【正文】 數(shù)理與信息工程學(xué)院《單片機(jī)原理及應(yīng)用》期末課程設(shè)計(jì)——基于單片機(jī)的智能玩具電動(dòng)車 數(shù)理與信息工程學(xué)院《單片機(jī)原理及應(yīng)用》期末課程設(shè)計(jì) 題 目： 基于單片機(jī)的智能玩具電動(dòng)車 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（專升本） 班 級(jí)： 計(jì)算機(jī)071班 姓 名： 朱 婉 雪 學(xué) 號(hào)： 07191108 指導(dǎo)老師： 余 水 寶 成 績(jī)： ( )目 錄 第1節(jié) 引 言……………………………………………………………………………2 智能玩具電動(dòng)車概述…………………………………………………………2第2節(jié) 方案設(shè)計(jì)與論證………………………………………………………………3 直流調(diào)速系統(tǒng)…………………………………………………………………3 檢測(cè)系統(tǒng)………………………………………………………………………4 顯示電路………………………………………………………………………9 系統(tǒng)原理圖……………………………………………………………………9第3節(jié) 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)……………………………………………………………10 80C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)………………………………………………………10 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………11 前向通道設(shè)計(jì)…………………………………………………………………12 后向通道設(shè)計(jì)…………………………………………………………………15 顯示電路設(shè)計(jì)…………………………………………………………………17第4節(jié) 軟件設(shè)計(jì)………………………………………………………………………21 主程序設(shè)計(jì)……………………………………………………………………21 顯示子程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………25 避障子程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………26 軟件抗干擾技術(shù)………………………………………………………………27 “看門狗”技術(shù)………………………………………………………………29 可編程邏輯器件………………………………………………………………30第5節(jié) 測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試結(jié)果分析總結(jié)…………………………………………………32第6節(jié) 結(jié)束語(yǔ)…………………………………………………………………………33參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………34附錄A 程序清單…………………………………………………………………………35附錄B 硬件原理圖………………………………………………………………………43基于單片機(jī)的智能玩具電動(dòng)車數(shù)理與信息工程學(xué)院 07計(jì)算機(jī)專升本 朱婉雪指導(dǎo)教師：余水寶 第1節(jié) 引 言 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來(lái)越受人關(guān)注。全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的。本設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車。根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器及金屬探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。本設(shè)計(jì)采用MCS51系列中的80C51單片機(jī)。以80C51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡和尋光功能。80C51是一款八位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。它是第三代單片機(jī)的代表。 本設(shè)計(jì)就采用了比較先進(jìn)的80C51為控制核心，80C51采用CHOMS工藝，功耗很低。該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)。 智能玩具電動(dòng)車概述 本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為目的，采用80C51單片機(jī)為控制核心，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡和尋光功能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。 采用的技術(shù)主要有：⑴、通過編程來(lái)控制小車的速度；⑵、傳感器的有效應(yīng)用；⑶、新型顯示芯片的采用。 第2節(jié) 方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。方案二：靜止可控整流器。簡(jiǎn)稱VM系統(tǒng)。方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以GM系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。且技術(shù)落后，因此擱置不用。VM系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。VM系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速。與VM系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右。由于電流波形比VM系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。（2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。（3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了H型單極型可逆PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的前行與倒車，本設(shè)計(jì)采用了可逆PWM變換器。可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。 檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)，即利用各種傳感器對(duì)電動(dòng)車的避障、位置、行車狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。1．行車起始、終點(diǎn)及光線檢測(cè)：本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測(cè)路面的起始、終點(diǎn)（2cm寬的黑線），玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開始和終點(diǎn)的停車的需要。利用超聲波傳感器檢測(cè)障礙。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線，當(dāng)感受到光線照射時(shí)，其ce間的阻值下降，檢測(cè)電路輸出高電平，經(jīng)LM393電壓比較器和74LS14施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)控制。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管，分別放置在電動(dòng)車車頭的左、右兩個(gè)方向，用來(lái)控制電動(dòng)車的行走方向，當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右兩側(cè)光電管都受到光照時(shí)，單片機(jī)控制直行。(見圖21 電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路(a))。行車方向檢測(cè)電路（見圖22 電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路(b)）采用反射接收原理配置了一對(duì)紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來(lái)的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號(hào)；電動(dòng)車經(jīng)過黑線時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號(hào)后送80C51單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來(lái)控制玩具車的行駛狀態(tài)。前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn),進(jìn)入減速區(qū)時(shí),由單片機(jī)控制進(jìn)行PWM變頻調(diào)速,通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設(shè)置有兩組開關(guān)，一組常閉，另一組常開。圖21 電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路(a)圖22 電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路(b)電橋一端接電源，另一端接了一個(gè)三極管。三極管導(dǎo)通時(shí)，電橋通過三極管接地，電機(jī)電樞中有電流通過；三極管截止時(shí)，電橋浮空，電機(jī)電樞中沒有電流通過。系統(tǒng)通過電橋的輸出端為轉(zhuǎn)向電機(jī)供電。通過對(duì)繼電器開閉的控制即可控制電機(jī)的開斷和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車前行與倒車的目的，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏功能。（如圖23 前行與倒車控制電路）所示。圖23前行與倒車控制電路檢測(cè)放大器方案：方案一：使用普通單級(jí)比例放大電路。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、價(jià)格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差動(dòng)放大電路。選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路，雖然可以達(dá)到一定的精度，但有時(shí)仍不能滿足某些特殊要求。例如，在測(cè)量本設(shè)計(jì)中的光電檢測(cè)信號(hào)時(shí)需要把檢測(cè)過來(lái)的電平信號(hào)放大并濾除干擾，而且要求對(duì)共模干擾信號(hào)具有相當(dāng)強(qiáng)的抑制能力。這種情況下須采用差動(dòng)放大電路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。但在實(shí)際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運(yùn)算放大器輸出飽和；為獲得單片機(jī)能識(shí)別的TTL電平卻又無(wú)法抑制共模干擾。方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功能是比較兩個(gè)電壓的大小，例如將一個(gè)信號(hào)電壓Ui和一個(gè)參考電壓Ur進(jìn)行比較，在UiUr和UiUr兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個(gè)不同的電平，即高電平和低電平。而Ui變化經(jīng)過Ur時(shí)，比較器的輸出將從一個(gè)電壓跳變到另一個(gè)電平。比較器有各種不同的類型。對(duì)它的要求是：鑒別要準(zhǔn)確，反應(yīng)要靈敏，動(dòng)作要迅速，抗干擾能力要強(qiáng)，還應(yīng)有一定的保護(hù)措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。比較器的特點(diǎn)：⑴ 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。放大、運(yùn)算電路為了實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿足一定的精度要求，這些電路中的運(yùn)放均引入了深度負(fù)反饋；而為了提高比較器的反應(yīng)速度和靈敏度，它所采用的運(yùn)放不但沒有引入負(fù)反饋，有時(shí)甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運(yùn)算電路是不同的。⑵ 非線性。由于比較器中運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個(gè)輸入端之間的電位差與開環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過最大輸出電壓，使其內(nèi)部某些管子進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關(guān)系，即在放大、運(yùn)算等電路中常用的計(jì)算方法對(duì)于比較器不再適用。⑶ 開關(guān)特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當(dāng)與一個(gè)受輸入信號(hào)控制的開關(guān)，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過閾值時(shí)開關(guān)動(dòng)作，使輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平。由于比較器的輸入信號(hào)是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的過渡電路。由于比較器的上述特點(diǎn)，在分析時(shí)既不能象對(duì)待放大電路那樣去計(jì)算放大倍數(shù)，也不能象分析運(yùn)算電路那樣去求解輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系，而應(yīng)當(dāng)著重抓住比較器的輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平的臨界條件所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值（閾值）來(lái)分析輸入量與輸出量之間的關(guān)系。如果在比較器的輸入端加理想階躍信號(hào)，那么在理想情況下比較器的輸出也應(yīng)當(dāng)是理想的階躍電