【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 P Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)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(wèn)題。利用AT89S51 的 I／ O 端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí) 判斷 監(jiān)控 來(lái) 控制 步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映 。 如圖 41 是較為常見(jiàn)的帶燒錄接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。 圖 41 帶燒錄接口的單片機(jī)最小 系統(tǒng) 15 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)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(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)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(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST 通過(guò)一個(gè)觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)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(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指計(jì)算機(jī)加電瞬間，要在 RST 引腳出現(xiàn)大于 10MS 的正脈沖，使 單片機(jī)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(jī)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(shí)用電路。 上電時(shí)， +5V 電源立即對(duì)單片機(jī)芯片供電，同時(shí)經(jīng)電阻 R 對(duì)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(jī)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位。按鈕按下時(shí)， RST 上同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)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(jī)一致，則可以與單片機(jī)復(fù)位腳相連，非門(mén)在這里不僅起了反向作用，還增大了驅(qū)動(dòng)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(dòng)作。 16 尋 跡是指小車(chē)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(cè)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(diǎn)，在小車(chē)行駛過(guò)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(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車(chē)上的接收管接收不到紅外光 [7]。 由此過(guò)程來(lái)改變接收管的輸出電壓， 單片機(jī) 以電壓的變化 為依據(jù)來(lái) 執(zhí)行小車(chē)電機(jī) 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(shí)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(gè)紅外線尋跡過(guò)程實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)，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(jī)有效接收電平。 小車(chē)進(jìn)入 尋 跡模式后，即 單片機(jī) 開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī) I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè) I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序 ,先確定 2個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探 18 測(cè)到了黑線，如果左面?zhèn)鞲衅?（紅燈亮） 探測(cè)到黑線，即小車(chē)左半部分壓到黑線，車(chē)身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車(chē)向左轉(zhuǎn)；如果右面?zhèn)鞲衅?（黃燈亮） 探測(cè)到了黑線，即車(chē)身右半部壓住黑線，小車(chē)向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車(chē)再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作 ，實(shí)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(guò)大而燒壞；由 R14和一個(gè)可變電阻組成的電路為參考電壓電路，由于檢測(cè)小車(chē)行駛的過(guò)程會(huì)因環(huán)境或則黑線材料的改變使輸出電壓成一個(gè)變化值，所以通過(guò)可變電阻來(lái)改變參考電壓，使能正常運(yùn)行；同時(shí) R12和 R20為上拉電阻，讓輸入單片機(jī)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(duì)傳感器在起作用。 第四章 軟件設(shè)計(jì) 小車(chē)通過(guò)紅外傳感器獲得路徑信息。通過(guò) AT89S52 進(jìn)行判斷小車(chē)所處的狀態(tài)，通過(guò)控制 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制電機(jī)加速或減速 及轉(zhuǎn)向進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，小車(chē)的速度通過(guò) PWM 控制進(jìn)行調(diào)速，小車(chē)轉(zhuǎn)彎的力度通過(guò) PWM 控制 。 小車(chē)通過(guò)兩組傳感器獲得信息，因此可將小車(chē)分成 5 種狀態(tài)，不同的狀態(tài)下，小車(chē)有不同的動(dòng)作。 黑線正中狀態(tài) 傳感器 黑線 19 黑線處在中間位置時(shí)，中間兩個(gè)傳感器都能檢測(cè)到黑線存在，當(dāng)小車(chē)處于此狀態(tài)時(shí)，小車(chē)方向不變，如果小 車(chē)沒(méi)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(cè)到黑線存在，當(dāng)小車(chē)處于此狀態(tài)時(shí)，小車(chē)必須保證能尋找黑線而必須減速，并且小車(chē)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(cè)到黑線存在，當(dāng)小車(chē)處于 此狀態(tài)時(shí)，小車(chē)必須保證能尋找到黑線而必須減速，并且小車(chē)略微右轉(zhuǎn)。 20 避免左邊有傳感器壞掉，或防止左邊有一個(gè)傳感器檢測(cè)不到黑線存在，當(dāng)小車(chē)處于此狀態(tài)時(shí)，小車(chē)必須保證能尋找黑線而必須減速，并且小車(chē)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(gè)傳感器檢測(cè)不到黑線，所以右傳感器檢測(cè)到黑線存在，當(dāng)小車(chē)處于此狀態(tài)時(shí)，小車(chē)必須保證能尋找到黑線而必須減速，并且小車(chē)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(guó)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(lái)，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(dòng)控制系統(tǒng)隨著被控對(duì)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(qiáng)偶合性、參數(shù)時(shí)變性和嚴(yán)重的非線性等特性 ，更突出的是從系統(tǒng)對(duì)象所能獲取的知識(shí)信息量相對(duì)的減少，以及與此相反的對(duì)控制性能的要求卻日益高度化。 如今，對(duì)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(wèn)題的研究成果已進(jìn)入實(shí)用化時(shí)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(jī)的控制等。 目前，模糊控制技術(shù)有了更大的發(fā)展，過(guò)去將大型機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程作為控制對(duì)象，而現(xiàn)在模糊控制技術(shù)已經(jīng)開(kāi)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(yǔ)言對(duì)操作者的手動(dòng)小車(chē)初始化函數(shù) 開(kāi)始 獲得小車(chē)狀態(tài)函數(shù) 根據(jù)得到的狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)小車(chē)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(lái)源是根據(jù)操作者對(duì)被控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)性的認(rèn)識(shí)、表達(dá)和對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)，從這些抽出輸入和輸出關(guān)系，加以描述，實(shí)質(zhì)上就是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是人工操作控制，并不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。為了模擬人工控制過(guò)程，對(duì)人工控制操縱的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些模糊語(yǔ)句，此時(shí)就構(gòu)成了一個(gè)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(duì)于模糊控制規(guī)則的建立方法很多，主要有：以專(zhuān)家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)建立模糊控制規(guī)則；以熟練操作者的手動(dòng)操作策略、經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)建立模糊控制規(guī)則，根據(jù)被控對(duì)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(guò)程，如果由人來(lái)實(shí)現(xiàn)，都是按照這樣的一個(gè)順序進(jìn)行的：感覺(jué)器官的觀測(cè)（獲取信息） 人腦的思維、判斷（存儲(chǔ)和處理信息） 手動(dòng)的調(diào)整（信息的實(shí)施）。 智能小車(chē)中的模糊控制算法 本設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則的建立方法 是：智能小車(chē)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)建立模糊控制規(guī)則。其主要控制過(guò)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(jué)器官獲取信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)相當(dāng)于人的大腦，可以存儲(chǔ)和處理信息，通過(guò)訓(xùn)練樣本庫(kù)，測(cè)試出小車(chē)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(hào)、語(yǔ)音信號(hào)等，從而命令智能小車(chē)執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成智能行駛。 提高玩具車(chē)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(lái)克服某些干擾 [6]。在單片機(jī)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(wú)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(kāi)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中，均含有種種噪音和干擾，它們來(lái)自被測(cè)量本身、傳感器、外界干擾等。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪音和干擾。對(duì)于這類(lèi)信號(hào)，采用積分時(shí)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(jī)信號(hào)，它不是周期信號(hào)。對(duì)于隨機(jī)干擾，我們可以用數(shù)字濾波方法予 以削弱或?yàn)V除。所謂數(shù)字濾波，就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號(hào)中的比重。故實(shí)質(zhì)上它是一種程序?yàn)V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(gè)優(yōu)點(diǎn)： 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(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便，功能強(qiáng)的特點(diǎn)。 數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)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(diǎn)，所以數(shù)字濾波在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。 開(kāi)關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù) ： 干 擾信號(hào)多呈毛刺狀，作用時(shí)間短，利用這一點(diǎn)，我們?cè)诓杉骋婚_(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，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(hào)總是變化不定，可停止采集，給出報(bào)警信號(hào)，由于開(kāi)關(guān)量信號(hào)主要是來(lái)自各類(lèi)開(kāi)關(guān)型狀態(tài)傳感器，如限位開(kāi)關(guān)、操作按鈕、電氣觸點(diǎn)等，對(duì)這些信號(hào)的采集不能用多次平均的方法，必須絕對(duì)一致才行。如果開(kāi)關(guān)量信號(hào)超過(guò) 8個(gè)，可按 8 個(gè)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(lèi)似方法處理。在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下，如果在各次采集數(shù)字信號(hào)之間接入一段延時(shí)，效果會(huì)好一些，就能對(duì)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(duì)干擾的敏感性相對(duì)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(shí)，它就會(huì)盲目鎖存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，也不管此時(shí)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(lèi)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)）對(duì)‘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(gè)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(gè)被干擾的錯(cuò)誤信息后，還來(lái)不及作出有效的反應(yīng)，一 個(gè)正確的信息又來(lái)了，就可及時(shí)防止錯(cuò)誤動(dòng)作的產(chǎn)生。另外，各類(lèi)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(hào)，對(duì)于重要的輸出設(shè)備，最好建立檢測(cè)通道， CPU 可以檢測(cè)通道來(lái)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(lái)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(shí)，便自動(dòng)納入正軌。當(dāng)彈飛到某一雙字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò)。當(dāng)程序彈飛到三字節(jié)指令上時(shí)，因它有兩個(gè)操作數(shù)，繼續(xù)出錯(cuò)的機(jī)會(huì)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(shū)寫(xiě)，這便是指令冗余。指令冗余無(wú)疑會(huì)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(duì)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(duì)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