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1、毕业设计（论文）基于单片机的智能循迹小车设计设计（论文）完成日期 2021年5月8日学 院：专 业：学 生 姓 名：班 级 学 号：指 导 教 师：评 阅 教 师：2021年5月大连工业大学艺术与信息工程学院2021届本科生毕业设计（论文）注：页眉，居中，楷体，五号。阅后删除此文本框。摘 要随着我国科学技术的进步，智能化作为现代社会的新产物开始越来越普及，各种高科技也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能小车是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，可以涉及到当今许多前沿领域的技术。智能小车的研究和开发正
2、成为广泛关注的焦点。本设计是一种基于单片机控制的简易自动循迹小车系统，系统的设计主要分为总体方案设计、硬件和软件设计，其中每一部分均采用模块化设计原则，使得设计易读、易修改、易扩充。整个小车平台主要以51单片机为控制核心，通过无线遥控实现前进后退和转向行驶，通过红外线以及超声波传感器,实现小车的自适应循迹、避障等功能。设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。从最小系统到无线遥控，红外线对黑线的自动循迹再到超声波自动避障，完成各模块设计。通过调试检测各模块，得到正确
3、的信号输出，实现其应有的功能。关键词：智能小车；单片机；无线遥控；循迹；避障目 录摘 要I第一章 绪论11.1 智能循迹小车概述11.1.1 循迹小车的发展历程11.1.2 智能循迹分类21.1.3 智能循迹小车的应用31.2 课题研究的目的及意义41.3 课题研究的工作安排5第二章 系统总体方案的确定62.1 小车循迹原理62.2 方案的选择与论证62.2.1 控制器的选择62.2.2电源模块的选择82.2.3电动机的选择82.2.4电动机驱动模块的选择92.2.5循迹传感器的选择92.3 系统总体方案确定10第三章 硬件系统设计113.1 单片机控制模块113.1.1 STC89C52简介
4、113.1.2单片机最小系统设计153.1.3核心控制模块设计163.2电源模块173.2.1 稳压芯片简介173.2.2 电源稳压模块设计183.3电机驱动模块193.3.1电动机驱动芯片L293D简介193.3.2模块设计223.4循迹模块233.5避障模块243.6无线遥控模块25第四章 软件系统设计274.1PWM调速简介以及实现274.2主程序设计284.3 程序的模块化设计304.3.1循迹模块流程图304.3.2避障模块流程图314.2.3无线遥控模块流程图32第五章 系统调试与分析355.1软件调试平台355.2程序调试375.2.1设置和删除断点375.2.2查看和修改程序3
5、7结 论39参考文献40致 谢41- IV -第一章 绪论1.1 智能循迹小车概述智能循迹小车又被称为Automated Guided Vehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道粘贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位
6、要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。AGV小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。1.1.1 循迹小车的发展历程随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：机
7、械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。循迹小车共历了三代技术创新变革：第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。智能循迹
8、小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息。1.1.2 智能循迹分类AGV从发明至今已经有50多年的历史，随着应用领域范围的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型：(1)电磁感应式电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电
9、线周围产生电磁场流动，AGV小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映的AGV偏离程度路径的程度。AGV自动化控制系统，基于这种偏差值，以控制车辆的转向，连续的动态的闭环控制设置能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。在目前商业用途的AGV中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。(2)激光式安装有可旋转的激光扫描器的AGV，可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者路径上运行，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接收由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理。目前，这种AG
10、V类型的应用比较广泛。基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器，或超声波发射取代，激光制导的AGV小车可以转变为红外引导和超声引导的AGV。(3)视觉式视觉引导式AGV是的迅速发展和比较成熟的AGV，这种AGV配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境图像数库。在AGV的行驶过程中，相机得到的图像与图像数据库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对驾驶下一步作出决定。这种AGV小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速发展的今天，这种类型的AGV实用性越来越强。此外，还有铁磁陀螺惯性引导式A
11、GV、光学引导式AGV等多种形式的AGV。1.1.3 智能循迹小车的应用智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下：(1)仓储业1954年，来自美国南卡罗来纳州的Mercury Motor Freight公司成为第一批把AGV小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的AGV小车应用到自己的仓库中。中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。(2)制造业在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运
12、送任务。由多台AGV小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以AGV小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、大众AGV小车已被广泛应用。近年来，作为CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，直译为基于计算机
13、的现代集成制造系统)的基础搬运工具，AGV已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为AGV小车使用最广泛的领域。(3)邮局、图书馆、港口码头和机场在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。AGV有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国上海的邮政相继开始使用AGV小车来完成邮品的搬运工作。在荷兰的鹿特丹港口，50辆被称为“院子里的拖拉机”的AGV小车每天都在
14、把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中。(4)烟草、医药、化工、食品对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑AGV小车的应用。在全国许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。(5)危险场所和特种行业在军事方面，以AGV小车为基础有着自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦察和扫雷，英国军方正在开发MINDER侦察系统，这是一种具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。在钢铁厂，AGV小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。在核电厂的核储存地点使用AGV
15、小车，以避免辐射的危险。AGV小车可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料。1.2 课题研究的目的及意义目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现循迹功能，还可以扩展自动避障等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。通过构建智能小车系统，培
16、养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。1.3 课题研究的工作安排本设计的循迹小车具有自动循迹功能,另外扩展了避障和遥控功能，整体设计可以分为如下几个模块，控制核心采用STC89C52单片机，循迹避障是通过传感器实现的，利用RPR22O型光电对轨迹信息进行检测,利用超声波避障传感器检测道路上的障碍，用PT2272、PT2262组成无线遥控模块。整个系统具有自动循
17、迹避障和遥控避障等功能。本论文分为以下几个方面进行阐述所设计的智能循迹小车系统：第一章绪论，探讨智能循迹小车对仓储业、制造业、运输业、医药、化工、食品等领域具有特殊的意义，对课题进行整体背景的调查，罗列出智能循迹分类，说明课题对设计的目的及意义。第二章系统方案确定及主要元件的选择，在课题的框架构思期间，通过各种手段对设计进行方案的提出与筛选，计划出论文叙述的整体设计方案等，为电路搭建做好铺垫。第三章硬件设计，硬件电路是电路系统的重要组成部分，随着集成电路设计与制造技术的不断发展，电路系统的功能越来越强大，组成却越来越简单，软件设计的重要性逐渐提高，但硬件电路设计的重要性不容忽视，通过上述对智能
18、循迹小车的叙述与理论基础，对红外测温装置进行初步的电路搭建。第四章软件设计，电路搭建成功检查无误后，根据智能循迹小车的功能进行设计软件系统的整体结构、划分功能模块、确定每个模块的实现算法以及编写具体的代码。第五章系统调试与分析，调试程序时，首先用全速运行的方法进行总体调试，以便快速发现程序中存在问题的部分。然后设置断点调试。主要针对有问题的程序调试，更快地确定出现问题的位置。最后，利用单步调试方法，分析程序中出现的问题，解决问题，使程序正常运行。第二章 系统总体方案的确定2.1 小车循迹原理这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光
19、的强弱来判断“道路”。通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限。小车供电后,红外光电二极管发出红外光，光线照在路面上反射回来被光电二极管接收，半导体二极管在电场作用下产生电势，将光信号转换成电信号。该智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根
20、据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。当小车检测到黑线时，红外线部分被黑线吸收，反射回的红外线极少被光电二极管接收，转换成比较弱的电信号;当小车未检测到黑线时，红外线大部分被反射，反射回的红外线被光电二极管接收，转换成比较强的电信号。最终，这些电信号经过比较器处理后传入单片机，再由单片机进一步做信号处理。2.2 方案的选择与论证2.2.1 控制器的选择方案一:STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8
21、位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。方案二:AVR单片机是 Atmel公司1997年推出的RISC单片机。RISC(精简指令系统计算机)是相对于CISC(复杂指令系统计算机)而言的。RISC并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令:并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于AVR采用了 RISC 的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz(百万条指令每秒/兆赫兹)的高速处理能力。方
22、案三:FPGA是由存放在片RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。方案比较:采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现
23、其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了STC89C52单片机作为本设计的主控装置,51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单
24、片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。2.2.2电源模块的选择方案一:电脑USB串口供电。能直接为单片机提供稳定的+5V直流电压。USB串口线又容易得到。但需要很长的线，这样导致无法在室外工作。方案二:用双5V充电电池组作为小车供电电源。经7805稳压后给单片机供电，而7.2V电压可直接接在L293D驱动芯片上作为两个直流电机的驱动电压。在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动直流电机。这个电源结构简单，价格便宜，容易得到，而且能够重复使用。方案三:采用4节普通5号电池作为小车的供电电源。刚买的5号电
25、池测得电压为1.7V，4节就是6.8V，单片机需要5V电源，因此用7805稳压到5V后供电，但是其放电电流不大，导致电动机转速很慢，而且在使用过程中，其电压会明显降低，普通5号电池会降到1.4V以下，这样导致经过7805稳压后电压小于5V，完全无法带动整个系统正常工作，因此放弃该方案。综上所述，选择方案二作为小车电源模块，经济实惠。2.2.3电动机的选择方案一:采用直流电机。直流电机转动力矩大，响应快速，体积小，重量轻，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广;过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转,能满足各种不同的特殊运行要求，价格便宜。方案二
26、:采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行原件。控制方便，体积小，灵活性和可靠性高，具有瞬时启动和急速停止的优越性，比较适合本系统控制精度高的特点。但步进电机的抖动比较大，输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，价格还比较昂贵，所以这里不采用此方案。由于直流电机价格便宜、控制简单，因此本设计用方案一。2.2.4电动机驱动模块的选择方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动
27、机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二:采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案三:采用专用电机驱动芯片L293D作为电机驱动芯片。L293D中有稳定的H桥电路，可以同时控制两个电机。它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。L293D的驱动功率较大，可以根据不同的输入电压和输出电压的大小和功率选择不同的负载能力，并且具有过热自动关断和电流反馈检测功能，安全可靠。基于以上的分析，建议电动
28、机驱动电路选择方案三。2.2.5循迹传感器的选择方案一:用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。方案二:用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化家红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220其具有如下特点:塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结
29、构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。综上所述，循迹传感器选用RPR220光电对管，经济实惠，使用方便，精确度高。2.3 系统总体方案确定经过对方案的设计要求的分析和方案论证，采用51单片机控制平台，在智能循迹模块中，使用红外感应以及高精度光电二极管来判断所设置路径，并进行跟踪功能的工作;在智能避障模块中，使用超声波测距模块检测前方障碍。在获得传感器数据后，然后再由单片机通过I/O口控制驱动模块改变两个直流电机的工作状态,最终实现自动跟踪。系统框图如图2.1所示。图2.1 智能循迹小车控制系统结构框图第三章 硬件系统设计智能小车采用
30、AT89C52单片机进行智能控制，开始由手动启动小车，并复位。当有红外遥控信号时，根据信号进入相应的行驶状态，在运动过程中由红外光电传感器检测，通过单片机控制小车进行循迹，系统的自动循迹功能通过红外线传感器正前方检测，由单片机控制实现在小车行驶过程中，通过接收的信号脉冲控制直流电机，以提高系统的静动态性能。3.1 单片机控制模块3.1.1 STC89C52简介STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATM
31、EL 搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C52实物图如图3.1所示。图3.1 单片机实物图STC89C52具体介绍如下:如图3.2所示为40脚双列直插式封装STC89C52单片机引脚图。按照其引脚功能来分，可以分为四组。下面分别说明这些引脚的名称和功能。图3.2 STC89C52引脚图1.电源与地引脚Vcc:电源引脚，用于接+5V电源。Vss:接地引脚，连接时接公共地端2.时钟电路引脚X1:接外部石英晶体和补偿电容一端;如果使用外部时钟源，则该引脚应该接地。实际上该引脚为片内振荡电路放大器部分的输入端。X2:接外部石英晶体和补偿电容的另一
32、端;在使用外部时钟源时，该引脚作为外部时钟源的输入端。在片内该引脚为振荡电路放大器的输出端。3.I/O端口引脚51系列单片机I/O端口的个数依据封装、引脚不同也不相同，40脚封装的芯片共有4个8位端口，分别是PO、P1、P2、P3，这些端口大都为复用功能，分别说明如下。P0口:端口P0共有8根引脚，分别表示为P0.0，PO.1，.，P0.7。P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口，作为漏极开路的输出端口，每位可以驱动8个LS型TTL负载。P0口有两种使用方式:一种是作为普通并口使用，可以直接连外部设备或外设接口，如连接LED驱动电路，作为普通并口时的端口地址为80H;第二种使用方式是单片机
33、需要外部片外存储器时，P0口作为总线使用。作总线使用时，P0口采用分时工作，用于低8位地址或8位数据复用总线。P1口:P1口也有8根引脚，记为P1.0，P1.1，.，P1.7.P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，P1口的每味能驱动4个LS型TTL负载。在P1口用作输入口时，应先向口锁存器（地址90H写入全1)，此时，端口引脚由内部上拉电阻上拉成高电平。P2口:P2口的8根引脚记为P2.0，P2.1，.，P2.7。P2口也是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P2口的每位也可以驱动4个LS型TTL负载。P2口也有两种使用方式:一种是作为普通并口使用，作为普通并口时的端口地址为
34、A0H;二是单片机需要外接片外存储器时，P2口要作为地址总线使用，做地址总线使用时，P2口用于高8位地址总线。P3口:P3口也是8根引脚，记为P3.0，P3.1，.P3.7。P3口也是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，P3口的每位能驱动4个LS型TTL负载，端口地址为B0H。P3口与其他I/O端口最大的区别在于它除作为一般准双向I/O端口外，P3口的每个引脚还具有专门的第二功能，也就是说，P3口也有两种应用方式。其一是作为普通并口使用，其二适用于特殊功能引脚（也称为第二功能)，其特殊功能规定与说明如表3.1所示。表3.1 P3口的特殊功能规定P3口引脚P3口引脚特殊功能说明P3.0RX
35、D(串行口输入)P3.1TXD(串行口输出)P3.2INT0(外部中断输入)P3.3INT1(外部中断1输入)P3.4T0(定时器0的外部输入)P3.5T1(定时器1的外部输入)P3.6WR(片外数据存储器写选通控制输出)P3.7RD(片外数据存储器读选通控制输出)4.控制信号引脚PSEN:程序存储器选通信号引脚。CPU在访问片外程序存储器时，该引脚输出负脉冲作为存储器读选通信号。8051的 PSEN引脚可以直接驱动8个LS型TTL负载。当负载过大而超过该引脚驱动能力时，可以在引脚后面先加上驱动芯片，经驱动芯片再对负载实现驱动。ALE/PROG:该引脚有两个功能，其一是地址锁存允许（ALE）信
36、号引脚。当CPU访问外部数据存储器RAM或程序存储器ROM，由于地址信号低8位与数据总线都是PO提供，为分时复用总线，所以当单片机先给出地址信号后，由于地址信号低8位与数据总线都是Po提供，为分时复用总线，所以当单片机先给出地址信号后，由ALE信号作为输出地址低8位的地址锁存使能信号，把地址低8位锁存到锁存器中。该引脚的第个功能就是片内存储器编程脉冲输入引脚EA/Vpp: EA是访问外部存储器的控制信号。如果EA端接高电平，程序存储器地址值小于OFFFFH (4KB程序地址)时，8051CPU会到片内程序存储器中取指令。当地址值超出OFFFFH时，单片机将自动寻址片外程序存储器的程序。如果EA
37、 为低电平，CPU仅访问片外程序存储器，不会访问片内存储器。另外Vpp为编程电源功能，当对51单片机内部 EPROM编程时，Vpp引脚接编程电源(12.5V)。RST/VPD:RST引脚是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持2个机器周期(24个时钟振荡周期的高电平）时就可以完成对单片机的复位操作。该引脚的第二功能V即备用电源的输入端，当主电源Vcc发生故障或降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入Vpp端，为片内数据存储器RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，以使复电后能继续正常工作。控制线除以上4根线以外，还有P3口的P3.6和P3.7第二功能也可以作为控制线，主要用
38、作对片外存储器读写控制。WR(P3.6):用于片外存储器写控制，低电平有效。该信号接在片外存储器的写信号端上，当WR信号到来时，完成对外部存储器写入操作。RD (P3.7):用于片外存储器读控制，低电平有效。该信号接在片外存储器的读信号端上，当RD信号到来时，完成对外部存储器读取操作。3.1.2单片机最小系统设计AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用89C51单片机构成最小应用系统4时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可3。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点:有可供用户使用的大量I/0口线，内部存储器容
39、量有限，应用系统开发具有特殊性。1.时钟电路AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89C51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值。所以本设计中，振荡晶体选择11.0592MHZ，电容选择30pF。时钟模块电路图如图3.3所示。在设计印刷电路板时，
40、晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。图3.3 时钟模块电路图2)复位电路AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过在每个机器周期的对复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF，R取10KQ。复位模块电路图如图3.4所示。图3.4 复位模块电路图3
41、)程序存储器MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，可以分为片内ROM空间和片外ROM空间，主要用于存放程序（可执行的二进制代码映像文件，包括程序中的数据信息以及初始化代码等软件。在MCS-51系列中，8051/89C51片内分别驻留最低地址空间的4KB的ROM/EPROM，而8031则无内部程序存储器，需要外部扩展EPROM。80C52内部驻留最低地址空间的8KB ROM，8032无内部程序存储器，也需要外部扩展EPROM 。MCS-51系列的程序计数器PC是16位的寄存器，它具有64KB的寻址能力。在使用逻辑地址寻址程序存储器时，不分内部和外部，CPU会自动按指定地址去片内或片外读取程
42、序的指令代码。但是MCS-51不会把程序的执行从程序存储器地址空间转移到数据存储器地址空间，它不提供这种转移指令5。3.1.3核心控制模块设计本次设计中所采用的控制中心为STC89C52RC。该模块主要分为供电部分、晶振电路部分、复位电路部分、下载接口部分、控制部分五大块。其中供电部分给予单片机电源能量动力;晶振电路部分相当于是单片机的心脏，给予单片机一个稳定的时钟，让单片机能够在此时钟的基础上制造一定的时序;复位电路部分是将单片机进行初始化的过程中所需要的，在本次设计中并未使用;下载接口是用来给单片机进行程序下载的;控制核心即单片机，相当于是人类的大脑，整个设计的控制中心。具体输入输出口配置
43、如图3.5所示:图3.5 核心控制模块电路图3.2电源模块3.2.1 稳压芯片简介三端稳压集成电路lm7805电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 系列和负电压输出的lm79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管，TO-220 的标准封装,也有lm9013样子的TO-92封装。图3.6 lm7805样品用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或Im79后
44、面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 lm7806表示输出电压为正 6V，Im7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意:并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。3.2.2
45、 电源稳压模块设计本设计需要双5V电源为整个系统供电，电源模块以芯片LM7805为核心设计成输出+5V直流电压的稳压电源电路。该电源模块是有电源变压器变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器将交流220V变为9V左右交流电压，然后通过整流桥将交流电变为脉动的直流电压。由于此脉动直流电压还包含较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，C13、C14分别为输入端和输出端滤波电容，并利用三端稳压集成芯片LM7805进行稳压4，当输出电较大时，7805应配上散热板。具体电路如下图所示:图3.7 7805稳压电源3.3电机驱动模块3.3.1电动机驱动芯片L293D简介L293D采用16引脚 DI
46、P封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续;电机可四角限运行;电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区:低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整(PWM)。另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路P
47、WM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚，控制电机的正反转。H桥驱动电路是较为常见的一种，图3.8所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图3.8所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。由于H桥电路可以很方便的实现电机正反转的驱动因此应用广泛。图3.8 典型H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图3.9所示，当Q1 管和Q4 管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动。图3.10所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动。图3.9 H桥驱动电路正转 图3.10 H桥驱动电路反转