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1、洛阳理工学院毕业设计（论文）电动智能小车摘 要80C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。本系统采用80C51单片机为控制核心，主要完成了超声波检测避障模块，反射式红外光电检测黑白跑道模块，里程检测模块，LED显示模块，电机驱动等模块的设计。设计采用左右独立的传动模式行驶，利用超声波传感器，检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障；采用 PWM 技术实现电动机的快慢调速行驶以及自动停车；并由测速与显示模块自动记录时间、里程和速度；并可通过光电、红外、传感器实现自动寻迹和寻光功能。最后，通过汇编语言编程控制51单片机系统来决策智能车的行驶状态。整个系统的电路结
2、构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。 关键词： 80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车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 th
3、e 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, dist
4、ance 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 techniq
5、ue as:Keywords： 80C51 single chip computer, light electricity detector, PWM speed adjusting, Electricity motive small car31目录前言1第1章 系统整体设计31.1 直流调速系统31.2 检测系统41.3 显示电路111.4 系统原理图11第2章 硬件设计132.1 80C51单片机硬件结构132.2最小应用系统设计142.3前向通道设计162.4后向通道设计182.5显示电路设计21第3章软件设计203.1主程序设计203.2显示子程序设计243.3避障子程序设计253.4
6、软件抗干扰技术263.5“看门狗”技术293.6可编程逻辑器件32第4章测试数据、测试结果分析334.1测试方法及仪器324.2测试数据及测试结果分析32附录A 程序清单33附录B硬件原理图41外文资料翻译42前言我设计的题目是电动智能小车，随着社会的发展汽车行业越来越与人们的日常生活密切相关，全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶
7、速度、准确定位停车。根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。本次设计采用的是MCS-51系列的80C51单片机以80C51为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评，它是第三代单片机的代表。新一代的单片机的最主要的技术特点是向
8、外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/DPWMPCA(可编程计数器阵列)WDT(监视定时器)高速I/O口计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线。本设计采用了新芯片EM78P458作为显示驱动器，用两片4位八段数码管gem4561ae作为显示器，并具有双重功能，在小车行驶时其中一片显示年月，另一片显示时分。采用红外测距仪检测行车距离，
9、采用直流电机控制小车的前行后退，利用超声波障碍检测，利用其特性超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHZ，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体液体及固体中传播，其传播速度不同。最后的整体电路图用画图软件Protel 99 SE来画，我在此设计中对此软件有了更多的了解，对此软件的应用也更加熟练，整个电路图都是我一人完成，我感觉这个画图软件真的是很有用我很有必要熟练掌握此软件的应用，会对以后的工作学习有很大帮助的。 第1章 系统整体设计1.1 直流调速系统方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。方案三：脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机
10、实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点，且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高
11、，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流
12、，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用制式变换简称PWM变换器器脉宽调。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前
13、行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的。1.2 检测系统检测系统主要实现光电检测，即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。1、及光线检行车起始、终点测：本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点（2cm宽的黑线），玩具车底盘上沿黑线放置一套，以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。利用超声波传感器检测障碍。光线跟踪，采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其c-e间的阻值下降，检测电路输出高电平，经LM393电压
14、比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头的左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直行。见图1-1 电动车的方向检测电路。行车方向检测电路采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。此套红外光电传感器固定在底盘前沿，
15、贴近地面。正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号；电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送80C51单片机处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。前进时，驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。最后经反接制动实现停车。前行与倒车控制电路的核心是桥式电路和继电器。电桥上设置有两组开关，一组常闭，另一组常开。图1-1 电动车的方向检测电路电桥一端接电源，另一端接了一个三极管。三极管导通时，电桥通过三极管接地，电机电
16、枢中有电流通过；三极管截止时，电桥浮空，电机电枢中没有电流通过。系统通过电桥的输出端为转向电机供电。通过对继电器开闭的控制即可控制电机的开断和转速方向进而达到控制玩具车前行与倒车的目的，实现随动控制系统的纠偏功能。如图1-2 前行与倒车控制电路所示。图1-2前行与倒车控制电路2、 直流电机的基本工作原理：直流发电机的工作原理是基于电磁感应原理，在磁感应强度为B的磁场中，一根长度为L的导体以匀速V作垂直切割磁力线的运动时，则在导体中产生感应电动势，其值的大小按法拉第定律来计算 e=BLV直流发电机的工作原理模型，是一对在空间固定不变的磁极，abcd是安装在可以转动的圆柱体上的一个线圈，线圈两端分
17、别接到两个相互绝缘的半圆型铜环1和2上，换向片分别与固定不动的电刷A和B保持滑动接触，这样，旋转着的线圈可以通过换向片电刷与外电路接通。当原动机托着电枢以一定的速度在磁场中逆时针旋转时，根据电磁感应原理，线圈边ab和cd切割磁力线产生感应电动势，其方向用右手定则确定。假设线圈ab边处于N极下，产生的感应电动势从b指向a；线圈的cd边处于S极下，产生的感应电动势从d指向c。从整个线圈来看，电动势的方向为dcba;反之，当ab边转到S极下，cd边转到N极下时，每个边的感应电动势方向都要随之改变，于是，整个线圈的感应电动势方向变为abcd。所以线圈的感应电动势是交变的。假设磁场在电枢圆周上按正弦规律
18、分布，B=Bsin&,则 e=BLVsin&表明线圈中的感应电动势按正弦规律变化。那么如何在电刷上得到直流电动势呢？这就要靠换向器的作用了。当线圈的ab边处于N极下，电动势的方向从b向a引到电刷A，所以电刷A的极性为正。当线圈转过180，线圈ab边与cd边互换位置，使cd边处于N极下时，于是cd边与电刷A接触，其电动势的方向是从c向d引到电刷A，电刷A的极性仍为正。同理可分析出电刷B的极性为负。进一步观察可以发现，电刷A总是与旋转到N极下的导体接触，所以电刷A总是正极性。而电刷B总是与旋转到S极下的导体接触，所以电刷B总是负极性，故在电刷AB之间正弦上半波形的直流电动势。直流电动机的基本工作原
19、理直流电动机的工作原理是基于电磁力定律的。若磁场B与导体互相垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上电磁力f为： f=Bli 直流电动机的工作原理模型。电刷AB两端加直流电压U，若电流从电源的正极流出，经过电刷A与换向片1而流入电动势线圈，电流方向为abcd，然后再经过换向片2与电刷B流回电源的负极。根据电磁力定律，线圈边ab与cd在磁场中分别受到电磁力的作用，其方向可用左手定则确定，当线圈ab转到S极面下，cd转到N极面下时，流经线圈的电流方向必须改变，这样导体受到的电磁力方向才能不变，从而保持电动机沿着一个固定的方向旋转。如何才能是导体中的电流方向改变呢？这个任务将由换向器来完成。原来
20、电刷A通过换向片1与经过N极面下的导体ab相连，现有电刷A通过换向片2与经过N极面下的导体cd相连，现在电刷B通过换向片1与经过S极面下的导体ab相连。线圈中的电流方向改为dcba ,用左手定则判断电磁力和电磁转矩的方向未变，电枢仍逆时针方向旋转。综上所述可知，不论是直流发电机还是直流电动机，换向器可以使正电刷A始终与经过N极面下的导体相连，负电刷B始终与经过S极面下的导体相连，故电刷之间的电压是直流电，而线圈内部的电流则是交变的。通过换向器和电刷的作用，把直流发电机线圈中的交变电动势整流成电刷的方向不变的直流电动势；把直流电动机电刷的直流电流变成线圈内的交变电流，以确保电动机沿恒定方向旋转。
21、3、 检测放大器方案：方案一：使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差动放大电路。选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。方案三：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电
22、压的大小，例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较，在UiUr和UiUr两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。而Ui变化经过Ur时，比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。比较器有各种不同的类型。对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。4、 比较器的特点：电压比较简称器是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原
23、理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。 什么是电压比较器 简单地说， 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。这里顺便要指出的是，比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运放的参数相同。 工作在开环或正反馈状态。放大、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。 非线性。由于比较器中运放处于开环或正反
24、馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。 开关特性。比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。由于比较器的上述特点，在分析时不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个
25、电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。但实际集成运放的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的阶跃信号。电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。响应时间越短，响应速度越快。减小比较器响应时间的主要方法有：(1) 尽可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近理想阶跃且幅度足够大。(2) 选用集成电压比较器。(3) 如果选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子进入深饱和区。具
26、体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。如图1-3电压比较器电路所示：图1-3电压比较器电路在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平们尝试采用了一种滞回比较器。简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，。如果用这样的输出电压现象。这种情况，通常是不允许的。而滞回比较器则解决了这个问题。滞回控制电机或继电器，将出现频繁动作或起停比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出电压就不会来回变化
27、。所以抗干扰能力强。但是，滞回比较器毕竟是模拟器件，温度的漂移是它无法消除的。方案四：施密特触发器。综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用数字器件施密特触发器。施密特触发器是双稳态触发器的变形，它有两个稳定状态，触发方式为电平触发，只要外加触发信号的幅值增加到足够大，它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性，但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更强。5行车距离检测：由于红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点，故采用红外光电码盘测速方案。具体电路同图1-4行车距离检测电路所示：图1-4行车距离检测电路红外测距仪
28、由测距轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。测长轮的周长为记数的单位，最好取有效值为单一的数值（如本设计中采用0.1米），精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安装在车轮上，这样能使记数值准确一些。遮光盘有一缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻挡。由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。为实现可逆记数功能，我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。根据两个脉冲
29、信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出玩具车的行驶方向（前进或后退）。遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里，以避免外界光线的干扰，使电路不能正常工作。测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动，同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点亮，在光栅的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于光栅随电机高速转动，则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。将该信号传输到80C51单片机的内部计数器计数，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。1.3 显示电路本设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示器,并具有双重
30、功能,在小车不行驶时其中一片显示年月,另一片显示时分； 当小车行驶时,分别显示时间和行驶距离。 1.4 系统原理图 智能电动车采用80C51单片机进行智能控制。开始由手动启动小车，并复位，当经过规定的起始黑线，由超声波传感器和红外光电传感器检测，通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速；系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测，由单片机控制实现；在电动车进驶过程中，用双极式H型PWM脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能；采用动态共阴显示行驶时间和里程。 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P1
31、12P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1080C51调速时间、里程显示起停、避障、位移、检测看门狗电路时钟电路复位电路图1-5系统原理图第2章 硬件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：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等能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，既按
32、照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。2.1 80C51单片机硬件结构80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上2。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式，但对各种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、 微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，
33、只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。2、 数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。3、程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。4、 中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。5、 定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。6、 串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片
34、机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。7、 P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。8、 特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功由上可见，80能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机
35、的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。2.2最小应用系统设计80C51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80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如2-1 80C51单片机最小系统所示。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/O口线内部存储器容量有限应用系统开发具有特殊性图2-180C51单片机最小系统1、时钟电路80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51单片机的时钟产
36、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，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。在设计印刷电路板时，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
37、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。2、复位电路80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，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6MHZ时C取22uF,R取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式
38、两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200，RK取1K。2.3前向通道设计 单片机用与测控系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道。因此，前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。1前向通道的含义当将单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状
39、态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件，这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量，如温度、压力、载荷、位移等，而计算机是一个数字电路系统。因此，在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路,故也可称为传感器接口通道。在单片机应用系
40、统中，对信号输入、传感、变换应作广义理解，例如开关量的检测及信号输入，在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道就是一个具有TTL电平的状态开关，如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。并不是所有单片机应用系统都有前向通道，例如时序控制系统，只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态；分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。这些应用系统没有被测对象，故不需要前向通道。2前向通道的设计（！）传感器的比较识别障碍的首要问题是传感器的选择，下面对几种传感器的优缺点进行
41、说明（见表3.1）。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外，还有以下问题。首先因其只能在10m以内有效使用，所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但其更新频率为2Hz，而且还有可能在传输中受到它信号的干扰，所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。表2-1传感器性能比较表传感器类型优 点缺 点超声波视觉激光雷达MMW雷达价格合理，夜间不受影响。易于多
42、目标测量和分类，分辨率好。价格相合理，夜间不受影响不受灯光、天气影响。测量范围小，对天气变化敏感。不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢。对水、灰尘、灯光敏感。价格贵视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂，处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。（2）超声波障碍检测超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KH
43、z，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。本设计采用T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件，其中心
44、频率为40Hz，由80C51发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz的脉冲超声波，如电动车前方遇到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码，当LM567的输入信号大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C51单片机处理。超声波检测如图2-2超声波检测电路所示。 图2-2超声波检测电路2.4后向通道设计 在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现操作，因此，在这样的系统中，总要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口。根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的
45、要求，后向通道具有以下特点：（1） 小信号输出、大功率控制。根据目前单片机输出功率的限制，不能输出控制对象所要求的功率信号。（2） 是一个输出通道。输出伺服驱动系统控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。（3） 接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。但后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害。但这些干扰易从系统的前向通道窜入。单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些
46、模拟量控制系统，则应通过数模转换成模拟量控制信号。 根据单片机输出信号形态及控制对象要求，后向通道应解决：功率驱动。将单片机输出信号进行功率放大，以满足伺服驱动的功率要求。干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用信号隔离电源隔离和对功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。数/模转换。对于二进制输出的数字量采用D/A变换器；对于频率量输出则可以采用。本设计调速采用PWM调速：为顺利实现电动小汽车的左转和右转，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。图2-3为双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图。4个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3= -Ub1。双极式PWM变换器的优点如下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限中运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。1、脉宽调制原理：脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作