陕西理工学院毕业设计
P2口（21～28脚），准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。可作为输入/输出口，实际应用中一般作为地址总线的高8位，与P0口一起组成16地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址[6]。
P3口（10～17脚），准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。双功能口，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，其特殊用途如表1.1所示。
表1.1 P3口第二用途
端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
第二功能 RXD TXD /INT0 /INT1 T0 T1 /WR /RD
注 释 串行口数据接收端 串行口数据发送端 外中断请求0 外中断请求1
定时/计数器0外部计数信号输入 定时/计数器1外部计数信号输入
外部RAM写选通信号输出 外部RAM读选通信号输出
（1）STC89C52
STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。
STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 （2）主要功能特性
1)兼容MCS51指令系统；
2)8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM； 3)32个双向I/O口； 4)256*8bit内部RAM；
5)3个16位可编程定时/计数器； 6)时钟频率0～24MHz； 7)2个串行中断；
8)可编程UART串行通道； 9)2个外部中断源； 10)共8个中断源； 11)2个读写中断口线； 12)3级加密位；
13)低功耗空闲和掉电模式； 14)软件设置睡眠和唤醒功能[7]。 1.3.2 单片机最小系统
STC89C52的最小系统如图3.2所示。整个最小系统由三个部分组成：晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。
晶振电路包括2个30pF的电容C2和C3，以及12M的晶振X1。电容的作用在这里是
第5页共39页
陕西理工学院毕业设计
起振作用，能够帮助晶振更好的起振，取值范围是15-33PF。晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。在进行电路设计的时候，晶振电路越靠近单片机越好。
复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。利用电容电压不能突变的性质，可以知道，当系统一上电，RESET脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RESET脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位[8]。
最后一个是电源部分，采用5V的USB直接供电，可采用手机充电器、电脑USB口、移动电源等设备进行供电。
此外，除了单片机最小系统的3个部分之外，这里还多了一些外部电路。
由于STC89C52的P0口是漏极开路输出，因此在P0口接了一个10K的排阻R1，使得P0口可以作为普通的I/O口使用，本设计用P0口来做液晶的数据口。
特别注意的是，对于31脚(EA)，当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。由于我们的程序存储在了单片机内部，所以EA要接高电平，保证单片机是从内部读取程序去执行的。单片机最小系统如图1.3所示。
VCC1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.040VccC1 10uf123456789vccR4 10kGNDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRC230PX1C3GNDP3.7/RDXTAL2XTAL1GND30PGND
图1.3 单片机最小系统
1.4 超声波测距报警电路 1.4.1 超声波的工作原理
超声波模块使用的HC-RS04超声波，此模块可以提供非接触式距离传感功能范围是2cm-400cm，测距的精度可达3mm。该模块包含了超声波发射器、接收器和控制电路。
基本工作原理：利用IO端口触发位置，给其至少为10us高电平信号；模块自动地发送40kHz方波，并自动检测是不是有信号回来；有信号回来的话，通过IO端口输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到回来的时间。测试距离=（高电平时间*速度（340m/s））/ 2。
如图1.3所示，只需要提供一个脉宽10us以上的触发信号，该模块将发出8个40kHz的周期电平和回波检测。一旦检测到有回波信号的话，就会输出回波信号。回波信号的脉冲
第6页共39页
陕西理工学院毕业设计
宽度和所测量的距离是成正比的。从这个信号接收到回波信号的时间间隔可以计算得到的距离[9]。当距离小于设定距离时，报警电路被触发工作，并且声音提醒学生坐直，达到保护学生视力的目的。
图1.3 超声波时序图
1.4.2超声波的基本特性
超声波是在弹性介质中的一种机械振荡，他的振荡频率超过20kHz，分为两种方向振荡：横向和纵向振荡，超声波在气体、液体和固体中都可以传播。它有折射和反射现象，并且在传播过程中是有所衰减的。
超声波的特性所述如下： 1）波长
波的传播速度是频率乘以波长。电磁波的传播速度为3×108米/秒，但在空气中的声波传播速度却很慢，约344m／s（20°C）。这个相对较低的传输速度，波长是非常短的，这意味着该分辨率的距离和方向可以得到。正是由于这种高分辨率的特性，使得它可以在测量中获得很高的精度。 2）反射
为了检测一个对象是否存在，超声波可以在对象上得到反射。因为许多的物品都可以反射近100%的超声波，所以我们可以很容易地找到这些对象。因为布、棉、毛等都可以吸收超声波，就很难用超声波来检测。与此同时，由于不规则的反射通常是很难检测的，凹凸的表面和斜坡表面的对象。这些因素决定了理想的超声检测环境是在开放的地方，测试对象必须是反射超声波[9]。 3）温度效应
声波传播速度可以用以下公式表示。C = 331.5 + 0.607t（米/秒），T为温度（C），也就是说，周围温度变化时声音传播的速度是不同的。因此，要精确地测量对象的距离，就要经常检查环境温度，尤其是在冬天的时候，因为室内外温差较大，对超声波测距精度的影响较大，在这个时候可以采用18B20作为温度补偿以此来减少由于温度变化而引起的测量误差，在房间里，超声波主要用于实现避障功能，考虑到测试环境的设计，对测量精度要求不高，所以温度对系统的影响问题不需要深入探讨。 4）衰减
超声波在空气在空气中传播随着距离变长而减弱。这是因为衍射现象所引起的球面扩散损失，而且还因为介电吸收的能量产生的吸收损耗。超声波频率越高的话，衰减率随之越高，超声波传播距离越短，这说明超声衰减特性直接影响到超声波传感器的有效距离。HC-RS04型超声波传感器的振荡频率是40kHz，10米的传播会衰减到40个声压级。此时，超声波接收探头将会很难接收到回波信号[10]。 1.5 光线报警电路
该模块的电路分为光敏电阻控制的电路和声光报警电路。它的功能是完成由光敏电阻控制的电路发出脉冲仅当条件满足时，这个脉冲作用在89C52单片机P1.0端口上，通过检测
第7页共39页
陕西理工学院毕业设计
P1.0端口是不是高电平，通过中断控制P1.1口给出满足探测电路的脉冲，然后由发声电路声音提醒学生认为光线太暗，需要调节灯光亮度，从而保护学生视力。
图1.4 光敏控制电路
图1.4为光敏控制电路原理图。若有较强的光照射在光敏电阻上时，光敏电阻的阻值变低，输出高电平，这个是模拟信号，它经过ADC0832转换成数字信号然后经过反向器传给89C52，传过去的信号是低电平，说明光线输出正常时输出的信号为低电平；当光较弱时光敏电阻阻值无穷大，此时是低电平，相同的经过反向器作用输出电压为高电平。反馈到89C52上，触发蜂鸣器报警[11]。 1.6 定时报警电路
报警电路分为单片机控制电路和报警电路。它主要是通过单片机定时与计数功能，完成45分钟定时在超时后发出报警，提醒学生该休息了。
89C52单片机的有两个可编程定时器/计数器。他们有2种模式的操作（计数器模式和定时器模式）和4种模式（模式0，模式2，模式1，模式，模式3）。控制字在相应的特殊功能寄存器中，通过对其特殊功能寄存器的设置，可以方便地选择合适的工作方式。
当定时器/计数器为定时模式操作时，计数器的加1信号由振荡器12个分频信号产生，即每过个机器周期，计数器加1，直至计数溢出。很明显，定时器的定时与系统的振荡频率有关。因为一个机器周期等于12个振荡周期[12]。如果晶体是12MHz，计数周期：
T=1/（12×106）Hz×1/12=1μs
当定时器/计数器的计数，由引脚T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的下降沿触发计数。一个计数器采样在每个机器周期的S5P2期间。如果一台机器周期采样值为1，下一台机器周期采样值为0，则计数器加1。机器周期为S3P1的时候，新的计数值送入计数器。因此检测从1跳到0需要2个机器周期，所以外部信号的最大计数计数频率为1 / 24。
工作方式控制寄存器TMOD用于控制定时器/计数器的操作，其字节地址89H，定时器/计数器两函数用于准确地模拟一段时间（一个定时器）或累积外部输入的脉冲个数（作为一个计数器）。当定时器使用时，输入端的输入端的脉冲数是固定的，并且可以计算出固定时间的长度。当89C52单片机内部定时器/计数器作为定时器模式，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲计数器增加1。因此，定时器/计数器输入脉冲和机器周期一模一样，是时钟频率的1 / 12。时钟的设计是6MHz，计数率为500kHz，输入脉冲的时间间隔为0.5秒[12]。
如图1.6所示，晶体管主要用于驱动。由于单片机的IO口驱动能力是不够的，不能让蜂鸣器发出声音，所以我们通过三极管驱动电流放大器，使蜂鸣器发出声音，通过P3.3单片机的定时功能产生一个振荡脉冲方波输出高电平，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发声，当输出低电平时三极管没有电流流过蜂鸣器，所以不会发声。
第8页共39页
陕西理工学院毕业设计
VCCFMQ1PNP 图1.6 蜂鸣器报警发声电路
1.7单片机对ADC0832 的控制原理
ADC0832是一个8位分辨率，双通道A/D转换芯片。它的体积很小、兼容性比较强、成本不高，具有较高的普及率。学习和使用ADC0832可以让我们了解到A/D转换器的原理，有助于提高供应链管理的技术水平。
ADC0832具有以下特点： 1）8位分辨率；
2）双通道A/D转换；
3）输入、输出电平与TTL/CMOS可以兼容； 4）5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
5）工作的频率是250KHZ，转换的时间是32μS； 6）功耗仅为15mW；
7）商用级的芯片温宽在0°C to +70°C，工业级的芯片温宽在?40°C to +85°C； 芯片接口说明：
1）CS_ 片选使能，低电平芯片使能。
2）CH0 模拟输入通道0，或者作为IN+/-使用。 3）CH1 模拟输入通道1，或者作为IN+/-使用。 4）GND 芯片参考0电位（地）。
5）DI 数据信号输入，选择通道控制。 6）DO 数据信号输出，转换数据输出。 7）CLK 芯片时钟输入。
当ADC0832没有工作时的CS输入是高电平，这时芯片不能使用，CLK和DO/DI电平可以是任意的。当要进行数模转换时，要将CS使能端终端保持低电平，直到转换完成。同时，芯片开始转换工作，处理器向芯片的CLK输入时钟脉冲，DO/DI端采用双端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉前DI端必须是高电平[13]。
ADC0832读取数据的程序流程图1.7。为了实现高速高效的通信，我们用汇编语言编写了接口程序。由于ADC0832的数据转换时间仅为32us，所以采样频率的A/D转换可以很快，这样才能保证A/D转换数据的某些场合的实时性要求。数据读取程序中的子程序调用，方便程序移植。
第9页共39页