基于at89c51的立定跳远测距系统设计(编辑修改稿)

基于at89c51的立定跳远测距系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

大学 20xx 届毕业设计说明书 第 8 页 共 51 页 电控制电路由发射部分，接收部分和信号处理部分组 成。 发射部分的主要元件为红外发光二极管。 它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。 目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940rim左右，外形与普通发光二极管相同 (见下图 )，只是颜色不同。 红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。 判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样：用万用表电阻档量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。 红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉距法来粗略判定。 图 红外发光二级管 发光电路由振荡电路和红外发光管 HG413组成，电路图如图。 图 发光电路图 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 9 页 共 51 页 接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。 红外光敏二极管的特点：在实际应用过程中，光敏二极管加反向电压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。 接收电路由光敏二极管，放大驱动电路和负载组成。 由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很多。 如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端直接带负载 (如图 )。 该电路的优点是：电 路元件少，电路简单，成本低。 图 接收放大电路 为了抑制干扰和噪声，便于进行信号处理，一般将红外线发光二极管内调制成脉冲光源，方波脉冲发生器采用时基集成块 NE555时基集成电路 [4]。 时基集成块NE555输出振荡频率由外接电阻 R1， R2及电容 C1决定： 2ln1)221( 1f CRR  () 3端为输出端， R3是限流电阻，避免由于电流过大而烧坏红外发光管 D，其输出信号为方波，占空比 q为 : 221 21Rq RR R () 电路原理： T1在没有光照射的时候截止，此时 T2基极电位为 0， Uout输出为高电平。 当 Tl有光照射导通，此时 T2有基极偏压， Uout输出为低电平。 当进行测量时，在人脚落地区域排布一定数量的红外线发光二极管，当人脚落清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 10 页 共 51 页 地时，必然会挡住红外线发光二极管发出的光，通过软件的处理实现， 即可计算出落地最近点距起跳线的距离，即为受测者的立定跳远成绩。 (2)利用红外线测距的优缺点 优点：灵敏度高，测量速度快，精度高，成本较低，辅助设备简单，易于维护，性能稳定； 缺点：晶体管的参数具有分散性，且由于负载电流流经晶体管，故电流受到限制，不能超过晶体管集电极最大允许电流；易受太阳光的干扰。 设计方案的确定 根据 ，从系统实用性及经济性能出发，本立定跳远测距系统采用红外线发光二极管测距的方案，它不仅具有其他三个方案所具有的共有优点，而且制作简单，成本低廉，为了提高产品的性能和市场竞 争力。 根据红外线测距原理，设计出测距系统的电路原理图，如图。 图 测距系统的电路原理图 在测距系统中，在人脚落地区域左右各排布 128个二极管，相邻的两个二极管间隔为 8mm。 左侧为发光二极管，右侧为光敏二极管，左右两侧二级管一一对应，感应距离大于 1米，既每一对二级管 (发光管和接收管 )的距离大于 lm。 设置起跳线为 5条，分别为 ， 1m起跳线， ， 2m起跳线，。 当被测者的脚落在二极管的感应范围内时，单片机把被人双脚 (或身体 )挡住的光线所对应的红外线发光二极 管中的最短的一个距离记录下来，经过软件处理所得的数据，再加上起跳距离的数值即为被测者的立定跳远成绩。 布局如图。 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 11 页 共 51 页 其测量过程为： 首先通过计算机软件面板，设置测量的基准。 然后采用循环检测方式对 128个接收二极管进行检测。 如果发现某一个 (或数个 )接收二极管低电平，所对应发光管发出的红外线被遮挡，说明有运动员跳过，则单片机计算出运动员所跳的距离。 并把计算的数据传送到到上位机进行处理。 接着对下一个运动员进行测试，循环往复进行。 图 测距布局图 AT89C51 单片机简介 单片微型计算机简称单片机。 它是把微型计算机的各个功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、 FO接口、定时器／计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机，故又把它称为单片微型计算机 (Single Chip Microputer)。 由于单片机具有体积小、功耗低、控制功能强等优点，因此被广泛应用于智能仪器仪表、工业测控、计算机网络与通信技术等领域中。 单片机种类繁多，各种单片机都有其独有特点，至于具体选择哪种 单片机型号，则完全遵循工程应用的实际需要和经济性。 红外线发光二极管 红外线光敏二极管 ＞ 1m 0 米 米 米 米 米 米 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 12 页 共 51 页 本系统采用 ATMEL公司的产品 AT89C51作为系统微控制器 (MCU)。 其特点如下 [5]： (1)内部资源配置 AT89C51是 40引脚的 MCS51系列单片机，是低功耗、高性能 8位 CMOS微控制器。 含有 4KB Flash Memory可重复编程闪速存储器，一般作程序存储器； 具有 128B的内部 RAM； 2个 16位定时，计数器； 32条 I/O口线，大部分用作数字和脉冲输入或输出； 1个全双工串行口； 5个中断源、 2个优先级的中断系统； 片内振荡电路和时钟 电路， 89C51的时钟利用它的内部振荡器生成，在 XTALl、XTAL2上外接定时反馈电路，时钟频率最大可达 24MHz。 本系统采用 12MHz，需外接。 (2)由于 AT89C51是以 8031核构成的，所以它与 MCS51系列单片机是兼容的。 这对于熟悉 MCS5l系列的广大用户来说用 AT89系列单片机取代 MCS51系列迸行系统设计是容易实现的。 (3)含 FLASH存储器。 可以承受 1万次写 /擦循环。 这在系统的开发过程中．可随意进行程序修改，即使错误编程之后仍可以重新编程，故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期；同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息 (数据保存期 10年 )。 (4)采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有利。 AT89C51带 4kB Flash Memory。 Flash Memory又称闪烁存储器，它是 EPROM和 EEPROM技术有机结合的产物。 其既具有 EPROM一样的可编程能力，有带有象 EEPROM的电可擦除性能，具有不发挥性、访问速度快 (60ns)和密度高的特点。 这使 AT89C51可靠性高、实时性好，速度快、系统掉电后重要数据和状态信息不会丢失，并可方便地在线重 复编写程序等。 它为解决许多嵌入式控制及便携式仪器开发提供了更多的灵活性 [6]。 Intel公司的 80C31单片机，其通用性强、可靠性好、技术支持全面，但片内无程序存储器，需要片外扩展，这样便增加了芯片数量，加大印刷电路板面积。 若采清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 13 页 共 51 页 用片内带 EPROM的 87C51单片机，则芯片成本较高，而 89C51单片机则融合 8031与闪速 (Flash)存储器技术于一体，自带 4K内部程序存储器，其使用寿命长 (可重复编程1000次以上 )，数据不易挥发，而且具有逻辑加密，使研制的系统不易被仿制。 AT89C51具有全静态工作方式并 支持软件选择两种节电模式。 AT89C51与 87C51相比较，功能相近，但从价格上看，前者是后者的三分之一；从片擦除来看， 87C51靠紫外光，须专门装置，且要花费较长时间 (约 30min)，而 AT89C51只要适当的控制信号组合且保持 ALE/PROG为低 10ms即可在线将整个存储区擦除。 与 8031相比，使用89C51不但节电，而且其硬件电路大为简洁且显而易见 [7]。 89C51与工业标准 MCS51系列单片机指令集和引脚结构兼容。 片内程序存储器空间能满足本系统程序存储的需要，可省去片外的 EPROM程序存储器，使 电路结构简化。 除了上述技术性能外，还有价格低廉，保密性强，功耗低，应用灵活、方便等特点，故选择 89C51单片机为本立定跳远测距仪的核心是最佳的选择。 综上， AT89C51是一种性价比很高的单片机。 用它组成实际系统，不仅设计简便、工作可靠、成本低廉，而且它所具备的两种节电模式更适合于嵌入控制或便携式智能仪表以及要求节电的场合。 如图 AT89C51芯片引脚。 图 AT89C51芯片引脚 本章小结 本章通过对两种测距方案的对比，确定了红外线发光二级管的测距方案。 对测距方案的 原理进行了分析，最后对本系统采用的 AT89C51 单片机进行了介绍。 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 14 页 共 51 页 3 系统硬件电路的设计 系统硬件设计原则 作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统，首先要考虑的就是系统的硬件电路设计。 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即单片机的功能单元，如 ROM、 RAM、 I/O口、定时 /计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。 二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、 A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路 [9]。 在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则 [1012]： (1)尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。 为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础； (2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发； (3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。 硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。 但是，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占 用CPU的时间 (比如延时程序 )； 一般情况下，用硬件实现速度比较快，可以节省 CPU的时间，但是系统的硬件接线复杂，系统成本较高。 用软件实现比较经济，但要更多 CPU的时间。 所以在 CPU时间不紧张的情况下，应尽量采用软件。 如果系统回路多，实时性要求高，则考虑用硬件完成。 (4)整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片；选择 CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品； (5)单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动 能力。 驱动能力不足时，系统工作不可靠。 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 15 页 共 51 页 单片机外围电路设计 单片机外围电路如图。 P0接口主要控制指示灯。 其中 Pl接口主要控制接收二极管和发光二极管。 P2接口主要用于键盘接口。 通讯接口。 P3． 5判断接收二极管的状态 [1314]。 图 AT89C51单片机外围电路原理图 3． 3 红外线发射电路设计 由于红外线发射端采用的是 128个发光二极管，并且二极管的发光是分时控制的，即在按一定的顺序控制发光二极管发光。 而且由于单片机的 AT89C51的控制端不能直接对 这 128个二极管进行控制，必须采用外围扩展电路。 在此设计中，采用74HCl38译码器进行控制。 通过单片机的管脚控制译码器的使能端，决定译码器是否工作，同时也控制译码器的不同的状态。 其电路图如图 ，其中 74HCl38管脚 5使能端接单片机的 [1518]。 图 74LS138电路图 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 16 页 共 51 页 74HCl38的控制端 A、 B、 C由单片机来控制，但由于单片机的驱动能力小，而且在此控制电路中需要多个 74HCl38译码器，为了提高驱动能力，我们采用了 74HC244这个芯片，它能够提供 8路的驱动能力，其电 路图如图 ，它是一个三态的，通过管脚 2使其是否工作，在此设计中，把 2管脚接低电平，使其处于工作。