【正文】 Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51單片機(jī)見圖31。圖31 AT89C51單片機(jī) AT89C51功能部件和特性At89c51單片機(jī)具有如下功能部件和特性如下：（1）8位微處理器(CPU)；（2）數(shù)據(jù)存儲器（128B RAM)；（3）程序存儲器（4KB Flash ROM）；（4）4個8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）一個全雙工的異步串行口；（6）2個可編程的16位定時器/計(jì)數(shù)器；（7）1個看門狗定時器；（8）中斷系統(tǒng)具有5個中斷源、5個中斷向量；（9）特殊功能寄存器（SFR）26個；（10）低功耗節(jié)電模式有空閑模式和掉電模式，且具有掉電模式下的中斷恢復(fù)模式；（11）3個程序加密鎖定位。 AT89C51引腳說明AT89C51的引腳說明如下：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷0） /INT1（外部中斷1） T0（記時器0外部輸入） T1（記時器1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘放大器電路的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時，該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)采用外接時鐘源時，該引腳接外部時鐘振蕩器的信號。XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時，該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)采用外部時鐘源時，該引腳懸空。 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 電機(jī)驅(qū)動電路由L298N 構(gòu)成的PWM功率放大器的工作形式為單極可逆模式，PWM電路由四個大功率晶體管組成H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，兩個H橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連在一起，1 腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器, 形成電流傳號。L298N 可驅(qū)動兩個電機(jī), OUT l、OUT2 和OUT OUT4 之間分別接兩個電動機(jī)。12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn), ENA、ENB 接控制使能端，用來輸入PWM信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。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)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)，輸出腳SENSEA和SENSEB用來連接電流檢測電阻，Vss接邏輯控制的電源。這些特性使得L298N很適合用作小型直流電機(jī)控制芯片。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖見圖32。圖32 電機(jī)驅(qū)動電路 L298N簡介L298N 是SGS 公司的產(chǎn)品。其內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動電路, 即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TT L 邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A 以下的電機(jī)。L298N見圖33圖33 L298N它的引腳2，3，13，14為L298N芯片輸入到電動機(jī)的輸出端，其中引腳2和3能控制兩相電機(jī)，對于直流電動機(jī)，即可控制一個電動機(jī)。同理，引腳13和14也可控制一個直流電動機(jī)。引腳6和11腳為電動機(jī)的使能接線腳。引腳5，7，10，12為單片機(jī)輸入到L298N芯片的輸入引腳。表31是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系：表31 L298N芯片引腳的邏輯關(guān)系EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）電機(jī)運(yùn)行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止控制使能引腳ENA或者ENB就可以實(shí)現(xiàn)PWM脈寬速度調(diào)整。1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可以直接接地。在可設(shè)計(jì)中就將它們直接接地。引腳8為芯片的接地引腳，它與L298N芯片的散熱片連接在一起。由于本芯片的工作電流比較大，發(fā)熱量也比較大，所以在本芯片的散熱片上又連接了一塊鋁合金，以增大它的散熱面積。該芯片的一些參數(shù)如下：(1) 邏輯部分輸入電壓：6～7V(2) 驅(qū)動部分輸入電壓Vs：～46V(3) 邏輯部分工作電流Iss：≤36mA(4) 驅(qū)動部分工作電流Io：≤2A(5) 最大耗散功率：25W（T=75℃）(6) 控制信號輸入電平：高電平：≤Vin≤Vss，低電平：≤Vin≤(7) 工作溫度：25℃～＋130℃(8) 驅(qū)動形式：雙路大功率H橋驅(qū)動 小車方向與速度控制智能小車首先要能實(shí)現(xiàn)直走，在行進(jìn)中遇到障礙物時同時要能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和倒退控制，才能避開障礙物。表32 控制電機(jī)轉(zhuǎn)向表P4_7P4_4左電機(jī)右電機(jī)小車0000停轉(zhuǎn)停轉(zhuǎn)停止0001停轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)左前轉(zhuǎn)0010停轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)左后轉(zhuǎn)0100反轉(zhuǎn)停轉(zhuǎn)右后轉(zhuǎn)1000正轉(zhuǎn)停轉(zhuǎn)右前轉(zhuǎn)1001正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前進(jìn)0110反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)后退1010正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)0101反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)順時針旋轉(zhuǎn)（1）直走的實(shí)現(xiàn)原理由于小車每一側(cè)的輪子由同一側(cè)的電機(jī)控制，只要讓小車的左右兩側(cè)的輪子同時以相同速度正向旋轉(zhuǎn)，小車就會受到向前的作用力而向前運(yùn)動，這樣就實(shí)現(xiàn)了小車的直走功能。由上表可知兩個電機(jī)都正轉(zhuǎn)的控制組合為P4_7P4_4為1001，也就是說只要把P4_7P4_4設(shè)置為1001就實(shí)現(xiàn)了小車的前進(jìn)功能。同理，只要讓兩個電機(jī)同時反轉(zhuǎn)，就實(shí)現(xiàn)了小車的倒退功能。此時的P4_7P4_4端口數(shù)據(jù)為0110。（2）轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)原理智能車行進(jìn)過程中要求能實(shí)現(xiàn)自動避開障礙物，因而需實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎功能。方案一：在設(shè)計(jì)中只要讓一側(cè)的電機(jī)停轉(zhuǎn)，讓另一側(cè)的電機(jī)正傳或反轉(zhuǎn)，這樣小車就會朝著一個方向偏轉(zhuǎn)。比如讓右側(cè)的輪子停轉(zhuǎn)，左側(cè)的輪子前傳，對應(yīng)的端口P4_7P4_4輸出狀態(tài)為0001，此時小車就會向右前方旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)右前轉(zhuǎn)。另外還有左前轉(zhuǎn)，右后轉(zhuǎn)，左后轉(zhuǎn)等動作，控制方法類似。但是這種轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)方案在實(shí)際測試中并不十分理想，小車轉(zhuǎn)彎所走的弧線半徑比較大，有時近似在走直線。造成這種現(xiàn)象的原因是：小車轉(zhuǎn)彎是通過一側(cè)的輪子停轉(zhuǎn)，另一側(cè)的輪子正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。但是由于慣性的作用，雖然一側(cè)的電機(jī)停轉(zhuǎn)了，另一側(cè)的輪子會帶著停轉(zhuǎn)的輪子一起運(yùn)動，這樣小車偏轉(zhuǎn)的趨勢就不明顯，小車轉(zhuǎn)彎的半徑就會比較大，不能達(dá)到理想的目的。方案二：考慮到上述方案存在的缺陷，且小車本身重量過大，電源又太重，實(shí)在找不到電量大且重量輕的電源，我們研究出只有一邊正轉(zhuǎn)一邊反轉(zhuǎn)才能轉(zhuǎn)彎。且只要搭配恰當(dāng)就能實(shí)現(xiàn)正常功能。（3）PWM調(diào)速原理AT89C51單片機(jī)有集成的定時器產(chǎn)生PWM波形，我們可通過用它的一個定時器來產(chǎn)生占空比和頻率可調(diào)方波來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速部分直接連接到了單片機(jī)接口，只要在程序中進(jìn)行合理的設(shè)置，在相應(yīng)的端口就有PWM信號產(chǎn)生，加在小車電機(jī)兩端的電機(jī)就是PWM電壓信號。此時可以通過調(diào)整PWM的占空比，來改變電機(jī)兩端的平均電壓大小。這樣就通過PWM資源調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)小車速度的目的。 循跡系統(tǒng) 循跡原理小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測方法紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號的檢測。避障亦是此原理。 TCRT5000光電對管簡介在小車具體的循跡行走過程中，我選用TCRT5000型光電對管。TCRT5000傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣,接收管的電阻會發(fā)生變化,在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來,。圖34循跡原理圖 LM324比較器LM324四比較器功能應(yīng)用。LM324集成塊內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： (1)失調(diào)電壓小，典型值為 2mV； (2)電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為177。1V177。18V； (3)對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬； (4)共模范圍很大，為 0~（）Vo； (5)差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； (6)輸出端電位可靈活方便地選用。LM324類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM324輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于 10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM324用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM324的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 避障系統(tǒng) 避障原理采用一只紅外對管置于小車右側(cè)。通過測試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。其原理與循跡一樣，利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號的檢測。具體來說，當(dāng)小車行進(jìn)過程中，如果遇到障礙，紅外檢測頭亮燈時，收到一個低電平，左電機(jī)停止工作，右電機(jī)正常工作，小車左轉(zhuǎn)避開障礙。 避障報(bào)警在小車行進(jìn)過程中，如果小車前方發(fā)現(xiàn)障礙物，必然會被紅外傳感器捕捉到，將信號回饋給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制報(bào)警電路，小車將會立即停止前進(jìn)，發(fā)出報(bào)警。原理圖見圖35。圖35 報(bào)警系統(tǒng) 無線遙控系統(tǒng)無線模塊由發(fā)射電路和接收電路兩部分組成，發(fā)射電路主要是