【文章內(nèi)容簡介】 (10) ASMIC 技術的發(fā)展。如一 MCU 為核 心的專用集成電路（ ASIC） [3]。 4 1 遙控小汽車的總體設計 總體設計思路 本設計主要利用 AT89C2051 單片機作遙控發(fā)射器及接收處理器實現(xiàn)對電動小汽車行駛過程進行控制，無線傳送用接收 /發(fā)射模板完成，采用紅外遙控技術，通過遙控命令對小汽車行駛狀態(tài)進行控制，如前進、后退、左轉和右轉，通過橋式開關電路驅動電機。并配合相應的傳感器實現(xiàn)小汽車的自動避障，當小汽車檢測到四周都有障礙物時，能夠實現(xiàn)自動停車。其中，主要研究內(nèi)容為：單片機驅動電機、發(fā)射與接收電路板，紅外傳感 器的應用等。設計結果應符合以下指標： (1) 通過簡單的 I/O 口操作實現(xiàn)小汽車的前進、后退、左轉、右轉； (2) 在行走過程中可以改變小車的運動狀態(tài)，實現(xiàn)小汽車的自動避障； (3) 在超出一定范圍時能夠自動停車。 設計方案論證與比較 軌跡探測模塊設計與比較 方案一：使用簡易光電傳感器結合外圍電路探測。 由于所采用光電傳感器實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為 該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該 方案。 方案二：利用兩只光電開關。 分別置于軌道的兩側，根據(jù)其接受到白線的先后來控制小車轉向來調(diào)整車向，但測試表明，如果兩只光電開關之間的距離很小，則約束了速度 ,如果著重于小車速度的提升，則隨著車速的提升，則勢必要求兩只光電開關之間的距離加大，從而使得小車的行駛路線脫離軌道幅度較大，小車將無法快速完成準確的導向從而有可能導致尋跡失敗。 方案三：用三只光電開關。 一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側，當小車脫離軌道時，即當置于中間的5 一只光電開關脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調(diào)整，直到中 間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛?，F(xiàn)場實測表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺（因為所購小車的內(nèi)部結構決定了光電開光之間的距離到達不了精確計算值 1厘米），但只要控制好行駛速度就可保證車身基本上接近于沿靠軌道行駛。 綜合考慮到尋跡準確性和行駛速度的要求，采用方案三 [5]。 數(shù)據(jù)存儲比較 方案一：采用外接 ROM 進行存儲。 采用外接 ROM 進行存儲是保存實驗數(shù)據(jù)的慣用方法，其特點是在單片機斷電之后仍然能保存住數(shù)據(jù)，但無疑將增大軟硬開銷和時間開銷。 方案二：直接用單片機內(nèi)部的 RAM 進行存儲。 雖然不能在斷電后保存數(shù)據(jù)，但可以在實驗結束后根據(jù)按鍵顯示相應值。而且本實驗的數(shù)據(jù)存儲不大，采用 RAM 可以減少 IO 接口的使用，便利 IO 接口分配，故此方案具有成本低、易實現(xiàn)的優(yōu)點，更符合實際需求。 鑒于方案二的以上優(yōu)點，綜合比較，本方案采用方案二 [6]。 障礙探測模塊方案分析與比較 考慮到在測障過程中小車車速及反應調(diào)向速度的限制，小車應在距障礙物 40CM的范圍內(nèi)做出反應，這樣在順利繞過障礙物的同時還為下一步駛入車庫尋找到最佳的位置和方向。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；范 圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實現(xiàn)理想定向方案。 方案一：采用一只紅外傳感器置于小車中央。 一只紅外傳感器小車中央安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉向反應。 方案二：采用二只紅外傳感器分置于小車兩邊。 二只紅外傳感器分別置于小車的前端兩側，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反應。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外傳感器用到的幾率很小，所6 以最 終未采用。 方案三、采用一只紅外傳感器置于小車右側并與小車前進方向呈一固定角度。 基于對 C 點后行車地圖中光源及障礙物尺寸、位置的分析，我們采用了從 C 點出發(fā)即獲得光源對行車方向的控制，在向光源行駛的過程之中檢查障礙物并做出相應的反應，這樣不僅只使用一只紅外傳感器就實現(xiàn)了避障，而且避免因小車自然轉彎而導致的盲目方向控制，同時為后面以最簡單直接的路線和在最短時間內(nèi)駛入車庫創(chuàng)造了機會。 智能小車應以準確、智能見優(yōu)，采用方案三 [。 課題設計背景 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電 子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。本設計就是在這樣的背景下提出的，指導教師已經(jīng)有充分的準備 [8]。同時科學家研究出各種能取代人的自動化勞動工具，能從事一些需要勞動力大、威脅性大的工作。遙控小汽車的出現(xiàn)，也改變一些特殊場合的工作，它可以從事考古、機器人、醫(yī)療器械等方面的工作，為人門帶來很大的方便。本設計采用 89C51 系列單片機設計一種體積小、操作簡單的 遙控小汽車，主要控制小汽車能前進、后退、左轉、右轉及自動駕駛，碰到障礙時能自動改變行駛 方向。本次設計基于完備的軟硬件系統(tǒng)，很好的實現(xiàn)了小車遙控、任意曲線行駛、路線記錄與重放、自動避障，里程統(tǒng)計并發(fā)出指示信息等功能 [9]。 7 課題設計內(nèi)容及關鍵技術 （ 1）掌握 AT89C2051 作遙控發(fā)射器及接受器的原理 （ 2）設計遙控小汽車系統(tǒng)硬件電路 （ 3）了解系統(tǒng)內(nèi)存資源的分配 （ 4）完成硬件部分設計結合軟件部分進行調(diào)試 本章小結 本章主要闡述遙控小汽車的總體設計思路、設計背景、設計內(nèi)容及關鍵技術，列出設計方案論證與比較，為后文打下基礎。 8 2 遙控小汽車的硬件設計 硬件設計的整體思路 一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如 ROM﹑ RAM﹑ I/O 口﹑定時 /記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器﹑打印機﹑ A/D﹑ D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。 本設計采用 AT89C2051 作遙控發(fā)射器及接收處理器，汽車前進、后退與轉向分別用 2個電機，采用橋式開關電路驅動電機。無線傳送 用接收 /發(fā)射模塊完成。小汽車能前進、后退、左轉、右轉及自動駕駛（碰到障礙時能自動改變行駛方向）。 通過AT89C2051 能實現(xiàn)遙控小車的轉向及自動規(guī)避功能。由于 89C2051 內(nèi)部程序存貯器為Flash，所以修改它內(nèi)部的程序十分方便快捷，只要配備一個可以編程 89C2051 的編程器即可 [11]。調(diào)試人員可以采用程序編輯 編譯 固化 插到電路板中試驗這樣反復循環(huán)的方法，對于熟練的 MCS51 程序員來說，這種調(diào)試方法并不十分困難。當做這種調(diào)試不能夠了解片內(nèi) RAM 的內(nèi)容和程序的走向等有關信息。將普通 8031/80C31 仿真器的仿真插頭中 ～ 和 ～ 引出來仿真 205T,這種方法可以運用單步、斷點的調(diào)試方法，但是仿真不夠真實，比如， 2051 的內(nèi)部模擬比較器功能， P1口、 P3 口的增強下拉能力等等。 本設計需要檢測直線行駛區(qū)和沿弧線行駛區(qū)具有一定黑白對比度的黑線。為尋跡發(fā)射和接收電路，共有兩套，分別檢測左側車輪和右側車輪的偏轉情況。采取的是反射取樣式，高亮度的發(fā)光二極管與光敏二極管呈 V字型放置。光敏三極管接收到的信號用 LM358 進行電壓比較與放大。此部分電路的設計具有靈敏度高、可調(diào)節(jié)等特點。 本次設計基于完 備的軟硬件系統(tǒng)，很好的實現(xiàn)了小車遙控、任意曲線行駛、路線記錄與重放、自動避障，里程統(tǒng)計并發(fā)出指示信息等功能。 9 單片機的選擇 MCS51 系列是 INTEL 公司的第二代 8位單片機，與 MCS48 系列相比，其 I/O 功能和指令系統(tǒng)有很大改善和增強，目前該系列在全國還有較多廣泛的應用。 MCS51與 MCS48 系列一樣， CPU 操作采用累加器結構，外部數(shù)據(jù)進入 ALU 必須通過 ACC 累加器，因此存在著信息流通的瓶頸現(xiàn)象，降低了運算效率。再有 MCS51 單片機的最有特色的是具有豐富的可位尋址的處理功能，在其硬件結 構中有位處理機，包括有位累加器 C(既進位標志 CY),有位存儲器（既內(nèi)部 RAM 和 SFR 的可尋址位），還有一套位指令，使得開關量控制系統(tǒng)的設置變的十分方便。 單片機和微型計算機類似，具有三總線，可以進行算術運算和邏輯運算。它與微型計算器在內(nèi)在表現(xiàn)和外在表現(xiàn)方面又有許多差別。概括起來，單片機具有以下特點： (1) 存儲器 ROM 和 RAM 是嚴格分工的。 (2) 采用面向控制的指令系統(tǒng)，在實時控制方面，尤其是在“位”操作方面單片機有著不俗的表現(xiàn)。 (3) 應用注重現(xiàn)場工程，因此體積小。 (4) 品種規(guī)格的系列化，屬于同 一個產(chǎn)品系列的，不同型號的單片機，通常具有相同的內(nèi)核，相同或者兼容的指令系統(tǒng)。其主要的差別僅是在片內(nèi)配置了一些不同種類或不同數(shù)量的功能部件，以適應不同的被控對象。 (5) 單片機的硬件功能具有廣泛的通用性。同一種單片機可以在不同的控制系統(tǒng)中，只是其中所配置的軟件不同而已。 (6) 只有借助專門的開發(fā)系統(tǒng)進行開發(fā)。 (7) 功耗低，價格低 ] [。 目前，許多單片機類電路實驗都是以 89C51 系列為基礎來應用的。這是因為 MCS— 51 系列單片機是以 8 位單片機為基礎，形成了單片機的經(jīng)典體系結構。 MCS— 5l系列的 C51 成為許多半導體廠家、電氣公司競相選用納對象，并以此為基核，推出了許多兼容性的 CHMOS 單片機。這些單片機都具有很好的兼容性，并存很強的生命力，統(tǒng)稱為 89C5l 系列。再說單片機體積小、功能全、性價比高的諸多優(yōu)點，它的10 出現(xiàn)，在工業(yè)控制，尖端武器、通信設備、信息處理、家用電器等各測、控等領域的應用中獨占鰲頭，本課題以 89C51 系列為基礎，軟件與硬件相結合的思想設計一輛遙控小車。 89C51 單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處 理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行 I/O 口、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結構依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式 [15]。 (1) 微處理器 該單片機中有一個 8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。 (2) 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為 128 個字節(jié)，片外最多可外擴至 64k 字節(jié)，用來存儲程序在運 行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。 (3) 程序存儲器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至 64k 字節(jié)。 中斷系統(tǒng) 具有 5個中斷源， 2 級中斷優(yōu)先權。 (4) 定時器 /計數(shù)器 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器， 具有四種工作方式。 (5) 串行口 1個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行 I/O口，甚至與多個單片機相連構成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且 應用更廣。 (6) P1 口、 P2 口、 P3口、 P4 口 11 為 4 個并行 8位 I/O 口。 (7) 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， 89C51 單片機的硬件結構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 CPU 中的位處理器，它實際上是一個完整的 1 位微計算機，這個一位微計算機有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 1 位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8 位機在數(shù)據(jù)采集，運 算處理方面有明顯的長處。 MCS51單片機中 8 位機和 1 位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術上的一個突破，這也是 MCS51單片機在設計的精美之處。 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng) ,或者稱為最小應用系統(tǒng) ,是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng) .對 51 系列單片機來說 ,最小系統(tǒng)一般應該包括 :單片機、晶振電路、復位電路 . 89C51 是片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用 89C51 單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可 。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元 [16]。其應用特點： (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) 應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。 單片機最小系統(tǒng)的結構：單片機要正常運行，必須具備一定的硬件條件，其中最主要的就是三個基本條件： 電源正常 ； 時鐘正常 ； 復位正常 。 在 AT89S51 單片機的 40 個引腳中：電源引腳 2 根，晶振引腳 2根，控制引腳 4根，可編程輸入輸出引腳 32 根。 工作電源： 電源是單片機工作的動力源泉，對應的接線方法為： 40 腳（ VCC）電源引腳，工作時接 +5V電源， 20腳（ GND）為接地線。 復位電路 :由電容串聯(lián)電阻構成 ,由圖并結合 電容電壓不能突變 的性質 ,可以12 知道 ,當系統(tǒng)一上電 ,RST 腳將會出現(xiàn)高電平 ,并且 ,這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC 值來決定 .典型的 51 單片機當 RST 腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位 ,所以 ,適當組合 RC 的取值就可以保證可靠的復位 .一般教科書推薦 C 取 10u,R 取 ,原則就是要讓 RC 組合可以在 RST腳上產(chǎn)生不少于 2個機器周期的高電平。 晶振電路 :時鐘電路為單片機產(chǎn)生時序脈沖，單片機所有運算與控 制過程都是在統(tǒng)一的時序脈沖的驅動下的進行的，如果單片機的時鐘電路停止工作（晶振停振），那么單片機也就停止運行了。當采用內(nèi)部時鐘時，連接方法如下圖所示，在晶振引腳 XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）引腳之間接入一個晶振，兩個引腳對地分別再接入一個電容即可產(chǎn)生所需的時鐘信號，電容的容量一般在幾十皮法，如 30PF。 典型的晶振取 (因為可以準確地得到 9600波特率和 19200波特率 ,用于有串口通訊的場合 )/12MHz(產(chǎn)生精確的 uS 級時歇 ,方便定時操作 )。 控制引腳 EA 接法。 EA/VPP（ 31 腳）為內(nèi)外程序存儲器選擇控制引腳，當 EA 為低電位時，單片機從外部程序存儲器取指令；當 EA接高電平時，單片機從內(nèi)部程序存儲器取指令。 AT89S51 單片機內(nèi)部有 4KB 可反復擦寫 1000 次以上的程序存儲器，因此我們把 EA 接到 +5V 高電平，讓單片機運行內(nèi)部的程序，我們就可以通過反復燒寫來驗證我們的程序了。 單片機最小系統(tǒng)的性能： 89S51 相對于 89C51 增加的新功能包括： ISP 在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個強大易用的功能。最高工作頻率為 33MHz，大 家都知道 89C51 的極限工作頻率是 24M，就是說 S51 具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度。具有雙工 UART 串行通道。 內(nèi)部集成看門狗計時器，不再需要像 89C51 那樣外接看門狗計時器單元電路。 雙數(shù)據(jù)指示器。 電源關閉標識。全新的加密算法，這使得對于89S51 的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加強，這樣就可以有效的保護知識產(chǎn)權不被侵犯。兼容性方面：向下完全兼容 51全部字系列產(chǎn)品。比如 805 89C51 等等早期 MCS51兼容產(chǎn)品。也就是說所有教科書、網(wǎng)絡教程上的程序（不論教科書上采用的單片機是 8051 還是 89C51 還是 MCS51 等等），在 89S51 上一樣可以照常運行，13 + 5 V( 3 V )備用V dd \ 20P 1 . 7 \ 19P 1 . 6 \ 18P 1 . 5 \ 17P 1 . 4 \ 16P 1 . 3 \ 15P 1