【正文】 數(shù)理與信息工程學院 07計算機專升本 朱婉雪指導教師：余水寶 第1節(jié) 引 言 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。本設計就是在這樣的背景下提出的。本設計采用MCS51系列中的80C51單片機。 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。 智能玩具電動車概述 本系統(tǒng)以設計題目的要求為目的，采用80C51單片機為控制核心，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。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。方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。且技術落后，因此擱置不用。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。（2）同樣由于開關頻率高，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。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。 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。本系統(tǒng)共設計兩個光電三極管，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，當左側光電管受到光照時，單片機控制轉(zhuǎn)向電機向左轉(zhuǎn)；當右側光電管受到光照時，單片機控制轉(zhuǎn)向電機向右轉(zhuǎn)；當左、右兩側光電管都受到光照時，單片機控制直行。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。最后經(jīng)反接制動實現(xiàn)停車。三極管導通時，電橋通過三極管接地，電機電樞中有電流通過；三極管截止時，電橋浮空，電機電樞中沒有電流通過。圖23前行與倒車控制電路檢測放大器方案：方案一：使用普通單級比例放大電路。方案二：采用差動放大電路。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；為獲得單片機能識別的TTL電平卻又無法抑制共模干擾。比較器有各種不同的類型。因此比較器的性能分析方法與放大、運算電路是不同的。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)，因此它相當與一個受輸入信號控制的開關，當輸入電壓經(jīng)過閾值時開關動作，使輸出從一個電平跳變到另一個電平。但實際集成運放的最大轉(zhuǎn)換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號。(2) 選用集成電壓比較器。簡單電壓比較器結構簡單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說如果輸入信號因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會反復的從一個電平跳到另一個電平。滯回比較器有兩個數(shù)值不同的閾值，當輸入信號因受干擾或其他原因發(fā)生變化時，只要變化量不超過兩個閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會來回變化。綜合考慮系統(tǒng)的各項性能，最后決定采用數(shù)字器件——施密特觸發(fā)器。具體電路如（圖25 行車距離檢測電路）所示：圖25 行車距離檢測電路紅外測距儀由測距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動時，缺口進入凹槽時，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。本設計中用兩片4位八段數(shù)碼管gem4561ae作顯示器,并具有雙重功能,在小車不行駛時其中一片顯示年﹑月,另一片顯示時﹑分； 當小車行駛時,分別顯示時間和行駛距離。圖26 系統(tǒng)原理圖第3節(jié) 系統(tǒng)主要硬件設計一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時/記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O計相應的電路。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。3 程序存儲器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k字節(jié)?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。由上可見，80C51單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。80C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。(2) 內(nèi)部存儲器容量有限。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。所以本設計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65pF。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF,R取1KΩ。其中電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。因此，前向通道設計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關。作為測試系統(tǒng)，對被測對象選取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。同時使這些測量信號能滿足計算機輸入接口的電平要求。最簡單的開關量輸入通道就是一個具有TTL電平的狀態(tài)開關，如水銀溫度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關等。2﹑前向通道的設計（1）傳感器的比較識別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對幾種傳感器的優(yōu)缺點進行說明（見表31）。不過在ITS系統(tǒng)中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。 點缺測量范圍小，對天氣變化敏感。其優(yōu)點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標進行分類。近十年來隨著尺寸及價格的降低，在汽車行業(yè)開始被使用。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應用。本設計采用T/R4012小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，其中心頻率為40Hz，由80C51發(fā)出的40KHz脈沖信號驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，如電動車前方遇到有障礙物時，此超聲波信號被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng)LM318兩級放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼，當LM567的輸入信號大于25mV時，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，?0C51單片機處理。根據(jù)單片機的輸出和控制對象實現(xiàn)控制信號的要求，后向通道具有以下特點：⑴、小信號輸出、大功率控制。⑶、接近控制對象，環(huán)境惡劣。單片機在完成控制處理后，總是以數(shù)字信號通過I/O口或數(shù)據(jù)總線送給控制對象。⑵、干擾防治。對于二進制輸出的數(shù)字量采用D/A變換器；對于頻率量輸出則可以采用本設計調(diào)速采用PWM調(diào)速：為順利實現(xiàn)電動小汽車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，本設計采用了可逆PWM變換器。4個電力晶體管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。運算放大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點輸入信號就可使其輸出電壓達到飽和值，當輸入電壓極性改變時，輸出電壓就在正、負飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉(zhuǎn)換作用。由于晶體管的關斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間,總稱關斷時間,在這段時間內(nèi)晶體管并未完全關斷。為保證電源工作可靠，單片機系統(tǒng)與動力伺服系統(tǒng)的電源采用了大功率、大容量的蓄電池；而傳感器的工作電源則采用了小巧輕便的干電池。管腳a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp分別接680歐電阻后與四位八段數(shù)碼管5461中的a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp相連，分別控制各段碼和小數(shù)點。圖36 EM78P458集成顯示電路43表32真值表D3D2D1D0顯示000000001100102001130100401015011060111710008100191010清小數(shù)點1011加小數(shù)點1100a1選通1101a2選通1110a3選通1111a4選通第4節(jié) 軟件設計一、系統(tǒng)軟件設計說明：在進行微機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設計應用程序。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標度變換等。二、模塊程序設計法的主要優(yōu)點是：單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調(diào)試；模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務在不同條件下調(diào)用；模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序，為設計者提供方便。秒位 fenmi equ 32h 。分位 point equ 36h 。速度控制 jishk equ 3ah 。數(shù)字濾波技術：一般單片機應用系統(tǒng)的模擬輸入信號中，均含有種種噪音和干擾，它們來自被測量本身、傳感器、外界干擾等。對于隨機干擾，我們可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或濾除。⑵、數(shù)字濾波可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便，功能強的特點。若多次采樣后，信號總是變化不定，可停止采集，給出報警信號，由于開關量信號主要是來自各類開關型狀態(tài)傳感器，如限位開關、操作按鈕、電氣觸點等，對這些信號的采集不能用多次平均的方法，必須絕對一致才行。前者有良好的抗‘毛刺’干擾能力，后者不耐干擾，當鎖存線上出現(xiàn)干擾時，它就會盲目鎖存當前的數(shù)據(jù)，也不管此時數(shù)據(jù)是否有效。在軟件上，最為有效的方法就是重復輸出同一個數(shù)據(jù)。指令冗余技術：當CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。因此，我們應多采用單字節(jié)指令（NOP)或?qū)巫止?jié)指令重復書寫，這便是指令冗余。指令冗余技術可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快進入程序軌道，但這并不能保證在失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了，解決這個問題必須采用軟件容錯技術。如果我們把這段程序的入口標號記為 ERR 的話，軟件陷阱即為一條無條件轉(zhuǎn)移指令，為了加強其捕捉效果，一般還在它前面加兩條 NOP 指令，因此真正的軟件陷阱由3條指令構成： NOPNOP ERR軟件陷阱安排在以下四種地方： ⑴、未使用的中斷向量區(qū)。如果操作者在場，就可以按下人工復位安鈕，強制系統(tǒng)復位?！翱撮T狗”技術可由硬件實現(xiàn)，可由軟件實現(xiàn)，也可由兩者結合實現(xiàn)。(1)基本原理CD4060 是帶振蕩器的14位計數(shù)器，由該芯片構成的看門狗電路（如圖42看門狗電路圖）所示。(2)參數(shù)選擇4060的振蕩頻率f由 RT 、CT決定。4060的振蕩頻率和Qi(i=6,7,8,9,10,12,13,14)的選擇要根據(jù)情況確定。圖42看門狗電路圖CPU必須在正確完成所有工作后才能發(fā)掃描輸入信號，且程序中發(fā)掃描信號的地方不能太多。它采用更為靈活的可編I/O結構，并采用了先進的E2COMS工藝，數(shù)秒內(nèi)即可完成芯片的擦除和編程過程，并可反復改寫，是產(chǎn)品開發(fā)研制的理想器件之一。第5節(jié) 測試數(shù)據(jù)、測試結果分析總結一、測試方法與儀器：測試儀器 測試儀器包括秒表、數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器、示波器、MCS51仿真機、直流穩(wěn)壓電源等。⑵ 測距精度分析 測速系統(tǒng)采用了電機軸光電碼盤檢測技術。還可以采用其它系列的單片機。這次課程設計是對過去所學知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎。參 考 文 獻[1]《傳感器及其應用電路》，何希才主編，電子工業(yè)出版社，2001年 [2]《單片機原理及其接口技術》，胡漢才主編，清華大學出版社，1996年 [3]《單片機編程與應用入門》，楊西明主編，機械工業(yè)出版社，2005年[4]《單片機原理與應用技術》，張友德主編，機械工業(yè)出版社，2004年[5]《MCS51 單片機應用教程》，譚浩強主編，清華大學出版社，2000年 [6]《電路原理與電路板設計教程 Protel 99SE》，夏路易 石宗義主編，希望電子出版社，2004年 [7]《電路分析》，劉志名主編，西安電子科技大學出版社[8]《電路仿真與實驗》，王麗敏主編，哈爾濱工程大學出版社，2000年 [9]《單片機原理與應用》，萬文略主編，重慶大學出版社，2004年附錄A 程序清單 limiw equ 30h 。分秒位 meter equ 34h 。十米位 shifn equ 38