【文章內(nèi)容簡介】 對獨立的程序段，這種程序設計方法叫模塊程序設計法。 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。 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時子程序、避障子程序﹑中斷子程序顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑算法子程序構(gòu)成。 主程序設計 主程序清單 見附表 1。 軟件流程 如圖 ： 基于單片機的自動往返小車的設計 14 基于單片機的自動往返小車的設計 15 顯示子程序設計 程序清單見附表 1。 . 避障子程序設計 程序清單見附表 1。 軟件抗干擾技術(shù) 提高玩具車智能控制的可靠性，僅靠硬件抗干擾是不夠的，需要進一步借助于軟件抗干擾技術(shù)來克服某些干擾 [6]。在單片機控制系統(tǒng)中，如能正確的采用軟件抗干擾技術(shù)，與硬件干擾措施構(gòu)成雙道抗干擾防線，無疑為了將大大提高控制系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)常采用的軟件抗干擾技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)、開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)、指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)等 。 數(shù)字濾波技術(shù)： 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。為了進行準確測量和控制，必須消除被測信號中的噪音和干擾。對于這類信號，采用積分時間等于 20ms 的整數(shù)倍的雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，可有效的消除其影響。后者為隨機信號，它不是周期信號。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。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重。故實質(zhì)上它是一種程序濾波。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比 ，有以下 幾個優(yōu)點： 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。 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。 數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器基于單片機的自動往返小車的設計 16 的缺陷。 數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點，所以數(shù)字濾波在微機應用系統(tǒng)中得到了廣泛應用。 開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)： 干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，利用這一點，我們在采集某一開關(guān)量信號時，可多次重復采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上結(jié)果完全一致方為有效。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(guān)量信號主要是來自各類開關(guān)型狀態(tài)傳感器，如限位開關(guān)、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。如果開關(guān)量信號超過 8個，可按 8 個一組進行分組處理，也可定義多字節(jié)信息暫存區(qū)，按類似方法處理。在滿足實時性要求的前提下，如果在各次采集數(shù)字信號之間接入一段延時，效果會好一些，就能對抗較寬的干擾。 輸出設備是電位控制型還是同步鎖存型，對干擾的敏感性相對較大。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。輸出設備和慣性（響應速度）與干擾的耐受能力也有很大關(guān)系。慣性大的輸出設備（如各類電磁執(zhí)行機構(gòu)）對‘毛刺’干擾有一定的耐受能力。慣性小的輸出設備（如通行口、顯示設備）耐受能力就小一些。在軟件上，最為有效的方法就是重復輸出同一個數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復周期盡可能短些。外設設備接受到一個被干擾的錯誤信息后，還來不及作出有效的反應，一個正確的信息又來了，就可及時防止錯誤動作的產(chǎn)生。另外，各類數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和 CPU 安裝在同一電路板上，使傳輸線上傳送的都是鎖存好的電位控制信號，對于重要的輸出設備，最好建 立檢測通道， CPU 可以檢測通道來確定輸出結(jié)果的正確性。 指令冗余技術(shù)： 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。當程序彈飛到某一字節(jié)指令上時，便自動納入正軌。基于單片機的自動往返小車的設計 17 當彈飛到某一雙字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯。當程序彈飛到三字節(jié)指令上時，因它有兩個操作數(shù)，繼續(xù)出錯的機會就更大。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。指令冗余無疑會降低系統(tǒng)的效率，但在絕大多數(shù)情況下， CPU 還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度，故這種方法還 是被廣泛采用。 在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條 NOP 指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確軌道。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可插入兩條 NOP 指令，以保證正確執(zhí)行。指令冗余技術(shù)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(shù)。 軟件陷阱技術(shù)： 指令冗余使彈飛的程序安定下來是有條件的。首先，彈飛的程序必須落到程序區(qū)；其次，必須執(zhí)行到冗余指令。所謂軟件陷阱，就是一套引導指令，強行將 捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。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(gòu)成： NOP NOP ERR 軟件陷阱安排在以下四種地方： (1)未使用的中斷向量區(qū)。 (2)未使用的大片 ROM 空間 (3)表格 基于單片機的自動往返小車的設計 18 程序區(qū) 由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故 不影響程序執(zhí)行效率，在當前 EPROM 容量不成問題的條件下，還是多多益善。 “看門狗”技術(shù) PC 受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)” [6]。指令技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，這時系統(tǒng)完全癱瘓。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。但操作者不能一直監(jiān)視著系統(tǒng)，也往往是在引起不良后果之后才進行人工復位。為使程序脫離“死循環(huán)”，通常采用“看門狗技術(shù)”?！翱撮T狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)時間超過已知的循環(huán)設定時間，則認為系統(tǒng)陷入 了“死循環(huán)”，然后強迫程序返回到 0000H 入口，在 0000H處安排一段出錯處理程序，使系統(tǒng)運行納入正規(guī)。 “ 看門狗”技術(shù)可由硬件實現(xiàn)，可由軟件實現(xiàn)，也可由兩者結(jié)合實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用硬件 “ 看門狗”電路。 實現(xiàn)硬件 “ 看門狗”電路方案較多，目前采用較多的方案有以下幾種： 采用微處理器監(jiān)控器； 采用單穩(wěn)態(tài)電路來實現(xiàn) “ 看門狗”，單穩(wěn)定電路可采用 74LS123。 采用內(nèi)帶震蕩器的記數(shù)芯片。 本設計采用第三種方案實現(xiàn) “ 看門狗”電路，下面就對該方案作以介紹。 (1)基本原理 CD4060 是帶震蕩器的 14 位計數(shù)器，由該芯片構(gòu) 成的看門狗電路如圖 。 基于單片機的自動往返小車的設計 19 圖 看門狗電路圖 4060 記數(shù)頻率由 RT和 CT決定。設實際的程序所需工作周期為T，分頻器記滿時間為 T’ ,當 T’ T 且系統(tǒng)正常工作時，程序每隔T對 4060 進行掃描一次，分頻且永無記滿輸出信號。如系統(tǒng)工作不正常（如程序跑飛、死循環(huán)等），程序?qū)?4060 發(fā)不出掃描信號，分頻器記滿輸出一脈沖號使 CPU 復位。 (2)參數(shù)選擇 4060 的振蕩頻率 f由 RT 、 CT決定。 Rs用于改善振蕩器的穩(wěn)定性， Rs 要大于 RT。一般取 Rs=10RT，且 RT1kΩ ,CT≥ 100pF。 如果Rs=450Ω， RT=45Ω， CT=1uF,則 f=10HZ。 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。 (3)幾個原則 看門狗電路必須由硬件邏輯組成，不宜由可編程計數(shù)器充當，因為 CPU 失控后，可能會修改可編程器件參數(shù)，使看門狗失效。 4060 的 RST 線上阻容組成的微分電路很重要，因為掃描輸入信號是CPU產(chǎn)生的正脈沖，若此信號變“ 1”后，由于干擾，程序亂飛，微分電路只能讓上跳沿通過，不會封死 4060，看門狗仍能計數(shù)起作用。若沒有微分電路，掃描輸入信號上的“ 1”狀態(tài)封死 4060，使之不能記數(shù)，看門狗不起作用 。 CPU 必須在正確完成所有工作后才能發(fā)掃描輸入信號，且程序基于單片機的自動往返小車的設計 20 中發(fā)掃描信號的地方不能太多。否則，正好在哪里有死循環(huán)，看門狗就不產(chǎn)生記滿輸出信號，不能重新啟動 CPU。 4060 的記滿輸出信號不但要接到 MCS51的 RST 腳，而且還應接到其它芯片的 RST 腳，因為程序亂飛后，其它具有 RST 腳的芯片也混亂了，必須全部復位。 可編程邏輯器件 可編程邏輯器件 GAL16V8 是 LATTICE 公司研制的一種電可擦除的可重復編程的低密度 PLD 器件。它采用更為靈活的 可編 I/O 結(jié)構(gòu)，并采用了先進的 EECOMS 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。 GAL16V8 技術(shù)特性 （ 1）電可擦除工藝 可重編程單元 100％成品率 可重配置邏輯 （ 2）高性能 E2CMOS 工藝 低功耗： 45mA 最大運行功耗， 35mA 最大維持功耗 高速度： 15～ 25us 最快存取速度 （ 3） 8個輸出邏輯單元 對于復雜邏輯設計具有最大靈活性 GAL16V8 可仿真 20 條引腳的 PAL 器件，具有功能 / 熔絲圖 /參數(shù)的完全兼容性 （ 4）預置、 加電復位全部寄存器 （ 5）具有保密單元、電子標簽 （ 6）數(shù)據(jù)保持超過 20 年。 89S52 按鍵電路直接由 89S52 接口電路查詢。消抖 (延時 20ms)由軟件延時完成。 基于單片機的自動往返小車的設計 21 4 測試數(shù)據(jù)、測試結(jié)果分析及結(jié)論 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。 測試方法 數(shù)字萬用表主要用來測試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止 /導通狀態(tài)等參數(shù)； 信號發(fā)生器與示波器用于測試各光電傳感器信號的接收與傳輸； MCS51 仿真機用于測試軟 件； 直流穩(wěn)壓電源在測試期間為各待測系統(tǒng)供電； 秒表用于產(chǎn)品測試，按照任務書的基本要求對制成的電動車進行產(chǎn)品測試。 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析： ⑴ 計時精度分析 計時系統(tǒng)采用了新型顯示芯片。理論上的誤差不到 1秒 /年。 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(shù)。電機軸與車輪軸之間采用了齒輪箱二級減速，變比 1/16。車輪周長135mm,光電碼盤與電機軸安裝在一起，電機軸每一轉(zhuǎn)產(chǎn)生 2 個脈沖，車 輪 每 轉(zhuǎn) 產(chǎn) 生 32 個 脈 沖 ， 理 論 測 量 精 度 可 達135mm/32= ⑶ 定位精度分析 本設計采用實際測量與軟件補償技術(shù)，理論上可使定位精度提高到誤差 10mm。 結(jié)論 歷時三個月的設計過程中，我首先邊查資料，邊在實驗室焊接基于單片機的自動往返小車的設計 22 小車的線路板。在焊接過程中，我感覺到即使是一個簡單的電路，要想很輕松的焊好，也不是很容易的事情。有時是“虛焊”的原因，有時可能是阻值選錯。在焊接顯示電路時，我就錯將 680 歐的電阻焊成了 千歐。這使我深深感受到理論與實際間的差距。通過這樣的 設計，提高了我的動手能力。每天在實驗室除了焊接線路板，還可以上機編程，使我軟件調(diào)試知識也提高了。 本設計采用的是 80C52 單片機，這主要是因為該單片機的穩(wěn)定性比較好。還可以采用其它系列的單片機。比如采用陵陽單片機，就可以簡化編程，但其穩(wěn)定性不是很好。 基于單片機的自動往返小車的設計 23 致 謝 通過這次畢業(yè)設計，使我深刻地認識到學好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了大學四年的學習成果。雖然在這次設計中對于知識的運用和銜接 還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學習中繼續(xù)努力、不斷完善。這幾 個月的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。 由于自身水平有限，設計中一定存在很多不足之處，敬請各位老師批評指正。 基于單片機的自動往返小車的設計 24 參 考 文 獻 1 何立民 ,單片機應用系統(tǒng)設計 ,北京：航天航空大學出版社 ,2～5,46～ 50 2 李廣弟 ,單片機基礎 ,北京：北京航空航天大學出版社 ,2020,56～64 3 何希才 ,新型實用電子電路 400 例 ,電子工業(yè)出版社 ,2020 年 ,60～65