计数功能，用于显示行扫 描同步，当扫描完一行后自动加一。 开/关 4、 显示状态 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L H D C B 功能: D=1;整体显示ON C=1;游标ON B=1;游标位置ON 5、 游标或显示移位控制 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L H S/C R/L X X 功能:设定游标的移动与显示的移位控制位:这个指令并不改变DDRAM的内容 6、 功能设定 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L H DL X O RE X X 功能:DL=1(必须设为1) RE=1;扩充指令集动作 RE=0:基本指令集动作 7、 设定CGRAM 21 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L H AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 ACO 功能:设定CGRAM位址到位址计数器(AC) 8、 设定DDRAM位址 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L H AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 ACO 功能:设定DDRAM位址到位址计数器(AC) 9、 读取忙碌状态和位址 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L H BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 ACO 功能:读取忙碌状态(BF)可以确认内部动作是否完成，同时可以读出位址计 数器(AC)的值 10、 写资料到RAM CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 H L D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DO 功能:写入资料到内部的RAM(DDRAM/CGRAM/TRAM/GDRAM) 11、 读出RAM的值 CODE: RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 H H D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DO 功能:从内部RAM读取资料(DDRAM/CGRAM/TRAM/GDRAM) 3.6 无线收发模块的设计 本设计选用了Nordic公司生产的无线射频模块nRF905。nRF905模块是使用 nRF905芯片开发而成。无线发射电路的nRF905模块与单片机的接口电路如图10 所示，无线接收电路的nRF905模块与单片机的接口电路如图11所示。 22 图表 11无线发射电路的nRF905模块与单片机的接口电路 图表 12无线接收电路的nRF905模块与单片机的接口电路 管脚 名称 管脚功能 说明 1 VCC 电源 电源(+3DV) 2 TX_EN 数字输入 TX_EN=1 TX模式;TX_EN=0 RX模式 3 TRX_CE 数字输入 使能芯片发射或接受 4 PWR_UP 数字输入 芯片上电 5 Uclk 时钟输出 有警惕震荡器分频的输出时钟 6 CD 数字输出 载波检测 7 AM 数字输出 地址匹配 8 DR 数字输出 接受或发射数据完成 9 MISO SPI接口 SPI输出 10 MOSI SPI接口 SPI输入 11 SCK SPI时钟 SPI时钟 12 CSN SPI使能 SPI使能 13 GND 电源 地(0V) 14 GND 3.7 语音模块的设计 语音模块具有实时语音播报功能，实时播报测量距离数值，格式:X.XXX m， 23 实时播报声音清晰明亮、无失真，在5m距离处人耳能准确分辨。语音播报与显示同步。 本系统采用PM5020智能语音模块，它有20S的多段语音播放功能。语音模块与单片机的接口电路如图9所示。单片机与PM5020采用了串行通讯方案，在该串行模式下，k1为数据端，k2为时钟端，O1为忙信号端。时钟上升沿时数据端有效。外部单片机直接送入要放音的段号数据，播放，结束时PM50的忙信号拉低，在判断一段语音结束时，外部单片机再送入下一段段号。 图表 13语音模块与单片机的接口电路 PM50系列智能语音芯片 PM50系列智能语音芯片是中青世纪科技公司2003年开发的智能语音产品，它既是语音播放电路，也是智能单片机，其音质水平、加个都要略于知名的ISD电路，同时也有21KHZ高保真音质。而其开发设计简单度、智能控制的简单度、整体性价比等指标要远胜过ISD，而如果用量超过1-3万片，可以原样投产掩膜片，价格可降低50%。 该芯片由专用的语音单片机和FLASHRAM存储器集合构成，它既有13秒到100秒的多段语音播放功能，也有单片机可编程的智能特性，大规模复杂电路已经缩微到只有COB28封装(18*36mm)的印版上，可以方便的作为DIP28封装的标准集成电路来使用。 功能&特点 (1) 可存储声音长度:13——100秒 24 (2) 宽范围工作电压:DC3-6V (3) 工作电流50Ma,静态电流1uA (4) 直接驱动8欧姆0.5瓦德喇叭，PWM和DAC两种音频输出模式 (5) 宽范围采样频率:4.8K-21KHz (6) 录制的语音可分并行1-8段或串行128段 (7) 自带8个输入端口，9个输出端口，功能均可由用户自定义 (8) FLASHRAM结构，可以反复擦写录入，寿命在1万次以上 (9) 两种封装形式:COB28和COB16 (10)开发用的电脑软件系超智能傻瓜图形设计，外行也能使用 (11)配合编程软件可以开发出并行、串行、智能型等多种控制模式 (12)最小系统的外围电路只需一个振荡电阻、一只电源滤波电容 (13)有13/20/50/100秒多个时间档次可选 (14)完成开发和实验生产后，直接用源文件投产掩膜，音质效果、功能性质不 变 PM50S系列(COB28)的引脚定义表: 脚号 名称 用途 脚号 名称 用途 1 GND 28 FM 电源地端 编程端 2 FC 27 FD 编程端 编程端 3 FA 26 FK 编程端 编程端 4 K1 25 R 输入1 复位端 5 K2 24 O1 输入2 输出1 6 K3 23 O2 输入3 输出2 7 K4 22 O3(LED2) 输入4 输出3 8 K5 21 O4 输入5 输出4 9 K6 20 O5 输入6 输出5 10 K7 19 O6 输入7 输出6 11 K8 18 O7 输入8 输出7 25 12 ROSC 17 O8 振荡电阻 输出8 13 SP1/DAC 16 LED1 喇叭端1 指示灯 14 SP2 15 VDD 喇叭端2 正电源端 3.8 电源的设计 整个系统分为两部分，第一部分主要由控制模块、超声波测距模块、无线传输模块、测温模块组成，对第一部分的电源采用9V电池供电，通过LM117 5.0和LM117 3.3芯片将9V电压分别稳压到5V和3.3V。 图表 14系统第一部分电源 第二部分主要由控制模块、显示模块、语音模块、无线接收模块组成，其中显示模块、无线接收模块和控制模块通过LM117 5.0和LM117 3.3芯片将9V电压分别稳压到5V和3.3V供电。由于语音模块采用了8050三极管进行功率的放大，为了使第二部分工作的时间更长，使用单独的4节1.5V电池进行供电。 26 图表 15系统第二部分电源 本章小结: 本章是无线超声波测距系统的硬件电路设计部分，主要有单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路、无线收发模块、语音模块、LCD模块、测温模块的设计。通过查阅大量的资料，设计出的硬件电路基本符合工作要求，但是还需要进一步的完善。 27 第四章 单片机软件设计 4.1 软件设计 根据系统设计要求，该系统由主从单片机两大部分构成，为了方便编写和调 试，我们采用模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序: 系统第一部分子程序 (1) 超声波发射与接收子程序; (2) 温度检测子程序; (3) 距离计算子程序; (4) 无线传输子程序; 系统第二部分子程序 (1) 无线接收子程序; (2) 数值滤波子程序 (3) 软件校正子程序 (4) 液晶显示子程序; (5) 语音播报子程序 开始 初始化 超声波发射接 收 温度检测 距离计算 无线传输 图表 16系统第一部分主程序流程框图 28 开始 初始化 无线接收 N 是否接到数据液晶显示1 Y 数值滤波 软件校正 液晶显示2 N 数值是否大于1m语音播报1 Y 语音播报2 图表 17系统第二部分主程序流程框图 4.2子程序流程图 以下给出几个主要部分的程序流程图: 29 4.2.1无线发射流程图 本设计选用了Nordic公司生产的无线射频模块nRF905。nRF905模块是使用 nRF905芯片开发而成。无线发射电路的nRF905模块发射部分的子程序流程图 如下: 开始 载入节点地 址和有效数 据 no TRX_CE=1? yes 发射器上 电 TX传输模式 产生crc校验码并连续发DR置低 送数据包 no yesAUTO_RETRATRX_CE=1N=1 no yes 30 4.2.2无线接收流程图 本设计选用了Nordic公司生产的无线射频模块nRF905。nRF905模块是使用 nRF905芯片开发而成。无线发射电路的nRF905模块接受部分的子程序流程图: TX_EN=0 PWR_UP=1 NO TRX_CE=1 YES 接收器上电 发现和接受频率相同的载 波事，CD置高 校验地址 NO YESAM=1 接收数据DR和AM置 低 校正CRCAM=0 NO YES通过单片机时 DR=1钟载入SPI接口 TRX_CE=1进入节电 模式NOYES 31 4.2.3测温模块流程图 本设计采用数字温度传感器DS18B20来采集温度，不需要进行模数换， DS18B20数字温度计提供9位(二进制) 温度读数，指示器件的温度，以下是该 模块的程序流程图。 开始 复位 发CCH SKIP ROM命令 发存储器0xBE命令 连续读出两个字节数据 (温度) 复位 发CCH SKIP ROM命令 发44温度转换命令 延时至少750ms 结束 32 4.2.4液晶显示流程图 该系统液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。可与CPU直接接口，该系统为了节省IO资源，采用了串行通信，利用三个IO口与单片机通信。 开始 初始化 Yes 内部是否忙碌 No 读指令 读数据 显示 33 本章小结 本章主要介绍无线超声波测距系统的软件设计，包括主程序流程图，也包括部分重要模块的流程图，这些软件与硬件合在一起，就是一个完整的超声波无线测距系统，到此，也就完成了这个关于无线超声波测距系统的毕业设计。 34 参考文献 1. Presti.M.L,Palazzo R.Synthesis of fuzzy Controllers through Neural Networks [J].Fuzzy Sets and Systems 1995.(71) 3. 于海生《微型计算机控制技术》清华大学出版社，1998 4. 张毅刚等《新编MCS,51单片机应用设计》哈尔滨工业大学出版社，2003版 5. 《Study-2407A 开发板用户手册》 9. 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉:华中理工大学出 版社，1999.4 10. 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨:哈尔滨工业大 学出版社，1999. 6. 11. 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京:人民邮电出版社，1993.7 12. 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京:中国科技大学出版社，1993.10 13. 九州.放大电路实用设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社，2002.5 14. 樊昌元，丁义元. 高精度测距雷达研究.电子测量与仪器学报，2000.10 15. 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术，2004. 16. 永学等.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20及应用.电子产品世界， 2003.12 17. 胜全.D18B20数字温度计在微机温度采集系统中的序编制. 南京:南京大学 出版社1998. 3 18.丰，薛红宣.采用软件抗干扰设计提高微机系统的可靠性.电子产品世界， 2004.1 19.占操，梁厚琴，曹燕.单片机系统中的软件抗干扰技术.电子技术，2003.3 20. 田华等.可编程单总线数字式温度传感器DS18B2的原理与应用.电子质量， 2004.7 35 附录1 36 附录2 37