【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，并 用數(shù)碼管顯示運(yùn)動(dòng)速度的設(shè)計(jì)方案。 系統(tǒng)組成 根據(jù)滅火機(jī)器人的功能要求，設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人主要由控制器、 顯示 模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、滅火模塊 、報(bào)警模塊 以及電源模塊等組成。 本系統(tǒng)的方框圖如圖 21 所示。 電 源 模 塊火 焰 檢 測(cè) 模 塊速 度 測(cè) 定 模 塊速 度 顯 示 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 模 塊滅 火 風(fēng) 扇 及 其 驅(qū) 動(dòng)報(bào) 警 模 塊控制器模塊 圖 21 系統(tǒng)方框圖 方案論證與比較 單片機(jī) 的方案論證與比較 方案 一 ：采用可編程邏輯器件 CPLD作為控制器。 CPLD可以實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、 IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。 方案 二 ：控制器的核心采用凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的 16 位單片機(jī) SPCE061A。 SPCE061A 內(nèi)置 2KB SRAM、內(nèi)嵌 32KB 的 FLASH、 2 路 PWM輸出 ， 8 路 AD 輸入 ， 32 路 I/O 口 ， 因此基本無(wú)需外部擴(kuò)展 。內(nèi)置音頻模塊 ； 在線調(diào)試和燒寫程序只需一根串口線與計(jì)算機(jī) 25 針并口連接 ,無(wú)需仿真器。 方案 三 ： 采用 P89V51RD2 單片機(jī)， P89V51RD2 是一款 80C51微控制器，包含了 64KBFLASH 和 1024字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM。 P89V51RD2 比較簡(jiǎn)單可靠，編程容易 。 本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度要求也不是很高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮，選擇方案三。 電源模塊的方案論證與比較 由于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 有 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、傳感器模塊、處理電路模塊等都 需要有 5V 電源，所以電源在本系統(tǒng)中有著比較重要的地位，它是整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作的保證。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 4 方案一：采用 12V 蓄電池為系統(tǒng)供電，經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成芯片 7805 的電壓變換得到 5V 的電壓 ， 為單片機(jī)和傳感器供電。 方案二：采用 MC34063 降壓變換。 MC34063 是單片 DC/DC 變換器，只需配用少量的外部元件，就可以組成升壓、降壓、電壓反轉(zhuǎn) DC/DC變換器。該系列變換器的電壓輸入范圍為 3～ 40V，輸出電壓可以調(diào)整，輸出開關(guān)電流可達(dá) ；工作頻率可達(dá) 100kHz，內(nèi)部參考電壓精度為 2％。雖然 MC34063效率高，工作 穩(wěn)定，但是電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，電器元件的參數(shù)選擇困難，尤其是電感選擇是最困難的。 綜上所述：選擇方案一，采用三端集成芯片 7805 輸出穩(wěn)定電壓。 測(cè)速模塊 的方案論證與比較 由于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)是要完成速度的測(cè)量，其實(shí)就是完成轉(zhuǎn)速的測(cè)量。傳感器就是要完成測(cè)量轉(zhuǎn)速的任務(wù)，它是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊 。 方案一：采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的原理就是把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后單片機(jī)采集電壓信號(hào)即可完成轉(zhuǎn)速的測(cè)量。它運(yùn)行可靠，但體積大，精度低，且由于測(cè)量值是模擬量，必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后 才能 讀入計(jì)算機(jī)。 方案二：采用旋 轉(zhuǎn)編碼器，編碼器每旋轉(zhuǎn)一周，就會(huì)輸出特定數(shù)目的脈沖。在單位時(shí)間內(nèi)記錄讀取到旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖數(shù)，即可 得到 旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。雖然旋轉(zhuǎn)編碼器精度高，使用簡(jiǎn)單。但是價(jià)格太貴，安裝不方便。 方案三：采用紅外發(fā)射接收管，把發(fā)射管固定在車輪上，接收管固定在支架上。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)到某個(gè)特定位置時(shí)，接收管收到發(fā)射管的信號(hào)，產(chǎn)生脈沖。這樣就能以計(jì)脈沖的方式來測(cè)速。此法原理簡(jiǎn)單，但是精度不高，容易丟脈沖，固定發(fā)射接收管較為困難。 方案四：采用霍爾元件，通常將永磁鐵固定在 背 側(cè)旋轉(zhuǎn)體上，當(dāng)它轉(zhuǎn)到與霍爾元件正對(duì)位置時(shí)，輸出的霍爾電壓 最高。根據(jù)這個(gè)原理，通過電子電路計(jì)出每分鐘霍爾器件輸出高脈沖的個(gè)數(shù)，即可得到被測(cè)旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上安裝的磁鐵個(gè)數(shù)越多，轉(zhuǎn)速測(cè)量的分辨率就越高。此法安裝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，容易測(cè)量。 綜上所述：選擇方案四，采用霍爾元件。 顯示模塊 的方案論證與比較 根據(jù)題目的要求，需要在車上顯示小車當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的速度。顯示模塊成了不可或缺的一個(gè)模塊。 方案一：數(shù)碼管。 8 段數(shù)碼管屬于 LED發(fā)光器件的一種，分為 8 段： A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 DP，其中 DP 是小數(shù)點(diǎn)位，還包括一個(gè)公共端 COM端。從電氣上， 8段數(shù)碼管又分 為共陰和共陽(yáng)兩種。共陰指數(shù)碼管的公共端接負(fù)極，而各段接正極；共陽(yáng)則正好相反。數(shù)碼管顯示雖然簡(jiǎn)單編程容易，但是它只能夠顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字和字母，而且功耗較大。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 5 方案二： 1602 液晶模塊也是一種顯示器件，具有顯示形式豐富，顯示質(zhì)量高，接口簡(jiǎn)單，體積小重量輕，功耗小的特點(diǎn)。液晶顯示模塊根據(jù)顯示方式和內(nèi)容的不同可以分為，數(shù)顯液晶模塊，液晶點(diǎn)陣字符模塊和點(diǎn)陣圖形液晶模塊三種。數(shù)顯液晶模塊是一種段型液晶顯示器件和專用的集成電路組成一體的功能部件，只能顯示數(shù)字和一些標(biāo)識(shí)符號(hào)。液晶點(diǎn)陣字符模塊是有點(diǎn)陣字符液晶顯示器件與驅(qū)動(dòng)器。 控制器等裝配而成，可以顯示數(shù)字和西文字符，但不能顯示圖形。點(diǎn)陣圖形液晶模塊的點(diǎn)陣像素連續(xù)排列，行和列在排布中均沒有空隔。因此不僅可以顯示字符，而且也可以顯示連續(xù)完整的圖形。 1602操作方便，帶有內(nèi)置的 192 種字符。顯示時(shí)只要按照其時(shí)序要求初始化好顯示方式，并把要顯示的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的位置 RAM就可以了。 LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就顯示黑色，這樣就顯示出圖形 。 液晶顯示器具有厚度薄、適于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)。 考慮到 本系統(tǒng)進(jìn)行顯 示 的 內(nèi)容僅為數(shù)字，故采用方案一數(shù)碼管顯示 便可滿足條件 。 車體設(shè)計(jì)的方案論證與比較 方案一：購(gòu)買玩具車。購(gòu)買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。但是一般的來說，玩具電動(dòng)車具有如下缺點(diǎn)：首先，這種玩具電動(dòng)車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動(dòng)車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)，不能方便迅速地實(shí)現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn) 90 度甚至180 度的彎角。再次，玩具電動(dòng)車的電機(jī)多為玩具直流電機(jī)，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動(dòng)車一般都價(jià)格不菲。 方案二：自己制作電 動(dòng)車。經(jīng)過反復(fù)考慮論證，制定了左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，前后萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，前后裝兩個(gè)萬(wàn)向輪。這樣， 當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)小車的原地旋轉(zhuǎn)。 在安裝時(shí)，不把兩個(gè)萬(wàn)向輪裝在兩個(gè)平面上。當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與前萬(wàn)向輪形成三點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)。對(duì)于車架材料的選擇，經(jīng)過比較選擇了厚實(shí)的塑料車架，經(jīng)濟(jì)又美觀。 綜上考慮，選擇方案二。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 的方案論證與比較 方案一：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。 由 分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉、在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。 方案二：采用專用芯片 L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它響應(yīng)頻率高，一片 L298N 可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。 綜上所述 ，選用方案二。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 6 第三章 單元電路設(shè)計(jì) 主控制器 單片機(jī)概述 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管 它 的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一 個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 早期的單片機(jī)都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很 廣泛的應(yīng)用。 90 年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用， 32 位單片機(jī)迅速取代 16 位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦等里面都可以看見它。 單片機(jī) P89V51RD2 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eA3D a t e : 27 M a y 20 10 S he e t of F i l e : C : \ D oc u m e nt s a nd S e t t i ng s \ A dm i ni s t r a t o r \ 桌面 \ E x a m pl e s \ M yD e s i gn .dd bD r a w n B y :E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U2P 89 V 5 1R D 2Y111 .05 9 2MC130pC230pV S S9VS4O U T 12O U T 23O U T 414O U T 313I S E N A1I S E N B15I N 15I N 27I N 310I N 412E N A6E N B11GND8L 29 8 N+C322uS1V C CV C C12345671112131415169810U3T L P 52 1R51KR61KR71KR81KR 131KR 141KR 151KR 161KC 10 uFC 14 uF+ C810 0 uF+ C 1210 0 uFD2 D6 D 10 D 14D3 D7 D 11 D 1512M112M2P P P P P P P P 123J1C O N 3R 191KGNDV C CI N T 0I N T 0R 20R E S 2R S TR S T12345678J4C O N 8P P P P P P P P P P P P P P P P K E Y 1K E Y 2K E Y 3123J5C O N 3K E Y 1K E Y 2K E Y 3V C CV C CV C CQ290 1 3L S 1S P E A K E RV C CR 21R E S 2P P + 12C2 uFC4 uF+C147 0 uF+C347 0 uF123J1C O N 3S1P ow e rV i n1GND2V ou t3U278 0 5R11KD1P L E DV C CD1I 40 07D2I N 4 00 7R1KQ190 1 3滅火風(fēng)扇V C CU i n 圖 31 單片機(jī) P89V51RD2 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 7 P89V51RD2是一款 80C51微控制器，是 80C51的核心單元；單一 +5V的工作電壓， 40MHz 時(shí)鐘頻率；64kB 的片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器和 1024 字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM。具有 ISP(在系統(tǒng)編程）和 IAP（在應(yīng)用中編程）功能。通過軟件或 ISP 選擇支持 12 時(shí)鐘（默認(rèn)）或 6 時(shí)鐘模式； SPI（串行外圍接口）和增強(qiáng)型 UART，PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）具有 PWM和捕獲 /比較功能。 4 個(gè) 8 位 I/O