【文章內(nèi)容簡介】 P Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。利用AT89S51 的 I／ O 端口對傳感器信號進(jìn)行實時 判斷 監(jiān)控 來 控制 步進(jìn)電機做出相應(yīng)的反映 。 如圖 41 是較為常見的帶燒錄接口的單片機最小系統(tǒng)圖。 圖 41 帶燒錄接口的單片機最小 系統(tǒng) 15 單片機的時鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。 系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性 。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取 30PF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST 通過一個觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期中由復(fù)位電路采樣一次。 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。所謂上電復(fù)位，是指計算機加電瞬間，要在 RST 引腳出現(xiàn)大于 10MS 的正脈沖，使 單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕，使單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài) [5]。如圖41 是上電復(fù)位及按鈕復(fù)位的一種實用電路。 上電時， +5V 電源立即對單片機芯片供電，同時經(jīng)電阻 R 對電容 C3 充電。C3 上電壓建立的規(guī)程就產(chǎn)生一定寬度的負(fù)脈沖，經(jīng)反向后， RST 上出現(xiàn)正脈沖使單片機實現(xiàn)了上電復(fù)位。按鈕按下時， RST 上同樣出現(xiàn)高電平，實現(xiàn)了按鈕復(fù)位。在應(yīng)用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復(fù)位。如果這些芯片復(fù)位端的復(fù)位電平和單片機一致，則可以與單片機復(fù)位腳相連，非門在這里不僅起了反向作用，還增大了驅(qū)動能力，電容 C1， C2 起慮波作用，防止干擾竄入復(fù)位端產(chǎn)生誤動作。 16 尋 跡是指小車在白色地板上循黑線行走， 本系統(tǒng) 采取的方法是紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光 [7]。 由此過程來改變接收管的輸出電壓， 單片機 以電壓的變化 為依據(jù)來 執(zhí)行小車電機 確定行走路線。 圖 48為紅外線尋跡安裝圖，圖 39為尋跡模塊實現(xiàn)原理圖，分 析如下： 圖 48 紅外線尋跡安裝圖 17 圖 49尋跡模塊原理圖 如圖 49是整個紅外線尋跡過程實現(xiàn)的原理圖。四針接口處 P3， P4的 1， 2腳是跟紅外線發(fā)射管連接， 3， 4則是跟接收管相連，放置插針是為了更容易實現(xiàn)紅外線管的放置。由于紅外線接收光的變化可以讓接收管上的電壓發(fā)生變化，相當(dāng)于可變電阻，這種特性為設(shè)計提供基本的保障。比較芯片 LM358（ LM393）可以根據(jù)接收管的電壓和參考電壓進(jìn)行比較后輸出相應(yīng)電平。此圖的比較接法為正接法，就是當(dāng)紅外線管遇到黑線時，反射減少，“ +”斷輸入電壓增加，使的輸出端 輸出電壓為高，經(jīng)上拉電阻 R12（ R20）上拉后達(dá)到單片機有效接收電平。 小車進(jìn)入 尋 跡模式后，即 單片機 開始不停地掃描與探測器連接的單片機 I/O口，一旦檢測到某個 I/O口有信號，即進(jìn)入判斷處理程序 ,先確定 2個探測器中的哪一個探 18 測到了黑線，如果左面?zhèn)鞲衅?（紅燈亮） 探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果右面?zhèn)鞲衅?（黃燈亮） 探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動作 ，實現(xiàn)方向控制，按照黑 線行駛。 其中， R11和 R19為限流電阻，防止紅外線發(fā)生管因電流過大而燒壞；由 R14和一個可變電阻組成的電路為參考電壓電路，由于檢測小車行駛的過程會因環(huán)境或則黑線材料的改變使輸出電壓成一個變化值，所以通過可變電阻來改變參考電壓，使能正常運行；同時 R12和 R20為上拉電阻，讓輸入單片機的電壓達(dá)到高電平；發(fā)光二極管則是能更直觀的判斷出哪對傳感器在起作用。 第四章 軟件設(shè)計 小車通過紅外傳感器獲得路徑信息。通過 AT89S52 進(jìn)行判斷小車所處的狀態(tài)，通過控制 H 橋驅(qū)動芯片來控制電機加速或減速 及轉(zhuǎn)向進(jìn)行相應(yīng)的動作，小車的速度通過 PWM 控制進(jìn)行調(diào)速，小車轉(zhuǎn)彎的力度通過 PWM 控制 。 小車通過兩組傳感器獲得信息，因此可將小車分成 5 種狀態(tài)，不同的狀態(tài)下，小車有不同的動作。 黑線正中狀態(tài) 傳感器 黑線 19 黑線處在中間位置時，中間兩個傳感器都能檢測到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時，小車方向不變，如果小 車沒有達(dá)到最大速度則逐漸加速到最大速度。 黑線偏左狀態(tài) 只有左傳感器檢測到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時，小車必須保證能尋找黑線而必須減速，并且小車略微左轉(zhuǎn)。 黑線偏右狀態(tài) 傳感器 黑線 只有右傳感器檢測到黑線存在，當(dāng)小車處于 此狀態(tài)時，小車必須保證能尋找到黑線而必須減速，并且小車略微右轉(zhuǎn)。 20 避免左邊有傳感器壞掉，或防止左邊有一個傳感器檢測不到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時，小車必須保證能尋找黑線而必須減速，并且小車盡最大可能向左轉(zhuǎn)。 避免右邊有傳感器壞掉，或者右邊防止一個傳感器檢測不到黑線，所以右傳感器檢測到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時，小車必須保證能尋找到黑線而必須減速，并且小車盡最大可能向右轉(zhuǎn)。 主函數(shù)流程圖 21 圖 程序主函數(shù)流程圖 模糊理論的發(fā)展 20 世紀(jì) 60 年代，美國加利福尼亞大學(xué)著名教授扎德發(fā)表了一篇關(guān)于模糊集合的論文，由此提出了模糊理論。四十多年來，在模糊理論算法、模糊推理、工業(yè)控制應(yīng)用，以及穩(wěn)定性理論研究方面，都有不少研究論文發(fā)表。 80 年代后，自動控制系統(tǒng)隨著被控對象的復(fù)雜化，它不僅表現(xiàn)在控制系統(tǒng)具有多輸入、多輸出的強偶合性、參數(shù)時變性和嚴(yán)重的非線性等特性 ，更突出的是從系統(tǒng)對象所能獲取的知識信息量相對的減少，以及與此相反的對控制性能的要求卻日益高度化。 如今，對模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法，以及模糊控制穩(wěn)定性等問題的研究成果已進(jìn)入實用化時期，其成果應(yīng)用主要集中于工業(yè)窯爐方面，如退火爐，電弧冶煉爐，水泥爐及造紙機的控制等。 目前，模糊控制技術(shù)有了更大的發(fā)展，過去將大型機械設(shè)備和生產(chǎn)過程作為控制對象，而現(xiàn)在模糊控制技術(shù)已經(jīng)開始大量應(yīng)用在家用電器、交通工具等方面。 模糊控制算法原理 模糊控制的關(guān)鍵和核心是模糊控制規(guī)則，即用人的自然語言對操作者的手動小車初始化函數(shù) 開始 獲得小車狀態(tài)函數(shù) 根據(jù)得到的狀態(tài)實時調(diào)節(jié)小車的速度 22 控制策略加以描述，得到一些不精確的、定性的、判定的規(guī)則，這些規(guī)則就是模糊控制技術(shù)中的模糊控制規(guī)則。這些模糊控制規(guī)則的來源是根據(jù)操作者對被控制對象的動態(tài)性的認(rèn)識、表達(dá)和對被控對象的控制經(jīng)驗，從這些抽出輸入和輸出關(guān)系，加以描述，實質(zhì)上就是被控對象的數(shù)學(xué)模型。在實際應(yīng)用中，特別是人工操作控制，并不需要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。為了模擬人工控制過程，對人工控制操縱的經(jīng)驗和策略進(jìn)行歸納、總結(jié)，建立一系列的模糊控制規(guī)則，將這些規(guī)則進(jìn)行一定的處理便產(chǎn)生相應(yīng)的模糊控制算法，利用計算機來實現(xiàn)這些模糊語句，此時就構(gòu)成了一個模糊控 制器，而其中的模糊控制算法則描述了控制器的行為特征。 對于模糊控制規(guī)則的建立方法很多，主要有：以專家知識、經(jīng)驗為依據(jù)建立模糊控制規(guī)則；以熟練操作者的手動操作策略、經(jīng)驗和測試數(shù)據(jù)來建立模糊控制規(guī)則，根據(jù)被控對象的模糊模型建立模糊控制規(guī)則以及根據(jù)學(xué)習(xí)算法建立模糊控制規(guī)則等。 模糊控制的控制過程，如果由人來實現(xiàn)，都是按照這樣的一個順序進(jìn)行的：感覺器官的觀測（獲取信息） 人腦的思維、判斷（存儲和處理信息） 手動的調(diào)整（信息的實施）。 智能小車中的模糊控制算法 本設(shè)計的模糊控制規(guī)則的建立方法 是：智能小車通過經(jīng)驗和測試數(shù)據(jù)來建立模糊控制規(guī)則。其主要控制過程為：尋跡與避障的紅外發(fā)射裝置發(fā)送信息，由收裝置接收，接收裝置相當(dāng)于人的感覺器官獲取信息傳給單片機，單片機相當(dāng)于人的大腦，可以存儲和處理信息，通過訓(xùn)練樣本庫，測試出小車尋跡最佳偏轉(zhuǎn)角度，最佳避障距離等，包括其他的遙控信號、語音信號等，從而命令智能小車執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成智能行駛。 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(jìn)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。 23 數(shù)字濾波技術(shù)： 一般單片機應(yīng)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(jìn)行準(zhǔn)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(shè)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(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)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(fù)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(jìn)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(shè)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(dāng)鎖存線上出現(xiàn)干擾時，它就會盲目鎖存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，也不管此時數(shù)據(jù)是否有效。輸出設(shè)備和慣性（響應(yīng)速度）與干擾的耐受能力也有很大關(guān)系。慣性大的輸出設(shè)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(shè)備（如通行口、顯示設(shè)備）耐受能力就小一些。在軟件上，最為有效的方法就是重復(fù)輸出同一個數(shù)據(jù)。只要有可能， 24 其重復(fù)周期盡可能短些。外設(shè)設(shè)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(yīng)，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(shè)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(dāng) CPU 受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。當(dāng)程序彈飛到某一字節(jié)指令上時，便自動納入正軌。當(dāng)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(dāng)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(yīng)多 采用單字節(jié)指令（ NOP)或?qū)巫止?jié)指令重復(fù)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(jìn)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