【文章內(nèi)容簡介】 為 4 個并行 8位 I/O 口。 10 8 特殊功能寄存器 共有 21個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 由上可見， 80C51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點。特別值得一提的是該單片機(jī) CPU 中的位處理器，它實際上是一個完整的 1 位微計算機(jī)，這個一位微計算機(jī)有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 1 位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長處。 MCS51 單片機(jī)中 8 位機(jī)和 1 位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機(jī)技術(shù)上的一個突破，這也是 MCS51 單片機(jī)在設(shè)計的精美之處。 二 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 80C51 是片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用 80C51 單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖 80C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點： (1) 有可供用戶使用的大量 I/O 口線。 (2) 內(nèi)部存儲器容量有限。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具 有特殊性。 圖 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng) 時鐘電路 80C51 雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。 80C51 單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。 本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2 引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在 到 12MHZ 之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度 11 有 少許影響， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值，但在 60pF 到 70pF 時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計中，振蕩晶體選擇 6MHZ,電容選擇 65pF。 在設(shè)計印刷電路板時，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用 NPO 電容。 復(fù)位電路 80C51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)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(jī)器周期的 S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所 需要的信號。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。時鐘頻率用 6MHZ時 C取 22uF,R 取 1KΩ。 除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源Vcc 接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖 。時鐘頻率選用 6MHZ 時， C 取 22uF,Rs取 200Ω， RK取 1KΩ。 圖 80C51復(fù)位電路 三 前向通道設(shè)計 單片機(jī)用與測控系統(tǒng)時，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道。因此，前向通道設(shè)計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在前向通道設(shè)計時要考慮到傳感 12 器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計等。在通道電路設(shè)計中還涉及到模擬電路諸多問題。 1﹑前向通道的含義 當(dāng)將單片機(jī)用作測﹑控系統(tǒng)時，系統(tǒng)中總要有被測信號輸入通道，有計算機(jī)拾取必要的輸入信息。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務(wù)，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)。 對被測對象狀態(tài)的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因為被測對象的狀態(tài)參數(shù)常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計算機(jī)是一個數(shù)字電路系統(tǒng)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有重要地位。 對被測對象的信號的拾取其主要任務(wù)就是最忠實地反映被測對象的真實狀態(tài)，它包括實時性與測量精度。同時使這些測量信號能滿足計算機(jī)輸入接口的電平要求。 因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號輸入通道，原始參數(shù)輸入通道。由于在該通道中主要是傳感 器與傳感器有關(guān)的信號調(diào)節(jié)、變換電路 ,故也可稱為傳感器接口通道。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對信號輸入、傳感、變換應(yīng)作廣義理解，例如開關(guān)量的檢測及信號輸入，在單片機(jī)的各種應(yīng)用系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。最簡單的開關(guān)量輸入通道就是一個具有 TTL 電平的狀態(tài)開關(guān)，如水銀溫度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關(guān)等。故只要反映外界狀態(tài)的信號輸入通道都可稱為前向通道。 并不是所有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都有前向通道，例如時序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時間序列來控制外部的運(yùn)行狀態(tài)；分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計算機(jī)與現(xiàn)場測、控子站 計算機(jī)之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。這些應(yīng)用系統(tǒng)沒有被測對象，故不需要前向通道。 2﹑前向通道的設(shè)計 （ 1）傳感器的比較 [3] 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(jìn)行說明（見表 ）。探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。該方法被廣泛應(yīng)用于移動機(jī)器人的研究上。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用，且在 10m 以內(nèi)能給出精確的測量。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。首先因其只能在 10m 以內(nèi)有效使用，所以并不適合 ITS 系 統(tǒng)。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達(dá) 100m遠(yuǎn)，但其更新頻率為 2Hz，而且還有可能在傳輸中受到它信號的干擾，所以在 CW/ICC系統(tǒng)中使用是不實際的。 表 傳感器性能比較 13 傳感器類型 優(yōu) 點 缺 點 超聲波 視覺 激光雷達(dá) MMW 雷達(dá) 價格合理，夜間不受影響。 易于多目標(biāo)測量和分類，分辨率好。 價格相合理，夜間不受影響 不受燈光、天氣影響。 測量范圍小，對天氣變化敏感。 不能直接測量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。 對水、灰塵、燈光敏感。 價格貴 視覺傳感器在 CW 系統(tǒng)中使用得非常廣 泛。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(biāo)，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標(biāo)進(jìn)行分類。但是算法復(fù)雜，處理速度慢。雷達(dá)傳感器在軍事和航空領(lǐng)域已經(jīng)使用了幾十年。主要優(yōu)點是可以魯棒地探測到障礙而不受天氣或燈光條件限制。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。但是仍存在性價比的問題 。 （ 2）超聲波障礙檢測 [4] 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過 20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象， 且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)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(yīng)用。 作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報警器、接近開關(guān)、測距及材料探傷、測厚等。 本設(shè)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(dāng) LM567 的輸入信號大于 25mV 時，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，?80C51 單片機(jī)處理。超聲波檢測如圖 超聲波檢測電路所示。 14 圖 超聲波檢測電路 四 后向通道設(shè)計 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)總要對控制對象實現(xiàn)操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，總要有后向通道。后向通道是 計算機(jī)實現(xiàn)控制運(yùn)算處理后，對控制對象的輸出通道接口。 根據(jù)單片機(jī)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： （ 1） 小信號輸出、大功率控制。根據(jù)目前單片機(jī)輸出功率的限制，不能輸出控制對象所要求的功率信號。 （ 2） 是一個輸出通道。輸出伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制信號，而伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋信號通常是作為檢測信號輸入前向通道。 （ 3） 接近控制對象，環(huán)境惡劣?？刂茖ο蠖酁榇蠊β仕欧?qū)動機(jī)構(gòu)，電磁、機(jī)械干擾較為嚴(yán)重。但后向通道是一個輸出通道，而且輸出電平較高，不易受到直接損害。但這些干擾易從系統(tǒng)的前向通 道竄入。 單片機(jī)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。這些數(shù)字信號形態(tài)主要有開關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量，可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)，但對于一些模擬量控制系統(tǒng)，則應(yīng)通過數(shù)／模轉(zhuǎn)換成模擬量控制信號。 根據(jù)單片機(jī)輸出信號形態(tài)及控制對象要求，后向通道應(yīng)解決： （ 1） 功率驅(qū)動。將單片機(jī)輸出信號進(jìn)行功率放大，以滿足伺服驅(qū)動的功率要求。 （ 2） 干擾防治。主要防治伺服驅(qū)動系統(tǒng)通過信號通道﹑電源以及空間電磁場對計算機(jī)系統(tǒng)的干擾。通常采用信號隔離﹑電源隔離和對功率開關(guān)實現(xiàn)過零切換等方法進(jìn)行 干擾防治。 （ 3） 數(shù) /模轉(zhuǎn)換。對于二進(jìn)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(shè)計調(diào)速采用 PWM 調(diào)速 [5]： 為順利實現(xiàn)電動小汽車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，本設(shè)計采用了可逆 PWM 變換器。可逆 PWM 15 變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H型、 T型等類型。我們在設(shè)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。圖 為雙極式 H 型可逆 PWM 變換器的電路原理圖。 4 個電力晶體管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。 VT1 和 VT4 同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動電路中 Ub1=Ub4； VT2 和 VT3同時動作，其驅(qū) 動電壓 Ub2=Ub3= Ub1。 雙極式 PWM 變換器的優(yōu)點如下： （ 1）電流一定連續(xù)； （ 2）可使電動機(jī)在四象限中運(yùn)行； （ 3）電機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （ 4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通； （ 5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá) 20200 左右。 脈寬調(diào)制原理： 脈寬調(diào)制器本身是一個由運(yùn)算放大器和幾個輸入信號組成的電壓比較器。運(yùn)算放 圖 雙極式 H型可逆 PWM 變換器電路原理圖 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(dá)到飽和值，當(dāng)輸入電壓 極性改變時，輸出電壓就在正、負(fù)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。加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個輸入信號。一個輸入信號是鋸齒波調(diào)制信號，另一個是控制電壓，其極性大小可隨時改變，與鋸齒波調(diào)制信號相減，從而在運(yùn)算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調(diào)制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性 ,也就改變了 PWM 變換器輸出平均電壓的極性 ,因而改變了電動q48050q28050q18550q38550r110kr210kr4r3M1 2A74 L S 061 2A74 L S 0612A74 L S 0612A74 L S 061K1KV C C D1 D3D2 D410K10K 16 機(jī)的轉(zhuǎn)向 .改變控制電壓的大小 ,則調(diào)節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度 ,從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 .只要鋸齒波的線性度足夠好 ,輸出脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正 比的 . 邏輯延時環(huán)節(jié)： 在可逆 PWM 變換器中 ,跨接在電源兩端的上下兩個晶體管經(jīng)常交替工作 .由于晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間 ,總稱關(guān)斷時間 ,在這段時間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷 .如果在此期間另一個晶體管已經(jīng)導(dǎo)通 ,則將造成上下兩管之通 ,從而使電源正負(fù)極短路 .為避免發(fā)生這種情況 ,設(shè)置了由 RC 電路構(gòu)成的延時環(huán)節(jié) . 電源的設(shè)計 本設(shè)計的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，單片機(jī)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 。 五 顯示電路設(shè)計 本 設(shè)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(dāng)小車行駛時 ,分別顯示時間和行駛距離原理圖如圖 1. 本設(shè)計中采用新型芯片 EM78P458 作為顯示驅(qū)動器 ,它的管腳如圖 EM78P458管腳介紹所示 ,用單片機(jī)的并行口控制 ,一個數(shù)碼顯示電路用 4 個口線 ,用專用驅(qū)動芯片控制可以減少對 CPU 的利用時