【文章內(nèi)容簡介】 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。由此可見，測距輪每轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)動時，光柵也隨之轉(zhuǎn)動，同時安裝在光柵一側(cè)的紅外發(fā)光二極管點亮，在光柵的另一側(cè)設(shè)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(zhuǎn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 方案設(shè)計與論證 9 計數(shù)，根據(jù)預(yù)先實測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計算出電動機車的行車距離。 本設(shè)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(fù)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(cè)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(qū)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(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 硬件設(shè)計 10 3 硬件設(shè)計 一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)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(yīng)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(shè)計相應(yīng)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(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機﹑ A/D﹑ D/A 轉(zhuǎn) 換器等，要設(shè)計合適的接口電路。 80C51 單片機硬件結(jié)構(gòu) 80C51 單片機是把那些作為控制應(yīng)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(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)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(quán)。 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(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應(yīng)用更焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 硬件設(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)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(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術(shù)上的一個突破，這也是 MCS51單片機在設(shè)計的精美之處。 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 80C51是片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用 80C51 單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電 路和復(fù)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(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 31 80C51單片機最小系統(tǒng) 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 硬件設(shè)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(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(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 32。時鐘頻率選用 6MHZ 時， C取 22uF 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 硬件設(shè)計 13 圖 32 80C51復(fù)位電路 前向通道設(shè)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(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(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輸入接口的電平要求。 因此，單片機應(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)量焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 硬件設(shè)計 14 的檢測及信號輸入，在單片機的各種應(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(yīng)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(shè)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(yīng)用于 光控領(lǐng)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(shè)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(fù)雜，處理速度慢。雷達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 ，本設(shè)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