電動智能小車設計論文資料

電動智能小車設計論文資料,電動,智能,小車,設計,論文,資料 摘 要80C51單片機是一款八位單片機，他的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。這里介紹的是如何用80C51單片機來實現(xiàn)長春工業(yè)大學的畢業(yè)設計，該設計是結合科研項目而確定的設計類課題。本系統(tǒng)以設計題目的要求為目的，采用80C51單片機為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。整個系統(tǒng)的電路結構簡單，可靠性能高。實驗測試結果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設計方法及測試結果分析。 采用的技術主要有：（1） 通過編程來控制小車的速度；（2） 傳感器的有效應用；（3） 新型顯示芯片的采用.關鍵詞 80C51單片機、光電檢測器、PWM調速、電動小車Design and create an intelligence electricity motive small carAbstract80C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. This article introduces the CCUT graduation design with the 80C51 single chip computer. This design combines with scientific research object. This system regards the request of the topic, adopting 80C51 for controlling core, super sonic sensor for test the hinder. It can run in a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze.The adoption of technique as:(1) Reduce the speed by program the engine；(2) Efficient application of the sensor;(3) The adoption of the new display chip. Keywords 80C51 single chip computer, light electricity detector, PWM speed adjusting, Electricity motive small car目 錄第一章 前 言1第二章 方案設計與論證3一 直流調速系統(tǒng)3二 檢測系統(tǒng)4三 顯示電路9四 系統(tǒng)原理圖9第三章 硬件設計10一 80C51單片機硬件結構10二 最小應用系統(tǒng)設計11三 前向通道設計12四 后向通道設計15五 顯示電路設計17第四章 軟件設計20一 主程序設計20二 顯示子程序設計24三 避障子程序設計25四 軟件抗干擾技術26五 “看門狗”技術28六 可編程邏輯器件29第五章 測試數(shù)據(jù)、測試結果分析及結論30致 謝31參 考 文 獻32附錄A 程序清單33附錄B 硬件原理圖4141第一章 前 言隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子大賽和省內電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。本設計就是在這樣的背景下提出的，指導教師已經有充分的準備。本題目是結合科研項目而確定的設計類課題。設計的智能電動小車應該能夠實時顯示時間、速度、里程，具有自動尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準確定位停車。根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器及金屬探測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。本設計采用MCS-51系列中的80C51單片機。以80C51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。80C51是一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。它是第三代單片機的代表。第三代單片機包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產品，如8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,還包括了PhilipsSiemensADMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色與80C51兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任，將一些外部接口功能單元如A/DPWMPCA(可編程計數(shù)器陣列)WDT(監(jiān)視定時器)高速I/O口計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機80C51系列8C592單片機引入了具有較強功能的設備間網絡系統(tǒng)總線-CAN(Controller Area Network BUS).新一代單片機為外部提供了相當完善的總線結構，為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎。 本設計就采用了比較先進的80C51為控制核心，80C51采用CHOMS工藝，功耗很低。該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際相結合，現(xiàn)實意義很強。第二章 方案設計與論證根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。一 直流調速系統(tǒng)方案一：串電阻調速系統(tǒng)。方案二：靜止可控整流器。簡稱V-M系統(tǒng)。方案三：脈寬調速系統(tǒng)。旋轉變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調速的直流電動機供電，調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調節(jié)電動機的轉速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉向都隨著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當?shù)男D電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術落后，因此擱置不用。V-M系統(tǒng)是當今直流調速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調速。V-M系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產生較大的諧波電流危害附近的用電設備。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關狀態(tài)。當晶閘管被觸發(fā)導通時，電源電壓加到電動機上，當晶閘管關斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調速。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（1）由于PWM調速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。（2）同樣由于開關頻率高，若與快速響應的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強。（3）由于電力電子器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上綜合比較，以及本設計中受控電機的容量和直流電機調速的發(fā)展方向，本設計采用了H型單極型可逆PWM變換器進行調速。脈寬調速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調制式變換器，簡稱PWM變換器。脈寬調速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅動能力有限。為順利實現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設計采用了可逆PWM變換器。可逆PWM變換器主電路的結構式有H型、T型等類型。我們在設計中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。二 檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)主要實現(xiàn)光電檢測，即利用各種傳感器對電動車的避障、位置、行車狀態(tài)進行測量。1行車起始、終點及光線檢測：本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始、終點（2cm寬的黑線），玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應起始的記數(shù)開始和終點的停車的需要。利用超聲波傳感器檢測障礙。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線，當感受到光線照射時，其c-e間的阻值下降，檢測電路輸出高電平，經LM393電壓比較器和74LS14施密特觸發(fā)器整形后送單片機控制。本系統(tǒng)共設計兩個光電三極管，分別放置在電動車車頭的左、右兩個方向，用來控制電動車的行走方向，當左側光電管受到光照時，單片機控制轉向電機向左轉；當右側光電管受到光照時，單片機控制轉向電機向右轉；當左、右兩側光電管都受到光照時，單片機控制直行。見圖2.1 電動車的方向檢測電路(a)。行車方向檢測電路（見圖2.2 電動車的方向檢測電路(b)）采用反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導通，發(fā)出一個電平跳變信號。此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經過黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送80C51單片機處理，判斷執(zhí)行哪一種預先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。前進時，驅動輪直流電機正轉,進入減速區(qū)時,由單片機控制進行PWM變頻調速,通過軟件改變脈沖調寬波形的占空比,實現(xiàn)調速。最后經反接制動實現(xiàn)停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設置有兩組開關，一組常閉，另一組常開。圖2.1 電動車的方向檢測電路(a)圖2.2 電動車的方向檢測電路(b)電橋一端接電源，另一端接了一個三極管。三極管導通時，電橋通過三極管接地，電機電樞中有電流通過；三極管截止時，電橋浮空，電機電樞中沒有電流通過。系統(tǒng)通過電橋的輸出端為轉向電機供電。通過對繼電器開閉的控制即可控制電機的開斷和轉速方向進而達到控制玩具車前行與倒車的目的，實現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)的糾偏功能。如圖2.3 前行與倒車控制電路所示。圖2.3前行與倒車控制電路檢測放大器方案：方案一：使用普通單級比例放大電路。其特點是結構簡單、調試方便、價格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差動放大電路。選擇優(yōu)質元件構成比例放大電路，雖然可以達到一定的精度，但有時仍不能滿足某些特殊要求。例如，在測量本設計中的光電檢測信號時需要把檢測過來的電平信號放大并濾除干擾，而且要求對共模干擾信號具有相當強的抑制能力。這種情況下須采用差動放大電路，并應設法減小溫漂。但在實際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運算放大器輸出飽和；為獲得單片機能識別的TTL電平卻又無法抑制共模干擾。方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小，例如將一個信號電壓Ui和一個參考電壓Ur進行比較，在UiUr和UiUr兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個不同的電平，即高電平和低電平。而Ui變化經過Ur時，比較器的輸出將從一個電壓跳變到另一個電平。比較器有各種不同的類型。對它的要求是：鑒別要準確，反應要靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強，還應有一定的保護措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。比較器的特點： 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。放大、運算電路為了實現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿足一定的精度要求，這些電路中的運放均引入了深度負反饋；而為了提高比較器的反應速度和靈敏度，它所采用的運放不但沒有引入負反饋，有時甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運算電路是不同的。 非線性。由于比較器中運放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個輸入端之間的電位差與開環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過最大輸出電壓，使其內部某些管子進入飽和區(qū)或截止區(qū)，因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關系，即在放大、運算等電路中常用的計算方法對于比較器不再適用。 開關特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當與一個受輸入信號控制的開關，當輸入電壓經過閾值時開關動作，使輸出從一個電平跳變到另一個電平。由于比較器的輸入信號是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的過渡電路。由于比較器的上述特點，在分析時既不能象對待放大電路那樣去計算放大倍數(shù)，也不能象分析運算電路那樣去求解輸出與輸入的函數(shù)關系，而應當著重抓住比較器的輸出從一個電平跳變到另一個電平的臨界條件所對應的輸入電壓值（閾值）來分析輸入量與輸出量之間的關系。如果在比較器的輸入端加理想階躍信號，那么在理想情況下比較器的輸出也應當是理想的階躍電壓，而且沒有延遲。但實際集成運放的最大轉換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿毜臅r間稱為響應時間。響應時間越短，響應速度越快。減小比較器響應時間的主要方法有：(1) 盡可能使輸入信號接近理想情況，使它在閾值附近的變化接近理想階躍且幅度足夠大。(2) 選用集成電壓比較器。(3) 如果選用集成運放構成比較器，為了提高響應速度可以加限幅措施，以避免集成運放內部的管子進入深飽和區(qū)。具體措施多為在集成運放的兩個輸入端并聯(lián)二極管。如圖2.4 電壓比較器電路所示：圖2.4 電壓比較器電路在本設計中，光電傳感器只輸出一種高低電平信號且伴有外界雜波干擾，所以我們嘗試采用了一種滯回比較器。簡單電壓比較器結構簡單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說如果輸入信號因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會反復的從一個電平跳到另一個電平。如果用這樣的輸出電壓控制電機或繼電器，將出現(xiàn)頻繁動作或起停現(xiàn)象。這種情況，通常是不允許的。而滯回比較器則解決了這個問題。滯回比較器有兩個數(shù)值不同的閾值，當輸入信號因受干擾或其他原因發(fā)生變化時，只要變化量不超過兩個閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會來回變化。所以抗干擾能力強。但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無法消除的。方案四：施密特觸發(fā)器。綜合考慮系統(tǒng)的各項性能，最后我們決定采用數(shù)字器件施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的變形，它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)方式為電平觸發(fā)，只要外加觸發(fā)信號的幅值增加到足夠大，它就從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發(fā)器的抗干擾能力比滯回比較器更強。2行車距離檢測由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高，可靠性強以及可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點，故采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路同圖2.5 行車距離檢測電路所示：圖2.5 行車距離檢測電路紅外測距儀由測距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測長輪的周長為記數(shù)的單位，最好取有效值為單一的數(shù)值（如本設計中采用0.1米），精度根據(jù)電動車控制的需要確定。測距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準確一些。遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。遮光盤在凹槽中轉動時，缺口進入凹槽時，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測距輪每轉一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經過整形器后送入計數(shù)器或直接送入單片機中。為實現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們在測距儀中并列放置了兩個槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產生兩個脈沖信號。根據(jù)兩個脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個光電耦合器的位置關系，即可計算出玩具車的行駛方向（前進或后退）。遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉動時，光柵也隨之轉動，同時安裝在光柵一側的紅外發(fā)光二極管點亮，在光柵的另一側設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號。將該信號傳輸?shù)?0C51單片機的內部計數(shù)器計數(shù)，根據(jù)預先實測的數(shù)據(jù)換算關系即可計算出電動機車的行車距離。三 顯示電路本設計中用兩片4位八段數(shù)碼管gem4561ae作顯示器,并具有雙重功能,在小車不行駛時其中一片顯示年月,另一片顯示時分； 當小車行駛時,分別顯示時間和行駛距離。 四 系統(tǒng)原理圖 簡易智能電動車采用80C51單片機進行智能控制。開始由手動啟動小車，并復位，當經過規(guī)定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測，通過單片機控制小車開始記數(shù)顯示并避障、調速；系統(tǒng)的自動避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器左右側檢測，由單片機控制實現(xiàn)；在電動車進駛過程中，采用雙極式H型PWM脈寬調制技術，以提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能；采用動態(tài)共陰顯示行駛時間和里程。系統(tǒng)原理圖如圖2.6所示。圖2.6 系統(tǒng)原理圖第三章 硬件設計一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器打印機A/DD/A轉換器等，要設計合適的接口電路。一 80C51單片機硬件結構80C51單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上2。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1 微處理器該單片機中有一個8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。2 數(shù)據(jù)存儲器片內為128個字節(jié)，片外最多可外擴至64k字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。3 程序存儲器由于受集成度限制，片內只讀存儲器一般容量較小，如果片內的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k字節(jié)。4 中斷系統(tǒng)具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權。5 定時器/計數(shù)器片內有2個16位的定時器/計數(shù)器， 具有四種工作方式。6 串行口1個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。7 P1口、P2口、P3口、P4口為4個并行8位I/O口。8 特殊功能寄存器共有21個，用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。由上可見，80C51單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微計算機，這個一位微計算機有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機中8位機和1位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術上的一個突破，這也是MCS-51單片機在設計的精美之處。二 最小應用系統(tǒng)設計80C51是片內有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用80C51單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖3.1 80C51單片機最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應用特點：(1) 有可供用戶使用的大量I/O口線。(2) 內部存儲器容量有限。(3) 應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。圖3.1 80C51單片機最小系統(tǒng)1、時鐘電路80C51雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。80C51單片機的時鐘產生方法有兩種。內部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX2可在20pF到100pF之間取值，但在60pF到70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65pF。在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用NPO電容。2、復位電路80C51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF,R取1K。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復位電路見圖3.2。時鐘頻率選用6MHZ時，C取22uF,Rs取200，RK取1K。圖3.2 80C51復位電路三 前向通道設計單片機用與測控系統(tǒng)時，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道。因此，前向通道設計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關。在前向通道設計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結構、信號調節(jié)、電源配置、抗干擾設計等。在通道電路設計中還涉及到模擬電路諸多問題。1前向通道的含義當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)中總要有被測信號輸入通道，有計算機拾取必要的輸入信息。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。對被測對象狀態(tài)的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因為被測對象的狀態(tài)參數(shù)常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計算機是一個數(shù)字電路系統(tǒng)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關電路占有重要地位。對被測對象的信號的拾取其主要任務就是最忠實地反映被測對象的真實狀態(tài)，它包括實時性與測量精度。同時使這些測量信號能滿足計算機輸入接口的電平要求。因此，單片機應用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號輸入通道，原始參數(shù)輸入通道。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關的信號調節(jié)、變換電路,故也可稱為傳感器接口通道。在單片機應用系統(tǒng)中，對信號輸入、傳感、變換應作廣義理解，例如開關量的檢測及信號輸入，在單片機的各種應用系統(tǒng)中有著廣泛的應用。最簡單的開關量輸入通道就是一個具有TTL電平的狀態(tài)開關，如水銀溫度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關等。故只要反映外界狀態(tài)的信號輸入通道都可稱為前向通道。并不是所有單片機應用系統(tǒng)都有前向通道，例如時序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內部的時間序列來控制外部的運行狀態(tài)；分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計算機與現(xiàn)場測、控子站計算機之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。這些應用系統(tǒng)沒有被測對象，故不需要前向通道。2前向通道的設計（1）傳感器的比較3識別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對幾種傳感器的優(yōu)缺點進行說明（見表3.1）。探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用，且在10m以內能給出精確的測量。不過在ITS系統(tǒng)中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。首先因其只能在10m以內有效使用，所以并不適合ITS系統(tǒng)。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達100m遠，但其更新頻率為2Hz，而且還有可能在傳輸中受到它信號的干擾，所以在CW/ICC系統(tǒng)中使用是不實際的。表3.1 傳感器性能比較傳感器類型優(yōu) 點缺 點超聲波視覺激光雷達MMW雷達價格合理，夜間不受影響。易于多目標測量和分類，分辨率好。價格相合理，夜間不受影響不受燈光、天氣影響。測量范圍小，對天氣變化敏感。不能直接測量距離，算法復雜，處理速度慢。對水、灰塵、燈光敏感。價格貴視覺傳感器在CW系統(tǒng)中使用得非常廣泛。其優(yōu)點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標進行分類。但是算法復雜，處理速度慢。雷達傳感器在軍事和航空領域已經使用了幾十年。主要優(yōu)點是可以魯棒地探測到障礙而不受天氣或燈光條件限制。近十年來隨著尺寸及價格的降低，在汽車行業(yè)開始被使用。但是仍存在性價比的問題。（2）超聲波障礙檢測4超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應用。作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報警器、接近開關、測距及材料探傷、測厚等。本設計采用T/R-40-12小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，其中心頻率為40Hz，由80C51發(fā)出的40KHz脈沖信號驅動超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，如電動車前方遇到有障礙物時，此超聲波信號被障礙物反射回來，由接收器接收，經LM318兩級放大，再經帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼，當LM567的輸入信號大于25mV時，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑?0C51單片機處理。超聲波檢測如圖3.3超聲波檢測電路所示。圖 3.3 超聲波檢測電路四 后向通道設計 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機總要對控制對象實現(xiàn)操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，總要有后向通道。后向通道是計算機實現(xiàn)控制運算處理后，對控制對象的輸出通道接口。根據(jù)單片機的輸出和控制對象實現(xiàn)控制信號的要求，后向通道具有以下特點：（1） 小信號輸出、大功率控制。根據(jù)目前單片機輸出功率的限制，不能輸出控制對象所要求的功率信號。（2） 是一個輸出通道。輸出伺服驅動系統(tǒng)控制信號，而伺服驅動系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋信號通常是作為檢測信號輸入前向通道。（3） 接近控制對象，環(huán)境惡劣?？刂茖ο蠖酁榇蠊β仕欧寗訖C構，電磁、機械干擾較為嚴重。但后向通道是一個輸出通道，而且輸出電平較高，不易受到直接損害。但這些干擾易從系統(tǒng)的前向通道竄入。單片機在完成控制處理后，總是以數(shù)字信號通過I/O口或數(shù)據(jù)總線送給控制對象。這些數(shù)字信號形態(tài)主要有開關量、二進制數(shù)字量和頻率量，可直接用于開關量、數(shù)字量系統(tǒng)及頻率調制系統(tǒng)，但對于一些模擬量控制系統(tǒng)，則應通過數(shù)模轉換成模擬量控制信號。 根據(jù)單片機輸出信號形態(tài)及控制對象要求，后向通道應解決：（1） 功率驅動。將單片機輸出信號進行功率放大，以滿足伺服驅動的功率要求。（2） 干擾防治。主要防治伺服驅動系統(tǒng)通過信號通道電源以及空間電磁場對計算機系統(tǒng)的干擾。通常采用信號隔離電源隔離和對功率開關實現(xiàn)過零切換等方法進行干擾防治。（3） 數(shù)/模轉換。對于二進制輸出的數(shù)字量采用D/A變換器；對于頻率量輸出則可以采用本設計調速采用PWM調速5：為順利實現(xiàn)電動小汽車的左轉和右轉，本設計采用了可逆PWM變換器。可逆PWM變換器主電路的結構式有H型、T型等類型。我們在設計中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。圖3.4為雙極式H型可逆PWM變換器的電路原理圖。4個電力晶體管的基極驅動電壓分為兩組。VT1和VT4同時導通和關斷，其驅動電路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同時動作，其驅動電壓Ub2=Ub3= -Ub1。雙極式PWM變換器的優(yōu)點如下：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限中運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個晶體管的驅動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通；（5）低速平穩(wěn)性好，調速范圍可達20000左右。1、脈寬調制原理：脈寬調制器本身是一個由運算放大器和幾個輸入信號組成的電壓比較器。運算放圖3.4 雙極式H型可逆PWM變換器電路原理圖大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點輸入信號就可使其輸出電壓達到飽和值，當輸入電壓極性改變時，輸出電壓就在正、負飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉換作用。加在運算放大器反相輸入端上的有三個輸入信號。一個輸入信號是鋸齒波調制信號，另一個是控制電壓，其極性大小可隨時改變，與鋸齒波調制信號相減，從而在運算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性,也就改變了PWM變換器輸出平均電壓的極性,因而改變了電動機的轉向.改變控制電壓的大小,則調節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度,從而調節(jié)電動機的轉速.只要鋸齒波的線性度足夠好,輸出脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正比的.2、邏輯延時環(huán)節(jié)：在可逆PWM變換器中,跨接在電源兩端的上下兩個晶體管經常交替工作.由于晶體管的關斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間,總稱關斷時間,在這段時間內晶體管并未完全關斷.如果在此期間另一個晶體管已經導通,則將造成上下兩管之通,從而使電源正負極短路.為避免發(fā)生這種情況,設置了由RC電路構成的延時環(huán)節(jié).3、電源的設計 本設計的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，單片機系統(tǒng)與動力伺服系統(tǒng)的電源采用了大功率、大容量的蓄電池；而傳感器的工作電源則采用了小巧輕便的干電池。五 顯示電路設計本設計中用兩片4位八段數(shù)碼管gem4561ae作顯示器,并具有雙重功能,在小車不行駛時其中一片顯示年月,另一片顯示時.分. 當小車行駛時,分別顯示時間和行駛距離原理圖如圖1. 本設計中采用新型芯片EM78P458作為顯示驅動器,它的管腳如圖3.5 EM78P458管腳介紹所示,用單片機的并行口控制,一個數(shù)碼顯示電路用4個口線,用專用驅動芯片控制可以減少對CPU的利用時間,單片機將有更多的時間去完成其他功能.圖3.5 EM78P458的管腳該芯片共有20個管腳，管腳 LED1LED2LED3LED4分別接10k電阻和三極管后與4位八段數(shù)碼管5461中的a1a2a3a4四個數(shù)位選擇端相連，這四個數(shù)位選擇端用來產生LED選通信號。管腳abcdefgdp分別接680歐電阻后與四位八段數(shù)碼管5461中的abcdefgdp相連，分別控制各段碼和小數(shù)點。管腳d0d1d2d3接單片機并行口，通過對單片機對芯片進行控制。管腳vss串上10k電阻后與vcc管腳相接后再接+5v電源，管腳gnd接地。該芯片所驅動的顯示電路如圖3.6 EM78P458集成顯示電路所示顯示驅動器支持動態(tài)顯示，其顯示功能如表4.2真值表所示，0000-1001顯示從0-9數(shù)字，1010是未進位時是小數(shù)點清位，1011是進位后加小數(shù)點，1100-1111是八段共陰數(shù)碼管的位選。圖3.6 EM78P458集成顯示電路表4.2真值表D3D2D1D0顯示000000001100102001130100401015011060111710008100191010清小數(shù)點1011加小數(shù)點1100a1選通1101a2選通1110a3選通1111a4選通第四章 軟件設計系統(tǒng)軟件設計說明在進行微機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機控制系統(tǒng)設計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產。為了完成上述任務，在進行軟件設計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設計方法叫模塊程序設計法。模塊程序設計法的主要優(yōu)點是：1、 單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調試；2、 模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務在不同條件下調用；3、 模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序，為設計者提供方便。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結構，由主程序定時子程序、避障子程序中斷子程序顯示子程序調速子程序算法子程序構成。一 主程序設計 主程序清單如下：limiw equ 30h ;厘米位 miao equ 31h ;秒位 fenmi equ 32h ;分米位 fmiao equ 33h ;分秒位 meter equ 34h ;米位 fenzh equ 35h ;分位 point equ 36h ;小數(shù)點位 shimi equ 37h ;十米位 shifn equ 38h ;十分位 sudu equ 39h ;速度控制 jishk equ 3ah ;記時開始 zhond equ 3bh zhodu equ 3ch zhon equ 3eh maicho equ 3fh jinweb equ 40h bhcs equ 41h dpan equ 42h fenchu equ 43h fencun equ 44h pand equ 45h fenmc equ 51h org 0000h ajmp main org 000bh ajmp st0 org 001bh ajmp st1 org 0100h main: mov limiw,#00h mov miao,#00h mov fenmi,#00h mov fmiao,#00h mov meter,#00h mov fenzh,#00h mov point,#0bh mov shimi,#00h mov shifn,#00h mov jishk,#00h mov zhond,#00h mov zhodu,#00h mov zhon,#00h mov maicho,#00h mov jinweb,#03h mov bhcs,#00h mov sp,#6fh mov tmod,#21h mov th0,#3ch mov tl0,#0b0h mov th1,#9ch mov tl1,#9ch setb ea setb et0 setb et1 mov p1,#0aah acall xianshi軟件流程 如圖4.1流程圖所示：圖4.1 流程圖二 顯示子程序設計程序清單如下：xianshi: mov p1,#0aah mov p1,#0cch mov a,limiw swap a add a,miao mov p1,a nop nop mov p1,#0ddh mov a,fenmi swap a add a,fmiao mov p1,a nop nop mov p1,#0eeh mov a,#0b0h add a,point mov p1,a nop nop mov p1,#0eeh mov a,meter swap a add a,fenzh mov p1,a nop nop mov p1,#0ffh mov a,shimi swap a add a,shifn mov p1,a ret三 避障子程序設計程序清單如下： zhangai: jb 25h,stop jnb 22h,youzhuan jnb 23h,youzhuan jnb 24h,zuozhuan jnb 26h,zuozhuan ajmp jiancezuozhuan: clr p0.5 clr p0.4 mov sudu,#05h acall delaa setb p0.4 setb p0.5 mov sudu,#07h ajmp jianceyouzhuan: clr p0.6 clr p0.7 mov sudu,#05h acall delaa setb p0.7 setb p0.6 mov sudu,#07h ajmp jiance stop: acall delay jnb 25h,zhangai clr tr0 mov a,fenmi mov fenmc,a mov a,#02h add a,fenmc mov fenmc,a here: cjne a,fenmi,here clr tr1 setb p2.6 acall delaa setb p2.7 ajmp $四 軟件抗干擾技術提高玩具車智能控制的可靠性，僅靠硬件抗干擾是不夠的，需要進一步借助于軟件抗干擾技術來克服某些干擾6。在單片機控制系統(tǒng)中，如能正確的采用軟件抗干擾技術，與硬件干擾措施構成雙道抗干擾防線，無疑為了將大大提高控制系統(tǒng)的可靠性。經常采用的軟件抗干擾技術是數(shù)字濾波技術、開關量的軟件抗干擾技術、指令冗余技術、軟件陷阱技術等。1、數(shù)字濾波技術：一般單片機應用系統(tǒng)的模擬輸入信號中，均含有種種噪音和干擾，它們來自被測量本身、傳感器、外界干擾等。為了進行準確測量和控制，必須消除被測信號中的噪音和干擾。對于這類信號，采用積分時間等于20ms的整數(shù)倍的雙積分A/D轉換器，可有效的消除其影響。后者為隨機信號，它不是周期信號。對于隨機干擾，我們可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或濾除。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重。故實質上它是一種程序濾波。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比 ，有以下幾個優(yōu)點：數(shù)字濾波是用程序實現(xiàn)的，不需要增加硬設備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。數(shù)字濾波可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便，功能強的特點。數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點，所以數(shù)字濾波在微機應用系統(tǒng)中得到了廣泛應用。2、開關量的軟件抗干擾技術：干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，利用這一點，我們在采集某一開關量信號時，可多次重復采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上結果完全一致方為有效。若多次采樣后，信號總是變化不定，可停止采集，給出報警信號，由于開關量信號主要是來自各類開關型狀態(tài)傳感器，如限位開關、操作按鈕、電氣觸點等，對這些信號的采集不能用多次平均的方法，必須絕對一致才行。如果開關量信號超過8個，可按8個一組進行分組處理，也可定義多字節(jié)信息暫存區(qū)，按類似方法處理。在滿足實時性要求的前提下，如果在各次采集數(shù)字信號之間接入一段延時，效果會好一些，就能對抗較寬的干擾。輸出設備是電位控制型還是同步鎖存型，對干擾的敏感性相對較大。前者有良好的抗毛刺干擾能力，后者不耐干擾，當鎖存線上出現(xiàn)干擾時，它就會盲目鎖存當前的數(shù)據(jù)，也不管此時數(shù)據(jù)是否有效。輸出設備和慣性（響應速度）與干擾的耐受能力也有很大關系。慣性大的輸出設備（如各類電磁執(zhí)行機構）對毛刺干擾有一定的耐受能力。慣性小的輸出設備（如通行口、顯示設備）耐受能力就小一些。在軟件上，最為有效的方法就是重復輸出同一個數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復周期盡可能短些。外設設備接受到一個被干擾的錯誤信息后，還來不及作出有效的反應，一個正確的信息又來了，就可及時防止錯誤動作的產生。另外，各類數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和CPU安裝在同一電路板上，使傳輸線上傳送的都是鎖存好的電位控制信號，對于重要的輸出設備，最好建立檢測通道，CPU可以檢測通道來確定輸出結果的正確性。3、指令冗余技術：當CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。當程序彈飛到某一字節(jié)指令上時，便自動納入正軌。當彈飛到某一雙字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯。當程序彈飛到三字節(jié)指令上時，因它有兩個操作數(shù)，繼續(xù)出錯的機會就更大。因此，我們應多采用單字節(jié)指令（NOP)或將單字節(jié)指令重復書寫，這便是指令冗余。指令冗余無疑會降低系統(tǒng)的效率，但在絕大多數(shù)情況下，CPU還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度，故這