【文章內(nèi)容簡介】 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(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。 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 31 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 31 80C51單片機(jī)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(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 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(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(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。 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(yán)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(jìn)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(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 ，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 光敏電阻 反射式紅外 攝像頭 靈敏度好，價格適當(dāng)。 靈敏度好，抗干擾能力強 測量范圍廣泛，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 抗干擾能力太弱。 價格略貴。 頻率要求嚴(yán)苛，價格略貴。 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 硬件設(shè)計 15 RPR220 內(nèi)部發(fā)射頭是一個砷化鎵紅外發(fā)射二極管，接收頭是一個高靈敏度的硅平面光電三極管。它被廣 泛應(yīng)用于游戲機(jī)，復(fù)印件和辦公自動化領(lǐng)域。 2 槽型紅外對管測速 槽型 紅外光電傳感器，由高發(fā)射功率的砷化鎵（砷鋁鎵）紅外發(fā)射管和 高靈敏度的光敏晶體管組成。 凹槽型光電開關(guān)（光電傳感器）是利用被檢測物體對紅外光束的遮光，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。產(chǎn)品廣泛用于電力儀表、電子儀器儀表、計數(shù)器、轉(zhuǎn)速測量、位置測量、傳真機(jī)、碎紙機(jī)等各種工業(yè)和民用場合 ， 本設(shè)計自制計數(shù)齒輪如圖 33所示。 安裝于小車后輪主軸上，盤孔穿過紅外對管的槽內(nèi)，當(dāng) 小車轉(zhuǎn)動時，盤子隨著后輪主軸一起轉(zhuǎn)動，此時紅外對管的接收管會在飽和和截止來回切換，因紅外也會多少受到外界的干擾，所以再經(jīng)電壓比較器 LM339 處理后方可送往單片機(jī)處理。 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、圖 33 槽型紅外對管測速原理圖 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 硬件設(shè)計 16 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?？赡?PWM 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 恒壓恒流橋式 2A 驅(qū)動芯片 L298N， L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)。 L298N 芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。 L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號 VSS， VSS可接 4． 5～ 7 V 電壓。 4腳 VS接電源電壓， VS電壓范圍 VIH為＋ 2． 5～ 46 V。輸出電流可達(dá) 2． 5 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。 1腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 L298 可驅(qū)動 2 個電動機(jī)， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機(jī)，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 EnA， EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。表 32是 L298N 功能邏輯圖。 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 硬件設(shè)計 17 表 32 邏輯功能表 In3， In4 的邏輯圖與表 2 相同 。由表 2 可知 EnA為低電平時，輸入電平對電機(jī)控制起作用，當(dāng) EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。 圖 34 是 L298N 控制器原理圖，由 3個虛線框圖組成。 圖 34 L298原理圖 （ 1） 虛線框圖 1 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)， U1A， U2A 是比較器， VI來自爐體壓強傳感器的電壓。當(dāng) VI＞ VRBF1時， U1A 輸出高電平， U2A輸出高電平經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖剑姍C(jī)正轉(zhuǎn)。同理 VI＜ VRBF1時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)可控制抽氣機(jī)抽出氣體的流量，從而改變爐體壓 強。 （ 2） 虛線框圖 2 中， U3A， U4A 兩個比較器組成雙限比較器，當(dāng) VB＜ VI＜ VA時輸出低電平，當(dāng) VI＞ VA， VI＜ VB時輸出高電平。 VA， VB是由爐體壓強轉(zhuǎn)感器轉(zhuǎn)換電壓的上下限，即反應(yīng)爐體壓強控制范圍。根據(jù)工藝要求，我們可自行規(guī)定 VA， VB的值，只要爐體壓強在 VA， VB所確定范圍之間電機(jī)停轉(zhuǎn)（注意 VB＜ VRBF1＜ VA，如果焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計