基于AT89C51的立定跳远测距系统设计

毕业设计说明书基于AT89C51的立定跳远测距系统设计 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012年06月基于AT89C51的立定跳远测距系统设计摘 要广大青少年身心健康、体魄强健、意志坚强、充满活力，是一个民族旺盛生命力的体现，是社会文明进步的标志，是国家综合实力的重要方面。随着中华人民共和国学生体质健康标准的颁布实施，开发智能化体质测试系统用于检测大中小学生的身体健康状况已经成为当务之急。立定跳远测距系统是智能化体质测试系统系列产品之一，该系统将计算机软硬件技术溶为一体，技术含量高。在研究参考国内外现有立定跳远测距仪的基础上，充分利用现代电子、计算机、红外线传感测控等方面的技术成果，开发了新一代基于红外线发光二极管和单片机的立定跳远测距系统。本文所论述的立定跳远测距系统采用计算机显示，可根据不同被测对象选择不同的起跳点，性能稳定，精度较高。系统实用、缓冲性能和附着地面性能优良。本文所论述的立定跳远测距系统是以单片机AT89C51为核心部件的工作系统。用Altium Designer软件完成硬件设计的基础上，确定C语言为编程语言，确定了系统软件的总体结构，设计了主程序流程图，通过C语言编制的软件程序支持，能够实现对被测者所跳距离的处理、运算，从而实现测量。同时，本文对单片机AT89C51与PC机之间进行通讯、实施PC机控制的工作做了一定的研究和探讨。关键词：立定跳远测距系统，红外线传感测控，单片机The Research and Development of Advanced Standing Long Jump Range Finder SystemAbstractMasses of adolescent physical and mental health, body robust, strong will, full of vitality, is the embodiment of a nation strong vitality, is a symbol of social civilization and progress, are important aspects of the comprehensive national strength.With the promulgation and actualization of The Health Stalldard for Students Physical Constitution of the Peoples Republic of China,it has become a pressing obligation to develop the Intelligent Testing System for Physical Constitution Measurement.The advanced standing long jump range finderis one of the series of products of The Intelligent IC Card Testing System for Physical Constitution Measurement.This device is a high technical product which is the combination of computer hardware and software.Under the study of the standing long jump range finder at home and abroad,an advanced standing long jump range finder that based on infrared LED and SCM (Single Chip Microprocessor) is developed,which takes advantages of the technology process in the fields such as electronic,computer,sensor and controlling.The standing long jump range finder discussed in this paper uses the PC to show the testing data.Different jumping-off points can be chosen for different people.It has stable capability and high precession.The measure error is less than one centimeter.Its practicality and well cushion and adhesion capability.The MCU AT89C51 is used as a core component in this standing long jump range finder.On the basis of the hardware design with the help of the software Altium Designer,this article decides to choose C language to program,and decides the general structure of software system,and design the flow chart of the main program .With the support of the software that programmed by the C language,the data can be analyzed and operated automatically.Communications between AT89C51 and PC controlling ale also discussed in this paper.Keywords：Standing long jump range finder system,infrared sensor and controlling,SCM目 录1 绪论11.1 研究立定跳远测距系统的由来及意义11.1.1 学生体质健康标准介绍11.1.2 学生体质健康标准在学校的实施11.1.3 学生体质健康标准适用范围和评价方法21.1.4 国外各国对体质评价指标体系的研究31.1.5 研究开发立定跳远测距系统的由来和意义41.2 国内外技术概况及发展趋势51.3 论文主要工作概述61.3.1 总体设计61.3.2 系统硬件电路的设计61.3.3 系统软件的设计61.4 本章小结62 总体方案的设计72.1 设计参数及要求72.2 测量方案的选择72.3 设计方案的确定102.4 AT89C51单片机简介112.5 本章小结133 系统硬件电路的设计143.1系统硬件设计原则143.2单片机外围电路设计1533红外线发射电路设计153.4 接受电路设计173.4.1模拟量输入/输出通道接口173.4.2 信号处理电路203.5 单片机系统扩展设计223.5.1 电源设计223.5.2 复位电路的设计233.6 系统相互通道配置与接口技术243.6.1 串行通讯接口标准选用RS-232C253.6.2 RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路及MAX232芯片283.7 本章小结294 系统软件设计304.1 软件设计概述304.2 编程语言的选用314.3 系统程序334.4 本章小结39结 论40附录 系统电路图41参 考 文 献48致 谢511 绪论1.1 研究立定跳远测距系统的由来及意义1.1.1 学生体质健康标准介绍现代文明在带给人们充分物质享受的同时，也给人类的健康带来了新的威胁，人们对健康的要求更加迫切。我们国家自新中国成立以来党和政府十分重视青少年的体质，制定了一系列政策，先后推出了劳卫制、国家体育锻炼标准、大学生体育合格标准、中学生体育合格标准、小学生体育合格标准以及学生体质健康调研等政策和措施。这些政策和措施对加强学校体育工作，提高青少年体质健康水平，起到了很大的推动作用。但随着社会的发展和变革，部分内容己不能完全适应形势的要求，如：在体质的测试内容方面存在着一定的局限性，不能全面反映学生的体质健康状况；学校体育中重复“测试”的内容较多，加重了学生和体育教师的负担。因此，进一步修订与完善这些政策和措施，建立一个比较全面、科学、简单、实用的学生体质健康评价标准，显得十分必要。2000年我国学生体质健康调研结果表明，随着我国社会稳定和经济的持续发展，人民生活水平的不断改善，我国学生身体健康水平有了较大的提高。与此同时，学生的体质健康方面也存在着不容忽视的问题，学生体质健康的状况不容乐观，必须下大力气，采取积极措施，扭转学生体质健康状况下滑的趋势。以前我国采用的学生体育合格标准，从评价方向和内容上已不适应现代学生的客观实际。因此，教育部、国家体育总局于2002年7月25日颁布了学生体质健康标准 (试行方案及实施方法)1，取代了学生体育合格标准。学生体质健康标准的颁布实施，其目的就在于使学校和广大学生以及家长能够及时了解学生的健康水平，督促学生积极参加体育锻炼，上好体育课，养成良好的锻炼习惯，进而全面提高学生的体质健康水平。学生体质健康标准能够促进学生身体的正常生长和发育、形态机能的全面协调发展、身体健康素质的全面提高和激励学生主动、自觉地参加经常性的体育锻炼，有利于把学生培养为德、智、体、美全面发展的高素质人才。1.1.2 学生体质健康标准在学校的实施学生体质健康标准是国家体育锻炼标准的组成部分，国家体育锻炼标准在学校的具体实施。学生体质健康标准将采取分步实施的办法，逐步推广。从2002年9月新学年开始，由各省、自治区、直辖市教育厅(教委)确定3%左右的中小学校和2所以上的高等学校、小学从一、三、五年级开始，中学(中专)和高等学校从起始年级开始实施学生体质健康标准以取得经验。从2003年新学年开始，各省、自治区、直辖市实施学生体质健康标准的比例扩大到50%的中小学校和所有高等学校。从2004年新学年开始，在全国各级各类学校全面实施学生体质健康标准。1.1.3 学生体质健康标准适用范围和评价方法学生体质健康标准适用于全日制小学、初级中学、普通高中、中等职业学校和普通高等学校的在校学生。从身体形态、身体机能、身体素质等方面综合评定学生的体质健康状况，按百分制记分。不同年级有不同的测试项目，同一年级还会根据个人的不同条件有不同的标准。学生体质健康标准根据学生的生长发育规律，将测试对象划分为以下组别：小学一、二年级为一组、小学三、四年级为一组、小学五、六年级为一组；初中及以上年级每年级为一组，大学为一组。测试项目如下：（一）小学一、二年级测试项目为身高、体重、坐位体前屈三项。（二）小学三、四年级测试身高、体重、50米跑、立定跳远四项。（三）小学五、六年级测试项目为六项，其中身高、体重、肺活量为必测项目。选测项目为三项：从台阶试验、50米8往返跑中选测一项；从50米跑、立定跳远中选测一项；男生从坐位体前屈、握力中选测一项、女生从坐位体前屈、握力、仰卧起坐中选测一项。（四）初中及以上各年级(含大学)测试项目为六项，其中身高、体重、肺活量为必测项目，选测项目为三项：从50米跑、立定跳远中选测一项；男生从台阶试验、1000米跑中选测一项，女生从台阶试验、800米跑中选测一项；男生从坐位体前屈、握力中选测一项，女生从坐位体前屈、仰卧起坐和握力中选测一项。学生体质健康标准是促进学生体质健康发展、-激励学生积极进行身体锻炼的教育手段，是学生体质健康的个体评价标准，也是学生毕业的基本条件之一。新标准实行的是目标管理，即不管学校怎样开展体育运动，只要达到标准就合格。如：长跑是提高耐力的有效方法，但由于它枯燥乏味许多人不愿意跑，这种情况下有条件的学校同样可以通过游泳、踢足球等活动来达到提高耐力的目的。学生体质健康标准的实施本身是对学生进行提高健康意识的教育过程。通过学生体质健康标准的实施，可以促进青少年学生更加自觉主动地锻炼身体。可以使家长、社会及时了解学生的体质状况。1.1.4 国外各国对体质评价指标体系的研究从国际体质评价指标体系的演变来看，各个从事体质测试的国际组织和国家，在解释体质的概念和选择测试指标方面都想尽力取得一致，但是由于各国际组织和国家的某些观点尚有不同，因而在各自测试指标上，也还存在着较大差别。美国在体质研究上有很长的历史，学科发展完善，基本完成了由测试“运动技术指标”向测试“健康指标”的过渡。在美国比较普遍使用的健康体质测试方法，可以归纳为4个方面：(1)心肺功能；(2)肌肉力量与耐力；(3)身体柔韧性；(4)身体组成。良好的心肺功能可以预防心血管疾病，特别是冠心病的发生；强健的肌肉是完成人体各种运动的必需；柔韧性可以防止在活动中的损伤：适宜的身体组成可避免由肥胖导致的各种疾病。所以，这四个方面的良好状态，提供和保证了人们安全地从事运动的能力，即具备了优良的体质水平。而日本在1998年也对沿用了30多年的体力诊断和运动能力测试进行了修订，指标数量减少，包括耐久跑、握力、50米跑、立定跳远、坐位体前屈、仰卧起坐等，指标更向健康评价靠近。世界卫生组织对健康的定义为“健康不仅仅是指没有疾病或不虚弱，而是生理、心理的健康和社会适应的完好状态”。对体质的定义在体育、教育和卫生系统，也已基本形成共识，即“体质是指人体的质量，它是在遗传性和获得性的基础上表现出来的、相对稳定的特征”。从健康和体质两个定义中不难看出对身、心两方面提出的要求。以往我国评价学生的体质时，更多地使用了学生的运动成绩作为评价的标准。随着社会的发展，人们越来越认识到形态对人体健康的重要性，因为一定的形态结构，必然表现为一定的生理功能。因此形态将作为评价的一个方面。另外，现代医学和运动生理学的研究结果表明，人体心血管系统及呼吸系统功能强弱是反映一个人健康的重要标志，也是左右人们寿命和工作时间的重要因素。应该把发展学生心血管系统及呼吸系统功能贯穿身体运动的始终。因此，机能的评价也应作为学生体质健康标准的重要内容。1.1.5 研究开发立定跳远测距系统的由来和意义青少年是祖国的希望、民族的未来。各级政府都非常重视青少年的体制健康问题。有了标准和实施的步骤还是不够的，如何使这套标准执行的更具科学性才是关键。在教育部国家体育总局颁布的教体艺200212号学生体质健康标准试行方案及实施办法中明确指出“为使学生体质健康标准的实施更加科学、准确、简便易行，各学校选用的测试器材必须是经国家质量监督部门检测达到测试要求的合格产品，同时应积极创造条件使用计算机，努力做到管理的科学化、现代化。目前，我国从小学、中学到成人还没有相应的检测设备，就更谈不上普及应用。现有的一些测试主要靠人工操作，存在有较大的人为因素，且不方便管理。因此，研制一整套智能化全自动体质监测设备，并能与网络和数据库连接、便于管理存档、价格又相对低廉，使一般中、小学校及厂矿、企业、机关都能接受，成为当务之急。我们研究的立定跳远测距系统正是符合了这一形势要求。经常练习跳跃，可以增强腿部力量，提高弹跳能力，发展速度、力量、灵敏、协调等素质，而立定跳远作为跳跃类的一个项目，由于它的技术动作简单，所需场地不大，器材简易，因此把它作为身体素质测验必不可少的项目之一。如小学的体育达标测试之一；初中升高中的体育加试；高中考体育学院的素质测试等。立定跳远是全民健身的重要项目，也是竞技体育中有代表性的素质指标。立定跳远测距仪是体能测试系统的系列产品之一，通过测试直观地反映出受测者的人体爆发能力。本设备具有安全、环保、简便、实用、对环境条件要求宽松、便于普及推广的特点。传统的体育比赛和体育测验中，立定跳远的成绩采用米尺来测量，由裁判员或体育老师用肉眼来测量成绩。根据比赛规程，每位被测者有三次机会，三次中的最好成绩作为该选手的最终成绩。而在大型的比赛中，参赛的队员往往很多，裁判员多次重复同一个动作，不仅繁琐、无聊，而且浪费人力，由于裁判员的主观因素造成的误差在所难免，也不能排除裁判员误判的可能。同理，这些问题和疑虑在学校的体育测验中也同样存在。为了解决上述问题，为了客观快速准确的测出运动员的成绩，减少裁判员的工作量，避免主观因素的干扰，故研究了这个立定跳远测距系统。1.2 国内外技术概况及发展趋势目前，国内市场上已经出现了一些立定跳远测距产品。杭州实惠体育用品有限公司研制开发的立定跳远电脑测距仪已获得国家实用新型利。大连万国汇通体育投资管理有限公司开发的尤西姆(UOSIM)智能体质测试系统也是为配合国家教育科学规划重点课题的研究及学生体质健康标准和体育考试制度的建立而设立的重点投资攻关项目。其开发的AL6立定跳远测试仪如图1.1所示。图1.1 AL6立定跳远测试仪该产品的主要功能及特点： 支持手工输入ID号和IC卡读取两种身份识别方式； 仪器内可存储最新的1000条测试数据，以备查询； 测试后数据锁定显示，并可浏览查询；北京华夏汇海科技有限公司生产的HHTC/LT-100型立定跳远测试仪也是目前市场上很有代表性的一款产品。HHTC/LT-100型立定跳远测试仪如图1.2所示。 图1.2 HHTC/LT-100型立定跳远测试仪该产品的性能特点：具备键盘与非接触卡身份证号码、学号俩种输入模式；海量存储15000条测试数据，测试成绩快捷搜索、查询；测试结果自动显示，同步语言提示；测试数据实时同步，通过远距离无线网络自动送入计算机数据采集系统；首先可以看到，这些产品每次测试之前都需要输入被测者的姓名、学号等身份信息，大大增加了测试的工作量。另外，这些均采用了独立的显示、存储模块，最终测试结束之后才将测试结果传送给计算机。这样不利于数据的快速处理，不符合如今技术发展趋势和人们的工作需求。如果采用PC直接控制整个系统的方式，就会加快整个测试的进程，并且直接将测试结果等数据进行处理，方便快捷。1.3 论文主要工作概述1.3.1 总体设计在用户需求分析的基础上，研究国内外当前同类产品的设计方案，认真分析了市场上同类型产品的优点和不足，经过严格的分析和比较，选取合理的设计方案，确定了此立定跳远测距系统应具有的基本功能、系统结构及其精度要求等。1.3.2 系统硬件电路的设计(1)以AT89C51为核心的发射部分和接收部分电路原理图设计；(2)采用看门狗电路、555振荡电路、9V电源等完善设计中的各项辅助功能；(3)RS232串行通信接口电路完成主、分机之间的通信任务；1.3.3 系统软件的设计软件设计主要是指系统监控程序的设计，即此立定跳远测距系统中各项功能的软件实现方法，其中包括程序流程图的设计和具体的程序设计，采用C语言实现编程。1.4 本章小结本章通过介绍立定跳远测距系统的研究背景，说明了研究该系统的重要意义。同时介绍了相关产品的发展现状，通过分析作出总体设计的规划。2 总体方案的设计2.1 设计参数及要求(1)设计参数测量精度：0.Olm测量距离：2.5m+lm(2)设计要求性能稳定、精度高、误差小于O.Olm；可根据不同对象选择不同的起跳点，以便适用于不同人群；设备精美实用，缓冲性能和附着地面性能优良；实现PC对整个系统的操作；2.2 测量方案的选择测距仪是指用来确定某物距离的各种视觉，电子或声觉仪器之一。目前市场上的测距仪普遍采用导电橡胶或红外线发光二极管的测距方法，二者各有优缺点2。方案一：导电橡胶测距方案3(1)利用导电橡胶的测距原理压敏导电橡胶的导电性随着压力的增加电阻变小。在不受力时一般为绝缘体。它有2种类型：开关型，不受压时为绝缘体(断路)，当压力达到一定值后，电阻急剧降低至导电状态(接通)。模拟型，其电阻值随压力的变化而逐渐变化。本方案采用的是开关型压敏导电橡胶，利用其作为测量时的受力传感元件。(2)利用导电橡胶测距方案的优缺点优点：灵敏度高，制作方便；缺点：成本较高，易损坏不易维护，使用寿命短。方案二：利用红外线发光二极管的测距方案(1)利用红外线发光二极管的测距原理红外线发光管具有发光效率高，体积小，截止频率高，使用方便的的特点。光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2.1 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2.2所示。图2.2 发光电路图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2.3)。该电路的优点是：电路元件少，电路简单，成本低。图2.3 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： (2.1)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: (2.2)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。2.3 设计方案的确定根据2.2的分析，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2.4所示。图2.4 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O.5m起跳线，1m起跳线，1.5m起跳线，2m起跳线，2.5m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2.5所示。其测量过程为：1m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。红外线光敏二极管红外线发光二极管0米0.5米1.0米1.5米2.0米2.5米图2.5 测距布局图2.4 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 Microcomputer)。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。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MCS-51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11.0592的晶振。(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MCS-5l系列的广大用户来说用AT89系列单片机取代MCS-51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MCS-51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2.6所示AT89C51芯片引脚。图2.6 AT89C51芯片引脚2.5 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。3 系统硬件电路的设计3.1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10-12：(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。3.2单片机外围电路设计单片机外围电路如图3.1所示。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。P3.0和P3.1接口是与上位机通讯接口。P35判断接收二极管的状态13-14。图3.1 AT89C51单片机外围电路原理图33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3.2所示，其中74HCl38管脚5使能端接单片机的P1.6脚15-18。图3.2 74LS138电路图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3.3所示，它是一个三态的，通过管脚1、2使其是否工作，在此设计中，把1、2管脚接低电平，使其处于工作状态。图3.3 74HC244驱动电路红外线发光二极管采用脉冲光源，方波脉冲发生器采用时基集成块采用555脉冲发生器。其原理图如图3.4所示。在这个电路中，脉冲时钟频率为29.63KHz，占空比为0.8119。图3.4 脉冲发生器电路对发光二极管除了有控制电路外，还有驱动电路，其驱动电路如图3.5示，用译码器通过控制一个或门控制脉冲电路，从而控制发光二极管是否发光。同时为了减少控制芯片的数量，在控制驱动电路中，每个译码器的控制管脚控制四个二极管同时发亮和熄灭。二极管的驱动是通过一个三极管进行控制的，在这个电路中，三极管工作在饱和状态下，作为开关用，电阻采用的是排阻。图3.5 发光二极管驱动电路3.4 接受电路设计与红外线发射电路相似，接收端也采用多路复用，通过一些外围扩展电路，与发射端不同的是，在接收信号的过程是一路一路的进行的，即128个接收二极管，必须有128个扩展通道。接收端的控制电路也是通过74HCl38译码器进行控制的。由于发射二极管与接收二极管是一一对应的，所以在控制发光二极管发光的过程，同时也要读出与发光二极管相对应的接收二极管的数据。所以译码器的控制端与发射板上的译码器的控制端时相同的20。即都是通过P16管脚进行控制。3.4.1模拟量输入/输出通道接口在接收端128个通道时通过多路选择开关进行选择的。多路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时地接通A/D转换器，即完成多到一的转换或者把经计算机处理、且由D/A器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路(或外部设备)，即完成一到多的转换。前者称为多路开关，后者称为多路分配器或反多路开关。CD4051是单端8通道双向多路开关，它带有3个通道选择输入端A、B、C和一个禁止输入端INH，A、B、C得到的信号用来选择8个通道之一被接通。禁止输入端小HNH=“1”，即INH=VDD时，所有通道均断开，禁止模拟量输入；当INH=VSS时，所有通道接通，允许模拟量输入。输入信号Vi范围是VDD-VSS。所以用户可以根据自己的输入信号范围和数字控制信号的逻辑电平来选择VDD、VSS、VEE的电压值。该类芯片的VDDVSS许使用的电压范围是-0.515V。图3.6 CD4051原理电路图 图3.6中，逻辑转换单元完成TTL到CMOS的电平转换。因此这种多路开关输入电平范围大，数字控制信号逻辑“1”的电平可选315V，模拟量可达15VP-P。二进制3-8译码器用来对选择输入端C、B、A的状态进行译码，以控制开关电路TG，使某一电路开关接通，从而将输入和输出通道接口21。 表3.1是CD4051的真值表。在本论文硬件电路中选用4051芯片完成从多到一的转换。根据以上对CD4051特性，设计出红外线接收电路，如图3.7所示22。4051是一个8选一开关，它的工作状态是通过管脚6来控制的，A、B、C的不同的组合可以选择不同的通道，其输入端直接接接收二极管。如果接收二极管接收到相对应的红外线发光二极管的光线，这接收二极管导通，输入的信号为高电平。反之，则为低电平。表3.1 CD4051的真值表INPUT STATES选中输出通道INHIBITCBA00000000110010200113010040101501106011171Ncno图3.7 红外接收电路本论文中选用16块CD4051芯片，每片接8个接收电路的光敏二级管。系统需19块CD4051芯片(U1U19)，每片接8个光敏接收管。3.4.2 信号处理电路信号处理电路主要采用集成锁相环路解码器LM567，它是美国国家半导体公司生产的56系列集成锁相环路中的一种，其同类产品还有美国Signetics公司的SE567/INE567等。LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器，由于其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种设备中的解码以及AM(amplitutude modulation调幅)、FM(frequency modulation调频)信号的解调电路中23。LM567的封装形式采用8脚双列直插式，LM567结构及外围元件如图3.8所示。它在电路中的功用是作选频用，即只有当输入信号的频率和电路自身的振荡频率相一致时，电路输出低电平，否则输出高电平。它的内部包含了两个鉴相器PDl及PD2、放大器AMP、电压控制振荡器VCO等单元电路。脚1、2分别对地接电容Cl、C2。形成输出滤波网络和环路低通滤波网络，其中2脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽，电容数值越大，环路带宽越窄。第3脚是信号输入端，要求输入信号大于25mV。第8脚是逻辑输出端它是一个集电极开路的晶体管输出，允许最大灌电流为100mA。第5、6脚外接的电阻和电容决定了IC内部压控振荡器的中心频率，锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生，电压控制振荡器的自由振荡频率与脚5、6外接定时元件RTCT的关系式为： (3.1)选用适当的定时元件，可使LM567的振荡频率在0.01Hz500kHz内连续变化24。LM567作为锁相环路解码器，即当从脚3输入的信号的频率在f0附近的带宽BW范围内时信号被捕捉到，从输出脚8输出低电平(未捕捉到时为高电平)。带宽BW可由公式计算： (3.2)式中Vi为输入信号的幅值(rms)，Vi20mV，当Vi200mV时带宽仅由f0与C2的乘积决定。在红外线接收端其电路如图3.8。把前面接收二极管接收的信号经过LM567处理后，直接输入到单片机的P3.5脚，单片机根据其接收的信号来判断接收二极管的状态。图3.8 信号处理电路3.5 单片机系统扩展设计3.5.1 电源设计系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系统是否正常运行起着至关重要的作用。电源设计时应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题。电源功率必须能满足全系统的需要。单片机系统的绝大部分器件以脉冲方式工作，对较小的系统功率消耗的脉冲特性更为突出，而较大的系统由于器件功率消耗的分散性，使得系统整体的功率消耗比较平稳。因此，单片机系统的电源必须有足够的耐冲击性，这就要求电源设计时留有充分的余量，一般大系统按实际功率消耗的1.5倍2倍设计，小系统按实际功率消耗的2倍3倍设计。电平设计指的是直流电压幅度和电源在最不得(满载)情况下的纹波电压峰峰值设计。两项指标都关系到单片机系统能否正常运行。因此，必须按系统中对电平要求最高的器件条件进行设计。各种形式的干扰一般都是以脉冲的形式进入单片机的，干扰窜入单片机系统的渠道主要有三条：空间干扰(场干扰)，通过电磁波辐射窜入系统；过程通道干扰，通过与主机相连的前向通道，后向通道及其它与主机相互连接的通道进入；供电系统干扰，通过供电线路窜入。对于上述三种干扰必须采用行之有效的措施和具体电路加以消除，确保单片机系统正常运行和工作。直流稳压电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分。随着微电子技术的发展，集成电路得到了广泛应用，从而推动了电子设备向固体化、小型化、轻量化方向发展，随之对电子设备的电源装置也提出了小型化、轻量化和高效率等要求。为了满足电子设备的要求，电源由分立元器件组装发展到了集成化、小型化25。 在系统电路中，逻辑电路需要+5V直流电压，采用9V电源，再采用W7805稳压块就可以将9V电压转换为+5伏直流电压。电源模块的输出接有三个电容组合，是为了使进到系统里的电源更加稳定可靠、电压波动小。当有电压波动时，通过电容的充、放电过程来阻止电压波动；不同电容可以消除不同频率的电压波动。如图3.9所示，在电源电路中。C107、C104、C108起到滤波缓冲作用。图3.9 电源电路3.5.2 复位电路的设计整个系统接通电源后，AT89C51必须先复位才能保证它的正常工作。AT89C51的RST接高电平将使单片机复位。同时，还存在着单片机不能正常工作，出现死机现象，要消除这种现象，必须在单片机在一定的时间内如果不响应则对其进行复位。所以在此设计中加一个看门狗电路。复位电路及看门狗电路的核心是IMP公司推出的低功耗、低价格uP监控模拟集成电路产品IMP813L，其连接电路如图3.10所示26。其主要的特点有：(1)与MAXIM完全兼容功耗比MAXIM降低60以上，最大工作电流仅为140uA；(2)200ms复位脉宽，最小复位脉宽是140ms；(3)精确的电源监控：4.65V门限；(4)去抖动的手动复位电路；(5)电压监控：1.25V门限；(6)额定看门狗超时周期为1.6s；(7)高电平有效的复位输出。图3.10 看门狗电路该复位电路具有上电复位、手动复位和掉电检测复位功能。89C51及其数字电路芯片的工作电压一般最低为4.5V，低于4.5V将不能保证系统正常工作，有可能使程序运行跑飞。IMP813L具有电压监控功能，当电源电压降至4.65V以下时，RESET变为高电平，系统复位，直到Vcc升到4.65V以上，RESET仍保持高电平200ms，保证系统的可靠复位。IMP8l3L具有看门狗的功能。看门狗定时器WDT的输入WDI，可接系统一I/O口，若1.6秒内WDI保持高电平或低电平不变，则WDT超时溢出并将WD0变为低电平，并直到看门狗定时器被清零才变成高电平。WDT被清零有三种情况：发生复位；WDI处于三态；WOI监测到一个上升沿或下降沿。该系统WDI检测89C51单片机的P3.2的脉冲变化，系统正常运行时，对P3.2定时取反。当系统运行有故障，P3.2口1.6秒内无上升沿或下降沿变化时，WD0输出低电平，由于WD0通过二极管接MR，相当于手动产生复位信号，使单片机复位后重新进入正常运行。3.6 系统相互通道配置与接口技术单片机应用系统的相互通道是指单片机应用系统相互之间或单片机和微型机、微处理器实现通信、控制的通道接口。相互通道接口特点：(1)相互通道是CPU之间的信号传送通道。传送控制指令或数据，信号传送要遵循一定的通信规程和编码要求。(2)相互通道是一个数字通道，在通道中都是以一定形式的电流、电压量表示一些开关量0或l。具有较好的抗干扰能力。(3)相互通道连接的两个应用系统通常都相隔一定距离，因此，大多数相互通道都包含有串行通信接口。(4)相互通道接口的软、硬件配置都应符合一定的外总线标准，以便实现接口的通用性，如信号电平、总线配置等。但是，随着技术的进步，一个较大规模的测控系统越来越需要实现控制中心PC微机对单片机系统的集中监测、控制和管理，必须让单片机同控制中心Pc机进行数字通讯。所以，这里专门讨论一下在写论文过程中所研究的下位机单片机与控制中心上位PC机之间通讯的问题。3.6.1 串行通讯接口标准选用RS-232C不同的独立系统经由线路互相交换数据，便是通讯，而构成整个通讯的线路称之为网络。通讯的主要目的在于将数据从某端传送到另一端，实现数据的交换。从人与人之间的对话、计算机与设备之问的数据交换到计算机与大脑问的数据传送，乃至广播或卫星都是通讯的一种。本论文主要是研究单片机与PC微机之间的通讯。单片机与微机的通讯也分为两类：单片机与PC机之间点对点通讯；多台单片机与PC微机的大规模局域网通讯。本论文中只有一台下位机工作，软件系统上主要是针对点对点通讯的研究。所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化，借助串行通讯标准接口，不同类型的数据通信设备可以很容易实现它们之间的串行通讯连接。采用标准接口后，能很方便的把各种计算机、外部设备、测量仪器等有机的连接在一起，进行串行通讯。目前最常用的串行通讯总线接口是美国电气工业协会(EIA)推荐的RS-232C和RS-485/422/449/423标准总线接口，二者各具特点。1、RS-232C标准总线接口27RS-232C标准总线接口全称是“使用二进制进行交换的数据转换设备和数据通信设备(DEC)之间的接口”，它是EIA于1969年修订的标准。RS(Recommended Standard是英文“推荐标准”的缩写，232为标准编号，C表示修改次数。RS-232C定义了数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间的物理接口标准。接口标准包括机械特性、功能特性和电气特性等方面内容。(1)机械特性RS-232C总线标准规定使用25针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义。实际应用中常使用9针连接器替代25针连接器。(2)功能特性RS-232C接口的主要信号线的功能定义如表3.2。(3)电气特性RS-232C采用负逻辑电平，规定DC(-3V-15V)为逻辑“1”，DC(+3V+15V)为逻辑“0”，-3V+3V为过渡区，不做定义。RS-232C的逻辑电平与通常的TTL和矾DS电平不兼容，为了实现与TTL或MOS电路的连接，要外加电平转换电路。RS-232C发送方和接收方之间的信号线采用多芯信号线，要求多芯信号线的总负载电容不能超过2500pF。通常RS-232C的传输距离为几十米，传输速率小于20Kbps。表3.2 RS-232C标准接口主要引脚定义28插针序号信号名称功能信号方向1PGND保护接地2（3）TXD发送数据（串行输出）DTED