家用服務(wù)機(jī)器人電路設(shè)計(jì)課件

1、3 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)Atmel公司的AT89S51芯片是51內(nèi)核的單片機(jī)。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K空間的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次得Flash只讀存儲(chǔ)器，具有256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32的I/O口，2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。3.1.1 AT89S51芯片如圖3-1所示為MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖，它由8個(gè)部分組成，即中央處理器（CPU）、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）、輸入輸出暗扣、可編程串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器的幾種控制方法。3.1.2 復(fù)位電路微處理器（

2、運(yùn)算部件）控制部件BRAMP0口P2口ROMP1口串行口定時(shí)/計(jì)數(shù)器P3口終端系統(tǒng)特殊功能寄存器圖3-1 MCS-51芯片內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)AT89S51芯片各個(gè)引腳功能見(jiàn)表3-1所示：表3-1 AT89S51引腳定義引腳序列接口引腳功能18P1.0P1.78位準(zhǔn)雙向IO口9RST復(fù)位輸入口10P3.0/RXD串行輸入口/P3.0I/O口11P3.1/TXD串行輸出口/P3.1I/O口12P3.2/INTO外部中斷0輸入口/P3.2I/O口13P3.3/INT1外部中斷輸入口/P3.3I/O口14P3.4 /T0定時(shí)計(jì)數(shù)器0輸入口/P3.4I/O口15P3.5/T1定時(shí)計(jì)數(shù)器輸入口/P3.

3、5I/O口16P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通/P3.6I/O口17P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通/P3.7I/O口1819XTAL1XTAL2時(shí)鐘振蕩器的輸入輸出口20GND信號(hào)地2128P2.0P2.78位雙向IO口存儲(chǔ)器的高8位地址29PSEN程序存儲(chǔ)允許信號(hào)端30ALE/PROG片外存儲(chǔ)器地址鎖存信號(hào)端31EA/VPP片外存儲(chǔ)器地址鎖存信號(hào)端3239P0.0P0.7數(shù)據(jù)/低八位地址復(fù)用口40VCC正向電源輸入端本單片機(jī)的工作方式包括：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、低功耗操作方式以及EPROM編程和校驗(yàn)方式。單片機(jī)不同的工作方式，代表單片機(jī)處于不同的工作狀態(tài)。該單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)

4、復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種，本系統(tǒng)采用手動(dòng)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位是使和系統(tǒng)中的其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，例如復(fù)位后PC0000H，使單片機(jī)從第一個(gè)單元取指令。無(wú)論是在單片機(jī)剛開(kāi)始接上電源時(shí)，還是在斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使RST引腳加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)震蕩周期）的高電平。本系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHz，每個(gè)機(jī)器周期為1us，則只需2us以上時(shí)間的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)為電路如圖3-2所示。圖中C5為上電復(fù)位電路，它是利用電容充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在接電數(shù)瞬間，RST端得電位與VCC相同，隨著充電電流

5、的減少，RST的電位逐漸下降。只要保證RST為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，就能正常復(fù)位。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位，本設(shè)計(jì)按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過(guò)RST端與電源VCC按通面實(shí)現(xiàn)的。圖中C5去22µF，R2去4.7k，只需按下S4鍵，此時(shí)電源VCC經(jīng)過(guò)R 2分壓，在RST端產(chǎn)生高電平，兩個(gè)機(jī)器周期后單片機(jī)復(fù)位。圖3-2復(fù)位電路3.1.3 時(shí)鐘電路MSC-51單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊的一步一步地工作，因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

6、有兩種方式。一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式，本系統(tǒng)利用內(nèi)部振蕩電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。如圖3-3所示，本電路的時(shí)鐘頻率為12MHz，電容C6，C7的容量為30pF左右，電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器穩(wěn)定性和起振的快速性，本電路采用30pF的瓷片電容。圖3-3 時(shí)鐘電路3.2 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)3.2.1 直流電動(dòng)機(jī)控制方案本設(shè)計(jì)采用雙直流電動(dòng)機(jī)提供機(jī)器人前進(jìn)與轉(zhuǎn)向壁障的動(dòng)力。由于采用的機(jī)器人下輪架自帶兩個(gè)HC01-120型直流電動(dòng)機(jī)與減速齒輪箱，而且直流電動(dòng)機(jī)的輸入扭矩在減速箱作用下，輸出扭矩可以為整個(gè)設(shè)計(jì)提供足夠的動(dòng)力。兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)接在減速箱輸入軸上，其輸出軸相背安裝

7、在機(jī)器人下輪架上，輸出軸上裝有主動(dòng)輪，當(dāng)兩個(gè)輸出軸相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在地面的摩擦力作用下，為機(jī)器人提供前進(jìn)的動(dòng)力；當(dāng)個(gè)輸出軸相同方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人繞地盤圓心旋轉(zhuǎn)，從而控制輸出軸旋轉(zhuǎn)時(shí)間控制機(jī)器人圓周旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。雙直流電動(dòng)機(jī)在減速箱下的作用分析：1、異向同步同速旋轉(zhuǎn)式，為機(jī)器人提供前進(jìn)的動(dòng)力。雖然兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)一樣，額定功率、轉(zhuǎn)速相同，可是直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作場(chǎng)合無(wú)法一致，提供的電壓無(wú)法準(zhǔn)確相同等因素的干擾，兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)非常同步的運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)行情況是出現(xiàn)弧度比較大的圓周運(yùn)動(dòng)。但對(duì)機(jī)器人的整體運(yùn)行并無(wú)比較大的影響。這種情況的解決方案是采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由于步

8、進(jìn)電機(jī)是用過(guò)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)的，其步距角和轉(zhuǎn)速只與輸入的脈沖頻率有關(guān)，頻率越快，其轉(zhuǎn)速越快。2、同向同步同速旋轉(zhuǎn)時(shí)，為機(jī)器人提供中心旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。當(dāng)可以控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)工作的時(shí)間時(shí)，也就可以控制機(jī)器人旋轉(zhuǎn)的角度，達(dá)到控制機(jī)器人轉(zhuǎn)向的目的。由于在控制程序里使用延時(shí)函數(shù)來(lái)奇偶那個(gè)值旋轉(zhuǎn)時(shí)間，因此會(huì)受到來(lái)自地面摩擦、電動(dòng)機(jī)輸入電壓、機(jī)器人負(fù)載的影響，最后使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度無(wú)法精確控制，面對(duì)這樣的問(wèn)題，一是吧直流電動(dòng)機(jī)更替為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這樣可是使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確的控制；二是在前輪改為舵機(jī)，舵機(jī)可以在一定角度范圍內(nèi)隨意的轉(zhuǎn)向，從而不再使用差速轉(zhuǎn)向的方法，以便是轉(zhuǎn)向角度更加容易控制。目前設(shè)計(jì)依舊采用雙130型直流

9、電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方案選擇。3.2.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293B由于HC01-120型直流電動(dòng)機(jī)是多用于玩具汽車上的常見(jiàn)小型電動(dòng)機(jī)，其額定電壓比較低，驅(qū)動(dòng)電流比較小，可是單片機(jī)I/O口也無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)它，這里采用L293B芯片作為動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L293B是著名的SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，L293B驅(qū)動(dòng)芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)單向旋轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)，也可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙向旋轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四線制步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)采用L293B芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙向旋轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)。L293B芯片引腳圖如圖3-4所示。 圖3-4 L293B引腳圖Vs為電源電壓引腳，Vss為落盡電源電壓引腳，ENAB

10、LE1、ENABE2為使能控制引腳，INPUT為輸入引腳，OUTPUT為輸出引腳。其主要參數(shù)如表3-2所示：符號(hào)參數(shù)條件最小值最大值單位Vs電源電壓Vss36VVss邏輯電源電壓4.536VVIH輸入高電壓Vss7VVss7V2.32.3Vss7VIIH高電壓輸入電流2.3Vss-0.6VVIH Vss-0.6V100A由于在本設(shè)計(jì)中電源模塊可以提供5V工作電壓，而且在L293B的電源電壓和邏輯電源電壓范圍內(nèi)，為了分別可是給力電壓和邏輯電源電壓提供5V電壓，設(shè)計(jì)中使用撥碼起來(lái)設(shè)置它們兩個(gè)的電壓大小。調(diào)節(jié)不同的工作電壓可以控制不同的輸出電壓，電動(dòng)機(jī)在不同的工作電壓下轉(zhuǎn)速也會(huì)不同。L293B芯片邏

11、輯圖如圖3-6所示，使能端ENABLE1控制INPUT1和INPUT2的輸入，ENABLE2控制INPUT3和INOUT4的輸入，因此控制電動(dòng)機(jī)工作和停止可以通過(guò)給使能端高電壓和低電平來(lái)控制。并且ENABLE為高電平時(shí)，INPUT為高電平時(shí)，OUTPUT為高電平；INPUT為低電平時(shí)，OUTPUT為低電平。本設(shè)計(jì)中L293B芯片對(duì)電動(dòng)機(jī)控制連線如圖3-8左半部分所示，其中ENABLE與INPUT引腳直接與單片機(jī)P10-P15相連?？刂齐妱?dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)是通過(guò)一對(duì)OUTPUT引腳，例如OUTPUT1為高電平，OUTPUT2為低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)正傳，反之電動(dòng)反轉(zhuǎn)。而實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向是通過(guò)使兩個(gè)電動(dòng)機(jī)不同方向的

12、旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)一個(gè)正轉(zhuǎn)一個(gè)反轉(zhuǎn)時(shí)，小車前進(jìn)或后退。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，小車左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。而控制轉(zhuǎn)向角度是以延時(shí)函數(shù)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)不同輸入電壓的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3.2.3 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生反向電壓，由于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電壓來(lái)自驅(qū)動(dòng)芯片OUT引腳，如果這個(gè)電壓不消除，會(huì)使電動(dòng)機(jī)輸入電壓降低，影響電動(dòng)機(jī)的正常工作。我們這里采用了4個(gè)IN4007整流二極管構(gòu)建的H橋電路來(lái)消除電動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的反向電壓，其電路圖如圖3-5所示3.2.3.1 IN4007整流二極管整流二極管是一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件，通常包含一個(gè)PN結(jié)，有正極和負(fù)極兩個(gè)端子。P區(qū)得載流子是

13、空穴，N區(qū)的載流子是電子，在P區(qū)和N區(qū)間形成一定的位壘。外加使P區(qū)相對(duì)N區(qū)為正的電壓時(shí)，位壘降低，位壘兩側(cè)附近產(chǎn)生儲(chǔ)存載流子，能通過(guò)大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7V），圖3-5 IN4007整流二極管電路稱為正向?qū)顟B(tài)。若加相反的電壓使位壘增加，可承受高的反向電壓，流過(guò)很小的反向電流（稱反向漏電流），稱為反向阻斷狀態(tài)。在選用整流二極管時(shí)，主要考慮其最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及反向恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)。普通串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路中使用的整流二極管，對(duì)截止頻率和反向恢復(fù)時(shí)間要求不高，只要根據(jù)電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。這里選用的IN4007型整

14、流二極管極限值：最高反向峰值電壓1000V，最大正向平均整流電流1.0A，最大反向峰值電流30A。電特性（25）：最大正向電壓1.1V，最大反向電流5.0A。3.2.3.2 轉(zhuǎn)向指示燈如圖所示，其中上面部分有四個(gè)發(fā)光二極管，與保護(hù)電阻連接后，每一個(gè)二極管都被一對(duì)L293B輸出引腳控制。上文中提出通過(guò)對(duì)OUTPUT引腳高低電平的控制來(lái)控制電動(dòng)的正反轉(zhuǎn)，一對(duì)OUTPUT引腳又分別正向和反向與一個(gè)二極管并聯(lián)，由于二極管的單向?qū)щ娦?，OUTPUT的輸出也控制著二極管的工作。例如OUT1為1，OUT2為0時(shí)，電動(dòng)機(jī)1正轉(zhuǎn)，此時(shí)D3發(fā)光;反之D2發(fā)光。設(shè)定電動(dòng)機(jī)1為左電動(dòng)機(jī)時(shí)，此時(shí)設(shè)定右電動(dòng)機(jī)也正轉(zhuǎn)，且D

15、5發(fā)光，小車將右轉(zhuǎn)。因此可以把D2安裝在小車前部右側(cè)，D5安裝在小車后部右側(cè)，則指示出小車右轉(zhuǎn)。因此在設(shè)計(jì)中合理的擺放發(fā)光二極管的位置，就可以時(shí)間小車具有轉(zhuǎn)向指示功能。33 超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)作為機(jī)器人的“眼睛”，超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)非常重要。機(jī)器人自主能力的好壞，取決于它對(duì)環(huán)境的識(shí)別能力?？梢杂糜跈C(jī)器人的傳感器種類有很多。機(jī)器人傳感技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)器人水平高低的標(biāo)志，國(guó)外和國(guó)內(nèi)都加大了投入力度，各種機(jī)器人傳感器也都相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)。因計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信息傳輸和處理速度大大提高，各種現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)由過(guò)去的理論狀態(tài)轉(zhuǎn)為實(shí)用狀態(tài)，機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)越來(lái)越發(fā)達(dá)。本設(shè)計(jì)采用視覺(jué)傳感器來(lái)處理機(jī)器人的環(huán)

16、境的識(shí)別問(wèn)題，機(jī)器人視覺(jué)是通過(guò)安裝在移動(dòng)機(jī)器人上的攝像頭或者超聲波紅外等距離傳感器來(lái)獲取環(huán)境信息。超聲波與紅外距離傳感器在信號(hào)處理上對(duì)圖像處理的數(shù)據(jù)較少，無(wú)論采用什么算法，其運(yùn)算時(shí)間都可以忽略掉。超聲波傳感器存在盲區(qū)，大約才10cm左右，但是其探測(cè)距離遠(yuǎn)，范圍大；紅外距離傳感器無(wú)盲區(qū)，探測(cè)距離近，響應(yīng)時(shí)間快于超聲波傳感器。這兩種傳感器主要用于機(jī)器人自主避障。使用時(shí)，一般來(lái)說(shuō)超聲波傳感器用用移動(dòng)速度快、體型大的機(jī)器人，紅外線傳感器用于速度小、體型小的機(jī)器人，也可結(jié)合使用。3.3.1 超聲波的工作原理市面上常見(jiàn)的超聲波傳感器多為開(kāi)放型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，一個(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上

17、。該復(fù)合式振動(dòng)器是由諧振器以及一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集子啊振動(dòng)器的中央部位。當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這個(gè)原理，當(dāng)給由兩片壓電陶 圖3-6 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（a） 超聲波發(fā)射器；（b）超聲波接收器1- 外殼；2-金屬絲網(wǎng)罩；3-雛形共振罩；4-壓電晶片； 5-引線端子；6-阻抗匹配器。個(gè)電信號(hào)，就瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相

18、反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲波振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。本設(shè)計(jì)選用探頭是40KHz的收發(fā)體式超聲波傳感器UCM40T。3.3.2 “視覺(jué)”方案的設(shè)計(jì)正確的判斷前方環(huán)境是機(jī)器人自主運(yùn)行的重要條件，對(duì)于超聲波傳感器模塊的安裝放哪呢主要可分為固定式和搖頭式兩種。第一種方案是把超聲波模塊固定安裝在機(jī)器人前方，機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，如果前方有障礙物時(shí)能夠立刻檢測(cè)到，對(duì)于兩側(cè)的障礙物，機(jī)器人原地左右旋轉(zhuǎn)進(jìn)行障礙物檢測(cè)。第二章方案采用舵機(jī)，把超聲波模塊安裝在舵機(jī)上，機(jī)器人移動(dòng)時(shí)舵機(jī)左右搖擺，超聲波模塊隨著前方左右方向不停的檢測(cè)障礙物，從而使機(jī)器人沿著無(wú)障礙物的方向

19、行走。以上兩種方案第一種方案，機(jī)器人行走是間斷的，只能90°的旋向，但機(jī)器人行走穩(wěn)定：第二種方案機(jī)器人可以連續(xù)的行走，但如果沒(méi)有精確滴控制轉(zhuǎn)向，機(jī)器人容易搖擺。根據(jù)超聲波傳感器測(cè)距原理發(fā)射波與反射波必須子啊同一條直線上或者夾角比較小時(shí)，測(cè)距才能成功。當(dāng)發(fā)射波與反射波之間的夾角過(guò)大時(shí)，超聲波模塊接收不到信號(hào)造成測(cè)距失敗。第一種方案下，由于機(jī)器人只能90°的旋轉(zhuǎn)，在復(fù)雜的環(huán)境下，容易出現(xiàn)測(cè)距失敗，造成機(jī)器人對(duì)環(huán)境的識(shí)別出現(xiàn)差錯(cuò)。而第二章方案超聲波測(cè)距模塊視角較廣，對(duì)環(huán)境的識(shí)別能力比較強(qiáng)，測(cè)距失敗現(xiàn)象減少。本設(shè)計(jì)中由于主芯片AT89S51功能引腳限制采用了第一種方案，對(duì)其容易出現(xiàn)

20、的現(xiàn)象的解決辦法可以采用在機(jī)器人兩側(cè)分別安裝一個(gè)紅外線傳感器，紅外線傳感器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試放別等優(yōu)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)紅外線對(duì)兩側(cè)的障礙物的檢測(cè)來(lái)控制機(jī)器人左右微旋，從而避開(kāi)兩個(gè)障礙物相撞。3.4 數(shù)碼距離顯示模塊的3.4.1 障礙物距離計(jì)算原理通過(guò)測(cè)量超聲波經(jīng)反射放大后到達(dá)接收端得時(shí)間與發(fā)射時(shí)間之差，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，稱為TOF（Time of Flight）方法，也叫時(shí)間渡越法。時(shí)間渡越法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，被廣泛的應(yīng)用于聲學(xué)測(cè)距系統(tǒng)。工作過(guò)程如下：首先利用單片機(jī)引腳P3.0口輸出一個(gè)40KHz的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)通過(guò)TRIG引腳輸入到超聲波測(cè)距模塊，然后超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，與此同時(shí)單片機(jī)通

21、過(guò)內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1清零后開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物并返回發(fā)射波。當(dāng)接收器接收到反射波后通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)回應(yīng)信號(hào)并通過(guò)ECHO腳反饋給單片機(jī)P3.2口，使單片機(jī)立即停止時(shí)，于是獲得超聲波往返時(shí)間t。由于超聲波在空氣中的傳播速度v約為344m/s（20°），就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的距離，即：L=vt/2。（因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)不做精確距離計(jì)算，空氣溫度對(duì)聲速的影響較小，因此忽略該誤差。）3.4.2 數(shù)碼管顯示原理數(shù)碼管有一位、雙位、四位等幾種。而不管將幾位數(shù)碼管連在一起，數(shù)碼管和顯示原理都是一樣的，都是靠點(diǎn)亮內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光。數(shù)碼管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖所示：從（a）可看

22、出，一位數(shù)碼管的引腳數(shù)是10個(gè)，顯示一個(gè)8字需要7個(gè)小段，另外還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，所以其內(nèi)部一共有8個(gè)小的發(fā)光二極管，最后還有一個(gè)公共端，生產(chǎn)商為了封裝統(tǒng)一，單位數(shù)碼管都封裝I0個(gè)引腳。而它們的公共端又分為共陽(yáng)極個(gè)共陰極。上頁(yè)圖的（b）和（c）分別為共陽(yáng)極和共陰極數(shù)碼管的原理圖。本設(shè)計(jì)采用的數(shù)碼管是4位共陰極數(shù)碼管。所謂“共陰”就是知其內(nèi)部的8干擾法官二極管的陰極全部接在一起，而它們的陽(yáng)極是獨(dú)立的，通常在設(shè)計(jì)電路時(shí)一般把陰極接GND，當(dāng)我們給數(shù)碼管的人一個(gè)陽(yáng)極加高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的那個(gè)發(fā)光二極管就點(diǎn)亮了。當(dāng)使用多位一體數(shù)碼管時(shí)，它們內(nèi)部的公共端是獨(dú)立的，而負(fù)責(zé)顯示什么數(shù)字的段線全部都是連在一起的，獨(dú)立

23、的公共端可以控制多位數(shù)碼管中哪一位點(diǎn)亮。通常我們把公共端叫做“位選線”，連在一起的段線叫做“段選線”。3.4.3 74LS573鎖存器的應(yīng)用74HC673八進(jìn)制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器高性能硅門CMOS器件。器件的輸入是和標(biāo)磚CMOS輸出兼容的，加上拉電阻，它們能和LS/ALSTTL輸出兼容。當(dāng)鎖存使能端為高時(shí)，這些器件的鎖存對(duì)于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說(shuō)輸出同步）。當(dāng)鎖存使能變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存。74HC573芯片特性如下：輸出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上操作電壓范圍：2.0V6.0V低輸入電流：1.0ACMOS器件的高噪音低抗特性其引腳如圖3-7所示圖3-7 7

24、4HC573引腳邏輯表如表3-3所示：表3-3 74HC573邏輯表輸入輸出輸出使能鎖存使能DQLHHHLHLLLLX不變HXXZX=不用關(guān)心Z=高阻抗3.5 蜂鳴器分類蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。從結(jié)構(gòu)上分為壓電式與電磁式蜂鳴器：（1）壓電式蜂鳴器：壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、 外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹

25、鋼片粘在一起。（2）電磁式蜂鳴器：電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地震動(dòng)發(fā)聲。從工作方式分為有源蜂鳴器與無(wú)源蜂鳴器：（1）有源蜂鳴器：有源蜂鳴器內(nèi)置振蕩電路，直接加電源可以正常發(fā)聲，通常頻率固定。 （2）無(wú)源蜂鳴器：無(wú)源蜂鳴器內(nèi)部不存在振蕩電路，必須通過(guò)外部的正弦或方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，直接加電源只能發(fā)出輕微的震動(dòng)聲。由于本設(shè)計(jì)中的報(bào)警要求較簡(jiǎn)單，因此采用有源電磁式蜂鳴器。3.5.1 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)由于單片機(jī)I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以需要通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。如圖3-8所示，Q1為驅(qū)動(dòng)三極管，R7為限流電阻，通過(guò)單片機(jī)的P2.0口控