微機控制技術課程設計報告

1、1.方案簡述隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)增長和汽車價格的持續(xù)下降，越來越多的家庭擁有了私家車。在享受汽車給人們帶來便利的同時，由于倒車而產(chǎn)生的問題也日益突出。據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計，15的汽車事故是由汽車倒車“后視”不良造成的。早期的倒車防撞儀可以測試車后一定距離范圍的障礙物從而發(fā)出警報，后來發(fā)展到根據(jù)距離分段報警。隨著人們對汽車駕駛輔助系統(tǒng)易用性要求的提高，對汽車倒車雷達的要求也越來越高。本文設計的基于51單片機的倒車雷達，采用溫度傳感器進行溫度補償提高了測距精度，采用顯示模塊對車距進行實時顯示和蜂鳴器實現(xiàn)了倒車雷達語音報警的功能。由于采用了超聲波傳感器，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)框圖如圖1.1所

2、示。該系統(tǒng)由單片機控制電路、超聲波發(fā)射與接收電路、溫度補償電路、lcd顯示電路以及語音報警電路等幾部分組成。單片機at89c51是整個系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部分電路的工作。單片機在超聲波信號發(fā)射的同時開始計時，超聲波信號在空氣中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號經(jīng)過處理后輸入到單片機的into端產(chǎn)生中斷，計數(shù)器停止計數(shù)。通過計數(shù)器測得的脈沖數(shù)可得到超聲波信號往返所需要的時間，從而達到測距的目的。圖1.1 系統(tǒng)原理框圖2. 系統(tǒng)方案設計及確定2.1 cpu的選擇方案一：采用stc89c52單片機stc89c52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

3、儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得stc89s51為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)flash，512字節(jié)ram， 32 位i/o 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4kb eeprom，max810復位電路，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外 stc89x52可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？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。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件

4、復位為止。最高運作頻率35mhz，6t/12t可選。內(nèi)帶4k字節(jié)eeprom存儲空間，可直接使用串口下載，價格比較便宜。方案二：采用at89s51單片機at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，at89s51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。綜合比較以上兩種方案，選擇方案二。2.2傳感器

5、的選擇2.2.1超聲波傳感器的選擇超聲傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。本次設計采用hc-sr04超聲波傳感器。該傳感器可提供5cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測量精度可達3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器和控制電路。由于內(nèi)置模數(shù)轉換器，所以可省略a/d轉換電路。2.2.2溫度傳感器的選擇本次設計采用數(shù)字溫度傳感器，將溫度直接轉化成數(shù)字信號經(jīng)單片機輸出。數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部都包含溫度傳感器、a/d轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路,其特點是能直接輸出數(shù)字化的溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，自動適配各種微控制器(mc

6、u)。采用數(shù)字溫度傳感器以實現(xiàn)溫度數(shù)字化，既能以數(shù)字形式直接輸出被測溫度值，具有測量誤差小，分辨力高，抗干擾能力強，能夠遠程傳輸數(shù)據(jù)，帶串行總線接口等優(yōu)點。本此溫度傳感器選用的是ds18b20芯片。ds18b20是美國dallas公司最新推出的一種單總線系統(tǒng)的數(shù)字溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉化9位和12位的數(shù)字量。因而使用ds18b20可使系統(tǒng)結構更簡單，可靠性更高。芯片的耗電量很小，從總線上“偷”一點電存儲在片內(nèi)的電容中就可正常工作，一般不用另

7、加電源。最可貴的是這些芯片在檢測點已把被測信號數(shù)字化了，因此在單總線上傳送的是數(shù)字信號，這使得系統(tǒng)的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠。2.3 顯示電路的選擇方案一：使用led數(shù)碼管顯示led 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構成的,亦稱半導體數(shù)碼管.將條狀發(fā)光二極管按照共陰極(負極)或共 陽極(正極)的方法連接,組成8字,再把發(fā)光二極管另一電極作筆段電極,就構成了 led 數(shù)碼 管。若按規(guī)定使某些筆段上的發(fā)光二極管發(fā)光, 就能顯示從 09 的系列數(shù)字。同熒光數(shù)碼管(vfd), 輝光數(shù)碼管(nrt)相比,它具有:體積小,功耗低,耐震動,壽命長,亮度高,單色性好,發(fā)光響 應的時間短,能與 ttl,cmos 電

8、路兼容等的數(shù)顯器件。+,-分別表示公共陽極和公共陰極。ag是7個筆段電極,dp為小數(shù)點。另有一種字高為7.6mm 的超小型 led數(shù)碼管,管腳從左右兩排引出,小數(shù)點則是獨立的。由于本次設計不只是顯示數(shù)字，還需要顯示漢字，故不采用此方案。方案二：使用lcd液晶顯示lcd是一種利用液晶的扭曲/向列效應制成的新型顯示器，它具有功耗極低、體積小，抗干擾能力強，價格廉等特點，目前已廣泛應用于各個顯示領域，尤其袖珍儀表和低功耗應用系統(tǒng)中。lcd 液晶顯示器是 liquid crystal display 的簡稱，lcd 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透

9、過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。綜合比較以上兩種方案，選擇方案二。本次課程設計采用1602a液晶顯示。2.4 鍵盤電路的選擇鍵盤可以分為兩類：非編碼鍵盤和編碼鍵盤。非編碼鍵盤是利用按鍵直接與單片機相連接而成，這種鍵盤通常使用在按鍵數(shù)量較少的場合。使用這種鍵盤，系統(tǒng)功能通常比較簡單，需要處理的任務較少，但是可以降低成本、簡化電路設計。常見的非編碼鍵盤有兩種結構：獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤：其特點是：一鍵一線，各鍵相互獨立。每個按鍵各接一條i/o口線，通過檢測i/o輸入線的電平狀態(tài)，可以很容易的判斷哪個按鍵被按下。這種鍵盤的優(yōu)點是：電路簡單，各條檢測線獨立，識

10、別按下按鍵的軟件編寫簡單。適用于鍵盤按鍵數(shù)目較少的場合，不適合用于鍵盤按鍵數(shù)目較多的場合，因為將占用較多的i/o口線。矩陣式鍵盤：這種鍵盤用于按鍵數(shù)目較多的場合。由于本次課程設計使用的按鍵比較少，所以采用的是獨立式鍵盤。本次設計超聲波探頭選用hc-sr04超聲波傳感器，不僅外圍元件較少，電路簡單，而且有更好的穩(wěn)定性及可靠性；溫度補償電路采用一線制數(shù)字溫度傳感器ds18b20，利用聲速和溫度之間的關系對聲速進行校正，從而消除溫度對聲速的影響；報警電路采用蜂鳴器，可實現(xiàn)汽車倒車過程中的報警，顯示電路采用lcd1602a顯示，鍵盤采用獨立式鍵盤。3.系統(tǒng)硬件設計3.1 at89s51單片機的硬件組成

11、片內(nèi)硬件組成結構如圖3-1所示。把作為控制應用所必需的基本功能部件都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。有如下功能部件和特性：（1）8位微處理器（cpu）；（2）數(shù)據(jù)存儲器（128b ram）；（3）程序存儲器（4kb flash rom）；（4）4個8位可編程并行i/o口（p0口、p1口、p2口、p3口）；（5）1個全雙工的異步串行口；6）2個可編程的16位定時器/計數(shù)器；（7）1個看門狗定時器；（8）中斷系統(tǒng)具有5個中斷源、5個中斷向量；（9）特殊功能寄存器（sfr）26個；（10）低功耗模式有空閑模式和掉電模式，且具有掉電模式下的中斷恢復模式；（11）3個程序加密鎖定位圖3.1 at89

12、s51單片機片內(nèi)結構at89s51與51系列中各種型號芯片的引腳互相兼容。目前多采用40只引腳雙列直插，如圖3-2所示at89s51的引腳功能：（1）電源及時鐘引腳vcc、vss；xtal1、xtal2。（2）控制引腳/ea、ale/、/psen 、/vpp、rst（reset）（3）i/o口引腳p0、p1、p2、p3，為4個8位i/o口圖3.2 at89s51 雙列直插封裝方式的引腳3.2 at89s51最小系統(tǒng)設計3.2.1時鐘電路硬件設計時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。本次設計采

13、用的是外部時鐘方式，如圖3-3。圖 3.3 時鐘電路at89s51內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，輸入端為芯片引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。c1和c2的典型值通常選擇為30pf。電容大小會影響振蕩器頻率高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振頻率范圍通常是1.212mhz。晶體頻率越高，單片機速度就越快。速度快對存儲器的速度要求就高，印制電路板的工藝要求也高，即線間的寄生電容要小。晶體和電容應盡可能與單片機靠近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作。為提高溫度穩(wěn)定性，采用溫度穩(wěn)定性能好的電容。常選6m

14、hz或12mhz的石英晶體。隨著集成電路制造工藝技術的發(fā)展，單片機的時鐘頻率也在逐步提高，已達33mhz。本次設計使用11.0592mhz的石英晶體。3.2.2復位電路硬件設計單片機復位是使cpu和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。該電路在最簡單的復位電路下增加了手動復位按鍵，在接通電源瞬間，電容c1上的電壓很小，復位下拉電阻上的電壓接近電源電壓，即rst為高電平，在電容充電的過程中rst端電壓逐漸下降，當rst端的電壓小于某一數(shù)值后，cpu脫離復位狀態(tài)，由于電容c1足夠大，可以保證rst高電平有效時間大于24個振蕩周期，cpu能夠可靠復位。本次設計采用的按鍵

15、電平復位。如圖3-4。圖3.4 復位電路3.3人機交換電路的設計3.3.1鍵盤電路的設計鍵盤具有向單片機輸入數(shù)據(jù)、命令等功能，是人與單片機對話的主要手段。下面介紹鍵盤的工作原理和鍵盤的工作方式。鍵盤可以分為兩類：非編碼鍵盤和編碼鍵盤。非編碼鍵盤是利用按鍵直接與單片機相連接而成，這種鍵盤通常使用在按鍵數(shù)量較少的場合。使用這種鍵盤，系統(tǒng)功能通常比較簡單，需要處理的任務較少，但是可以降低成本、簡化電路設計。常見的非編碼鍵盤有兩種結構：獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤：其特點是：一鍵一線，各鍵相互獨立。每個按鍵各接一條i/o口線，通過檢測i/o輸入線的電平狀態(tài)，可以很容易的判斷哪個按鍵被按下。這種鍵

16、盤的優(yōu)點是：電路簡單，各條檢測線獨立，識別按下按鍵的軟件編寫簡單。適用于鍵盤按鍵數(shù)目較少的場合，不適合用于鍵盤按鍵數(shù)目較多的場合，因為將占用較多的i/o口線。矩陣式鍵盤：這種鍵盤用于按鍵數(shù)目較多的場合。由于本次課程設計使用的按鍵比較少，所以采用的是獨立式鍵盤。如圖3.5所示。圖3.5 獨立式鍵盤電路3.3.2顯示電路的設計通常的顯示電路有點陣，數(shù)碼管，液晶等，實物圖如圖3.6所示(a) 點陣 (b)數(shù)碼管(c) 液晶圖3.6 顯示電路實物圖一個點陣只能顯示一個數(shù)字和圖形，如果要求的顯示的東西較多，需要很多個的點陣來組成，則成本相對比較高。主要用于單一的顯示電路中；數(shù)碼管顯示電路與點陣具有相同的

17、特點，但數(shù)碼管電路在連接時電路比較復雜，有些符號和數(shù)字并不能顯示；液晶顯示電路相對比較簡單，而且還能顯示不同的符號和數(shù)字，滿足本次設計的要求，所以選用液晶作為本次課程設計的顯示電路。液晶顯示器的介紹lcd（liquid crystal display）液晶顯示器縮寫，被動顯示，本身并不發(fā)光，是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線通過方向的特性，從而達到白底黑字或黑底白字顯示的目的。液晶顯示器具有省電、抗干擾能力強等優(yōu)點，廣泛應用在智能儀器儀表和單片機測控系統(tǒng)中。本次設計選用lcd1602液晶顯示。lcd顯示器的分類：目前市場上液晶顯示器種類繁多，按排列形狀可分為字段型、點陣字符型和點陣圖形型。本次設計

18、使用點陣字符型；點陣字符型，專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等。它由若干57或510的點陣組成，每一點陣顯示一字符。廣泛應用在各類單片機應用系統(tǒng)中。1. 1602字符型lcm的特性內(nèi)部具有字符發(fā)生器rom（cgrom）,即字符庫。可顯示192個57點陣字符，見圖3-8。該字符庫可看出lcm顯示的數(shù)字和字母部分的代碼值，恰好與ascii碼表中的數(shù)字和字母相同。所以在顯示數(shù)字和字母時，只需向lcm送入對應的ascii碼即可。模塊內(nèi)有64字節(jié)的自定義字符ram(cgram),用戶可自行定義8個57點陣字符。模塊內(nèi)有80字節(jié)的數(shù)據(jù)顯示存儲器（ddram）。2. 1602的引腳定義表3-11602與單片機的

19、接口設計：在硬件連接時，在vee端加上一個10k的電位器，可根據(jù)需要，調(diào)節(jié)顯示器的亮度。當51單片機的p0口作為數(shù)據(jù)口用需加上10k的上拉電阻，如圖3.7所示.圖3.7 1602電路圖3.4 超聲波測距電路的設計3.4.1超聲波測距原理超聲波測距原理是利用單片機在超聲波傳感器發(fā)射超聲波的同時單片機的t0計數(shù)器開始計數(shù)，當檢測到回波信號后單片機的t0計數(shù)器停止計數(shù)。測得的時間和聲速相乘就可以得到超聲波往返過程中走過的路程，所以所測距離s為聲波傳輸距離的一半：s=ct2式中：s為超聲波發(fā)射點與被測障礙物之間的距離；c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率；t為超聲波發(fā)射到超聲波返回的時間間隔。聲波在空氣中傳輸速

20、率為：式中：t為絕對溫度；c0=33145 ms。采用單片機脈沖計數(shù)的方法，可精確測出t的值。假設單片機的機器周期為t機，則有t=nt機，則測得的距離為：3.4.2 hc-sr04超聲波傳感器1模塊特點該模塊可提供5cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測量精度可達3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器和控制電路。由于內(nèi)置模數(shù)轉換器，所以可省略a/d轉換電路。其工作原理是：（1）采用io口trig觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；（2）模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；（3）有信號返回，通過io口echo輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

21、測試距離=（高電平時間*(340m/s)/2）。2.實物圖如下圖接線，vcc供5v電源，gnd為地線，trig觸發(fā)控制信號輸入，echo回響信號輸出等四支線。圖3.8 實物圖其電路圖如3.9所示。圖3.9 超聲波測距電路3.5 溫度補償電路的設計由于溫度對聲速有影響，所以溫度補償電路采用一線制數(shù)字溫度傳感器ds18b20，利用聲速和溫度之間的關系對聲速進行校正，從而消除溫度對聲速的影響3.5.1 ds18b20特點：（1）單線接口，只有一根信號線與cpu 連接單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點；（2）不需要備份電源，可通過信號線供電，電源電壓范圍從3.35v；（3）傳送串行數(shù)據(jù)，不需要外部

22、元件；（4）溫度測量范圍從-55+125；（5）通過編程可實現(xiàn)912 位的數(shù)字值讀數(shù)方式（出廠時被設置為12 位）；（6）零功耗等待；（7）現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。3.5.2 ds18b20的內(nèi)部結構ds18b20內(nèi)部結構主要由四部分組成：64位激光rom，溫度敏感元件，非易失性溫度報警觸發(fā)器th和tl，高速暫存器。64位激光rom是出廠前被光刻好的，它其中保存著該ds18b20的產(chǎn)品信息和產(chǎn)品系列編碼，可以看作是該ds18b20的地址序列號。單總線上所有ds18b20器

23、件可以通過檢索器件的rom中的內(nèi)容進行識別。ds18b20的管腳排列如圖3.10所示。圖3.10 ds18b20管腳排列引腳功能如下：vdd：可選電源腳，電源電壓范圍35.5v。工作于寄生電源時，此引腳應接地；dq：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，漏極開路，常態(tài)下高電平。3.5.3 ds18b20測溫原理ds18b20內(nèi)含兩個溫度系數(shù)不同的溫敏振蕩器，其中溫敏振蕩器1相當于測溫元件，溫敏振蕩器2相當于標尺，通過不斷比較兩個溫敏振蕩器的振蕩周期，得到兩個溫敏振蕩器在測量溫度下的振蕩頻率比值，根據(jù)頻率比值和溫度的對應曲線，得到相應的溫度值。其原理圖如圖3.11所示：待添加的隱藏文字內(nèi)容2具體測溫過程如下：首先由

24、預置器2將溫度寄存器預置為對應于溫度下限（-55）的值。然后，由預置器1對計數(shù)器1也預置一個對應于溫度下限（-55）的計數(shù)值，計數(shù)器1接收溫度振蕩器1的輸出信號并進行減法運算。計數(shù)器2接收溫敏振蕩器2的輸出信號得到實際溫度值并送給溫度寄存器作為比較標尺。如果計數(shù)器1首先遞減到0，那么將向溫度寄存器輸出一個信號，溫度寄存器的值將增加一位，對應溫度值增加一個分辨率的值（如分辨率為0.5時，對應溫度值增加0.5），說明實測溫度高于-55。隨后，斜率累加器根據(jù)兩個溫敏振蕩器的溫度特性曲線計算出下一個溫度位置處計數(shù)器1的預置計數(shù)值，對計數(shù)器1再次進行預置。計數(shù)器1和計數(shù)器2再次開始計數(shù)。如果計數(shù)器2先于

25、計數(shù)器1到達0，完成一次測溫。溫度寄存器中的值為測量所得的當前溫度值。通過這個過程不僅完成了測溫，而且將完成了溫度值的數(shù)字化，省去了a/d轉換器。圖3.10 ds18b20測溫原理dsl8b20中的數(shù)字溫度傳感器的分辨率可配置為9、10、11和12位，出廠默認設置為12位分辨率，對應的溫度值分辨率分別為0.5、0.25、0.125和0.0625。溫度信息的低位、高位字節(jié)內(nèi)容中，還包括了符號位s(是正溫度還是負溫度)和二進制小數(shù)部分，具體形式為：低位字節(jié):msb232221202-12-2lsb2-32-4高位字節(jié):msbsssss26lsb2524這是12位分辨率的情況,如果配置為低的分辨率,則其中無意義位為0。在dsl8b20完成溫度變換之后,溫度值與儲存在th