【文章內(nèi)容簡介】 轉動時，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。由此可見，測距輪每轉一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經(jīng)過整形器后送入計數(shù)器或直接送入單片機中。 為實現(xiàn)可逆記數(shù)功 能，我們在測距儀中并列放置了兩個槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產(chǎn)生兩個脈沖信號。根據(jù)兩個脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個光電耦合器的位置關系，即可計算出玩具車的行駛方向（前進或后退）。 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。 測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉動時，光柵也隨之轉動，同時安裝在光柵一側的紅外發(fā)光二極管點亮，在光柵的另一側設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信 號。將該信號傳輸?shù)?80C51 單片機的內(nèi)部計數(shù)器焦作大學畢業(yè)設計 2 方案設計與論證 9 計數(shù)，根據(jù)預先實測的數(shù)據(jù)換算關系即可計算出電動機車的行車距離。 本設計中用一片四位共陰數(shù)碼管做顯示器，并具有雙重功能，在小車行駛中顯示小車的速度狀態(tài)，在小車停止時顯示小車的路程。 系統(tǒng)原理圖 簡易智能電動車采用 at89s52 單片機進行智能控制。開始由手動啟動小車，并復位，當經(jīng)過規(guī)定的起始黑線，紅外光電傳感器檢測，通過單片機控制小車開始記數(shù)顯示并循跡、調(diào)速；系統(tǒng)的自動循跡功能通過紅外 RPR220 傳感器正前方檢測和左右側檢測，由單片機控制實現(xiàn) ；在電動車進駛過程中，采用電機專用驅動芯片 L298，以提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能；采用動態(tài)共陰顯示行駛速度和里程。 系統(tǒng)原理圖如圖 24 所示。 圖 24 系統(tǒng)原理圖 焦作大學畢業(yè)設計 3 硬件設計 10 3 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?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器﹑打印機﹑ A/D﹑ D/A 轉 換器等，要設計合適的接口電路。 80C51 單片機硬件結構 80C51 單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上 [2]。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行 I/O 口、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。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。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 1 微處理器 該單片機中有一個 8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相 同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。 2 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為 128 個字節(jié)，片外最多可外擴至 64k 字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。 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)。 4 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源， 2級中斷優(yōu)先權。 5 定時器 /計數(shù)器 片內(nèi)有 2個 16位的定 時器 /計數(shù)器， 具有四種工作方式。 6 串行口 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？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焦作大學畢業(yè)設計 3 硬件設計 11 廣。 7 P1 口、 P2 口、 P3口、 P4 口 為 4個并行 8位 I/O 口。 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 單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機 CPU 中的位處理 器，它實際上是一個完整的 1 位微計算機，這個一位微計算機有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 1 位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8 位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。 MCS51 單片機中 8 位機和 1 位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術上的一個突破，這也是 MCS51單片機在設計的精美之處。 最小應用系統(tǒng)設計 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。用 80C51 單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電 路和復位電路即可，如圖 31 80C51 單片機最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應用特點： (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)應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。 圖 31 80C51單片機最小系統(tǒng) 焦作大學畢業(yè)設計 3 硬件設計 12 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。所以本設計中，振蕩晶體選擇 6MHZ,電容選擇 65pF。 在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，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，應采用 NPO電容。 復位電路 80C51 的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。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。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。 最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復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)自動上電復位。時鐘頻率用 6MHZ 時 C 取 22uF,R 取 1KΩ。 除了上電復位外，有時還需 要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。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。按鍵手動復位電路見圖 32。時鐘頻率選用 6MHZ 時， C取 22uF 焦作大學畢業(yè)設計 3 硬件設計 13 圖 32 80C51復位電路 前向通道設計 單片機用與測控系統(tǒng)時，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道。因此，前向通道設計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關。在前向通道設計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結構、信號調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設計等。在通道電路設計中還涉及到模擬電路諸多問題。 1﹑前向通道的含義 當將單片機用作測﹑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，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、敏感元件及其相關電路占有重要地位。 對被測對象的信號的拾取其主要任務就是最忠實地反 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輸入接口的電平要求。 因此，單片機應用系統(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。 在單片機應用系統(tǒng)中，對信號輸入、傳感、變換應作廣義理解，例如開關量焦作大學畢業(yè)設計 3 硬件設計 14 的檢測及信號輸入，在單片機的各種應用系統(tǒng)中有著廣泛的應用。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。 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。 并不是所有單片機應用系統(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與現(xiàn)場測、控子站計算機之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。這些應用系統(tǒng)沒有被測對象，故不需要前向通道。 攝像頭傳感器測量范圍廣泛，由于小車的工作要求不是太嚴格，考慮成本太高，所以放棄此放啊，最終選定反射式紅外傳感器。 2﹑前向通道的設計 （ 1）傳感器的比較 循跡 的首要問題是 掃描地面路線 ，下面對幾種傳感器的優(yōu)缺點進行說明（見表 31 ） 表 31 傳感器性能比較 循跡 的最簡單的方法是使用 光敏電阻 ，它是利用 電阻的光敏特性 ， 判定光的強弱程度 。該方法被廣泛應用于 光控領域 。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用， 性能穩(wěn)定 。不過在 此 系統(tǒng) 設計 中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。首先因其 抗干擾能力太弱 ，所以并不適合 做循跡小車只用 系統(tǒng)。 攝像頭傳 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， 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。但是算法復雜，處理速度慢。雷達傳感器在軍事和航空領域已經(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 ，本設計最終選定利用反射式紅外 RPR220 做地面檢測。反射式紅外傳感器類型 優(yōu)點 缺點