【正文】 目 錄前 言 2第1章 任務(wù)要求 3 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 設(shè)計(jì)要求 4 基本部分要求 4 發(fā)揮部分要求 4 設(shè)計(jì)說明 5第2章 方案論證 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇與論證 5 電機(jī)方案的選擇與論證 5 尋跡檢測電路方案的選擇與論證 6 平衡檢測電路方案的選擇與論證 6 平衡標(biāo)志方案的選擇與論證 7 顯示時間電路方案的選擇與論證 7 電源方案的選擇與論證 8 系統(tǒng)電路組成及原理 8第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 單片機(jī)介紹 9 ADC0832數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計(jì)流程 12 尋找平衡子程序設(shè)計(jì)流程 14 T0中斷定時子程序流程圖 16 LCD顯示子程序流程 17 主程序流程 18第4章 系統(tǒng)測試及調(diào)試 20 系統(tǒng)測試 20 測試儀器 20 數(shù)據(jù)測試 20 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析 21 軟件調(diào)試 21總結(jié) 22致謝 23參考文獻(xiàn) 24附錄1 硬件電路圖 25附錄2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)清單 26附錄3 英語原文 40附錄4 中文翻譯 43前 言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 單片機(jī)已逐漸發(fā)展成為一門關(guān)鍵的技術(shù)學(xué)科。20 多年來, 高校單片機(jī)課程成了很多專業(yè)的必修課。該課程是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程, 如何讓學(xué)生在學(xué)好基礎(chǔ)知識的同時, 迅速掌握設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù), 其中的實(shí)踐教學(xué)起著非常重要的作用。單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)包括單片機(jī)基本理論實(shí)驗(yàn)、典型功能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)(課程設(shè)計(jì)) 、應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)(畢業(yè)設(shè)計(jì)) 以及新技術(shù)使用實(shí)驗(yàn)等等多環(huán)節(jié)訓(xùn)練。21 世紀(jì)是信息時代, 是經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的時期,要求培養(yǎng)更多的高素質(zhì)、高能力、有開拓進(jìn)取精神的探索創(chuàng)新型人才, 因此不僅要使學(xué)生通過單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)來掌握基本實(shí)踐手段, 更重要的是使學(xué)生具備應(yīng)用這些手段從事科學(xué)研究的獨(dú)立工作能力。在實(shí)踐教學(xué)中, 僅僅傳授實(shí)踐技術(shù)是不夠的, 必須注重學(xué)生能力的培養(yǎng), 使學(xué)生在知識和能力方面得到全面的發(fā)展。古人云: “授之以魚, 只供一飯之需, 教之以漁, 則終生受用無窮?！迸囵B(yǎng)能力無異于給學(xué)生一把開啟知識之門的鑰匙, 有了這把鑰匙才能使他們在知識的海洋里泛舟沖浪。所以單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的方法得當(dāng), 有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)均以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱或者單片機(jī)技術(shù)開發(fā)裝置為實(shí)驗(yàn)器材, 開設(shè)的實(shí)驗(yàn)大多數(shù)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn), 學(xué)生實(shí)驗(yàn)時是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下根據(jù)實(shí)驗(yàn)講義一步一步完成相應(yīng)的內(nèi)容。在整個學(xué)習(xí)過程中, 學(xué)生往往很被動, 而且與實(shí)際應(yīng)用不接軌。學(xué)生學(xué)完整個單片機(jī)課程后不知道單片機(jī)的應(yīng)用場合, 更談不上開發(fā)一些具有實(shí)用價(jià)值的東西。一種型號的單片機(jī)可以學(xué)習(xí)很多年,學(xué)生訓(xùn)練分散、時間短暫, 實(shí)踐教學(xué)沒有層次, 階段不明, 忽視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。要想從根本上解決問題, 應(yīng)該根據(jù)培養(yǎng)能力的要求, 建立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系, 打破單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué), 為理論教學(xué)服務(wù)的傳統(tǒng)觀念。而本課題就是為打破這種傳統(tǒng)觀念，而用實(shí)際物品來驗(yàn)證單片機(jī)各種性能的，運(yùn)用現(xiàn)代化的實(shí)踐教學(xué)手段和管理模式,課題充分利用實(shí)驗(yàn)室有利的條件, 不斷地改革和完善單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和方法, 提高學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)能力, 達(dá)到培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才的目的。第1章 任務(wù)要求 設(shè)計(jì)任務(wù)圖11 起始狀態(tài)示意圖設(shè)計(jì)并制作一個電動車蹺蹺板，在蹺蹺板起始端A一側(cè)裝有可移動的配重。配重的位置可以在從始端開始的200mm～600mm范圍內(nèi)調(diào)整，調(diào)整步長不大于50mm；配重可拆卸。電動車從起始端A出發(fā)，可以自動在蹺蹺板上行駛。電動車蹺蹺板起始狀態(tài)和平衡狀態(tài)示意圖分別如圖11和圖12所示。圖12 平衡起始狀態(tài)示意圖 設(shè)計(jì)要求 基本部分要求在不加配重的情況下，電動車完成以下運(yùn)動：（1）電動車從起始端A出發(fā)，在30秒鐘內(nèi)行駛到中心點(diǎn)C附近；（2）60秒鐘之內(nèi)，電動車在中心點(diǎn)C附近使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5秒鐘，并給出明顯的平衡指示；（3）電動車從（2）中的平衡點(diǎn)出發(fā)，30秒鐘內(nèi)行駛到蹺蹺板末端B處（車頭距蹺蹺板末端B不大于50mm）；（4）電動車在B點(diǎn)停止5秒后，1分鐘內(nèi)倒退回起始端A，完成整個行程；（5）在整個行駛過程中，電動車始終在蹺蹺板上，并分階段實(shí)時顯示電動車行駛所用的時間。 發(fā)揮部分要求圖13 自動駛上蹺蹺板示意圖將配重固定在可調(diào)整范圍內(nèi)任一指定位置，電動車完成以下運(yùn)動：（1）將電動車放置在地面距離蹺蹺板起始端A點(diǎn) 300mm以外、90176。扇形區(qū)域內(nèi)某一指定位置（車頭朝向蹺蹺板），電動車能夠自動駛上蹺蹺板，如圖13所示。（2）電動車在蹺蹺板上取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5秒鐘以上。（3）將另一塊質(zhì)量為電動車質(zhì)量10％～20％的塊狀配重放置在A至C間指定的位置，電動車能夠重新取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5秒鐘以上。（4）電動車在3分鐘之內(nèi)完成（1）～（3）全過程。（5）其他。 設(shè)計(jì)說明（1）蹺蹺板長1600mm、寬300mm，為便于攜帶也可將蹺蹺板制成折疊形式。（2）蹺蹺板中心固定在直徑不大于50mm的半圓軸上，軸兩端支撐在支架上，并保證與支架圓滑接觸，能靈活轉(zhuǎn)動。（3）測試中，使用參賽隊(duì)自制的蹺蹺板裝置。（4）允許在蹺蹺板和地面上采取引導(dǎo)措施，但不得影響蹺蹺板面和地面平整。（5）電動車(含加在車體上的其它裝置)外形尺寸規(guī)定為：長≤300mm，寬≤200mm。（6）平衡的定義為A、B兩端與地面的距離差d=∣dAdB∣不大于40mm。（7）整個行程約為1600mm減去車長。（8）測試過程中不允許人為控制電動車運(yùn)動。第2章 方案論證 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇與論證 電機(jī)方案的選擇與論證方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)的一個顯著的特點(diǎn)就是具有快速啟動和停止能力，能夠達(dá)到我們所要求的標(biāo)準(zhǔn)。其轉(zhuǎn)換靈敏度比較高。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活。但是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動能力較差、速度較低、對于方案要求相差較大，而且力矩小，容易步丟失[1]。方案二：采用減速電機(jī)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩較大，驅(qū)動能力較強(qiáng)， 但是減速電機(jī)的速度也較低，不能很好的滿足要求方案三：采用大功率達(dá)林頓管組成的H型方向控制的電機(jī)驅(qū)動普通的直流電機(jī)。H型電機(jī)驅(qū)動電路具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)向控制，電子開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也很強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求。 由于普通直流電機(jī)價(jià)格適宜，更易于購買，并且電路相對簡單，因此采用方案三[2]。 尋跡檢測電路方案的選擇與論證本設(shè)計(jì)要求在整個行駛過程中，電動車始終在蹺蹺板上，為了防止小車在行使過程中掉下蹺蹺板，因此在蹺蹺板上畫出黑色直線軌道?？紤]到軌道是在白紙上打印的一條黑線，可以利用傳感器辨認(rèn)路面黑白兩種不同的狀態(tài)。對傳感器的選擇有以下方案。方案一：用光電傳感器。光電傳感器對黑色和白色的反射系數(shù)不同，由此判斷傳感器是否在黑線上行駛。但是，由于其他光源影響，需采用聚焦式光電傳感器。方案二：用反射式紅外傳感器。紅外線比可見光的波長要長，散射度小，可以降低環(huán)境對光源接收管的干擾，但由于直接利用直流電源對管子供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍易受到干擾?；诳煽啃院统杀镜目紤]，我們選擇方案一[3]。 平衡檢測電路方案的選擇與論證方案一：采用集成芯片SCA61T傾角傳感器。該角度傳感器是一個單軸傾角傳感器，測量范圍在+30度到－30度之間，符合蹺蹺板角度范圍，該傳感器可以輸出模擬量和SPI數(shù)字量，易于單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，穩(wěn)定性高，抗沖擊能力強(qiáng)，價(jià)格合理，與單片機(jī)接口電路簡單易懂，容易實(shí)現(xiàn)[4]。方案二：采用旋轉(zhuǎn)編碼器。將編碼器固定在蹺蹺板旋轉(zhuǎn)的軸上，當(dāng)蹺蹺板轉(zhuǎn)動時，連帶著編碼器旋轉(zhuǎn)某個角度，根據(jù)編碼器旋轉(zhuǎn)一周（即360度）編碼器輸出脈沖數(shù)目與檢測到的數(shù)目比較可以得到板面與地面之間的角度，根據(jù)轉(zhuǎn)動方向不同，編碼器輸出A與輸出B比較，當(dāng)B的相位超前于A的相位90度代表蹺蹺板正向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)A的相位超前于B的相位90度代表蹺蹺板反向旋轉(zhuǎn)，這樣根據(jù)編碼器輸出不同就能得到蹺蹺板的角度與方向，可以根據(jù)此來控制單片機(jī)發(fā)出不同的指令控制小車狀態(tài)，但此方案加大了系統(tǒng)的復(fù)雜性[5]。方案三：采用電位器。電位器可以安裝在蹺蹺板上，蹺蹺板旋轉(zhuǎn)就可以帶動電位器軸旋轉(zhuǎn)，因此電位器阻值發(fā)生變化，利用一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，將變化的模擬量經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到不同的數(shù)字量，再根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算后發(fā)出命令控制小車的運(yùn)行狀態(tài)。此方案元器件較為普遍，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是電位器阻值變化快，不易采值。綜合上述分析，我們采用方案一。 平衡標(biāo)志方案的選擇與論證方案一：采用蜂鳴器和發(fā)光二極管相結(jié)合。當(dāng)蹺蹺板平衡時，利用蜂鳴器發(fā)出聲音和發(fā)光二極管發(fā)亮示意平衡，此電路直觀簡單易懂。方案二：利用角度儀。當(dāng)蹺蹺板平衡時，角度儀的指針剛好指向中間，但是，如在旁邊不仔細(xì)觀察，不能發(fā)現(xiàn)角度儀的作用?；谏鲜龇治觯覀儾捎梅桨敢?。 顯示時間電路方案的選擇與論證方案一：采用LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示的方法。此方法容易理解，驅(qū)動程序簡單，但需要多片數(shù)碼管驅(qū)動顯示，增加成本，而且占用單片機(jī)多個I/O口，浪費(fèi)系統(tǒng)硬件資源。方案二：采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示的方法。此方法需要7個I/O口可以驅(qū)動8個數(shù)碼管顯示，驅(qū)動程序也很簡單而且容易理解，但是硬件電路也比較繁瑣，由于小車的容納空間有限，不易采用[6]。方案三：采用LCD液晶顯示。采用1602A液晶顯示器，占用單片機(jī)10個I/O口，浪費(fèi)系統(tǒng)硬件資源，但其美觀大方，使整個系統(tǒng)看起來更加漂亮。綜合各方案的特點(diǎn)，我們選擇方案三。 電源方案的選擇與論證方案一：采用單電源供電。在測試過程當(dāng)中，我們采用的是直流穩(wěn)壓電源提供的5V電壓，可以使小車能正常完成各項(xiàng)功能。方案二：采用雙電源供電。利用雙電源供電會增加單片機(jī)工作的可靠性；但它增加小車系統(tǒng)的電路連線，可能會造成電線過多而產(chǎn)生錯誤的問題，而且也增加了電路的復(fù)雜性[7]?；谏鲜龇治?，我們采用了方案一。 系統(tǒng)電路組成及原理本系統(tǒng)電路主要由六大模塊組成，微機(jī)主控制模塊、尋跡檢測模塊、平衡檢測模塊、顯示模塊、蜂鳴器模塊和直流電機(jī)驅(qū)動控制模塊等六大模塊組成。見圖21。其工作原理是通過AT89C52來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動，再由電機(jī)驅(qū)動小車行駛，小車在行駛過程中通過光電傳感器檢測黑線使小車直線前進(jìn)。小車到達(dá)平衡位置時蜂鳴器有5秒的鳴響，同時指示燈亮，小車到終點(diǎn)時只有指示燈亮。在行駛過程中，由LCD液晶實(shí)時顯示小車行駛的時間。AT89C52單片機(jī)平衡檢測時間顯示電機(jī)驅(qū)動、車向控制蜂鳴器引導(dǎo)線檢測圖21 設(shè)計(jì)原理框圖第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)介紹圖31 AT89C52引腳圖目前，CPU 的發(fā)展應(yīng)用趨于多樣化，主要可分為 8 位機(jī)和 16 位機(jī)兩種，8 位單片機(jī)的應(yīng)用占主流，根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能要求，選用了一種低功耗、低價(jià)格、高性能的 CMOS8 位微處理器－AT89C52，芯片內(nèi)部具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，芯片采用51系列指令集并與51系列單片機(jī)引腳完全兼容[8]。其引腳圖見圖31。AT89C52單片機(jī)的各引腳功能如下：(1)VCC : 電源(2)GND: 地(3)P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時，需要外部上拉電阻。(4)P1口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 (5)P2口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @Ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在Flash編程和校驗(yàn)時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。(6)P3口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。P3口亦作為AT89C52特殊功能（第二功能）使用，見表31。 (7)REST：復(fù)位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2 個機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。看門狗計(jì)時完成后，REST 腳輸出96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。表31 P3口引腳替換功能表P3口引腳第二功能RXD（串行口輸入）TXD（串行口輸出）（外部中斷0輸入）（外部中斷1輸入） T0（定時器0外部脈沖輸入） T1（定時器1外部脈沖輸入） 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） (8)ALE/：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在Fl