【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)的精美之處。 二 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jiǎn)單﹑可靠。用 80C51 單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖 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(diǎn)： (1) 有可供用戶使用的大量 I/O 口線。 (2) 內(nèi)部 存儲(chǔ)器容量有限。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。 圖 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng) 時(shí)鐘電路 80C51 雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。 80C51 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)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(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)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(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定 性、大小、振蕩電路起振速度 12 有少許影響， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值，但在 60pF 到 70pF 時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇 6MHZ,電容選擇 65pF。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，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(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST 通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)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(hào)。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過 1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用 6MHZ時(shí) C 取 22uF,R 取 1KΩ。 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)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(shí)現(xiàn)的。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路見圖 。時(shí)鐘頻率選用 6MHZ 時(shí)， C取 22uF,Rs取 200Ω， RK取 1KΩ。 圖 80C51復(fù)位電路 三 前向通道設(shè)計(jì) 單片機(jī)用與測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，總要有與被測(cè)對(duì)象相聯(lián)系的前向通道。因此，前向通道設(shè)計(jì)與被測(cè)對(duì)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(jì)時(shí)要考慮到傳感 13 器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計(jì)等。在通道電路設(shè)計(jì)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(cè)﹑控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中總要有被測(cè)信號(hào)輸入通道，有計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。作為測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)被測(cè)對(duì)象拾取必要的原始參量信號(hào)是系統(tǒng)的核心任務(wù)，對(duì)控制系統(tǒng)來說 ，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試以及對(duì)控制條件的監(jiān)測(cè)也是不可缺少的環(huán)節(jié)。 對(duì)被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)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(jì)算機(jī)是一個(gè)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(duì)被測(cè)對(duì)象的信號(hào)的拾取其主要任務(wù)就是最忠實(shí)地反映被測(cè)對(duì)象的真實(shí)狀態(tài)，它包括實(shí)時(shí)性與測(cè)量精度。同時(shí)使這些測(cè)量信號(hào)能滿足計(jì)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(cè)對(duì)象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號(hào)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(hào)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(duì)信號(hào)輸入、傳感、變換應(yīng)作廣義理解，例如開關(guān)量的檢測(cè)及信號(hào)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(jiǎn)單的開關(guān)量輸入通道就是一個(gè)具有 TTL 電平的狀態(tài)開關(guān)，如水銀溫度觸點(diǎn)、溫度晶閘管、時(shí)間繼電器、限位開關(guān)等。故只要反映外界狀態(tài)的信號(hào)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(shí)序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間序列來控制外部的運(yùn)行狀態(tài)；分布式測(cè)控系統(tǒng)中的智能控制總站 完成上級(jí)主計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)、控子站計(jì)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(cè)對(duì)象，故不需要前向通道。 2﹑前向通道的設(shè)計(jì) （ 1）傳感器的比較 [3] 識(shí)別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對(duì)幾種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明（見表 ）。探測(cè)障礙的最簡(jiǎn)單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的。該方法被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的研究上。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于使用，且在 10m 以內(nèi)能給出精確的測(cè)量。不過在 ITS 系統(tǒng)中除了上文提出的場(chǎng)景限制外，還有以下問題。首先因其只能在 10m 以 內(nèi)有效使用，所以并不適合 ITS 系統(tǒng)。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測(cè)達(dá) 100m遠(yuǎn)，但其更新頻率為 2Hz，而且還有可能在傳輸中受到它信號(hào)的干擾，所以在 CW/ICC系統(tǒng)中使用是不實(shí)際的。 表 傳感器性能比較 14 傳感器類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 超聲波 視覺 激光雷達(dá) MMW 雷達(dá) 價(jià)格合理，夜間不受影響。 易于多目標(biāo)測(cè)量和分類，分辨率好。 價(jià)格相合理，夜間不受影響 不受燈光、天氣影響。 測(cè)量范圍小，對(duì)天氣變化敏感。 不能直接測(cè)量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。 對(duì)水、灰塵、燈光敏感。 價(jià)格貴 視 覺傳感器在 CW系統(tǒng)中使用得非常廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，價(jià)格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測(cè)量定多個(gè)目標(biāo)，并且可以利用測(cè)量的圖像根據(jù)外形和大小對(duì)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(diǎn)是可以魯棒地探測(cè)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(jià)格的降低，在汽車行業(yè)開始被使用。但是仍存在性價(jià)比的問題 。 （ 2）超聲波障礙檢測(cè) [4] 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過 20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳 播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。 作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報(bào)警器、接近開關(guān)、測(cè)距及材料探傷、測(cè)厚等。 本設(shè)計(jì)采用 T/R4012小型超聲波傳感器作為探測(cè)前方障礙 物體的檢測(cè)元件，其中心頻率為 40Hz，由 80C51 發(fā)出的 40KHz 脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz 的脈沖超聲波，如電動(dòng)車前方遇到有障礙物時(shí)，此超聲波信號(hào)被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng) LM318 兩級(jí)放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片 LM567 解碼，當(dāng) LM567 的輸入信號(hào)大于 25mV 時(shí)，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑?80C51 單片機(jī)處理。超聲波檢測(cè)如圖 超聲波檢測(cè)電路所示。 15 圖 超聲波檢測(cè)電路 四 后向通道設(shè)計(jì) 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)總要對(duì)控制對(duì)象實(shí)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)算處理后，對(duì)控制對(duì)象的輸出通道接口。 根據(jù)單片機(jī)的輸出和控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的要求，后向通道具有以下特點(diǎn)： （ 1） 小信號(hào)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(duì)象所要求的功率信號(hào)。 （ 2） 是一個(gè)輸出通道。輸出伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制信號(hào)，而伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋信號(hào)通常是作為檢測(cè)信號(hào)輸入前向通道。 （ 3） 接近控制對(duì)象，環(huán)境惡劣?？刂茖?duì)象多為大功率伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁、機(jī)械干擾較為嚴(yán)重。但后向通道是一個(gè)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(hào)通過 I/O 口或數(shù)據(jù)總線送給控制對(duì)象。這些數(shù)字信號(hào)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(duì)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(hào)。 根據(jù)單片機(jī)輸出信號(hào)形態(tài)及控制對(duì)象要求，后向通道應(yīng)解決： （ 1） 功率驅(qū)動(dòng)。將單片機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足伺服驅(qū)動(dòng)的功率要求。 （ 2） 干擾防治。主要防治伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過信號(hào)通道﹑電源以及空間電磁場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的干擾。通常采用信號(hào)隔離﹑電源隔離和 對(duì)功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)過零切換等方法進(jìn)行干擾防治。 （ 3） 數(shù) /模轉(zhuǎn)換。對(duì)于二進(jìn)制輸出的數(shù)字量采用 D/A 變換器；對(duì)于頻率量輸出則可以采用 本設(shè)計(jì)調(diào)速采用 PWM 調(diào)速 [5]： 為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)采用了可逆 PWM 變換器。可逆 PWM 16 變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H型、 T 型等類型。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式 H 型變換器，它是由 4個(gè)三極電力晶體管和 4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。圖 為雙極式 H型可逆 PWM變換器的電路原理圖。 4 個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。 VT1 和 VT4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電路中 Ub1=Ub4； VT2 和 VT3 同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓 Ub2=Ub3= Ub1。 雙極式 PWM 變換器的優(yōu)點(diǎn)如下： （ 1）電流一定連續(xù)； （ 2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行； （ 3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （ 4）低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通； （ 5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá) 20210 左右。 脈寬調(diào)制原理： 脈寬調(diào)制器本身是一個(gè)由運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)組成的電壓比較器。運(yùn)算放 圖 雙極式 H型可逆 PWM變換器電路原理圖 大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點(diǎn)輸入信號(hào)就可使 其輸出電壓達(dá)到飽和值，當(dāng)輸入電壓極性改變時(shí)，輸出電壓就在正、負(fù)飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉(zhuǎn)換作用。加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)輸入信號(hào)是鋸齒波調(diào)制信號(hào)，另一個(gè)是控制電壓，其極性大小可隨時(shí)改變，與鋸齒波調(diào)制信號(hào)相減，從而在運(yùn)算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調(diào)制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性 ,也就改變了 PWM 變換器輸出平均電壓的極性 ,因而改變了電動(dòng)q48050q28050q18550q38550r110kr210kr4r3M1 2A74L S 061 2A74L S 0612A74L S 0612A74L S 061K1KV C C D1 D3D2 D410K10K 17 機(jī)的轉(zhuǎn)向 .改變控制電壓的大小 ,則調(diào)節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度 ,從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 .只要鋸齒波的線性度足夠好 ,輸出 脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正比的 . 邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)： 在可逆 PWM 變換器中 ,跨接在電源兩端的上下兩個(gè)晶體管經(jīng)常交替工作 .由于晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間 ,總稱關(guān)斷時(shí)間 ,在這段時(shí)間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷 .如果在此期間另一個(gè)晶體管已經(jīng)導(dǎo)通 ,則將造成上下兩管之通 ,從而使電源正負(fù)極短路 .為避免發(fā)生這種情況 ,設(shè)置了由 RC 電路構(gòu)成的延時(shí)環(huán)節(jié) . 電源的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，單片機(jī)系統(tǒng)與動(dòng)力伺服系統(tǒng)的電源采用了大功率、大容量的蓄電池；而傳感器的工作電源則采用了小巧輕便 的干電池 。 五 顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中用兩片 4位八段數(shù)碼管 gem4561ae作顯示器 ,并具有雙重功能 ,在小車不行駛時(shí)其中一片顯示年月 ,另一片顯示時(shí) .分 . 當(dāng)小車行駛時(shí) ,分別顯示時(shí)間和行駛距離原理圖如圖 1. 本設(shè)計(jì)中采用新型芯片 EM78P458 作為顯示驅(qū)動(dòng)器 ,它的管腳如圖 EM78P458管腳介紹所示 ,用單片機(jī)的并行口控制 ,一個(gè)數(shù)碼顯示電路用 4 個(gè)口線 ,用專用驅(qū)動(dòng)芯片控制可以減少對(duì) CPU的利用時(shí)間 ,單片機(jī)將有更多的時(shí)間去完成其他功能 . 圖 EM78P458的管腳 該芯片共有 20 個(gè)管腳，管腳 LED1﹑ LED2﹑ LED3﹑ LED4 分別接 10k電阻和三極管后與 4 位八段數(shù)碼管 5461 中的 a1﹑ a2﹑ a3﹑ a4四個(gè)數(shù)位選擇端相連，這四個(gè)數(shù)位選擇端用來產(chǎn)生 LED 選通信號(hào)。 管腳 a﹑ b﹑ c﹑ d﹑ e﹑ f﹑ g﹑ dp分別接 680 歐電阻后與四位八段數(shù)碼管 5461 中的 a﹑ b﹑ c﹑ d﹑ e﹑ f﹑ g﹑ dp 相連，分別控制各段碼和小數(shù)點(diǎn)。 管腳 d0﹑ d1﹑ d2﹑ d3接單片機(jī)并行口，通過對(duì)單片機(jī)對(duì)芯片進(jìn)行控制。管腳 vss串上 10k 電阻后與 vcc管腳相接后再接 +5v 電源，管腳 gnd 接地。 le d31le d42a3b4gnd5c6d7