【正文】 高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有語音處理、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，但我對(duì)這 種單片機(jī)并不熟悉，使用起來并不是很方便，這對(duì)于硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程增加了難度。 因此 采用 STC89C52 單片機(jī)作為主控制器 ， STC89C52 是一個(gè)超低功耗，和標(biāo)準(zhǔn) 51 系列單片機(jī)相比較具有運(yùn)算速度 快，抗干擾能力強(qiáng)，支持 ISP 在線編程，片內(nèi)含 8k空間的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀存儲(chǔ)器，具有 256 bytes 的隨 5 機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè) I/O 口， 3個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度， 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉 。 且在運(yùn)用過程中 STC89C52 的 精確度和運(yùn)算速度也都完全符合系統(tǒng)的要求。 綜合以 分析 選 用了 比較普通的 且 更為熟悉的 STC89C52 單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。 在選用驅(qū)動(dòng)芯片的過程 中，剛開始我考慮了與小車配套的 傳統(tǒng)的功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過電阻的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。 在使用的過程中發(fā)現(xiàn)它滿足不了本次設(shè)計(jì)的要求，后來考慮了 專用芯片 L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片 L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。且由 L298N 結(jié)合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速 度的精確控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用 L298N 控制直流電機(jī)。 采用紅外線避障，利用單片機(jī)來產(chǎn)生 38KHz 信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來，紅外線接收管 采用數(shù)字接受器件 HS0038 對(duì)反射回來信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出 TTL 電平 ， 外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜 。 用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工 作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對(duì)紅外光由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。但是這種電路在戶外容易受陽光的影響。因此放棄此方案。 用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。 采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷 。 考慮到本系統(tǒng) 只需要檢測(cè) 前面的 障礙物， 基本上 沒有十分復(fù)雜的環(huán)境。 且模塊化的芯片使用起來方便 ，便于操作和調(diào)試， 故選擇了超聲波傳感器 。 6 如果采用 雙電源供電。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源采用 四節(jié) 五號(hào)電池，單片機(jī)及其外圍電路電源采用 5V 鈕扣電池供電，兩路電源完全分開，這樣做雖然可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是不如單電源方便靈活。 如果 所有器件采用單一電源 ，雖然會(huì)在 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾 等 。 但是這樣供電會(huì)比較簡(jiǎn)單， 且能夠找到基本符合要求的鎳鎘充電電池來供電， 單片 機(jī)的開發(fā)板上就有一個(gè) 7805 穩(wěn)壓芯片可以利用，這樣在實(shí)現(xiàn)起來也比較可行，因此決定采用 鎳鎘充電電池 供電。 經(jīng)過 上面 的 思考 和 分析 最終確定智能 避障 小車的最終方案 如下 ： ● 采用 STC89C52 單片機(jī)作為整個(gè)電路的控制核心。 ● 直接使用 鎳鎘 電池 提供基準(zhǔn)電源。 ● 采用直流減速電機(jī)作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 ● 使用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。、 ● 采用 超聲波 探測(cè) 器 進(jìn)行 障礙檢測(cè) 。 ● 用開發(fā)板自帶的數(shù)碼管顯示時(shí)間、里程、以及到障礙物的距離。 7 3 系統(tǒng) 單元電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) STC89C52 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)介 本模塊采用 STC89C52 單片機(jī)作為核心處理器。 STC89C52 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 10000次 以上 的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型 計(jì)算機(jī)的STC89C52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。利用 STC89C52 的 I/O 端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí) 判斷 監(jiān)控 來 控制 步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映 。 STC89C52 單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。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(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行 I/O 口、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU 加上外 圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)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。 其基本結(jié)構(gòu)框圖如 圖 3－ 2 圖 所示： 圖 3－ 1 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖 微處理器 （運(yùn)算部件） 控制部件 B RAM P0 口 P2 口 特殊功能寄存器 （ SFR） ROM P1 口 串行口 定時(shí) / 計(jì)數(shù)器 中斷 系統(tǒng) P3 口 8 ● 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè) 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(yùn)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(jìn)行位變量的處理。 ● 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為 128 個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)，用來存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖 、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ● 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)。 ● 中斷系統(tǒng) 具有 5 個(gè)中斷源， 2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 ● 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有 2個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式。 ● 串行口 1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O 口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 ● 特殊功能寄存器 共有 21 個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能 的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 由上可見， STC89C52 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。特別值得一提的是該單片機(jī) CPU 中的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的 1位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微計(jì)算機(jī)有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 1位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長(zhǎng)處。 MCS51 單片機(jī)中 8 位機(jī)和 1 位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破，這也 是 MCS51 單片機(jī)在設(shè)計(jì)的精美之處。 如圖 32是本次設(shè)計(jì)用到的單片機(jī)開發(fā)板實(shí)物圖 。 9 圖 32 本次設(shè)計(jì)用到的單片機(jī)開發(fā)板實(shí)物圖 其原理圖如圖 33 所示： 圖 33 開發(fā)板原理圖 10 單片機(jī)時(shí)鐘震蕩電路 MCS51 單片機(jī)各功能部件運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊的一步一步地工作，因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 單片機(jī) 雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 本設(shè) 計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)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 到12MHZ 之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)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， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值，但在 60pF 到 70pF 時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇 65pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠 近單片機(jī)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(yīng)采用 NPO 電容。 圖 3－ 4是單片機(jī)時(shí)鐘振蕩電路圖： 圖 3－ 4 單片機(jī)時(shí)鐘振蕩電路 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，例如復(fù)位后 PC＝ 0000H，使單片機(jī)從第 — 個(gè)單元取指令。 11 無論是在單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使 RST/Vpd 或 RST 引腳 (9)加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期 (即 24個(gè)振蕩周期 )的高電平。本系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 12MHz，每機(jī)器周期為 1us，則只需2us 以上時(shí)間的高電平，在 RST 引腳出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。 80C51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過 1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。 按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc 接通而實(shí)現(xiàn)的。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路如圖 3－ 5所示。圖中 S R2 構(gòu)成按鍵復(fù)位電路。若要復(fù)位，只需按圖中的 S 鍵，此時(shí)電源 VCC 經(jīng)電阻 R R9分壓，在 RESET 端產(chǎn)生復(fù)位高電平，兩個(gè)機(jī)器周期后單片機(jī)復(fù)位。圖中 C為上電復(fù)位電容，它是利用電容充放電來實(shí)現(xiàn)的。在接電瞬間， RESET 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減少， RESET的電位逐漸下降。只要保證 RESET 為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。 圖 3－ 5單片機(jī)復(fù)位電路 顯示模塊的設(shè)計(jì) 12 在本次設(shè)計(jì)中采用 數(shù)碼管作為顯示部分，數(shù)碼管實(shí)際上是由 7個(gè)發(fā)光二極管組成 8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是 8個(gè)。我們分別把他命名為 a、 b、 c、 d、 e、f、 g、 dp。如圖 3－ 6所示。 圖 3－ 2 數(shù)碼管原理圖 圖 3－ 6 數(shù)碼管作為顯示部分 本電路采用四位一體共陰極數(shù)碼管，利用動(dòng)態(tài)掃描方式來完成顯示功能。動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài) 顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。 CPU 送來的數(shù)據(jù)信號(hào)直接送入數(shù)碼管的段號(hào)碼，進(jìn)行數(shù)字顯示， 本次設(shè)計(jì)中采用了開發(fā)板自帶的 ULN2020 作為數(shù)碼管的位選控制芯片，要控制右邊的數(shù)碼管中 的哪 個(gè)點(diǎn)亮只需要在 ULN2020 的 左邊的 A A A A4 端送入相應(yīng)的控制信號(hào)就可以點(diǎn)亮其中一位 。而數(shù)碼管的段選信號(hào)則由單片機(jī)的 P1 口控制，超聲波傳感器檢測(cè)到的距離通過數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換后才送到數(shù)碼管顯示，在送段選信號(hào)時(shí)， 通過單片機(jī)的控制，首先顯示個(gè)位數(shù) , 再延時(shí)一會(huì)， 然后關(guān)掉 .之后然后顯示 十位數(shù)， 再延時(shí)一會(huì)， 再關(guān)掉 ,然后顯示百位數(shù)，這樣 一直循環(huán)下去，那么我們將會(huì)看到連續(xù)的數(shù)字顯示 ,輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上四位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示而不會(huì)有閃爍感。 LED 數(shù)碼管與單片機(jī)連接電路如圖 3－ 7 所示。 13 圖 3－ 7 數(shù)碼管 與單片機(jī)連接圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 的要求 控制電機(jī)是本次設(shè)計(jì)中的重要元件，如果控制電機(jī)的性能不佳或使用不當(dāng)，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。智能小車控制系統(tǒng)中對(duì)控制電機(jī)要求其體積小、重量輕、耗電少，另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，主要集中在以下幾個(gè)方面 ● 高可靠性。控制電機(jī)