【導(dǎo)讀】合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類(lèi)課題。本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為目的，采用80C51單片。機(jī)為控制核心，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車(chē)的自動(dòng)避障，整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足要求，本文著重介紹。通過(guò)編程來(lái)控制小車(chē)的速度；傳感器的有效應(yīng)用；隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車(chē)的研究也就越來(lái)越受人關(guān)注。就是在這樣的背景下提出的，指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準(zhǔn)備。本題目是結(jié)合科研項(xiàng)。設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車(chē)應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速

　　

【正文】 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) 30 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。 由于數(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)中得到了廣泛的應(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(mǎn)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，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 31 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平無(wú)事了，解決這個(gè)問(wèn)題必須采用軟件容錯(cuò)技術(shù)。 （ 4）軟件陷阱技術(shù)： 指令冗余使彈飛的程序安定下來(lái)是有條件的。首先，彈飛的程序必須落到程序區(qū)；其次，必須執(zhí)行到冗余指令。所謂軟件陷阱，就是一套引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專(zhuān)門(mén)對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。如果我們把這 段程序的入口標(biāo)號(hào)記為 ERR 的話，軟件陷阱即為一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，為了加強(qiáng)其捕捉效果，一般還在它前面加兩條 NOP 指令，因此真正的軟件陷阱由 3條指令構(gòu)成： NOP NOP ERR 軟件陷阱安排在以下四種地方： (1)未使用的中斷向量區(qū)。 (2)未使用的大片 ROM 空間 (3)表格 程序區(qū) 由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序執(zhí)行效率，在當(dāng) 前 EPROM 容量不成問(wèn)題的條件下，還是多多益善。 （五）“看門(mén)狗”技術(shù) PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。指令技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，這時(shí)系統(tǒng)完全癱瘓。如果操作者在場(chǎng)，就可以按下人工復(fù)位安鈕，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。但操作者不能一直監(jiān)視著系統(tǒng)，也往往是在引起不良后果之后才進(jìn)行人工復(fù)位。為使程序脫離“死循環(huán)”，通常采用“看門(mén)狗技術(shù)”?！翱撮T(mén)狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過(guò)已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強(qiáng)迫程序返回到 0000H 入口，在 0000H處安排一段出錯(cuò)處理程序，使系統(tǒng)運(yùn)行納入正規(guī)。 “ 看門(mén)狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，可由軟件實(shí)現(xiàn)，也可由兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用硬件 “ 看門(mén)狗”電路。 實(shí)現(xiàn)硬件 “ 看門(mén)狗”電路方案較多，目前采用較多的方案有以下幾種： 采用微處理器監(jiān)控器； 采用單穩(wěn)態(tài)電路來(lái)實(shí)現(xiàn) “ 看門(mén)狗”，單穩(wěn)定電路可采用 74LS123。 32 采用內(nèi)帶震蕩器的記數(shù)芯片。 本設(shè)計(jì)采用第三種方案實(shí)現(xiàn) “ 看門(mén)狗”電路，下面就對(duì)該方案作以介紹。 (1)基本原理 CD4060 是帶震蕩器的 14位計(jì)數(shù)器，由該芯片構(gòu)成的看門(mén)狗電路如圖 看門(mén)狗電路 圖所示。 4060 記數(shù)頻率由 RT和 CT決定。設(shè)實(shí)際的程序所需工作周期為 T，分頻器記滿(mǎn)時(shí)間為 T’ ,當(dāng) T’ T 且系統(tǒng)正常工作時(shí)，程序每隔 T 對(duì) 4060 進(jìn)行掃描一次，分頻且永無(wú)記滿(mǎn)輸出信號(hào)。如系統(tǒng)工作不正常（如程序跑飛、死循環(huán)等），程序?qū)?4060 發(fā)不出掃描信號(hào)，分頻器記滿(mǎn)輸出一脈沖號(hào)使 CPU 復(fù)位。 (2)參數(shù)選擇 4060 的振蕩頻率 f 由 RT 、 CT決定。 Rs用于改善振蕩器的穩(wěn)定性， Rs 要大于RT。一般取 Rs=10RT，且 RT1kΩ ,CT≥ 100pF。如果 Rs=450Ω， RT=45Ω， CT=1uF,則f=10HZ。 4060 的振蕩頻率和 Qi(i=6,7,8,9,10,12,13,14)的選擇要根據(jù)情況確定。 圖 (3)幾個(gè)原則 看門(mén)狗電路必須由硬件邏輯組成，不宜由可編程計(jì)數(shù)器充當(dāng)，因?yàn)?CPU 失控后，可能會(huì)修改可編程器件參數(shù)，使看門(mén)狗失效。 4060 的 RST 線上阻容組成的微分電路很重要，因?yàn)閽呙栎斎胄盘?hào)是 CPU 產(chǎn)生的正脈沖，若此信號(hào)變“ 1”后，由于干擾，程序亂飛，微分電路只能讓上跳沿通過(guò)，不會(huì)封死 4060，看門(mén)狗仍能計(jì)數(shù)起作用。若沒(méi)有微分電路，掃描輸入信號(hào)上 的“ 1”狀態(tài)封死 4060，使之不能記數(shù)，看門(mén)狗不起作用。 CPU 必須在正確完成所有工作后才能發(fā)掃描輸入信號(hào)，且程序中發(fā)掃描信號(hào)的地方不能太多。否則，正好在哪里有死循環(huán)，看門(mén)狗就不產(chǎn)生記滿(mǎn)輸出信號(hào)，不能重新啟動(dòng) CPU。 4060 的記滿(mǎn)輸出信號(hào)不但要接到 MCS51 的 RST 腳，而且還應(yīng)接到其它芯片的 RST 腳，因?yàn)槌绦騺y飛后，其它具有 RST 腳的芯片也混亂了，必須全部復(fù)位。 （六）可編程邏輯器件 可編程邏輯器件 GAL16V8是 LATTICE公司研制的一種電可擦除的可重復(fù)編程的低密度 PLD 器件。它采用更為靈活的可編 I/O結(jié)構(gòu)，并采用了先進(jìn)的 EECOMS工藝，數(shù)秒內(nèi)即可完成芯片的擦除和編程過(guò)程，并可反復(fù)改寫(xiě)，是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制 33 的理想器件之一。 GAL16V8 技術(shù)特性 （ 1）電可擦除工藝 可重編程單元 100％成品率 可重配置邏輯 （ 2）高性能 E2CMOS 工藝 低功耗： 45mA 最大運(yùn)行功耗， 35mA 最大維持功耗 高速度： 15～ 25us 最快存取速度 （ 3） 8個(gè)輸出邏輯單元 對(duì)于復(fù)雜邏輯設(shè)計(jì)具有最大靈活性 GAL16V8 可仿真 20 條引腳的 PAL 器件，具有功能 / 熔絲圖 /參數(shù)的完全兼容性 （ 4）預(yù)置、加電復(fù) 位全部寄存器 （ 5）具有保密單元、電子標(biāo)簽 （ 6）數(shù)據(jù)保持超過(guò) 20年。 80C51 按鍵電路直接由 80C51 接口電路查詢(xún)。消抖 (延時(shí) 20ms)由軟件延時(shí)完成。 34 第五章 測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試結(jié)果分析及結(jié)論 測(cè)試方法與儀器： 測(cè)試儀器 測(cè)試儀器包括秒表、數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器、 MCS51 仿真機(jī)、直流穩(wěn)壓電源等。 測(cè)試方法 數(shù)字萬(wàn)用表主要用來(lái)測(cè)試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止 /導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù)； 信號(hào)發(fā)生器與示波器用于測(cè)試各 光電傳感器信號(hào)的接收與傳輸； MCS51 仿真機(jī)用于測(cè)試軟件； 直流穩(wěn)壓電源在測(cè)試期間為各待測(cè)系統(tǒng)供電； 秒表用于產(chǎn)品測(cè)試，按照任務(wù)書(shū)的基本要求對(duì)制成的電動(dòng)車(chē)進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試。 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析： ⑴ 計(jì)時(shí)精度分析 計(jì)時(shí)系統(tǒng)采用了新型顯示芯片。理論上的誤差不到 1秒 /年。 ⑵ 測(cè)距精度分析 測(cè)速系統(tǒng)采用了電機(jī)軸光電碼盤(pán)檢測(cè)技術(shù)。電機(jī)軸與車(chē)輪軸之間采用了齒輪箱二級(jí)減速，變比 1/16。車(chē)輪周長(zhǎng) 135mm,光電碼盤(pán)與電機(jī)軸安裝在一起，電機(jī)軸每一轉(zhuǎn)產(chǎn)生 2 個(gè)脈沖，車(chē)輪每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 32 個(gè)脈沖，理論測(cè)量精度可達(dá) 135mm/32= ⑶ 定位精度分析 本設(shè)計(jì)采用實(shí)際測(cè)量與軟件補(bǔ)償技術(shù)，理論上可使定位精度提高到誤差 10mm。 35 結(jié)論 歷時(shí)三個(gè)月的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我首先邊查資料，邊在實(shí)驗(yàn)室焊接小車(chē)的線路板。在焊接過(guò)程中，我感覺(jué)到即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，要想很輕松的焊好，也不是很容易的事情。有時(shí)是“虛焊”的原因，有時(shí)可能是阻值選錯(cuò)。在焊接顯示電路時(shí)，我就錯(cuò)將 680歐的電阻焊成了 。這使我深深感受到理論與實(shí)際間的差距。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，提高了我的動(dòng)手能力。每天在實(shí)驗(yàn)室除了焊接線路板，還可以上機(jī)編程，使我軟件調(diào)試知識(shí)也提高了。 本設(shè)計(jì)采用的是 80C51 單片機(jī)，這主要是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)的穩(wěn)定性比較好。還可以采用其它系列的單片機(jī)。比如采用陵陽(yáng)單片機(jī)，就可以簡(jiǎn)化編程，但其穩(wěn)定性不是很好。 致 謝 歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過(guò)自己不斷的搜索努力以及白老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。在 這段時(shí)間里，白老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和熱忱的工作作風(fēng)令我十分欽佩，他的指導(dǎo)使我受益非淺。同時(shí)本系 120實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放也為我的設(shè)計(jì)提供了實(shí)習(xí)場(chǎng)地。在此對(duì)白文峰老師和牛曉升老師表示深深的感謝。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專(zhuān)業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個(gè)月的設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過(guò)程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中一定存在 很多不足之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 36 參 考 文 獻(xiàn) 1 陳伯時(shí) ,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) .北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2 何立民 ,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) .北京：航天航空大學(xué)出版社 3 何希才 ,新型實(shí)用電子電路 400 例 .電子工業(yè)出版社， 4 張毅剛，彭喜元 .新編 MCS51 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì) .第一版，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ,2020,25～ 27,411～ 417 5 趙負(fù)圖，傳感器集成電路手冊(cè) .第一版，化學(xué)工業(yè)出版社， 2020,590～ 591 6李華， MCS51系列單片機(jī) 實(shí)用接口技術(shù)，第三版，北京： 1997 年 7張紅潤(rùn)，實(shí)用自動(dòng)控制，成都：科技大學(xué)出版社。 1990 年 1月 8康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京：高等教育出版社， 1983 年 10月 9潘新民，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，北京：人民郵電技術(shù)出版社， 1988 年 3 月 10趙依軍，單片機(jī)微型接口技術(shù)。北京：人民郵電技術(shù)出版社， 1989 年 3 月 11李廣弟，單片機(jī)基礎(chǔ)，北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 12胡漢才，單片機(jī)原理及其接口技術(shù)，北京：清華大學(xué)出版社， 1996 13王毅，單片機(jī)器件應(yīng)用手冊(cè)，北京：人民郵電出版社， 1995 37 附錄 A 程序清單 limiw equ 30h 。厘米位 miao equ 31h