【文章內(nèi)容簡介】 信號，提取有效指令位并儲存起來。同時， MCU 根據(jù)采集到的指令使相應的 I/O 口執(zhí)行相應的電平輸出，從而達到 控制驅動模塊的目的。 STC12C5A60S2 單片機 本 設計采用的是 STC12C5A60S2 單片機 ，該單片機 是 由 宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期 (1T)的單片機 ， 是高速 、 低功耗 、 超強抗干擾的新一代 8051 單片機 ， 指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機， 但速度快 812 倍 。 STC12C5A60S2 單片機中包含中央處理器(CPU)、程序存儲器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)、定時 /計數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉換、 SPI 接口、 PCA 模塊 、看門狗及片內(nèi) R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路 等模塊， 幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱 得上一 個片上系統(tǒng)。由于其超強抗干擾的特性，在 電機控制 等 強 干擾場合 應用比較廣泛。 主要特點： （ 1） 增 強 型 8051CPU， 1T 單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； （ 2） 工作電壓： ～ ； （ 3） 工作頻率范圍： 0～ 35MHz，相當于普通 8051 單片機 的 0～ 420MHz； （ 4） 用戶應用程序空間 60K， 片上集成 1280 字節(jié) RAM； 有內(nèi)部 EEPROM 功能 ； （ 5） 通用 I/O 口（ 36/40/44 個），復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng)I/O 口）， 也 可 通過寄存器 設置成準雙向口 /弱上拉，強推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏 四種模式。 每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過 120mA； （ 6） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù) 秒 即可完成 ； （ 7） 內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路（外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K電阻到地） ； （ 8） 集成 外部掉電檢測電路 ， 在 口有一個低壓門檻比較器， 比較電壓 為，誤差為177。 5%； （ 9） 時鐘源：外部高精度晶體 /時 鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為177。 5%～177。 10%以內(nèi) )。河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 10 用戶在下載用戶程序時，可選擇使用內(nèi)部 R/C 振蕩器或者外部晶體 /時鐘 。 常溫下內(nèi)部R/C 振蕩器頻率為 11MHZ～ 17MHZ。 精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準 ； （ 10） 共 4個 16 位定時器 ， 兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器 ， 16 位定時器T0和 T1，沒有定時器 2， 但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器 ， 再加上 2路 PCA 模塊可再實現(xiàn) 2 個 16位定時器 ； （ 11） 2 路 PWM/PCA（可編程計數(shù)器陣列）， 可用來當做 2 路 D/A 使用， 也可設置成 2 個定時器， 或者 用來再實現(xiàn) 2 個外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時支持 )； （ 12） 8 路 A/D 轉換 ， 10 位精度 ADC，轉換速度可達 250K/S(每 秒 鐘 25萬次 )； （ 13） 通用全雙工異步串行口 (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定時器或 PCA 軟件實現(xiàn)多串口 功能； （ 14） 工作溫度范圍： 40～ +85℃ (工業(yè)級 )/0～ 75℃ (商業(yè)級 )； （ 15） 封裝 有 LQFP48， LQFP44， PDIP40， PLCC44， QFN40 五種。當 I/O 口不夠 用 時，可用 2 到 3根普通 I/O 口線外接 74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展 I/O 口，還可用 A/D 做按鍵掃描來節(jié)省 I/O 口，或用雙 CPU， 三線通信，還多了串口 。本設計采用的是 PDIP40 封裝芯片，其管腳圖如圖 32所示： 圖 32 STC12C5A60S2 單片機 PDIP40封裝引腳圖 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 11 實物圖如圖 33所示： 圖 33 STC12C5A60S2 單片機 PDIP40 封裝實物圖 STC12C5A60S2 單片機 ISP（ 在系統(tǒng)可編程 ） 系統(tǒng) STC12C5A60S2 單片機具有 ISP（ 在系統(tǒng)可編程） 功能 ，無需專用編程器，可通過串口（ ）直接下載用戶程序， ISP(在 系統(tǒng)可編程 )原理圖如圖 34所示： 圖 34 STC12C5A60S2 單片機 ISP(在 系統(tǒng)可編程 )原理圖河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 12 該圖中上半部分是利用 MAX232 芯片搭建電平轉換電路，通過 9 針串口連接 USB 轉串口線，然后 USB 轉串口線的 USB 接頭連接電腦，這樣就搭建好了在系統(tǒng)編程的硬件電路。 復位電路包括兩個，當時鐘頻率低于 12MHZ 時，可以使用左側 C6， R5 搭建的復位電路，此時只應插上 J4 短路帽。當時鐘頻率高于 12MHZ 時，建議使 用第二復位功能腳，如圖由 R R7組成的低電平檢測復位電路，此時應只插上 J5 短路帽。本設計使用的是 12MHZ 晶振，所以使用左側由 C6， R5 搭建的復位電路即可。 外部有源晶振電路是有兩個 30PF 的電容和晶振組成的，當外部時鐘頻率在 33MHZ以上時，建議直接使用外部有源晶振。如果使用內(nèi)部 R/C 振蕩器時鐘 (室溫情況下為 :11MHZ～ 17MHZ)， XTAL1 和 XTAL2 腳浮空。本設計使用的是 12MHZ 晶振，可以選擇使用內(nèi)部 R/C 振蕩器，但是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器有一個弊端就是精確度不高，然而本設計需要使用串口 ，要用到波特率發(fā)生器，所以為了精確起見，最終還是選擇了使用外部有源晶振。 STC12C5A60S2 單片機串口 通信 模塊 本設計中主要用到了該單片機的串口通信模塊，一方面是為了下載程序，另一方面是接收來自 wifi 模塊的信號。 STC12C5A60S2 單片機具有 2 個采用 UART 工作方式的全雙工串行通信接口 (串口 1和串口 2)。 每個串行口由 2個數(shù)據(jù)緩沖器、一個移位寄存器、一個串行控制寄存器和一個波特率發(fā)生器等組成 。 每個串行口的數(shù)據(jù)緩沖器由 2 個互相獨立的接收、發(fā)送緩沖器構成，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù) 。 發(fā)送緩 沖器只能寫入 而 不能讀出，接收緩沖器只能讀出 而 不能寫入，因 而兩個緩沖器可以共用一個地址碼 。 串行口 1的兩個緩沖器共用的地址碼是 99H， 串行口2的兩個緩沖器共用的地址碼是 9BH。串行口 1的兩個緩沖器統(tǒng)稱為 SBUF， 串行口 2的兩個緩沖器統(tǒng)稱 S2BUF。 STC12C5A60S2 單片機串行口 1對應的硬件部分是 TxD/ 和 RxD/ 引腳，串行口 2對應的硬件部分是 。因為在整個系統(tǒng)中下載程序和接收 wifi數(shù)據(jù)不同時，所以只使用了串行口 1 作為通信串口。 STC12C5A60S2 單片機的兩個串行口都有 4種工作方式， 分別為方式 0、 3四種，可通過 串行控制寄存器 SCON 中的 SM0 和 SM1 兩個位來選擇所需的工作方式。 主機 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 13 可通過查詢或中斷方式對接收 /發(fā)送進行程序處理，使用十分靈活。 詳見表 31。 表 31 STC12C5A60S2 單片機串口通信工作模式 該單片機內(nèi)部集成了獨立波特率發(fā)生器 BRT，同時也保留了定時器 1作為波特率發(fā)生器的功能。通信時的波特率隨 所選工作模式的不同 而變化。 因為 wifi 模塊傳輸?shù)氖?16進制的數(shù)據(jù)，所以選用了方式 1， 8 位 UART 進行數(shù)據(jù)傳輸。同時選用了獨立波特率發(fā)生器，可以釋放定時器 1。 SM0 SM1 工作方式 功能說明 波特率 0 0 方式 0 同步移位串行方式：移位寄存器 當 UART_M0x6=0 時，波特率是 SYSclk/12當 UART_M0x6=1 時，波特率是 SYSclk/2 0 1 方式 1 8位 UART，波特率可變 （ 2SMOD/32） *（定時器 1的溢出率或 BRT獨立波特率發(fā)生器的溢出率） 1 0 方式 2 9位 UART，波特率固定 （ 2SMOD/64） *時鐘頻率 1 1 方式 3 9位 UART，波特率可變 （ 2SMOD/32） *（定時器 1的溢出率或 BRT獨立波特率發(fā)生器的溢出率） 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 14 電源模塊 電源是一個系統(tǒng)正常工作的基礎，電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供所需要的能源保證，因此電源模塊的設計至關重要。 智能小車 系統(tǒng)中 需要 供電的部分包括： MCU 系統(tǒng)模塊 、 wifi 模塊和 電機驅動模塊等。 如圖 35所示： 圖 35 電源模塊供電系統(tǒng)圖 選用的電池： 因為小車是雙電機驅動，需要的電能比較多，同時其他模塊也需要供電，所以需要選擇容量比較大的電池。本設計選用的是 、 2020mAh 的鎳鎘電池 ，如圖 36所示。該電池容量大，提供的驅動電流可達 10A 以上，可以穩(wěn)定的給各個模塊供電。 圖 36 電池穩(wěn)壓芯片 5V wifi 模塊 MCU 系統(tǒng) 電機驅動 電機驅動 電池 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 15 電源模塊的設計 設計中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)外，還要在電源轉換效率、噪聲、干擾和電路 復雜程度 等方面進行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎。 電源模塊由若干相互獨立的穩(wěn)壓電源電路組成。在本設計中，除了電機驅動模塊的電源是直接取自電池外，其余各個模塊的工作電壓都需要經(jīng)過穩(wěn)壓芯片來實現(xiàn)。 由于電路中的不同模塊所需要的工作電流容量各不相同，因此電源模塊應該包含 多個穩(wěn)壓電路， 保證為每個模塊提供足夠的電能 。 穩(wěn)壓芯片的選擇 穩(wěn)壓芯片作用是輸出恒定的電壓 ， 三個模塊的 工作 電壓都是 5V，所以最后選擇了LM29405穩(wěn)壓芯片。 LM29405 系列穩(wěn)壓芯片是輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器， 輸出電壓是 5V， 比LM7805 系列穩(wěn)壓芯片的轉換效率高， LM7805 系列直接輸入不接輸出的情況下，其內(nèi)部還會有 3mA 的靜態(tài)電流消耗， 而 LM2940 系列元件的靜態(tài)電流就遠遠比它小得多。最大輸出電流 1A，當輸出 1A電流時，最小輸入輸出電壓差小于 ；最大輸入電壓 26V；工 作溫度 40～ +125℃；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路。 LM29405 芯片 有兩種封裝，分別為 TO263 和 TO220，如圖 37所示 ，兩種封裝都是三個管腳，正視圖從左向右依次是 Vin、 GND 和 Vout。本設計中采用的是 TO220 封裝，可以外加散熱片。 圖 37 LM29405 穩(wěn)壓 芯片 封裝圖河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 16 電源模塊電路圖 根據(jù)每個模塊的特點，最終確定用三個穩(wěn)壓電路分別給設計中的三個 工作 模塊供電。其中 wifi 模塊所需要的電流最大，因為它要承擔攝像頭的工作電能 。 MCU 系統(tǒng)和電機驅動的邏輯電平不需要太大的電流，但是因為兩者需要隔離以防止電機工作電流太大而影響 MCU 的正常工作，所以這兩個模塊也選擇了分別供電。電路圖如圖 38 所示： 圖 38 基于 LM29405 的電源模塊電路圖 圖中 Power 是電池接口， LM2940 兩端的電容可以起到 濾波 、 儲能 和 防止穩(wěn)壓器振蕩的作用。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 17 電機驅動模塊 驅動模塊主要是為電機提供比較大的工作電流，同時可以通過驅動模塊實現(xiàn)電機的正反轉，從而可以讓小車完成工作動作。 驅動芯片的選擇 本設計中，小車用的是雙驅直 流電機，所以需要兩個驅動全橋來分別控制兩個電機。鑒于兩個電機功率都不是太大，而 L298N 驅動芯片集兩