【正文】 基于 AT89S52 單片機的循跡小車的系統(tǒng)設計 摘要 本設計是以單片機 AT89S52 為核心部件的小車循跡控制利用電機驅(qū)動芯片L298 來接控制小車內(nèi)部前后兩個電機的速度與轉(zhuǎn)向 紅外一體傳感器 RPR220 安裝于小車地盤采集路面信號然后經(jīng)處理過后給單片機進行處理 鼠標機械滾輪安裝于小車后輪通軸上用來測小車的行駛速度和路程方便于控制小車速度 本設計用到擴展芯片 74hc164 用以 IO 口的擴展后面外接兩片帶有所存功能的驅(qū)動芯片 74hc573 用來驅(qū)動數(shù)碼管和 12864 液晶 模塊 本設計采用 C語言編程而非匯編語言主要因為 C語言具有很強的可讀性和可移植性便于改進和擴充在軟件的開發(fā)中可大大縮短開發(fā)周期使用 C 語言進行單片機程序設計也是單片機開發(fā)與應用的必然趨勢 關(guān)鍵詞單片機電機驅(qū)動紅外 RPR220 采集信號 Abstract The design is based on the core ponents of MCU AT89S52 car tracking control the use of motor driver chipL298 to take control of car before and after the two motors inside the speed and steering Infrared body sensor installed in the car site collection RPR220 road signals and then treated after a givenMicrocontroller for processing Mouse machinery installed in the car rear wheel pass axis is used to measure speed and distance car ride to facilitate the to control car speed The design used for the expansion of 74hc164 chip I O port expansion followed by an external two stored functions with the driver chip 74hc573 used to drive the digital control and LCD Module 12864 This design uses a C instead of assembly language programming language mainly due to the C language has a very strong readability and portability easy to improve and expand in the software development can be greatly shorten the development cycle using the C language for microcontroller programming SCM is also an inevitable trend of development and application Keywords MCU Motor drivesInfrared RPR220 acquisition signals 目錄 1 前言 1 2 方案設計與論證 3 21 直流調(diào)速系統(tǒng) 3 22 檢測系統(tǒng) 4 221 行車起始終點及光線檢測 4 222 檢測放大器方案 5 223 行車距離檢測 8 23 顯示電路 9 24 系統(tǒng)原理圖 9 3 硬件設計 10 31 80C51 單片機硬件結(jié)構(gòu) 10 32 最小應用系統(tǒng)設計 11 321 時鐘電路 12 322 復位電路 12 33 前向通道設計 13 34 后向通道設計 15 35 顯示電路設計 19 4 軟件設計 21 41 主程序設計 21 42 顯示子程序設計 23 43 紅外掃描子程 序設計 25 44 軟件抗干擾技術(shù) 30 45 看門狗技術(shù) 33 46 可編程邏輯器件 33 5 測試數(shù)據(jù)測試結(jié)果分析及結(jié)論 35 參考文獻 36 附錄 37 致謝 48 1 前言 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越受人關(guān)注全國電子大賽和省內(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計就是在這樣的背景下提出的指導教師已經(jīng)有充分的準備本題目是結(jié)合科研項目而確定的設計類課題設計的智能電動小車應該能夠?qū)崟r顯示時間速度里程具有自動尋跡尋光避障功能可程 控行駛速度準確定位停車 根據(jù)題目的要求確定如下方案在現(xiàn)有玩具電動車改裝的基礎上加裝光電紅外線超聲波傳感器及金屬探測器實現(xiàn)對電動車的速度位置運行狀況的實時測量并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制 這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制控制靈活可靠精度高可滿足對系統(tǒng)的各項要求本設計采用 MCS51 系列中的 80s52 單片機以 80s52 為控制核心利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙控制電動小汽車的自動避障快慢速行駛以及自動停車并可以自動記錄時間里程和速度自動尋跡和 尋光功能 80s52是一款八位單片機它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評它是第三代單片機的代表 第三代單片機包括了 Intel公司發(fā)展 MCS51系列的新一代產(chǎn)品如 8ｘ C1580C51FAFB、 80C51GAGB、 8ｘ C45 8ｘ C452 還包括了 Philips、 Siemens、 ADM、Fujutsu、 OKI、 HarriaMetra、 ATMEL 等公司以 80C51 為核心推出的大量各具特色、與 80C51 兼容的單片機新一代的單片機的最主要的技術(shù)特點是向外部接口電路擴展以實現(xiàn) Microputer 完善的 控制功能為己任將一些外部接口功能單元如 AD、 PWM、 PCA 可編程計數(shù)器陣列 、 WDT 監(jiān)視定時器 、高速 IO 口、計數(shù)器的捕獲比較邏輯等這一代單片機中在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式 Philips 公司還為這一代單片機 80C51系列 8ｘ C592單片機引入了具有較強功能的設備間網(wǎng)絡系統(tǒng)總線 CAN Controller Area Network BUS 新一代單片機為外部提供了相當完善的總線結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎 本設計就采 用了比較先進的 80C51為控制核心 80C51采用 CHOMS工藝功耗很低該設計具有實際意義可以應用于考古機器人醫(yī)療器械等許多方面尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測所以本設計與實際相結(jié)合現(xiàn)實意義很強 2 方案設計與論證 根據(jù)題目的要求確定如下方案在現(xiàn)有玩具電動車改裝的基礎上加裝光電檢測器實現(xiàn)對電動車的速度位置運行狀況的實時測量并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制 這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制控制 靈活可靠精度高可滿足對系統(tǒng)的各項要求 21 直流調(diào)速系統(tǒng) 方案一串電阻調(diào)速系統(tǒng) 方案二靜止可控整流器簡稱 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)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉(zhuǎn)向都隨著改變所以GM 系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機還要一臺勵磁發(fā)電機設備多體積大費用高效率低維護不方便等缺點且技術(shù)落后因此擱置不 用 VM 系統(tǒng)是當今直流調(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現(xiàn)平滑調(diào)速 VM 系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦运辉试S電流反向給系統(tǒng)的可逆運行造成困難它的另一個缺點是運行條件要求高維護運行麻煩最后當系統(tǒng)處于低速運行時系統(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)當晶閘管被觸發(fā)導通時電源電壓加到電動機上當晶閘管關(guān)斷時直流電源與電動機斷開電動機經(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 簡稱 PWM 脈沖周期不變只改變晶閘管的導通時間即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速 與 VM 系統(tǒng)相比 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點 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很小的直流電流電樞電流容易連續(xù)系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)調(diào)速范圍較寬可達110000 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機的損耗和發(fā)熱都比較小 2 同樣由于開關(guān)頻率高若與快速響應的電機相配合系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶因此快速響應性能好動態(tài)抗擾能力強 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計中受控電機的容量和直流電機調(diào)速的發(fā)展方向本設計采用了 H 型單極型可逆 PWM 變換器進行調(diào)速 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器簡稱 PWM 變換器 脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)但是驅(qū)動能力有限為順利實現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車本設計采用了可逆 PWM變換器可逆 PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H型 T型等類型我們在設計中采用了常用的雙極式 H型變換器它是由 4 個三極電力晶體管和 4 個續(xù)流二極管組成的橋式電路 22 檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)主要實現(xiàn) 光電檢測即利用各種傳感器對電動車的避障位置行車狀態(tài)進行測量 221 行車起始終點及光線檢測 本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始終點 2cm 寬的黑線玩具車底盤上沿黑線放置一套以適應起始的記數(shù)開始和終點的停車的需要利用超聲波傳感器檢測障礙光線跟蹤采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線當感受到光線照射時其 ce 間的阻值下降檢測電路輸出高電平經(jīng) LM393 電壓比較器和74LS14 施密特觸發(fā)器整形后送單片機控制 本系統(tǒng)共設計兩個紅外一體分別放置在電動車車頭的左右兩個方向用來控制電動車的行走方向當左側(cè)光電管檢測到 黑線時單片機控制轉(zhuǎn)向電機向左轉(zhuǎn)當右側(cè)光電管檢測到黑線時單片機控制轉(zhuǎn)向電機向右轉(zhuǎn)當中間兩個光電管都檢測到黑線時單片機控制直行見圖 21 電動車的方向檢測電路 行車方向檢測電路采用反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射接收傳感器該電路包括一個紅外發(fā)光二極管一個紅外光敏三極管及其上拉電阻紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導通發(fā)出一個電平跳變信號 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電動車經(jīng)過黑 線時發(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后送 80C51 單片機處理判斷執(zhí)行哪一種預先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)前進時驅(qū)動輪直流電機正轉(zhuǎn)進入減速區(qū)時由單片機控制進行 PWM 變頻調(diào)速通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比實現(xiàn)調(diào)速最后經(jīng)反接制動實現(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置有兩組開關(guān)一組常閉另一組常開 圖 21 電動車的方向檢測電路 222 檢測放大器方案 方案一使用普通單級比例放大電路其特點是結(jié)構(gòu)簡單調(diào)試方便價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到一定的精度但有時仍不能滿足某些特殊要求例如在測量本設計中的光電檢測信號時需要把檢測過來的電平信號放大并濾除干擾而且要求對共模干擾信號具有相當強的抑制能力這種情況下須采用差動放大電路并應設法減小溫漂但在實際操作中往往滿足了高共模抑制比的要求卻使運算放大器輸出飽和為獲得單片機能