導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇單片機(jī)理論論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

我所做的單片機(jī)串行通信發(fā)射機(jī)主要在實(shí)驗(yàn)室完成,參考有關(guān)的書(shū)籍和資料，個(gè)人完成電路的設(shè)計(jì)、焊接、檢查、調(diào)試，再根據(jù)自己的硬件和通信協(xié)議用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)發(fā)射和顯示程序，然后加電調(diào)試，最終達(dá)到準(zhǔn)確無(wú)誤的發(fā)射和顯示。在這過(guò)程中需要選擇適當(dāng)?shù)脑侠淼碾娐穲D扎實(shí)的焊接技術(shù)，基本的故障排除和糾正能力，會(huì)使用基本的儀器對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試，會(huì)熟練的運(yùn)用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序，會(huì)用相關(guān)的軟件對(duì)自己的程序進(jìn)行翻譯，并燒進(jìn)芯片中，要與對(duì)方接收機(jī)統(tǒng)一通信協(xié)議，要耐心的反復(fù)檢查、修改和調(diào)試，直到達(dá)到預(yù)期目的。

單片機(jī)串行通信發(fā)射機(jī)采用串行工作方式，發(fā)射并顯示兩位數(shù)字信息，既顯示00-99，使數(shù)據(jù)能夠在不同地方傳遞。硬件部分主要分兩大塊，由AT89C51和多個(gè)按鍵組成的控制模塊，包括時(shí)鐘電路、控制信號(hào)電路，時(shí)鐘采用6MHZ晶振和30pF的電容來(lái)組成內(nèi)部時(shí)鐘方式，控制信號(hào)用手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制，P1口來(lái)控制，P2、P3口產(chǎn)生信號(hào)并通過(guò)共陽(yáng)極數(shù)碼管來(lái)顯示，軟件采用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，發(fā)射程序在通信協(xié)議一致的情況下完成數(shù)據(jù)的發(fā)射，同時(shí)顯示程序?qū)Πl(fā)射的數(shù)據(jù)加以顯示。

畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是了解基本電路設(shè)計(jì)的流程，豐富自己的知識(shí)和理論，鞏固所學(xué)的知識(shí)，提高自己的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑥亩邆湟欢ǖ脑O(shè)計(jì)能力。

我做得的畢業(yè)設(shè)計(jì)注重于對(duì)單片機(jī)串行發(fā)射的理論的理解，明白發(fā)射機(jī)的工作原理，以便以后單片機(jī)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和研制打下基礎(chǔ)，提高自己的設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，豐富自己的知識(shí)理論，做到理論和實(shí)際結(jié)合。本課題的重要意義還在于能在進(jìn)一步層次了解單片機(jī)的工作原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。理解單片機(jī)的接口技術(shù)，中斷技術(shù)，存儲(chǔ)方式，時(shí)鐘方式和控制方式，這樣才能更好的利用單片機(jī)來(lái)做有效的設(shè)計(jì)。

我的畢業(yè)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，硬件部分和軟件部分。硬件部分介紹：?jiǎn)纹瑱C(jī)串行通信發(fā)射機(jī)電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)AT89C51的功能和其在電路的作用。介紹了AT89C51的管腳結(jié)構(gòu)和每個(gè)管腳的作用及各自的連接方法。AT89C51與MCS-51兼容，4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，壽命：1000次可擦，數(shù)據(jù)保存10年，全靜態(tài)工作：0HZ-24HZ，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，128*8位內(nèi)部RAM，32跟可編程I/O線(xiàn)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，5個(gè)可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)震蕩和時(shí)鐘電路，P0和P1可作為串行輸入口，P3口因?yàn)槠涔苣_有特殊功能，可連接其他電路。例如P3.0RXD作為串行輸出口，其中時(shí)鐘電路采用內(nèi)時(shí)鐘工作方式，控制信號(hào)采用手動(dòng)控制。數(shù)據(jù)的傳輸方式分為單工、半雙工、全雙工和多工工作方式；串行通信有兩種形式，異步和同步通信。介紹了串行串行口控制寄存器，電源管理寄存器PCON，中斷允許寄存器IE，還介紹了數(shù)碼顯示管的工作方式、組成，共陽(yáng)極和共陰極數(shù)碼顯示管的電路組成，有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)顯示兩種方式，說(shuō)明了不同顯示方法與單片機(jī)的連接。再后來(lái)還介紹了硬件的焊接過(guò)程，及在焊接時(shí)遇到的問(wèn)題和應(yīng)該注意的方面。硬件焊接好后的檢查電路、不裝芯片上電檢查及上電裝芯片檢查。軟件部分：在了解電路設(shè)計(jì)原理后，根據(jù)原理和目的畫(huà)出電路流程圖，列出數(shù)碼顯示的斷碼表，計(jì)算波特率，設(shè)置串行口，在與接受機(jī)設(shè)置相同的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上編寫(xiě)顯示和發(fā)射程序。編寫(xiě)完程序還要進(jìn)行編譯，這就必須會(huì)使用編譯軟件。介紹了編譯軟件的使用和使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，及在編譯后燒入芯片使用的軟件PLDA，后來(lái)的加電調(diào)試，及遇到的問(wèn)題，在沒(méi)問(wèn)題后與接受機(jī)連接，發(fā)射數(shù)據(jù)，直到對(duì)方準(zhǔn)確接收到。在軟件調(diào)試過(guò)程中將詳細(xì)介紹調(diào)試遇到的問(wèn)題，例如：通信協(xié)議是否相同，數(shù)碼管是否與芯片連接對(duì)應(yīng)，計(jì)數(shù)器是否開(kāi)始計(jì)數(shù)等。

我所設(shè)計(jì)的單片機(jī)串行接口現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到無(wú)線(xiàn)收發(fā)的階段，本文參考無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分就是參考南華大學(xué)黃智偉、朱衛(wèi)華的《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》一文，該串行無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，可方便地在單片機(jī)與單片機(jī)之間，構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸通道。單片機(jī)無(wú)線(xiàn)串行接口電路由MICRF102單片發(fā)射器芯片、MICRF007單片接收器芯片組成，工作在300~440MHzISM頻段；具有ASK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制應(yīng)用；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；接收靈敏度高達(dá)－96dBm，最大發(fā)射功率達(dá)－2.5dBm；數(shù)據(jù)速率可達(dá)2Kb/s；低工作電壓：4.75~5.5V；功耗低，接收時(shí)電流3mA，發(fā)射時(shí)電流7.75mA，接收待機(jī)狀態(tài)僅為0.5μA，發(fā)射待機(jī)狀態(tài)僅為1.0μA；可用于單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，也可在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、遙測(cè)遙控等系統(tǒng)中應(yīng)用。

最后介紹了畢業(yè)設(shè)計(jì)做完后的結(jié)論以及自己的心得體會(huì)。

2硬件

2.1硬件的基本組成：

單片機(jī)89C51、6M晶震、30pF電容、22uf/10V電容、1K電阻、共陽(yáng)極數(shù)碼顯示管、按鍵。

2.2電路圖

（見(jiàn)附錄A）

2.3硬件介紹

2.3.1單片機(jī)概述

單片機(jī)也被稱(chēng)作“單片微型計(jì)算機(jī)”、“微控制器”、“嵌入式微控制器”。單片機(jī)一詞最初是源于“SingleChipMicrocomputer”,簡(jiǎn)稱(chēng)SCM。隨著SCM在技術(shù)上、體系結(jié)構(gòu)上不斷擴(kuò)展其控制功能，單片機(jī)已不能用“單片微型計(jì)算機(jī)”來(lái)表達(dá)其內(nèi)涵。國(guó)際上逐漸采用“MCU”(MicroControllerUnit)來(lái)代替，形成了單片機(jī)界公認(rèn)的、最終統(tǒng)一的名詞。為了與國(guó)際接軌，以后應(yīng)將中文“單片機(jī)”一詞和“MCU”唯一對(duì)應(yīng)解釋。在國(guó)內(nèi)因?yàn)椤皢纹瑱C(jī)”一詞已約定俗成，故而可繼續(xù)沿用。

2.3.1.1單片機(jī)的發(fā)展歷史

如果將8位單片機(jī)的推出作為起點(diǎn)，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個(gè)階段：

第一階段（1976—1978）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領(lǐng)域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola、Zilog等。都取得了滿(mǎn)意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單片機(jī)”一詞即由此而來(lái)。

第二階段（1978—1982）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的完善階段。Intel公司在MCS-48基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列MCS-51。它在以下幾個(gè)方面奠定了典型的通用總線(xiàn)型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

1.完善的外部總線(xiàn)。MCS-51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)、16位地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)及具有多機(jī)通信功能的串行通信接口。

2.CPU功能單元的集中管理模式。

3.體現(xiàn)工控特性的地址空間及位操作方式。

4.指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。

第三階段（1982—1990）：8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機(jī)，將一些用于測(cè)控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。

第四階段（1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域全面、深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位/16位/32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專(zhuān)用型單片機(jī)。

2.3.1.2單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，今后單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗化、低電壓化、低噪聲與高可靠性、大容量化、高性能化、小容量、低價(jià)格化、電路內(nèi)裝化和串行擴(kuò)展技術(shù)。隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小和功能將更強(qiáng)。

2.3.1.3單片機(jī)的特點(diǎn)

單片機(jī)主要有如下特點(diǎn)：

1.有優(yōu)異的性能價(jià)格比。

2.集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線(xiàn)，大大提高了單片機(jī)的可靠性和抗干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。

3.制功能強(qiáng)。為了滿(mǎn)足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。

4.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。

5.外部總線(xiàn)增加了I2C（Inter-IntegratedCircuit）及SPI(SerialPeripheralInterface)等串行總線(xiàn)方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

6.單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。

2.3.1.4單片機(jī)的應(yīng)用

由于單片機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類(lèi)生活的得力助手。它的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用

2.單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用

3.單片機(jī)在實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用

4.單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

5.單片機(jī)在人類(lèi)生活中的應(yīng)用

單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面，另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)了。這種用軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱(chēng)為微控制技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。

A：由單片機(jī)組成控制器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)：

單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一個(gè)重要分支，是把構(gòu)成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的主要部件如中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM/ROM)和各種功能I/O接口集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)(SingleChipMicroComputer),簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī).由于它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的,且近年來(lái)單片機(jī)著力擴(kuò)展了各種控制功能如A/D、PWM等,因此我們更多時(shí)候稱(chēng)其為一個(gè)單片形態(tài)的微控制器(SingleChipMicroController),或直接稱(chēng)其為微控制器(MicroController)。

B：用單片機(jī)組成的微機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

1.受集成度限制,片內(nèi)存儲(chǔ)器容量較小,一般片內(nèi)ROM小于4—8K字節(jié),片內(nèi)RAM小于256字節(jié);但可在外部進(jìn)行擴(kuò)展,如MCS—51系列單片機(jī)的片外可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)可分別擴(kuò)展至64K字節(jié)。

2.可靠性高。單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)控制環(huán)境要求設(shè)計(jì)的,其抗工業(yè)噪聲的能力優(yōu)于一般通用CPU;程序指令及其常數(shù)、表格固化在ROM中不易破壞;常用信號(hào)通道均在一個(gè)芯片內(nèi),故可靠性高。

3.易擴(kuò)展。片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必須的部件,芯片外部有許多供擴(kuò)展用的總線(xiàn)及并行、串行輸入/輸出端口,很容易構(gòu)成各種規(guī)模的微機(jī)控制系統(tǒng)。

4.控制功能強(qiáng)。為了滿(mǎn)足工業(yè)控制要求,單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。一般來(lái)說(shuō),單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微處理器。

5.一般的單片機(jī)內(nèi)無(wú)監(jiān)控程序或系統(tǒng)管理軟件,軟件開(kāi)發(fā)工作量大。但近年來(lái)已開(kāi)始出現(xiàn)了片內(nèi)固化有BASIC解釋程序及FROTH操作系統(tǒng)的單片機(jī),使單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提高了一個(gè)新水平。

此外,單片機(jī)成本低、集成度高、控制功能多,可靈活地組裝成各種智能控制裝置,并能有針對(duì)性設(shè)計(jì)成專(zhuān)用系統(tǒng),解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種需要,實(shí)現(xiàn)最佳的性?xún)r(jià)比。特別是單片機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合,使原有機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、控制智能化。如數(shù)控機(jī)床就是典型實(shí)例。近年來(lái),單片機(jī)發(fā)展極快,其產(chǎn)量占微機(jī)產(chǎn)量的70%以上。目前，至少有50個(gè)系列400余種機(jī)型，性能和結(jié)構(gòu)各不相同,INTEL、MOTOROLA、ZILCG等公司都有系列單片微型計(jì)算機(jī)。國(guó)內(nèi)普及的幾乎都是INTEL公司的產(chǎn)品。

篇2

1.1概念

電子臺(tái)歷對(duì)于人們來(lái)說(shuō)并不陌生,是日常生活中的一種計(jì)時(shí)工具,顯示內(nèi)容比較具體,包括:年、月、秒等,以其自身精確、使用方便等優(yōu)勢(shì)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。在電子臺(tái)歷使用過(guò)程中,能夠在兩個(gè)方面體現(xiàn)其特點(diǎn),一方面,能夠與軟、硬件更新同步,為人們提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù),具有實(shí)時(shí)性特點(diǎn);另一方面,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要是將單片機(jī)作為基礎(chǔ),與LED顯示電路等構(gòu)成,而且在特殊環(huán)境影響下,能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試,極大地提高了工作效率。

1.2設(shè)計(jì)原理

電子臺(tái)歷軟件主要包括程序初始化、按鍵檢測(cè)等,硬件則為單片機(jī),由于單片機(jī)芯片接口數(shù)量較多,在實(shí)際應(yīng)用中比較復(fù)雜。誠(chéng)然,電子臺(tái)歷體積小,但是,其內(nèi)部系統(tǒng)包含電源電路、時(shí)鐘等部件,能夠確保其穩(wěn)定、正常運(yùn)行,另外,在其設(shè)計(jì)中,臺(tái)歷前板顯示屏幕是價(jià)格比較昂貴的數(shù)碼管液晶顯示器,能夠有效突破傳統(tǒng)僅能夠顯示一種字體的弊端,通過(guò)這種設(shè)計(jì),不僅能夠滿(mǎn)足個(gè)性化需求,有效節(jié)約成本,還能夠提高電子臺(tái)歷市場(chǎng)占有率。目前,Proteus系統(tǒng)電子臺(tái)歷應(yīng)用范圍比較廣泛。

2在電子信息中單片機(jī)電子臺(tái)歷的應(yīng)用

2.1激發(fā)學(xué)生興趣,挖掘創(chuàng)新潛能

傳統(tǒng)教學(xué)主要采用標(biāo)準(zhǔn)模塊,學(xué)生被動(dòng)地在課前對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí),并將事先編好的程序錄入系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證即可,在很大程度上寫(xiě)弱了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和熱情,而單片機(jī)教學(xué)不同,學(xué)生在教師引導(dǎo)下,可以利用單片機(jī)軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),有效激發(fā)學(xué)生興趣,拓展學(xué)生思維,能夠深入挖掘創(chuàng)新潛能。另外,該技術(shù)自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、學(xué)生操作難度較低,能夠?yàn)閷W(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)提供支持,不僅能夠優(yōu)化教學(xué),提升教學(xué)有效性,還能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和熱情。

2.2豐富教學(xué)內(nèi)容,拓展知識(shí)范圍

電子信息工程作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)的重要組成部分,是適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ),在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展影響下,電子信息技術(shù)已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛推廣和普及,在推動(dòng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面具有重要作用。傳統(tǒng)電子信息工程中的設(shè)計(jì)與運(yùn)用,已經(jīng)不能夠更好地幫助學(xué)生參與現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展,特別是在單片機(jī)在人們生活中的應(yīng)用,使得人們對(duì)電子信息工程提出了更高的要求情況下。因此,將單片機(jī)技術(shù)引入教學(xué)中成為未來(lái)主要趨勢(shì),在教學(xué)中滲透,不僅能夠豐富教學(xué)內(nèi)容,豐富知識(shí)范圍,還能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力,提升自身專(zhuān)業(yè)技能。在實(shí)際教學(xué)中,教師要認(rèn)識(shí)到單片機(jī)添加到教學(xué)中的重要性,并引導(dǎo)學(xué)生全面、系統(tǒng)了解和掌握單片機(jī)知識(shí),從而推動(dòng)電子信息工程實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

2.3提供實(shí)驗(yàn)素材,培養(yǎng)綜合能力

電子信息工程發(fā)展過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)在促進(jìn)其不斷發(fā)展中占據(jù)不可替代的重要位置,傳統(tǒng)教學(xué)中,教師普遍將理論知識(shí)的傳授作為課堂教學(xué)核心,在很大程度上限制學(xué)生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力,無(wú)法真正理解和掌握單片機(jī)技術(shù)相關(guān)內(nèi)容,為了能夠突破傳統(tǒng)單一模式的缺陷,教師可以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)并掌握此設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí),例如:臺(tái)歷結(jié)構(gòu)等,并將單片機(jī)在電子臺(tái)歷中的運(yùn)用作為實(shí)驗(yàn)課題,圍繞實(shí)踐操作進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,教師通過(guò)正確引導(dǎo),使得學(xué)生在體會(huì)實(shí)驗(yàn)的同時(shí),扎實(shí)的掌握基礎(chǔ)知識(shí),從而為進(jìn)一步開(kāi)展電子信息工程教學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。除此之外,教師還需要放手讓學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身存在的不足之處,參照原始實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比,加以調(diào)整和優(yōu)化,提高學(xué)習(xí)效率。通過(guò)這種方式,不僅能夠使得學(xué)生更好地掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí),豐富知識(shí)面,還能夠有效培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)等綜合能力,從而進(jìn)一步挖掘電子信息工程。

篇3

電氣工程及自動(dòng)化

基于單片機(jī)的風(fēng)扇速度控制設(shè)計(jì)

一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義

單片機(jī)因其體積小，抗干擾能力強(qiáng)、而且使用靈活方便，成本低等特點(diǎn)，它的應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其是他強(qiáng)大的面向控制能力，已深入工業(yè)控制、軍事裝置、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。單片機(jī)按照應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，可分為總線(xiàn)方式和非總線(xiàn)方式。采用總線(xiàn)方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬于較復(fù)雜的系統(tǒng)，比如智能儀表、工控系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等。非總線(xiàn)方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬于小型控制。按照應(yīng)用范圍的不同，可分為通用型和專(zhuān)用型。

目前我國(guó)普遍采用4位、8位或16位，對(duì)于單片機(jī)還處于低檔的應(yīng)用，而對(duì)于那些宏單片機(jī)、DSP等高檔的應(yīng)用還是空白。而國(guó)外很多公司都推出了自己的單片機(jī)系列，如Intel公司推出的MCS-96/196系列，Rockwell公司的6501、6502，日立公司的H8/3048系列等。目前單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有以下四大領(lǐng)域：一是家用電器業(yè)。單片機(jī)個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合，構(gòu)成新型的機(jī)、電、儀一體化產(chǎn)品，如洗衣機(jī)、電腦空調(diào)機(jī)等。二是通訊行業(yè)。最有代表性的就是手機(jī)。三是智能儀表應(yīng)用。單片機(jī)的體積小、成本低、控制力強(qiáng)等特點(diǎn)，使儀器儀表重量大大減輕，又有很高的性?xún)r(jià)比，如數(shù)字式RLC測(cè)量?jī)x。四的在計(jì)算機(jī)外設(shè)中的應(yīng)用。如在接口中采用單片機(jī)進(jìn)行控制管理、數(shù)據(jù)采集、多路分配管理等。

我國(guó)在將來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，8位單片機(jī)還將是主流產(chǎn)品，因?yàn)?位單片機(jī)很好用，有豐富的功能，現(xiàn)在無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都還是以8位為主。4位單片機(jī)由于功耗較低，在國(guó)內(nèi)也有一定的市場(chǎng)比例。目前世界各國(guó)的單片機(jī)發(fā)展各有不同。美國(guó)單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要是從8位到16位和DSP過(guò)度，歐洲等國(guó)家單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)，因此仍以8位為主，主要以功能和運(yùn)行速度的發(fā)展為主。我國(guó)對(duì)于單片機(jī)的需要目前主要是家電類(lèi)等消費(fèi)品為主，8位單片機(jī)有很大的市場(chǎng)分額和發(fā)展空間。國(guó)內(nèi)也急需這方面的人才。

盡管單片機(jī)的發(fā)展迅速，其發(fā)展方向不外忽以下幾點(diǎn)：一是微型單片化。現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍向小型化、輕型化發(fā)展，就需要單片機(jī)在在原有的多功能、低功耗的前提下，集成更多的元件，如看門(mén)狗（Watchdog）、LCD控制器等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，片上系統(tǒng)（SOC）的發(fā)展前景很好。二是低功耗CMOS化。現(xiàn)在單片機(jī)的功耗普遍在100mW左右，許多生產(chǎn)廠家采用CMOS工藝，使單片機(jī)更適合在電池供電場(chǎng)合，今后也是單片機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。三是大容量、高性能化。隨著CPU的發(fā)展，單片機(jī)的處理數(shù)據(jù)能力大大提高，內(nèi)部時(shí)序也加以改善，ROM的存儲(chǔ)容量也大大提高，又加入了低噪聲技術(shù)，加強(qiáng)了中斷、定時(shí)控制。四是在接口方向的發(fā)展。現(xiàn)在許多新型單片機(jī)的接口，從類(lèi)型和數(shù)量上有了很大的發(fā)展，如有些可以直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示管LCD、有些可以直接輸出大電流和高電壓等。

21世紀(jì)是“數(shù)字化”的時(shí)代，單片機(jī)的發(fā)展有著翻天覆地的變化，各種型號(hào)、功能的單片機(jī)應(yīng)用于人們生產(chǎn)和生活中的各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)的發(fā)展逐漸取代了由傳統(tǒng)模擬電路作為電機(jī)的控制器，因此單片機(jī)在家電方面的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，比如電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)等。+電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)電裝置。1821年英國(guó)科學(xué)家法拉第首先提出電動(dòng)機(jī)原理。1834年，德國(guó)的雅可比第一個(gè)發(fā)明了直流電動(dòng)機(jī)。1879年，西門(mén)子公司用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電車(chē)。1888年發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動(dòng)機(jī)。1902年瑞典的工程師丹尼爾森首先提出同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)想。至今為止，電動(dòng)機(jī)發(fā)展迅速，電機(jī)理論、設(shè)計(jì)及制造工藝得到逐步的完善和提高，廣泛應(yīng)用與現(xiàn)代的各種機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域。如在機(jī)械制造工業(yè)、輕重型制造工業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，電動(dòng)機(jī)以不同的種類(lèi)和功能發(fā)揮著重要的作用?？梢赃@么說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)使社會(huì)生產(chǎn)力大大提高，促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展。

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及日常生活中起著越來(lái)越重要的作用，因此，對(duì)電機(jī)調(diào)速的研究有著積極的意義.長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)中，而且一直在調(diào)速領(lǐng)域占居主導(dǎo)地位，這主要是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)不僅調(diào)速方便，而且在磁場(chǎng)一定的條件下，轉(zhuǎn)速和電樞電壓成正比，轉(zhuǎn)矩容易被控制；同時(shí)具有良好的起動(dòng)性能，能較平滑和經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)速度。因此采用直流電機(jī)調(diào)速可以得到良好的動(dòng)態(tài)特性。由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起、制動(dòng)性能，宜與在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在軋鋼機(jī)、礦井卷機(jī)、挖掘機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時(shí)間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流系統(tǒng)的基礎(chǔ)，長(zhǎng)期以來(lái)，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)一直在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占重要位置。

選取本課題的意義在于單片機(jī)的發(fā)展極為迅速，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，滲透到各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)生了極大的影響。研究單片機(jī)、學(xué)習(xí)單片機(jī)，是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，單片機(jī)有著其廣闊的發(fā)展空間和社會(huì)價(jià)值。通過(guò)研究用單片機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)射紅外線(xiàn)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制風(fēng)扇速度控制，能使使用者操作起來(lái)更加方便。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題：

1、單片機(jī)主芯片的選擇；

2、電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

3、遙控器的設(shè)計(jì)；

4、用數(shù)碼管顯示檔位；

5、PWM的產(chǎn)生；

6、按鍵開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。

三、研究步驟、方法及措施：

1、學(xué)校提供硬件材料、有關(guān)工具器件和實(shí)驗(yàn)制作場(chǎng)所；

2、查閱大量的相關(guān)資料和書(shū)籍；

3、與同類(lèi)的論章進(jìn)行對(duì)比，完善自己的設(shè)計(jì)思路；

4、系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)：發(fā)射部分和接收部分；

5、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)；

6、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

7、論文的修改及潤(rùn)色。

四、參考文獻(xiàn)

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篇4

論文摘要：介紹了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的多個(gè)措施，探討了如何通過(guò)強(qiáng)化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域一門(mén)迅速發(fā)展的技術(shù)，應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了電子工業(yè)的發(fā)展，無(wú)論在教育界還是在產(chǎn)業(yè)界，單片機(jī)技術(shù)的推廣仍然是一個(gè)熱點(diǎn)。目前，各個(gè)高校都建立了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，但是很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀卻不容樂(lè)觀。就我院而言，主要存在以下問(wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和時(shí)間不足。學(xué)生除了上實(shí)驗(yàn)課外，平時(shí)難得有機(jī)會(huì)實(shí)踐。（2）以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。實(shí)驗(yàn)室所配備的實(shí)驗(yàn)箱只能滿(mǎn)足驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的要求。由于實(shí)驗(yàn)箱是成品，學(xué)生很難參與到其中的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中去，學(xué)生的實(shí)踐能力很難得到鍛煉和提高，學(xué)生也很難建立起單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的整體概念。并且，這種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配置方式局限了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量，還存在設(shè)備維護(hù)工作量大的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。（3）由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備僅適用于某一系列的單片機(jī)，若開(kāi)設(shè)新的單片機(jī)課程，則需要重新配置實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增加了學(xué)校的投入。

為此，筆者進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的探索，提出了一些解決辦法。

建立開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)室管理模式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)實(shí)行開(kāi)放式管理，在不影響正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的前提下，面向全校學(xué)生，在課余時(shí)間向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)所需要的場(chǎng)所、儀器設(shè)備等。開(kāi)放范圍除了實(shí)驗(yàn)開(kāi)放項(xiàng)目、課程設(shè)計(jì)外，也包括學(xué)生興趣愛(ài)好、第二課堂活動(dòng)、創(chuàng)新活動(dòng)等。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)管理模式是在注重知識(shí)、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的同時(shí)，貫徹因材施教、注重個(gè)性培養(yǎng)的教學(xué)原則，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。在實(shí)施過(guò)程中，要注意實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不應(yīng)與教學(xué)計(jì)劃及教學(xué)大綱所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相重復(fù)，應(yīng)屬于課程教學(xué)內(nèi)容的拓展性實(shí)驗(yàn)；還要注意綜合性和針對(duì)性，強(qiáng)化基礎(chǔ)，拓寬知識(shí)覆蓋面，注重培養(yǎng)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。此外，還要根據(jù)科技的發(fā)展及其實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際工作，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)研究思維和建立工程概念的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的組織中要突出學(xué)生的自主性，要全方位體現(xiàn)以學(xué)生為主體的自主式學(xué)習(xí)方式。在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析處理等方面最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主體作用，教師布置任務(wù)、講解及指導(dǎo)等要點(diǎn)到為止，留有余地，給學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立操作、獨(dú)立分析、獨(dú)立解決問(wèn)題的空間，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

利用Proteus與Keil整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室Proteus是Labcenter公司推出的一款基于標(biāo)準(zhǔn)仿真引擎SPICE3F5的電路分析、實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)。該軟件有交互式動(dòng)畫(huà)仿真、基于圖形的仿真和基于微控制器的仿真等三種模式，其最大的特點(diǎn)就在于它能夠仿真單片機(jī)及其外圍芯片。Proteus軟件支持MCS-51及其派生系列、Motorola68HC11系列，以及AVR系列和PIC12、PIC16、PIC18系列的單片機(jī)。Proteus軟件支持的外圍器件有74LS373、8255、矩陣式鍵盤(pán)、LCD及多種A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。另外，用戶(hù)還可以建立新的元器件模型。對(duì)于MCS-51系列單片機(jī)而言，Proteus還能夠與Keilc51集成環(huán)境實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)同步調(diào)試。而Keil是德國(guó)開(kāi)發(fā)的一個(gè)51單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，是目前應(yīng)用最廣泛的、最重要的單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它的界面簡(jiǎn)單，操作容易。Keil的uVision2可以進(jìn)行純粹的軟件仿真，也可以利用硬件仿真器，搭接上單片機(jī)硬件電路，在仿真器中載入項(xiàng)目程序后進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。此外，還可以使用Keil Monitor-51在不需要額外硬件仿真器的條件下，搭接單片機(jī)硬件系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目程序進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。uVision調(diào)試器的調(diào)試功能也很豐富，具有常規(guī)源極調(diào)試、符號(hào)特性調(diào)試、歷史跟蹤，代碼覆蓋，復(fù)雜斷點(diǎn)等功能。構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室主要是利用Proteus進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)，用Keil進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。硬件電路的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面：系統(tǒng)擴(kuò)展（包括ROM、RAM、I/O口、定時(shí)器等功能單元的擴(kuò)展）和系統(tǒng)的配置（即根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行外圍設(shè)備的配置，如鍵盤(pán)、顯示器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、打印機(jī)等的接口電路的設(shè)計(jì)），通過(guò)該軟件的使用，可以使學(xué)生掌握硬件電路的設(shè)計(jì)方法。軟件設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用程序的編制、調(diào)試，使學(xué)生掌握軟件開(kāi)發(fā)的步驟、方法和技巧。而軟硬件的設(shè)計(jì)完成之后，還需要進(jìn)行系統(tǒng)的總調(diào)，將這兩大執(zhí)行環(huán)境組合起來(lái)構(gòu)成聯(lián)合的仿真系統(tǒng)，其中，KEIL作為軟件的調(diào)試界面，而Proteus作為硬件的仿真和調(diào)試界面。這樣，就可以像仿真器一樣調(diào)試程序了。

開(kāi)設(shè)大型綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力大型綜合的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要在學(xué)生完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之后視學(xué)生掌握程度而開(kāi)設(shè)，這個(gè)環(huán)節(jié)在整個(gè)單片機(jī)教學(xué)中非常重要，只有經(jīng)過(guò)完整的項(xiàng)目訓(xùn)練，學(xué)生才會(huì)建立起完整的系統(tǒng)的概念。學(xué)生需要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)上的要求（包括軟硬件的資源配置、實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到的效果）進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。這樣的訓(xùn)練可以將科技方法的訓(xùn)練、機(jī)電綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐內(nèi)容融合到大型綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，使原來(lái)分散的小規(guī)模設(shè)計(jì)和訓(xùn)練集成為一個(gè)大型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。此外，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，在學(xué)生參與下開(kāi)發(fā)一些應(yīng)用板，組成機(jī)電一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如我院已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這些訓(xùn)練可以使學(xué)生更加熟悉單片機(jī)的組成、工作原理、程序開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)的擴(kuò)展。更重要的是，學(xué)生可以積累自己實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)工程意識(shí)，為將來(lái)順利進(jìn)入實(shí)際的工程環(huán)境打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

建立單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是近距離的，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺，設(shè)備普遍比較昂貴，加之時(shí)間和空間上的限制，已成為制約教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。為滿(mǎn)足培養(yǎng)具有高素質(zhì)創(chuàng)新人才的要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要不斷地進(jìn)行改革，實(shí)驗(yàn)要向綜合型、設(shè)計(jì)型轉(zhuǎn)變，但這種新型教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)必須有高技術(shù)化的手段和條件支持，因而網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用的大趨勢(shì)。單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是針對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)而開(kāi)發(fā)的內(nèi)容全面、結(jié)構(gòu)完整的單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建基于Internet遠(yuǎn)程智能化虛擬系統(tǒng)，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特有優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)與交流不受時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的限制，甚至可以聯(lián)機(jī)協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以圖形、文字、動(dòng)畫(huà)等方式呈現(xiàn)在客戶(hù)端的瀏覽器上，具有較強(qiáng)的交互性和真實(shí)性。同時(shí)，也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性，有助于提高分散教學(xué)資源的利用率，形成科學(xué)的實(shí)驗(yàn)管理體系。單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室可作為傳統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充模式。我院在設(shè)計(jì)中采用服務(wù)器和客戶(hù)端模式，可以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與服務(wù)器的交互通訊。我院自主開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，學(xué)生只需到我院的網(wǎng)站注冊(cè)一個(gè)用戶(hù)名并下載客戶(hù)端，便可以在自己的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。

以電子技術(shù)競(jìng)賽為契機(jī)，深化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革課程與教學(xué)改革一直是高職院校所關(guān)注的熱門(mén)話(huà)題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的效果直接影響著應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。目前，以單片機(jī)控制技術(shù)為核心的電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域之廣是其他技術(shù)無(wú)法比擬的。但是學(xué)校教學(xué)內(nèi)容卻滯后于科技的高速發(fā)展。在高職院校開(kāi)展電子技術(shù)競(jìng)賽正是解決這一問(wèn)題的有效途徑。競(jìng)賽有力地促進(jìn)了專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容的整合和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新。一方面，所有參加競(jìng)賽的學(xué)生都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的賽前培訓(xùn)和賽中訓(xùn)練，學(xué)生普遍反映受益匪淺。實(shí)踐證明，這樣的學(xué)生在就業(yè)時(shí)也普遍受到企業(yè)青睞。此外，為了能夠使沒(méi)有參賽的學(xué)生也得到同樣的訓(xùn)練，我院還開(kāi)設(shè)了電子專(zhuān)業(yè)課程的設(shè)計(jì)訓(xùn)練課程，作為傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充。課程完全按照電子競(jìng)賽的要求進(jìn)行。這樣的訓(xùn)練有效地提高了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和綜合素質(zhì)。另一方面，以競(jìng)賽為契機(jī)，改革單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法。由于競(jìng)賽中涉及的單片機(jī)內(nèi)容能夠跟隨科技發(fā)展的步伐，競(jìng)賽的題目具有實(shí)際意義，所以對(duì)目前的單片機(jī)理論教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革起了一定的引導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉映群. Proteus與Keil整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2005，（8）:26-28.

篇5

1.1 選題研究背景、目的及意義

1.1.1 課題研究背景

本課題屬于設(shè)計(jì)性課題。21世紀(jì)人類(lèi)已進(jìn)入信息社會(huì)，汽車(chē)及交通也已邁入信息時(shí)代。當(dāng)前信息技術(shù)在汽車(chē)及交通領(lǐng)域中的應(yīng)用項(xiàng)目相當(dāng)多，發(fā)展速度可以說(shuō)是“日新月異”,各種媒體多有報(bào)道。

可大致歸納為4個(gè)方面，即車(chē)輛安全系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)、通訊及導(dǎo)航系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)和移動(dòng)多媒體系統(tǒng)。隨著汽車(chē)的日益普及, 停車(chē)場(chǎng)越來(lái)越擁擠, 車(chē)輛常常需要在停車(chē)場(chǎng)穿行、掉頭或倒車(chē)。由于這些低速行駛的車(chē)輛與其它車(chē)輛非常接近, 駕駛員的視野頗受限制, 碰撞和拖掛的事故時(shí)有發(fā)生, 在夜間時(shí)則更顯突出。車(chē)輛安全系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用電子信息技術(shù)，使車(chē)輛實(shí)現(xiàn)高智能化，極大地改善車(chē)輛人機(jī)系統(tǒng)的安全性，以避免事故的發(fā)生和減少傷害程度。

1.1.2 選題的目的及意義

本課題把硬件電路和電路軟件有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，完成汽車(chē)倒車(chē)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠了解單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀，而且通過(guò)對(duì)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)掌握了數(shù)字電路從原理圖到PCB版的全部過(guò)程，形成完善的設(shè)計(jì)思路以及思想，并通過(guò)對(duì)汽車(chē)倒車(chē)超聲波報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程，鍛煉應(yīng)用C以及相關(guān)匯編語(yǔ)言等軟件設(shè)計(jì)電路程序的能力為以后參與實(shí)際工作奠定良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

本課題要求使用現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的計(jì)算機(jī)軟件PROTEL，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， Protel是人們熟悉的常用EDA軟件。作為電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的一種工具，Protel應(yīng)用于電路原理圖設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)等，它基于Windows環(huán)境，功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，能讓人們?cè)诰哂凶钔暾墓δ墉h(huán)境下，提升設(shè)計(jì)上的品質(zhì)和效率。本課題將要求Protel在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括電路原理圖設(shè)計(jì)和印刷電路板設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方法。這樣使學(xué)生也能將所學(xué)與所用有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在步入工作崗位之前得到全方位的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

通過(guò)對(duì)汽車(chē)倒車(chē)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)能初步具有用PROTEL軟件設(shè)計(jì)電路原理圖以及電路版圖的能力。與實(shí)際電路相結(jié)合，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際的方法，使所學(xué)的知識(shí)通過(guò)自己設(shè)計(jì)思考真正應(yīng)用到實(shí)踐中。

微波探測(cè)技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域里的廣泛使用，使得通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)所學(xué)到的此方面的知識(shí)將會(huì)有很強(qiáng)的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)要求對(duì)汽車(chē)倒車(chē)超聲波報(bào)警器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，可以通過(guò)完成本次設(shè)計(jì)，練習(xí)PROTEL軟件的使用，增加硬件設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。

隨著社會(huì)進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，擁有汽車(chē)的家庭逐漸增多，交通問(wèn)題也同時(shí)出現(xiàn)了：交通擁擠，各種不同的場(chǎng)合停車(chē)、倒車(chē)?yán)щy。許多非職業(yè)汽車(chē)駕駛員更是希望能有一種汽車(chē)倒車(chē)報(bào)警器，在倒車(chē)時(shí)不斷測(cè)量汽車(chē)尾部與其后面障礙物的距離，并隨時(shí)顯示其距離，在不同的距離范圍內(nèi)發(fā)出不同的報(bào)警信號(hào)，以提高汽車(chē)倒車(chē)時(shí)的安全性。

汽車(chē)倒車(chē)超聲波報(bào)警器設(shè)計(jì)就是為了確保駕駛員和汽車(chē)的安全，使駕駛員在倒車(chē)時(shí)能明確與后面車(chē)輛、建筑的距離，確保倒車(chē)的安全。它具有顯示功能，能夠客觀顯示車(chē)后物體與車(chē)尾之間的距離。它可望成為新手駕駛員，以及后視不良車(chē)輛如大貨車(chē)、公共汽車(chē)、集裝箱車(chē)等車(chē)輛駕駛員倒車(chē)的好幫手，也可用于夜間輔助倒車(chē)及倒車(chē)入庫(kù)。

1.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題

1.2.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距。前2種方法由于技術(shù)難度大，成本高，一般僅用于軍事工業(yè)，而超聲波測(cè)距則由于其技術(shù)難度相對(duì)較低，且成本低廉，適于民用推廣。這項(xiàng)技術(shù)也可用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。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(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動(dòng)測(cè)量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測(cè)距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線(xiàn)、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)也是利用超聲波來(lái)測(cè)量距離。

1.2.2 探測(cè)盲區(qū)問(wèn)題

超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問(wèn)題。這一干擾問(wèn)題可通過(guò)軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開(kāi)始到"虛假反射波"結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對(duì)本系統(tǒng)沒(méi)有影響。

1.3 論文的主要內(nèi)容

論文將介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案選擇與硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。全文共分為五章，本章介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀和本課題的選題目的與意義；第二章介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了方案論證與選擇；第三章介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理；第四章介紹了各單元模塊的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；第五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程和調(diào)試結(jié)果，最后總結(jié)了整個(gè)設(shè)計(jì)中有待改進(jìn)的地方。

 

第二章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理

2.1 超聲波的測(cè)距原理

2.1.1 測(cè)距的電路原理框圖

構(gòu)成超聲測(cè)距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器及一些輔助電路。

采取收發(fā)分離方式有兩個(gè)好處：一是收發(fā)信號(hào)不會(huì)混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?hào)；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，選擇了西安立宇電子科技有限公司的超聲波測(cè)距傳感器TCT40－16T/R（T表示發(fā)射傳感器，R表示接收傳感器），最大探測(cè)距離為6m，發(fā)射擴(kuò)散角為60度。同時(shí)，采用單片機(jī)作 為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示。

圖2-1 測(cè)距的電路原理框圖

通過(guò)單片機(jī)的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40kHz的超聲波，與此同時(shí)單片機(jī)內(nèi)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；經(jīng)過(guò)延遲后開(kāi)啟超聲波接收電路，當(dāng)接收電路收到經(jīng)障礙物反射的回波后，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)結(jié)束。通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出即時(shí)距離，在顯示電路顯示出來(lái)，若低于警戒距離則開(kāi)啟報(bào)警。

2.1.2 工作原理

人能聽(tīng)到的聲音頻率為：20Hz~20kHz，即為可聽(tīng)聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱(chēng)為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱(chēng)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(jué)的機(jī)械波，其頻率在20kHz以上，波長(zhǎng)短，繞射小、能定向傳播。

超聲波為直線(xiàn)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。

本設(shè)計(jì)采用的超聲波是40kHz。超聲波的縱向分辨率較高，對(duì)色彩和光照度不敏感，對(duì)外界光線(xiàn)和電磁場(chǎng)不敏感，可以用于測(cè)量較近目標(biāo)的距離。本設(shè)計(jì)采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾、有毒等各種環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。

超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應(yīng)用要求復(fù)雜。在這里使用脈沖反射式。超聲波測(cè)距原理是通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C，而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離L。超聲波測(cè)距的算法原理如圖2-2所示：

 

圖2-2  超聲波測(cè)距的算法原理圖

計(jì)算公式為：

 C= 331. 5 + 0. 607 T                  （2-1）

式中：C為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。

        L=                     （2-2）

式中：C為被測(cè)距離； 為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差； 為超聲回波接收時(shí)刻； 為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。用單片機(jī)可以很方便地測(cè)量 時(shí)刻和 時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測(cè)距離L。

這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表2-1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

表2-1  聲速與溫度關(guān)系表

溫度(℃)  30

 20

 10

0 10 20 30 100

聲速(米／秒) 313 319 325 323 338 344 349 386

聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的機(jī)理。本設(shè)計(jì)認(rèn)為在實(shí)際使用中的環(huán)境溫度變化不大，對(duì)距離檢測(cè)精度要求也不高，將超聲波波速C認(rèn)為是不變的常數(shù)。

另一種補(bǔ)償方法就是用查表法，查上面溫度與聲速的對(duì)應(yīng)表，再適當(dāng)插值補(bǔ)償。這種方法精確度較高。在這里考慮到設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)易性，沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)償，能達(dá)到簡(jiǎn)單應(yīng)用的基本要求。

該系統(tǒng)的工作原理：由微機(jī)編程送出40kHz頻率的方波信號(hào)至信號(hào)處理器，信號(hào)處理器通過(guò)兩級(jí)放大，再經(jīng)過(guò)壓電換能器將信號(hào)發(fā)射出去，該信號(hào)遇到障礙物反射回來(lái)在此稱(chēng)為回波。同時(shí)，壓電換能器將接收的回波，通過(guò)信號(hào)處理的檢波放大、積分整形及一系列常見(jiàn)電路的處理，送至微機(jī)處理。顯示器的聲音告警頻率、發(fā)光二極管方位指示及障礙物距超聲波探頭的距離顯示均由單片機(jī)控制。

2.1.3 超聲波測(cè)距的工作方式

利用超聲波測(cè)距的工作，就可以根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測(cè)量距離的作用。其主要有三種測(cè)距方法：

•相位檢測(cè)法，相位檢測(cè)法雖然精度高,但檢測(cè)范圍有限。

•聲波幅值檢測(cè)法，聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。

•渡越時(shí)間檢測(cè)法，渡越時(shí)間檢測(cè)法的工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間。

本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距就是使用了渡越時(shí)間檢測(cè)法。在移動(dòng)車(chē)輛中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過(guò)接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時(shí)間差和傳播速度，計(jì)算傳播距離，從而得到障礙物到車(chē)輛的距離。

2.1.4 信號(hào)處理技術(shù)

測(cè)量過(guò)程是由單片機(jī)部分和超聲波信號(hào)處理電路共同完成的，一次測(cè)量的全過(guò)程為40ms。發(fā)射時(shí)，將40kHz的超聲波信號(hào)和一個(gè)同步脈沖信號(hào)加到與門(mén)，同步脈沖信號(hào)通過(guò)與門(mén)控制發(fā)射超聲波。單片機(jī)將同步脈沖的起始時(shí)刻定為 ， 超聲波接收電路將接收到的信號(hào)加到單片機(jī)中，若檢測(cè)到信號(hào)，則記下該時(shí)刻 ，由時(shí)間差  =    ，即可算得障礙物與超聲探頭之間的距離。若單片機(jī)系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號(hào)，則到40 ms時(shí)重復(fù)上述過(guò)程開(kāi)始下一輪的循環(huán)。

在超聲波發(fā)出后，如果直接進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，則勢(shì)必浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)榇讼到y(tǒng)有最小測(cè)量距離，當(dāng)距離最小時(shí)，即為時(shí)間差 最小，記為  ，所以此時(shí)間可以用來(lái)處理別的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中計(jì)算子程序就是在此時(shí)間里完成的，這樣就節(jié)省了一些時(shí)間。

2.2 超聲波探頭的主要作用

•探頭是一個(gè)電聲換能器，并能將返回來(lái)的聲波轉(zhuǎn)換成電脈沖；

•控制超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當(dāng)改變探頭入射角或改變超聲波的擴(kuò)散角時(shí)，可使聲波的主要能量按不同的角度射入介質(zhì)內(nèi)部或改變聲波的指向性，提高分辨率；

•實(shí)現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換；

•控制工作頻率，適用于不同的工作條件。

2.3 小結(jié)

本章介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距原理、超聲波測(cè)距的工作方式以及測(cè)距中如何進(jìn)行信號(hào)處理優(yōu)化，并闡述了超聲波測(cè)距的基本概念理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)計(jì)算的主要方法和內(nèi)容

第三章 汽車(chē)倒車(chē)超聲波報(bào)警器設(shè)計(jì)方案比較與選擇

3.1 汽車(chē)倒車(chē)超聲波報(bào)警器的總體方案設(shè)計(jì)

3.1.1 方案的擬定條件

本設(shè)計(jì)首先要根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中的要求（最大測(cè)距6m，最小測(cè)距0.20m，顯示分辨率0.02m，實(shí)時(shí)數(shù)字顯示測(cè)得的距離；在不同的距離范圍內(nèi)發(fā)出不同的聲光報(bào)警信號(hào)；駕駛員可根據(jù)個(gè)人需要調(diào)整設(shè)置報(bào)警距離．本報(bào)警器與其它報(bào)警器相比具有功能多、電路簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)）來(lái)進(jìn)行器件選擇，如諧振頻率是多少，帶寬為多少，Q值、聲壓輸出、波束指向性、電容、驅(qū)動(dòng)電壓、功率是多少才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在什么樣的 環(huán)境特性下才能正常工作，市場(chǎng)上是否容易找到，便宜且應(yīng)用較廣否，這些都是需要考慮的問(wèn)題。只有在這樣的條件下，方案才能順利確定，設(shè)計(jì)才能順利展開(kāi)。

3.1.2 模型的建立

汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)是利用超聲波測(cè)距原理，不斷測(cè)量汽車(chē)尾部與其后面障礙物的距離，在一定距離范圍內(nèi)給駕駛者以警示，同時(shí)由高亮度數(shù)碼管顯示出所測(cè)的距離值，提高汽車(chē)在倒車(chē)時(shí)的安全性。超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，可由單片機(jī)測(cè)出從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間，計(jì)算出障礙物到汽車(chē)尾部的距離S=CT/2，式中C為超聲波波速。盡管超聲波波速與環(huán)境溫度有關(guān)，但汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)在實(shí)際使用中的環(huán)境溫度變化不大，對(duì)距離檢測(cè)精度要求也不高，將超聲波波速C認(rèn)為是不變的常數(shù)。

測(cè)距系統(tǒng)模型應(yīng)如圖3-1所示。

3.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的器件選擇

3.2.1 微控制器的選擇

單片機(jī)是本檢測(cè)系統(tǒng)的核心，它完成系統(tǒng)的功能設(shè)定、測(cè)量對(duì)象選擇、信號(hào)處理存儲(chǔ)、驅(qū)動(dòng)LED顯示等功能。起初對(duì)于是選擇AT89S51芯片，還是AT89C51芯片舉棋不定，覺(jué)得二者區(qū)別不大，后來(lái)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)AT89S51相對(duì)于AT89C51增加了很多新功能，性能有了較大提升，價(jià)格卻基本不變，甚至比89C51更低。

     圖3-1 測(cè)距模型

•AT89S51支持ISP在線(xiàn)編程功能，串行寫(xiě)入、速度更快、穩(wěn)定性更好，燒寫(xiě)電壓也僅僅需要4～5V 即可。這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫(xiě)單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。而AT89C51只支持并行寫(xiě)入，同時(shí)需要VPP燒寫(xiě)高壓。

•最高工作頻率為33MHz，大家都知道89C51的極限工作頻率是24M，就是說(shuō)S51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。

•燒寫(xiě)壽命更長(zhǎng)：89S5*標(biāo)稱(chēng)的1000次，實(shí)際最少是1000次～10000次，這樣更有利初學(xué)者反復(fù)燒寫(xiě)，減低學(xué)習(xí)成本。綜合上面的一些區(qū)別，個(gè)人認(rèn)為89C51的停止使用只是時(shí)間問(wèn)題而已，就象當(dāng)年的8031。

•內(nèi)部集成看門(mén)狗計(jì)時(shí)器，不再需要像89C51那樣外接看門(mén)狗計(jì)時(shí)器單元電路。

•雙數(shù)據(jù)指示器。

•電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)及電源范圍：89S5*電源范圍寬達(dá)4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的時(shí)候則無(wú)法正常工作。

•全新的加密算法，這使得對(duì)于89S51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。

•兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容產(chǎn)品。也就是說(shuō)所有教科書(shū)、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書(shū)上采用的單片機(jī)是8051還是89C51還是MCS-51等等），在89S51上一樣可以照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。

此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。

比較結(jié)果：就如同INTEL的P3向P4升級(jí)一樣，雖然都可以跑Windows98，不過(guò)速度是不同的。從AT89C51升級(jí)到AT89S51，也是同理。和S51比起來(lái)，C51就要遜色一些，實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)方面技術(shù)的進(jìn)步是永遠(yuǎn)向前的。

3.2.2 顯示模塊器件的選擇

在單片機(jī)小系統(tǒng)中，顯示模塊可以反映系統(tǒng)工作和運(yùn)行結(jié)果，在系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要地位。常用的顯示有：LED顯示和LCD顯示。

•LED顯示的硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是顯示消耗的電流較高，體積大，在低功耗手持式儀器中很少使用。

•LCD顯示具有低功耗、體積小特點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用于以單片機(jī)為核心的便攜式儀表和測(cè)試儀中。采用LCD來(lái)顯示檢測(cè)到的溫濕度參數(shù)，降低系統(tǒng)功耗。

本設(shè)計(jì)顯示部分采用簡(jiǎn)單的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼驅(qū)動(dòng)用74LS245集成電路，位碼用S8550（也可用9012）三極管驅(qū)動(dòng)。

3.2.3 超聲波傳感器的選擇

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線(xiàn)而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

    以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器，或者超聲波探頭。

    超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。

    超聲波探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：

•工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

•工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲波探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。

•靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

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(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)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(dòng)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)生器。

本次設(shè)計(jì)就選用壓電式超聲波發(fā)生器，壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì) 發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。

圖3-2  超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志（一般器件上有標(biāo)明是T還是R，T：發(fā)射換能器，R：接受換能器）。超聲波換能器外部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。

 

圖3-3  超聲波換能器外部結(jié)構(gòu)

每個(gè)傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40kHz左右波動(dòng)。而且超聲波傳感器發(fā)射波束時(shí)存在發(fā)散角問(wèn)題，一般發(fā)散角都比較大，從而導(dǎo)致了方向性較差。同時(shí)，隨著傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號(hào)衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖3-4所示。

 

圖3-4  發(fā)散角與耗散性

3.3 小結(jié)

本章介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的工作原理和超聲波測(cè)距系統(tǒng)微控制器的特點(diǎn)，提出了超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)的總體方案，對(duì)各功能模塊的方案進(jìn)行了比較，分析了常用的傳感器，選定了超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的器件。

第四章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)工具平臺(tái)簡(jiǎn)介

電路及PCB設(shè)計(jì)是EDA技術(shù)中的一個(gè)重要內(nèi)容，而EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門(mén)新技術(shù)，它提供了基于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。Protel是其中比較杰出的一個(gè)軟件，在國(guó)內(nèi)流行最早、應(yīng)用面最寬。Protel DXP是Altium（Protel Technology前身）公司在2002年8月推出的一套最新Protel DXP電路板設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。該平臺(tái)運(yùn)行與Windows XP/2000操作系統(tǒng)。Protel DXP不僅繼承了Protel系列產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是將所有設(shè)計(jì)工具集成于設(shè)計(jì)系統(tǒng)一身。通過(guò)把設(shè)計(jì)輸入仿真、PCB繪制仿真、拓?fù)渥詣?dòng)布線(xiàn)、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為用戶(hù)提供了全程的設(shè)計(jì)解決方案，使用戶(hù)可以輕松的進(jìn)行各種復(fù)雜的電路板設(shè)計(jì)。

使用Protel DXP設(shè)計(jì)印刷電路板的第一步就是要設(shè)計(jì)電路原理圖，只有正確設(shè)計(jì)電路原理圖，生成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表之后才能生成PCB文件。在設(shè)計(jì)時(shí)，先分析系統(tǒng)，在進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，將各部分電路分別設(shè)計(jì)，得到個(gè)模塊電路，在通過(guò)融合，實(shí)現(xiàn)整體電路的設(shè)計(jì)，還可以將所有模塊在一張比較大的圖紙上全部畫(huà)出來(lái)，但在同一張紙以模塊的形式分別設(shè)計(jì)電路圖，這樣在設(shè)計(jì)過(guò)程中思維比較清晰，設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，而且更容易檢查錯(cuò)誤。原理圖的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)完成后要先通過(guò)編譯無(wú)誤后才生成網(wǎng)絡(luò)表，原理圖常見(jiàn)錯(cuò)誤有：

•管腳沒(méi)有接入信號(hào)；

•放置導(dǎo)線(xiàn)時(shí)Wire與繪圖工具中Line混用，Wire具有電氣特性而Line不具有；

•元件放到圖紙界外；

•創(chuàng)建的工程文件網(wǎng)絡(luò)表只能部分調(diào)入PCB：生成netlist時(shí)沒(méi)有選擇為global；

在設(shè)計(jì)好原理圖，通過(guò)編譯檢查，生成了網(wǎng)絡(luò)表之后的工作就是繪制PCB板圖了。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表之前，要確定原理圖中的元件都有PCB封裝。如果使用的器件在Protel DXP軟件的PCB庫(kù)中是沒(méi)有封裝的，那就要求自己按照器件的技術(shù)手冊(cè)封裝所需元件了。在封裝PCB元件是應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

•原理圖中所填元件的封裝要與PCB元件庫(kù)中的名稱(chēng)一致。

•原理圖中元件的引腳名稱(chēng)要與PCB元件庫(kù)中的引腳名稱(chēng)一致。

•直插式元件封裝的孔要比元件的實(shí)際尺寸稍微大些，貼片元件的引腳封裝應(yīng)在條件允許的范圍內(nèi)盡量加寬、加長(zhǎng)，這樣才有利于焊接。

完成以上幾步后，將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入到PCB文件中，生成PCB板圖。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表的時(shí)候通常會(huì)出現(xiàn)以下的錯(cuò)誤：

•原理圖中的元件使用了PCB庫(kù)中沒(méi)有的封裝。

•原理圖中的元件使用了PCB庫(kù)中名稱(chēng)不一致的封裝。

•原理圖中的元件使用了PCB庫(kù)中pin number不一致的封裝。

網(wǎng)絡(luò)表成功導(dǎo)入PCB文件之后對(duì)器件進(jìn)行布局，元件的布局有自動(dòng)布局和手工布局兩中方式，由于自動(dòng)布局的效果往往不能令人滿(mǎn)意，所以一般都需要進(jìn)行手工調(diào)整。良好的布局可以降低PCB布線(xiàn)的難度。布局應(yīng)遵循以下一般原則：

首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線(xiàn)條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線(xiàn)條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。

在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：

①盡可能縮短高頻元器件之間的連線(xiàn)，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

②某些元器件或?qū)Ь€(xiàn)之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。

③重量超過(guò)15g的元器件、應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問(wèn)題，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

④對(duì)于電位器、可調(diào)電感線(xiàn)圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便于調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。

⑤應(yīng)留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

①按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。

②以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線(xiàn)和連接。

③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列，這樣，不但美觀，而且裝焊容易，也易于批量生產(chǎn)。

④位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形，長(zhǎng)寬比為3：2或4：3。電路板面尺寸大于200×150mm時(shí)，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。

布線(xiàn)的方式也有兩種：自動(dòng)布線(xiàn)及手工布線(xiàn)，自動(dòng)布線(xiàn)效率高，但有時(shí)布線(xiàn)的結(jié)果不盡如人意，這是因?yàn)樽詣?dòng)布線(xiàn)的功能主要是實(shí)現(xiàn)電氣網(wǎng)絡(luò)之間的連接。在自動(dòng)布線(xiàn)的實(shí)施過(guò)程中，很少考慮到特殊的電氣、物理和散熱等要求，因此必須通過(guò)手工來(lái)進(jìn)行調(diào)整，使電路板既能實(shí)現(xiàn)正確的電氣連接，又能滿(mǎn)足用戶(hù)的設(shè)計(jì)要求。手工調(diào)整布線(xiàn)的最簡(jiǎn)便的方法是對(duì)不合 理的布線(xiàn)，采取先拆線(xiàn)，后手工布線(xiàn)。在布線(xiàn)的過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題有：

•輸入端與輸出端的邊線(xiàn)應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。

•盡量加寬電源、地線(xiàn)寬度，最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，它們的寬度關(guān)系是：地線(xiàn)＞電源線(xiàn)＞信號(hào)線(xiàn)，通常信號(hào)線(xiàn)寬為：0.2～0.3mm,最經(jīng)細(xì)寬度可達(dá)0.05～0.07mm,電源線(xiàn)為1.2～2.5 mm。對(duì)數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線(xiàn)組成一個(gè)回路, 即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用(模擬電路的地不能這樣使用) 用大面積銅層作地線(xiàn)用,在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線(xiàn)用。

焊盤(pán)時(shí)，焊盤(pán)中心孔要比器件引線(xiàn)直徑稍大一些。焊盤(pán)太大易形成虛焊。焊盤(pán)外徑D一般不小于(d+1.2)mm，其中d為引線(xiàn)孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤(pán)最小直徑可取(d+1.0)mm。

此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

•在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí)，操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來(lái)吸收放電電流，一般R取1~2K，C取2.2~47uF。

•CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。

4.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

51系列單片機(jī)中典型芯片(如AT89S51) 采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個(gè)16b的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，4個(gè)8b的I/O端口P0、P1、P2、P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器( PROM )，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途, 在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳圖如圖4-1所示，同時(shí)也為了對(duì)下面超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行更清楚的敘述，對(duì)其引腳標(biāo)了號(hào)。

51系列單片機(jī)提供以下功能: 4kB存儲(chǔ)器；256BRAM；32條I/O 線(xiàn)；2個(gè)16b定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。

空閑方式: CPU 停止工作，而讓RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。

掉電方式: 保存RAM的內(nèi)容, 振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。

51系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。

 

圖4-1  AT89S51引腳圖

4.2.1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4-2所示。

設(shè)計(jì)原理：發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器T構(gòu)成，AT89S51單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)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(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。

在實(shí)驗(yàn)制作和電路改進(jìn)中，為了增加測(cè)量效果，可以考慮提高接收的靈敏度，但是靈敏度也并不是越高就越好。接收靈敏度過(guò)高，容易引起自激，結(jié)果反而不好，其實(shí)可以從增加發(fā)射功率方面著手，只要在發(fā)射頭兩端加個(gè)線(xiàn)圈。線(xiàn)圈可以用0.01mm的銅絲在小磁環(huán)繞成大致初級(jí)10匝，次級(jí)40匝左右。

  

圖4-2  超聲波發(fā)射電路

4.2.2 超聲波檢測(cè)接收電路的設(shè)計(jì)

本超聲波測(cè)距儀的接收電路采用集成塊CX20106A，其總放大增益為80db 以保證7腳輸出的控制脈沖序列信號(hào)幅度在3.5-5V以?xún)?nèi)。超聲接收換能器UCM-40R接收到的信號(hào)經(jīng)C9電容耦合至輸入端1腳，總增益大小由2腳接收器R、C決定。R越小，C越大增益越高，C9選值過(guò)大將造成頻率響應(yīng)變差，為了兼顧總增益和頻率特性R14取4.7 ，C17取3.3μF，3 腳C為檢波電容，選3.3μF，當(dāng)其容量減小時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)，靈敏度會(huì)有所提高，但檢波輸出脈沖寬度變動(dòng)也較大。帶通濾波特性，可由5腳R15電阻決定其值在210K-220K間調(diào)整，本設(shè)計(jì)R15定為200K。用金屬膜電阻調(diào)試，若其阻值偏差過(guò)大，中心頻率也將相對(duì)偏移。所以當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器時(shí)，增益將大大降低，6腳C6電容為比較積分電容，7腳R16為輸出負(fù)載電阻，104pF電容C11為電源濾波元件，當(dāng)電容容量減小或失效時(shí)，將造成濾波不良，可能干擾接收輸入端。超聲波接收電路如圖4-3所示。

CX20106是紅外遙控接收前置放大雙極性電路，引腳意義如下：

1 IN    遙控信號(hào)輸入端(此腳與地之間接紅外線(xiàn)接收二極管

2      前置放大器頻率特性和增益設(shè)定(此腳與地之間接RC串連電路)

3     接檢波電容

4 GND   接地

5      設(shè)定帶通濾波器的中心頻率(此腳與電源間接電阻)

6      外接積分電容

7 OUT   遙控指令輸出端

8      外接電源

典型電壓5V，典型功耗9mW。帶通濾波器的中心頻率可由電阻調(diào)節(jié)，范圍30－60kHz。配套使用型號(hào)為M50462AP。

 

圖4-3  超聲波接收電路

4.2.3 超聲波蜂鳴報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

蜂鳴報(bào)警電路是采用揚(yáng)聲器來(lái)對(duì)所設(shè)置的報(bào)警距離實(shí)施報(bào)警，以向駕駛員提出警示。

本系統(tǒng)可以設(shè)定距離值，當(dāng)大于或小于設(shè)定值時(shí)將發(fā)出控制信號(hào)。當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入蜂鳴報(bào)警狀態(tài)，通過(guò)一個(gè)NPN晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，不需要復(fù)雜的濾波和放大電路，具有自動(dòng)平滑功能，蜂鳴器鳴響。

超聲波蜂鳴報(bào)警電路如圖4-4所示。

 

圖4-4  超聲波蜂鳴報(bào)警電路

4.2.4 超聲波系統(tǒng)鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)電路是用來(lái)對(duì)最大測(cè)距、最小測(cè)距以及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

鍵盤(pán)輸入：開(kāi)啟值30-1000厘米，關(guān)閉值30-1000厘米（在該范圍內(nèi)任意設(shè)置）。本系統(tǒng)由一個(gè)按鍵 啟動(dòng)/停止系統(tǒng)，由三個(gè)按鍵設(shè)定距離值： 的作用是進(jìn)入和退出設(shè)定， 和 ：分別是向上加值和向下減值，每按一次加或減一厘米，由數(shù)碼管輸出顯示。超聲波系統(tǒng)鍵盤(pán)電路如圖4-5示。

 

圖4-5  超聲波系統(tǒng)鍵盤(pán)電路

4.2.5 超聲波濾波整流電路的設(shè)計(jì)

超聲波濾波整流電路如圖4-6所示。該電路是用來(lái)把反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)，通過(guò)整形把檢波后得到的不標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波整形為標(biāo)準(zhǔn)脈沖波。

信號(hào)整形電路：當(dāng)接收到的信號(hào)從信號(hào)篩選電路中出來(lái)之后是一個(gè)很不規(guī)則的方波信號(hào)，希望最好得到一脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)此部分電路處理過(guò)后再送進(jìn)單片機(jī)中進(jìn)行處理運(yùn)算。

因?yàn)槎嘀C振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過(guò)低通濾波器將高頻噪聲濾掉。本信號(hào)篩選電路在整個(gè)電路中可以說(shuō)起到非常重要的作用，通過(guò)對(duì)它的適當(dāng)調(diào)整，可以有效地濾除由于外界干擾帶來(lái)的非超聲波信號(hào)進(jìn)入超聲波接收系統(tǒng)，從而大 大提高了本電路的抗干擾性。

 

圖4-6  超聲波濾波整流電路

4.2.6 時(shí)鐘和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

（1）復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腿時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0－P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為ROM的00H處開(kāi)始運(yùn)行程序。復(fù)位操作不會(huì)對(duì)內(nèi)部RAM有所影響。

（2）時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

時(shí)鐘振蕩器：

AT89S51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。

外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。對(duì)外接電容C20，C25雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30pF 10pF ,而使用陶瓷諧振器建議選擇40pF 10pF。

可以采用外部時(shí)鐘。這種情況下，外部時(shí)鐘接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。

由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒(méi)有特殊的要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。時(shí)鐘復(fù)位電路如圖4-7所示：

 

圖4-7  時(shí)鐘和復(fù)位電路

4.2.7 擴(kuò)展顯示電路的設(shè)計(jì)

回波經(jīng)過(guò)AT89S51對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理后，被測(cè)的距離在LED上顯示。

顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的四位一體共陽(yáng)極LED數(shù)碼管顯示所測(cè)距離值，顯示電平使用低電平有效。段碼用74LS245驅(qū)動(dòng)，外接升壓電阻。位碼用PNP三極管8550（可用9012替代）驅(qū)動(dòng)。顯示電路如圖4-8所示。

數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，動(dòng)態(tài)掃描顯示的好處是對(duì)CPU的I/O口要求較少，但對(duì)電路的干擾較大，注意PCB板的布線(xiàn)和對(duì)接收放大電源的穩(wěn)定性要進(jìn)行補(bǔ)償處理，否則對(duì)其影響很大。

74LS245雙向總線(xiàn)接收器簡(jiǎn)要說(shuō)明：74LS245為三態(tài)輸出的八組總線(xiàn)收發(fā)器，其主要電器特性的典型值如表4-1所示(不同廠家具體值有差別)。

表4-1  74LS245電器特性

 

 

 

 

74LS245 8ns 8ns 275mW

引出端符號(hào)：A     A總線(xiàn)端

B     B總線(xiàn)端

      三態(tài)允許端(低電平有效)

DIR   方向控制端

極限值：電源電壓 …………………………………………. 7V

輸入電壓 …………………………………………. 7V

輸出高阻態(tài)時(shí)高電平電壓 ……………………… 5.5V

工作環(huán)境溫度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃

存儲(chǔ)溫度 ………………………………………-65~150℃

 

圖4-8  顯示電路

4.3 小結(jié)

本章首先介紹了做設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)工具Protel DXP，然后對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件各電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器及一些輔助電路進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，給出了詳細(xì)的原理圖。

本系統(tǒng)利用AT89S51產(chǎn)生40kHz的頻率驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的發(fā)射頭，接收頭收到信號(hào)后，經(jīng)CX20106A芯片進(jìn)行放大、限幅、濾波、整形、比較后輸出低電平送到單片機(jī)的外部中斷0申請(qǐng)中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求，取得定時(shí)器內(nèi)的時(shí)間進(jìn)行距離計(jì)算，用四位一體的數(shù)碼管顯示測(cè)出的距離，并可根據(jù)設(shè)定報(bào)警距離進(jìn)行報(bào)警。

 

第五章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試與結(jié)論

5.1 系統(tǒng)硬件電路調(diào)試與分析

5.1.1 調(diào)試儀器和內(nèi)容

（1）測(cè)試試驗(yàn)方法：可通過(guò)顯示電路實(shí)驗(yàn)、超聲波發(fā)射接收以及測(cè)距試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試。

測(cè)試儀器：示波器，多功能穩(wěn)壓電源，電壓表，秒表。

（2）調(diào)試內(nèi)容

超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，安裝時(shí)探頭時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線(xiàn)平行并相距4～8cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

系統(tǒng)調(diào)試完后對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。

5.1.2 調(diào)試過(guò)程

系統(tǒng)采用模塊化電路設(shè)計(jì), 采用較低的外部晶振和中周電路固化的超聲波探頭，數(shù)字和模擬部分電路分開(kāi)供電，以提高系統(tǒng)抗干擾能力，但由于實(shí)際應(yīng)用中仍存在較多電磁干擾，而回波信號(hào)為小信號(hào)輸入, 系統(tǒng)調(diào)試中通過(guò)硬件補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到了較高的可靠性。

測(cè)距系統(tǒng)經(jīng)過(guò)檢波等硬件處理后的波形如圖5-1所示：

在檢測(cè)時(shí)，發(fā)送完檢測(cè)脈沖后立刻進(jìn)行判斷負(fù)脈沖的長(zhǎng)短，從而確定是否有障礙物存在。無(wú)障礙物時(shí)負(fù)脈沖寬度固定為t1，有障礙物時(shí)負(fù)脈沖固定為t1+t2，t3為超聲波回波檢測(cè)負(fù)脈沖。t1、t2的寬度與發(fā)送的脈沖周期數(shù)有關(guān)。周波數(shù)越多，t1越寬，檢測(cè)距離越遠(yuǎn)，反之亦然。T3與T4之間的長(zhǎng)度會(huì)隨障礙物的距離而先行變化。因此，只要檢測(cè)出t1、t2及T3與T4之間的長(zhǎng)度即可判斷障礙物距離。

（1）7段數(shù)碼管的測(cè)試

LED數(shù)碼有共陽(yáng)和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個(gè)8字加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)）而作為一個(gè)引腳，就叫共陽(yáng)的，相反的，就叫共陰的，那么應(yīng)用時(shí)這個(gè)腳就分別的接VCC和GND。再把多個(gè)這樣的8字裝在一起就成了多位的數(shù)碼管了。

    首先，找個(gè)電源（3到5伏）和1個(gè)1K（幾百的也歐的也行）的電阻，VCC串接個(gè)電阻后和GND接在任意2個(gè)腳上，組合有很多，但總有一個(gè)LED會(huì)發(fā)光的找到一個(gè)就夠了，然后用GND不動(dòng)，VCC（串電阻）逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那就是共陰的了。相反用VCC不動(dòng)，GND逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那就是共陽(yáng)的了。

（2）發(fā)射器探頭對(duì)接收器探頭的影響

超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間 間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問(wèn)題。這一干擾問(wèn)題可通過(guò)軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開(kāi)始到"虛假反射波"結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對(duì)本系統(tǒng)沒(méi)有影響。

（3）調(diào)試注意事項(xiàng)

•超聲波探頭表面嚴(yán)禁用手及其它物體觸摸以免產(chǎn)生信號(hào)滯后性及損壞。

•在測(cè)距中應(yīng)保證測(cè)距儀與被測(cè)物體距離為定值，要和被測(cè)物體成一條直線(xiàn)，使測(cè)得距離讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

5.1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析計(jì)算

傳感器工作電壓：超聲波傳感器5V

試驗(yàn)數(shù)據(jù)：簡(jiǎn)單搭建電路板并調(diào)試后，對(duì)一500mm寬的距離測(cè)試，所測(cè)數(shù)據(jù)如表5-1所示（單位:mm）。

表5-1  500mm寬的距離測(cè)試數(shù)據(jù)

次數(shù) 1 2 3 4 5 平均

測(cè)值 500.3 499.8 499.9 500.1 500.0 500.03

該測(cè)距系統(tǒng)使用方便、精度高，在一些惡劣環(huán)境，如極易被腐蝕、電解，失去靈敏性等工礦業(yè)現(xiàn)場(chǎng)將大有用武之地。

（1）測(cè)試結(jié)果與分析

超聲波測(cè)距系統(tǒng)調(diào)試完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。在超聲波換能器與較大平面(如墻壁面)法線(xiàn)方向一致時(shí)，量程為0.07~5.50m，測(cè)距盲區(qū)控制在20cm內(nèi)，分辨率為0.01m，實(shí)驗(yàn)中對(duì)測(cè)量范圍0.07~2.50m內(nèi)的平面物體做了多次測(cè)試，測(cè)距器的最大誤差不超過(guò)1cm，重復(fù)一致性很好。因?yàn)槌暡ň哂幸欢òl(fā)散角，所以當(dāng)在正前方和斜前方都有物體時(shí)，會(huì)以距發(fā)射器最近的物體作為探測(cè)目標(biāo)。目前此設(shè)計(jì)可提交于應(yīng)用于一些動(dòng)機(jī)器人、安全線(xiàn)提示，銀行及取款機(jī)的一米線(xiàn)提示等場(chǎng)合。

（2）誤差分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在5米范圍內(nèi)，最大誤差在5cm以?xún)?nèi)，且距離越近，誤差越小，限制該系統(tǒng)最大可測(cè)距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。

測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：

①氣溫度變化等引起的聲速變化造成的誤差，溫度在-30℃-40℃范圍變化時(shí)，傳播速度v的變化范圍為313米/秒-356米/秒，由測(cè)距公式可計(jì)算出距離值有一定影響，采用聲速預(yù)置和傳播介質(zhì)溫度測(cè)量結(jié)合的方法對(duì)聲速進(jìn)行修正，可有效地降低溫度變化產(chǎn)生的誤差。

②發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)由于響應(yīng)快慢差異開(kāi)啟不同步引起的誤差，對(duì)此在調(diào)試中通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)值補(bǔ)償進(jìn)行修正。

③超聲波在傳播過(guò)程由于受衍射、散射和吸收等影響衰減導(dǎo)致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠(yuǎn)產(chǎn)生的誤差越大，可適當(dāng)增大超聲波的發(fā)射功率等來(lái)改善。

④發(fā)射和接受前置電路延遲的時(shí)間誤差等，發(fā)射前置電路和接收前置電路中采用集成芯片都有時(shí)間延遲。對(duì)此采取時(shí)間增益控制，來(lái)減少誤差，由于本裝置對(duì)于厘米級(jí)的精度已經(jīng)足夠，電路延遲都是納秒數(shù)量級(jí)，記數(shù)頻率是40kHz，所以減少一個(gè)記數(shù)單位完全可以矯正。針對(duì)誤差原因在程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試中做了相應(yīng)處理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

⑤超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響。

⑥超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系。

⑦超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距是有影響的。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，傳播媒質(zhì)的特性，如溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生影響。因此，為了準(zhǔn)確地計(jì)算距離，應(yīng)對(duì)聲速加以修正，系統(tǒng)程序中采用了軟件補(bǔ)償措施。

（3）誤差改進(jìn)

由于考慮到體積、成本等因素，本裝置在性能上、功能上還存在不足，有待于進(jìn)一步提高：

•增加幾路不同方向的超聲波探測(cè)或紅外探測(cè)器以及溫度補(bǔ)償電路等，可以提高裝置的靈敏度和精度,同時(shí)提高可靠性。

•可在裝置中增加一個(gè)語(yǔ)音芯片，將蜂鳴報(bào)警改為語(yǔ)音說(shuō)明指示，根據(jù)探測(cè)結(jié)果直接報(bào)出距離、方位，更便于使用。

•由于受發(fā)射功率及回波檢測(cè)靈敏度的限制，探測(cè)范圍較小，可增加發(fā)射功率調(diào)節(jié)等電路，以便增大探測(cè)范圍，可用于夜間探路、井下探索等。

（4）溫度的補(bǔ)償

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。

所以，在超聲波的兩個(gè)探頭旁邊可放置溫度傳感器，測(cè)出環(huán)境溫度T，由單片機(jī)控制器進(jìn)行軟件修正。

5.2 系統(tǒng)源程序的調(diào)試過(guò)程

5.2.1 軟件仿真驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)采用51匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，用Keil C51編譯和調(diào)試。這里采用光電二極管和光電三極管來(lái)代替超聲波發(fā)送探頭和超聲波接收探頭，且空中傳播過(guò)程略去仿真。聯(lián)調(diào)仿真后，可見(jiàn)數(shù)字電路的延遲效果比較明顯，所以需要軟件矯正。

由于超聲波探頭存在余震效應(yīng), 為避免余震產(chǎn)生的“虛假反射波”超聲測(cè)距數(shù)據(jù)的采集與處理錯(cuò)誤申請(qǐng)中斷，超聲波脈沖發(fā)射后軟件中設(shè)置了一段時(shí)間的延時(shí)，稱(chēng)為“死區(qū)”時(shí)間，“死區(qū)”形成了距離測(cè)量中的“盲區(qū)”，由于探頭的性能誤差，運(yùn)行后要不斷調(diào)整探頭的“死區(qū)”。經(jīng)過(guò)應(yīng)用過(guò)程的調(diào)試，本系統(tǒng)的測(cè)量“盲區(qū)”控制在20cm內(nèi)，“死區(qū)”時(shí)間為115ms，測(cè)量誤差為±1cm。

結(jié)  論

本文所設(shè)計(jì)的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保障汽車(chē)倒車(chē)安全的輔助系統(tǒng)，通過(guò)超聲波探頭發(fā)出超聲波，使用高速單片機(jī)計(jì)算距離，還可加入了溫度補(bǔ)償電路，提高了距離計(jì)算的精度。系統(tǒng)安裝的LED可以直觀的顯示溫度和距離，給駕駛員提供了方便。倒車(chē)時(shí)當(dāng)汽車(chē)與障礙物的距離小于所設(shè)定的安全距離時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員，防止汽車(chē)的碰撞或擦傷，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

整個(gè)報(bào)警器系統(tǒng)由汽車(chē)倒車(chē)擋控制，當(dāng)汽車(chē)置于倒車(chē)擋時(shí)，報(bào)警器工作；置于其它擋時(shí)，報(bào)警器不工作。在環(huán)境溫度為-20～50℃的范圍內(nèi)，測(cè)量誤差為幾個(gè)厘米，這個(gè)誤差能滿(mǎn)足正常倒車(chē)的需要。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所采用的超聲波傳感器的輻射范圍是   60°，所以在安裝時(shí)，需在車(chē)尾裝3～4個(gè)超聲波傳感器，這樣才能覆蓋整個(gè)范圍。

利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的測(cè)距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明, 該類(lèi)測(cè)距儀工作穩(wěn)定, 能滿(mǎn)足一般近距離測(cè)距的要求, 且成本較低、有良好的性?xún)r(jià)比。

本超聲波測(cè)距系統(tǒng)可應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān) 控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合，覺(jué)得這次的設(shè)計(jì)實(shí)用性極強(qiáng)。

通過(guò)一學(xué)期的努力，完成了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了任務(wù)書(shū)中的基本要求和擴(kuò)展要求，軟、硬件設(shè)計(jì)已達(dá)到預(yù)期效果。主要完成的工作有：

①學(xué)會(huì)了使用Protel軟件繪制原理圖和PCB板圖。

②完成了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊的硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試。

③已經(jīng)通過(guò)系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，距離通過(guò)LED顯示出來(lái)。

由于時(shí)間和能力有限，本次設(shè)計(jì)還有一些不足之處，主要有以下幾方面：

①由于經(jīng)驗(yàn)不足，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的時(shí)候，設(shè)計(jì)原理圖與PCB板圖的時(shí)候出現(xiàn)了一些問(wèn)題。

②在調(diào)試時(shí)，顯示的延遲性較大，超聲波探頭太敏感。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：

①測(cè)試結(jié)果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設(shè)計(jì)制作，且誤差較小，完全滿(mǎn)足汽車(chē)倒車(chē)的指引作用，具有較高的性?xún)r(jià)比。

②裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性能穩(wěn)定，操作容易、使用方便，可以安裝在不同的載體上，制作成不同的用具，如導(dǎo)盲眼鏡、位移儀、深度儀等，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

致  謝

感謝西南科技大學(xué)。在這里，我開(kāi)闊了見(jiàn)識(shí)，增長(zhǎng)了知識(shí)，鍛煉了能力。大學(xué)四年的親身體驗(yàn)讓我更增加了對(duì)學(xué)校的熱愛(ài)。

感謝我的指導(dǎo)老師曾毅對(duì)我的辛勤培育。從論文的立題到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及論文的撰寫(xiě)整個(gè)過(guò)程無(wú)不浸透著老師的心血。他廣博的學(xué)識(shí)，嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，靈活的思維方式，耐心細(xì)致的言傳身教深深感染激勵(lì)著我，將使我終身受益。導(dǎo)師不但在學(xué)習(xí)上給予我耐心細(xì)致的指導(dǎo)，在生活中也給了我莫大的關(guān)懷，在這里向曾老師表示衷心的感謝。

    感謝大學(xué)四年所有指導(dǎo)過(guò)的老師。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中給了我很多的指導(dǎo)，讓我在理論知識(shí)和動(dòng)手能力上都有很大的提高。

在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文的過(guò)程中，我們寢室的同學(xué)給了我很大的幫助，在此向他們表示深深的感謝。

感謝父母二十多年來(lái)的養(yǎng)育之恩，讓我順利的完成了四年的大學(xué)學(xué)業(yè)，并讓我獲取了一定的知識(shí)并最終走向社會(huì)，為社會(huì)貢獻(xiàn)自己!

最后，我要向在百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱、評(píng)議和參加本人論文答辯的各位老師表示感謝

參考文獻(xiàn)

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附  錄

附錄1：系統(tǒng)總原理圖

 

附錄2：AT89S51引腳功能

Vcc：電源電壓；GND：地

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。

P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)斷口寫(xiě)“1”可作為高阻抗輸入端用。

在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，在訪(fǎng)問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。

在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)。而在程序檢驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸出口使用時(shí)，因?yàn)榇嬖谏侠娮?，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ ）。

Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1口接受低8位地址。

P2口：P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸出口使用時(shí)，因?yàn)榇嬖谏侠娮?，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ ）。

在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪(fǎng)問(wèn)八位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，P2口線(xiàn)上的內(nèi)容（也即特殊功能存儲(chǔ)器（SFR）區(qū)中R2寄存器）。在整個(gè)訪(fǎng)問(wèn)期間不改變。

FLASH編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接受地址和其它控制信號(hào)

P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的八位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）四個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)。它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（I ）。

P3口除了作為一般的I/O口線(xiàn)外，更重要的用途是它的第二功能，如表③-2所示。P3口還接受一些用于FLASH閃速存儲(chǔ)器和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。

表1  P3口的分配

端口引腳 第二功能

P3.0 RXD（串性輸入口）

P3.1 TXD(串行輸出口)

P3.2  （外中段0）

P3.3  （外中段1）

P3.4  （定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）

P3.5  （定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）

P3.6  （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）

P3.7  （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

ALE：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低八位字節(jié)。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出 固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是，每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ ）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。

 ：程序儲(chǔ)存允許（ ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在次期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 信號(hào)不出現(xiàn)。

EA/VPP：外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使CPU僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp。當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端

篇6

    1.同濟(jì)大學(xué)車(chē)輛工程領(lǐng)域全日制專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生校企聯(lián)合培養(yǎng)模式的探索    

    2.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系改革     

    3.全日制工程碩士培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐——以吉林大學(xué)車(chē)輛工程領(lǐng)域工程碩士培養(yǎng)為例    

    4.測(cè)繪工程本科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建    

    5.專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下的測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)課程體系優(yōu)化    

    6.SL機(jī)場(chǎng)測(cè)繪工程項(xiàng)目的進(jìn)度與質(zhì)量管理研究      

    7.測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)和測(cè)繪學(xué)    

    8.東莞市某公路測(cè)繪工程質(zhì)量管理控制       

    9.測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)“四維滲透式”實(shí)踐教學(xué)改革研究    

    10.基于測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)規(guī)范的應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式構(gòu)建    

    11.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)模塊課實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合與優(yōu)化     

    12.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建和思考    

    13.應(yīng)用型車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案的研究    

    14.車(chē)輛工程應(yīng)用型本科大學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐    

    15.基于閩臺(tái)合作辦學(xué)下應(yīng)用型本科院校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置研究    

    16.混合動(dòng)力技術(shù)在車(chē)輛工程領(lǐng)域的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀    

    17.車(chē)輛工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究    

    18.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)多層次開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建     

    19.國(guó)內(nèi)外大學(xué)車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)情況分析    

    20.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革與實(shí)踐    

    21.車(chē)輛工程培養(yǎng)模式初探    

    22.武漢軌道交通1號(hào)線(xiàn)二期工程車(chē)輛轉(zhuǎn)向架架修技術(shù)探討    

    23.關(guān)于混合動(dòng)力技術(shù)在車(chē)輛工程領(lǐng)域應(yīng)用的探討    

    24.工程車(chē)輛自動(dòng)變速系統(tǒng)模糊控制的相關(guān)分析 優(yōu)先出版    

    25.《農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程》在線(xiàn)投稿系統(tǒng)開(kāi)通      

    26.工程車(chē)輛油氣懸掛系統(tǒng)防進(jìn)氣裝置研究 優(yōu)先出版    

    27.新能源在車(chē)輛工程中的運(yùn)用     

    28.基于“四輪驅(qū)動(dòng)”的車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式研究    

    29.電子控制技術(shù)在車(chē)輛工程中的應(yīng)用分析    

    30.工程車(chē)輛自動(dòng)變速智能控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)研究    

    31.基于AMESim工程車(chē)輛變速器電液控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)研究    

    32.虛擬仿真軟件在新能源車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用    

    33.車(chē)輛工程領(lǐng)域中混合動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析    

    34.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)核心基礎(chǔ)課程考評(píng)模式的研究和實(shí)踐    

    35.論行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)在車(chē)輛工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用    

    36.《農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程》在線(xiàn)投稿系統(tǒng)開(kāi)通      

    37.《農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程》2016年總目次    

    38.基于ADAMS的工程車(chē)輛6擋變速器換擋過(guò)程仿真研究    

    39.電子信息技術(shù)在車(chē)輛工程上的應(yīng)用分析    

    40.環(huán)衛(wèi)工程車(chē)輛液壓制動(dòng)能量回收技術(shù) 優(yōu)先出版     

    41.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的必要性探討     

    42.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)課程體系改革研究——以山東建筑大學(xué)為例    

    43.車(chē)輛工程實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放式管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 優(yōu)先出版    

    44.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究——以三亞學(xué)院為例     

    45.基于畢業(yè)要求達(dá)成的車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程體系反向設(shè)計(jì)    

    46.基于CDIO的車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐    

    47.《農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程》在線(xiàn)投稿系統(tǒng)即將開(kāi)通      

    48.《農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程》2015年總目次    

    49.地鐵工程車(chē)輛的應(yīng)用維修管理    

    50.車(chē)輛工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)電工學(xué)教考模式的幾點(diǎn)思考    

    51.工程車(chē)輛駕駛室噪聲控制及聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)    

    52.工程車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究    

    53.PLC在某型工程車(chē)輛模擬維修系統(tǒng)中的應(yīng)用    

    54.深圳地鐵1號(hào)線(xiàn)續(xù)建工程車(chē)輛ATC天線(xiàn)安裝支架優(yōu)化設(shè)計(jì)    

    55.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)工程碩士英語(yǔ)教學(xué)存在問(wèn)題及EPBEP教學(xué)方法的研究與應(yīng)用     

    56.工程車(chē)輛消聲器性能分析及優(yōu)化    

    57.《農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程》雜志聲明    

    58.《農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程》欄目索引    

    59.虛擬樣機(jī)技術(shù)在車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究 優(yōu)先出版    

    60.車(chē)輛工程大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)與實(shí)踐    

    61.關(guān)于電子控制技術(shù)在車(chē)輛工程中的應(yīng)用分析    

    62.昆明地鐵首期工程車(chē)輛轉(zhuǎn)向架異響分析    

    63.交互式工程車(chē)輛虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)    

    64.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)與實(shí)踐    

    65.測(cè)繪工程監(jiān)理方法探討     

    66.階梯式創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)模式在車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的探索     

    67.基于Matlab/Simulink的工程車(chē)輛自動(dòng)變速器換擋規(guī)律研究 優(yōu)先出版    

    68.簡(jiǎn)析工程車(chē)輛液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性分析      

    69.基于51單片機(jī)對(duì)工程車(chē)輛閉鎖離合器的控制 優(yōu)先出版    

    70.電力工程車(chē)輛第三軌供電過(guò)無(wú)電區(qū)控制策略    

    71.工程車(chē)輛油氣懸架工作過(guò)程熱力學(xué)分析    

    72.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)汽車(chē)結(jié)構(gòu)類(lèi)課程教學(xué)模式改革探討 優(yōu)先出版       

    73.論工程車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算     

    74.車(chē)輛工程核心課程先進(jìn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐       

    75.關(guān)于電子控制技術(shù)在車(chē)輛工程中的應(yīng)用分析    

    76.工程車(chē)輛液壓混合動(dòng)力技術(shù)研究進(jìn)展    

    77.烏魯木齊市軌道交通1號(hào)線(xiàn)工程車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)防寒設(shè)計(jì)    

    78.昆明市軌道交通3號(hào)線(xiàn)工程車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)    

    79.應(yīng)用型本科院校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置的研究 優(yōu)先出版    

    80.我院車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)的思考與探索    

    81.碳纖維與工程車(chē)輛翻新輪胎復(fù)合強(qiáng)化模型及增強(qiáng)機(jī)理 優(yōu)先出版    

    82.《農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程》雜志聲明    

    83.基于遺傳算法的某工程車(chē)輛起步特性研究 優(yōu)先出版    

    84.鄭州市軌道交通2號(hào)線(xiàn)一期工程車(chē)輛主要部件選型    

    85.車(chē)輛工程類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)職教師資培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)    

    86.基于CDIO的車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)模式改革與實(shí)踐    

    87.協(xié)同創(chuàng)新模式下車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式改革初探    

    88.基于效率換擋規(guī)律的工程車(chē)輛換擋品質(zhì)研究    

    89.車(chē)輛工程本科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的改革與創(chuàng)新    

    90.工程車(chē)輛駕駛室座椅H點(diǎn)設(shè)計(jì)研究    

    91.淺談小波理論在車(chē)輛工程中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)    

    92.基于CFD與ε-NTU法的工程車(chē)輛散熱性能預(yù)估 優(yōu)先出版    

    93.駕駛實(shí)習(xí)——車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)    

    94.車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)在應(yīng)用型本科開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的研究 優(yōu)先出版    

    95.產(chǎn)教融合培養(yǎng)“企業(yè)預(yù)備隊(duì)”的實(shí)踐與思考——以車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)為例    

    96.與專(zhuān)業(yè)認(rèn)證相銜接的車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系改革探討    

    97.基于模糊可靠度的工程車(chē)輛傳動(dòng)軸可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)    

    98.Danfoss多功能閥在工程車(chē)輛中的應(yīng)用    .

    99.電子控制技術(shù)在車(chē)輛工程中的應(yīng)用分析    .

篇7

關(guān)鍵詞：機(jī)器人競(jìng)賽；創(chuàng)新實(shí)踐；項(xiàng)目教學(xué)法

作者簡(jiǎn)介：毛麗民（1981-），男，江蘇常熟人，常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，講師；劉叔軍（1962-），男，黑龍江寶清人，常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，教授。（江蘇 常熟 215500）

基金項(xiàng)目：本文系國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：61273312）、江蘇省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：BK2010261）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）01-0148-03

在國(guó)外院校，學(xué)生本科階段就開(kāi)設(shè)了機(jī)器人啟蒙課程，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人能夠有普遍地了解，研究生階段開(kāi)設(shè)關(guān)于機(jī)器人的更深層次的課程，而國(guó)內(nèi)高校本科階段開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程的相對(duì)較少。

機(jī)器人教學(xué)與其他學(xué)科教學(xué)的最大不同之處在于，機(jī)器人教學(xué)在學(xué)習(xí)上充分滲透了研究性學(xué)習(xí)的思想，而且機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐性非常強(qiáng)。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。高校要把實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)擺在同等重要的位置，要不斷改革實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法。以機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法研究，對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)教育具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、項(xiàng)目教學(xué)方法

“給你55分鐘，你可以造一座橋嗎？”這是德國(guó)教育專(zhuān)家弗雷德·海因里希教授在“德國(guó)及歐美國(guó)家素質(zhì)教育報(bào)告演示會(huì)”上介紹“項(xiàng)目教學(xué)法”的一個(gè)實(shí)例。首先由學(xué)生或教師在現(xiàn)實(shí)中選取一個(gè)“造一座橋”的項(xiàng)目，學(xué)生分組對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行討論，并寫(xiě)出各自的計(jì)劃書(shū)；接著正式實(shí)施項(xiàng)目——利用一種被稱(chēng)為“造就一代工程師偉業(yè)”的“慧魚(yú)”模型拼裝橋梁；然后演示項(xiàng)目結(jié)果，由學(xué)生闡述設(shè)計(jì)思想和構(gòu)造機(jī)理；最后由教師對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)以上步驟，可以充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，培養(yǎng)和提高他們的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力、分析能力和綜合能力。

以機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法研究，就是要將項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用到機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐中，把各項(xiàng)理論知識(shí)和實(shí)踐技能有機(jī)地結(jié)合，將機(jī)器人的項(xiàng)目分解成多個(gè)明確的目標(biāo)任務(wù)，讓學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間里獨(dú)立完成相應(yīng)的任務(wù)，其目的在于充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。通過(guò)實(shí)踐探索出一種能提高學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力，全方位調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性的機(jī)器人教學(xué)模式。在實(shí)施“機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法”時(shí)，重視機(jī)器人項(xiàng)目的選擇、機(jī)器人具體成果展示、教師的評(píng)估與總結(jié)、充分利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有資源并使之與現(xiàn)代化教學(xué)相結(jié)合，這是搞好“項(xiàng)目教學(xué)法”的關(guān)鍵。

二、機(jī)器人競(jìng)賽

機(jī)器人競(jìng)賽是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng)，形式繁多，內(nèi)容豐富。設(shè)計(jì)方案的開(kāi)放性，也為學(xué)生的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。參賽者可以用不同的方法實(shí)現(xiàn)同一個(gè)項(xiàng)目，通過(guò)比賽，激發(fā)其對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們積極探索機(jī)器人新科技，為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺(tái)。

中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開(kāi)賽：1999年，在RoboCup 國(guó)際委員的支持和授權(quán)下，首屆中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開(kāi)賽在中國(guó)重慶舉辦，目前是中國(guó)機(jī)器人最具影響力的賽事，比賽共設(shè)立12類(lèi)65項(xiàng)賽事。機(jī)器人競(jìng)賽種類(lèi)多、規(guī)模大、水平高，為大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)提供了很好的平臺(tái)。

“未來(lái)伙伴”杯中國(guó)智能機(jī)器人大賽（暨國(guó)際機(jī)器人滅火比賽中國(guó)賽區(qū)選拔賽），是中國(guó)人工智能機(jī)器人專(zhuān)業(yè)委員會(huì)等多個(gè)單位主辦的一項(xiàng)全國(guó)性賽事。大賽包含機(jī)器人救火大賽、機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人創(chuàng)新大賽、機(jī)器人搜救大賽、機(jī)器人擂臺(tái)賽和機(jī)器人舞蹈戲劇大賽等6個(gè)主題項(xiàng)目。其中機(jī)器人救火大賽是國(guó)際賽制機(jī)器人滅火比賽（暨國(guó)際機(jī)器人滅火比賽中國(guó)賽區(qū)選拔賽）。

“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽，由教育部委托高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦。競(jìng)賽分競(jìng)速賽與創(chuàng)意賽兩類(lèi)比賽。自2006年首次舉辦以來(lái)，“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽已經(jīng)成功舉辦了6屆。

三、機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施

機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng)，機(jī)器人的趣味性易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣，同時(shí)將創(chuàng)新實(shí)踐、競(jìng)賽引入教學(xué)過(guò)程，使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)和研究。

“機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)法”的一般教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

“項(xiàng)目教學(xué)法”最顯著的特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線(xiàn)、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽(tīng)”被動(dòng)的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。

本文以參加2012年中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開(kāi)賽的醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人組的項(xiàng)目為例，在比賽初期確定人員，將不同專(zhuān)業(yè)和不同年級(jí)的學(xué)生組成一個(gè)競(jìng)賽小組，研究競(jìng)賽規(guī)則、制定項(xiàng)目方案、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、程序調(diào)試，學(xué)生分工合作，過(guò)程中集思廣益、取長(zhǎng)補(bǔ)短、團(tuán)結(jié)協(xié)作。這種在探索中學(xué)習(xí)的過(guò)程是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法，按照以下六個(gè)教學(xué)步驟進(jìn)行：

1.項(xiàng)目的申請(qǐng)

根據(jù)學(xué)院參加機(jī)器人競(jìng)賽的實(shí)際情況，中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽，作為全國(guó)最具影響力的機(jī)器人比賽。本學(xué)院主要參加了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人游中國(guó)、擂臺(tái)等機(jī)器人項(xiàng)目，學(xué)生可以針對(duì)感興趣的比賽項(xiàng)目，或者根據(jù)江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃，申報(bào)項(xiàng)目，填寫(xiě)申請(qǐng)書(shū)。教師針對(duì)學(xué)生申報(bào)的項(xiàng)目，分析學(xué)生的實(shí)際情況，建議選擇項(xiàng)目規(guī)模和難度適中的項(xiàng)目。

中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì)，而且在今后幾年內(nèi)老齡人口數(shù)量將會(huì)呈上升趨勢(shì)，老齡化將更加嚴(yán)重。老齡化使社會(huì)的勞動(dòng)力減少，一些老年人不僅不能參加勞動(dòng)，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會(huì)的負(fù)擔(dān)。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務(wù)行業(yè)工作者稀缺的背景下，在醫(yī)院時(shí)不時(shí)會(huì)有行動(dòng)不便的病人需要護(hù)士和家人的攙扶。而在沒(méi)有人幫助的情況下，行動(dòng)不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學(xué)生選擇參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng)，設(shè)計(jì)一種醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人。

2.項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的建立

建立學(xué)生團(tuán)隊(duì)，營(yíng)造互相競(jìng)爭(zhēng)、互相幫助的學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生在做項(xiàng)目過(guò)程中攜手合作，彌補(bǔ)相互間的不足，遇到問(wèn)題大家一起討論解決，這讓學(xué)生體會(huì)到團(tuán)隊(duì)的重要性，做到共同進(jìn)步。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)的學(xué)生分工明確，每人負(fù)責(zé)項(xiàng)目的某一部分，使學(xué)生真正參與到項(xiàng)目中，整個(gè)項(xiàng)目的完成，離不開(kāi)每一個(gè)學(xué)生，學(xué)生為使項(xiàng)目不會(huì)因?yàn)樽约贺?fù)責(zé)的部分沒(méi)有完成而主動(dòng)學(xué)習(xí)，主動(dòng)查資料，可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生團(tuán)隊(duì)的建立，應(yīng)考慮學(xué)生的專(zhuān)業(yè)，年紀(jì)，特長(zhǎng)等因素。教師確定一名隊(duì)長(zhǎng)，根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，隊(duì)長(zhǎng)可以自己招學(xué)生，實(shí)現(xiàn)學(xué)生管理學(xué)生。

參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng)，筆者選擇了5名學(xué)生，隊(duì)長(zhǎng)由09級(jí)的一名學(xué)生擔(dān)任，該生組織能力比較強(qiáng)，專(zhuān)業(yè)能力也比較脫出，由他負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展，匯報(bào)工作。其他學(xué)生分別是1名2009級(jí)的，2名2010級(jí)的，1名2011級(jí)的，專(zhuān)業(yè)分別是自動(dòng)化、測(cè)控、電氣。

3.項(xiàng)目任務(wù)、計(jì)劃的制定

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人制定機(jī)器人項(xiàng)目工作計(jì)劃，確定工作步驟。機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的智能儀器。本次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人由小組討論決定，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人外形像輪椅，病人能夠獨(dú)自駕駛?cè)セ?yàn)室拿取報(bào)告，去門(mén)診找醫(yī)生復(fù)診，降低護(hù)士工作量及病人家屬的負(fù)擔(dān)。為使醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人，該團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人設(shè)置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時(shí)需要被移動(dòng)到病床上的麻煩。機(jī)器人將現(xiàn)場(chǎng)鍵盤(pán)控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)護(hù)士對(duì)病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，機(jī)器人在前進(jìn)過(guò)程中，檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)就會(huì)立刻停下，減少不必要的事故。同時(shí)機(jī)器人配備了機(jī)械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。

根據(jù)團(tuán)隊(duì)中學(xué)生的專(zhuān)業(yè)、特長(zhǎng)等分配任務(wù)，負(fù)責(zé)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)生需要畫(huà)圖紙、電焊等來(lái)完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)械手的設(shè)計(jì)；電路設(shè)計(jì)的學(xué)生制作包括單片機(jī)電路、電源穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、紅外避障電路、鍵盤(pán)輸入電路；測(cè)控專(zhuān)業(yè)的學(xué)生負(fù)責(zé)電路的測(cè)試、場(chǎng)地的制作等工作；程序編寫(xiě)的學(xué)生，完成程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試；控制界面的設(shè)計(jì)由另外一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)，主要是VB編寫(xiě)上位機(jī)、WIFI攝像頭的調(diào)試、藍(lán)牙通信的調(diào)試。

根據(jù)機(jī)器人項(xiàng)目的特點(diǎn)，學(xué)生在制作過(guò)程中可適當(dāng)?shù)刈饕恍┱{(diào)整。根據(jù)項(xiàng)目完成的時(shí)間確定工作步驟，進(jìn)行時(shí)間分配。最終得到教師的認(rèn)可才能執(zhí)行。

4.項(xiàng)目制作

學(xué)生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作?；跈C(jī)器人項(xiàng)目的作品成果形式多種多樣，可以是調(diào)查報(bào)告、實(shí)物模型、演講稿、論文等。通過(guò)展示作品成果，可反映學(xué)生在項(xiàng)目完成過(guò)程中所掌握的技能。本次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人成果包括機(jī)器人模型一個(gè)、機(jī)器人設(shè)計(jì)與使用說(shuō)明書(shū)一份、演講稿一份。在本項(xiàng)目比賽結(jié)束后，指導(dǎo)學(xué)生按照他們?cè)O(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人撰寫(xiě)論文、申請(qǐng)專(zhuān)利。

5.項(xiàng)目檢查評(píng)估

整個(gè)項(xiàng)目檢查評(píng)估采用答辯的形式向教師匯報(bào)，首先由隊(duì)長(zhǎng)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行匯報(bào)總結(jié)，再由隊(duì)員對(duì)自己負(fù)責(zé)的工作進(jìn)行匯報(bào)和自我評(píng)估，并且對(duì)設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行展示，教師根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員的表現(xiàn)、研究成果表述和作品的展示進(jìn)行檢查，為到現(xiàn)場(chǎng)比賽作準(zhǔn)備。

針對(duì)項(xiàng)目中出現(xiàn)的問(wèn)題，師生共同討論，教師引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題，解決問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)對(duì)比師生評(píng)價(jià)結(jié)果，找出造成結(jié)果差異的原因

6.項(xiàng)目資料歸檔或應(yīng)用

為使學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣，項(xiàng)目結(jié)束后，教師監(jiān)督學(xué)生將項(xiàng)目工作資料整理歸檔，材料包括項(xiàng)目申報(bào)書(shū)、進(jìn)度表、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖、程序設(shè)計(jì)流程、機(jī)器人控制程序、項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)書(shū)、項(xiàng)目報(bào)告講義等。

四、機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的成果

機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐是一個(gè)綜合性、高難度的科技制作過(guò)程，有利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)方案，選擇合適的元件，設(shè)計(jì)、焊接電路，編程、測(cè)試程序等，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，使學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)一步提高自己的綜合能力。有助于將學(xué)生的興趣應(yīng)用到教師的科研中，使學(xué)生們熱愛(ài)科技，投身科技，在學(xué)校形成良好的科技學(xué)術(shù)氣氛。

本校參加機(jī)器人競(jìng)賽源于2010年，當(dāng)時(shí)參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽、中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽、江蘇省機(jī)器人大賽、“未來(lái)伙伴”杯機(jī)器人競(jìng)賽，并因此開(kāi)設(shè)了機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐與競(jìng)賽等公共選修課；制定了《大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目負(fù)責(zé)制實(shí)施辦法》，針對(duì)項(xiàng)目采取一系列措施，保證學(xué)生能在項(xiàng)目的過(guò)程中鍛煉自己的能力，同時(shí)能保證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的創(chuàng)新性。實(shí)踐教學(xué)效果顯著，本校代表隊(duì)在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級(jí)參加全國(guó)決賽的隊(duì)伍，獲得全國(guó)攝像頭組特等獎(jiǎng)。2012年中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽獲得3項(xiàng)季軍，2010年“未來(lái)伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國(guó)舉辦的國(guó)際機(jī)器人滅火比賽。

五、結(jié)論

實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和初步的科學(xué)研究能力。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)以其高度的實(shí)踐性被越來(lái)越多的高校引入實(shí)踐教學(xué)。本校自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施，促進(jìn)了學(xué)院各學(xué)科綜合發(fā)展，提高了教師的理論、實(shí)踐教學(xué)水平和科研水平，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人相關(guān)課程融會(huì)貫通，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力，推動(dòng)了學(xué)院實(shí)踐教學(xué)體系的發(fā)展和完善。

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