【正文】 大電路其特點是結(jié)構(gòu)簡單調(diào)試方便價格低廉但是也存在著許多不足如抗干擾能力差共模抑制比低等 方案二采用差動放大電路選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路雖然可以達(dá)到一定的精度但有時仍不能滿足某些特殊要求例如在測量本設(shè)計中的光電檢測信號時需要把檢測過來的電平信號放大并濾除干擾而且要求對共模干擾信號具有相當(dāng)強 的抑制能力這種情況下須采用差動放大電路并應(yīng)設(shè)法減小溫漂但在實際操作中往往滿足了高共模抑制比的要求卻使運算放大器輸出飽和為獲得單片機能識別的 TTL 電平卻又無法抑制共模干擾 方案三電壓比較器方案電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小例如將一個信號電壓 Ui 和一個參考電壓 Ur 進(jìn)行比較在 Ui Ur 和 Ui Ur 兩種不同情況下電壓比較器輸出兩個不同的電平即高電平和低電平而 Ui變化經(jīng)過 Ur時比較器的輸出將從一個電壓跳變到另一個電平 比較器有各種不同的類型對它的要求是鑒別要準(zhǔn)確反應(yīng)要靈敏動作要迅速抗干擾能力要強還應(yīng)有一定的保護 措施以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞 比較器的特點 ⑴ 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)放大運算電路為了實現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿足 一定的精度要求這些電路中的運放均引入了深度負(fù)反饋而為了提高比較器的反應(yīng)速度和靈敏度它所采用的運放不但沒有引入負(fù)反饋有時甚至還加正反饋因此比較器的性能分析方法與放大運算電路是不同的 ⑵ 非線性由于比較器中運放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)它的兩個輸入端之間的電位差與開環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過最大輸出電壓使其內(nèi)部某些管子進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關(guān)系即在放大運算等電路 中常用的計算方法對于比較器不再適用 ⑶1 盡可能使輸入信號接近理想情況使它在閾值附近的變化接近理想階躍 且幅度足夠大 2 選用集成電壓比較器 3 如果選用集成運放構(gòu)成比較器為了提高響應(yīng)速度可以加限幅措施以避免集成運放內(nèi)部的管子進(jìn) 入深飽和區(qū)具體措施多為在集成運放的兩個輸入端并聯(lián)二極管如圖 24 電壓比較器電路所示 圖 242．行車距離檢測 由于紅外檢測具有反應(yīng)速度快定位精度高可靠性強以及 可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點故采用紅外光電碼盤測速方案具體電路同圖 25 行車距離檢測電路所示 圖 25 行車距離檢測電路 紅外測距儀由測距輪遮光盤紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的測長輪的周長為記數(shù)的單位最好取有效值為單一的數(shù)值如本設(shè)計中采用 0180C51 單片機的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)根據(jù)預(yù)先實測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計算出電動機車的行車距離 三 顯示電路 本設(shè)計中用兩片 4位八段數(shù)碼管 gem4561ae作顯示器并具有雙重功能在小車不行駛時其中一片顯示年、月另一片顯示時、分 當(dāng)小車行駛時分別顯示時間和行駛距離 四 系統(tǒng)原理圖 簡易智能電動車采用 80C51 單片機進(jìn)行智能控制開始由手動啟動小車并復(fù)位當(dāng)經(jīng)過規(guī)定的起始黑線由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測通過單片機控制小車開始記數(shù)顯示并避障調(diào)速系統(tǒng)的 自動避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測由單片機控制實現(xiàn)在電動車進(jìn)駛過程中采用雙極式 H型 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)以提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能采用動態(tài)共陰顯示行駛時間和里程 系統(tǒng)原理圖如圖 26 所示 圖 26 系統(tǒng)原理圖 第三章 硬件設(shè)計 一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)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、 IO 口、定時記數(shù)器、中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時必須在片外進(jìn)行擴展選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計相應(yīng)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(shè)備如鍵盤顯示器、打印機 、 AD、 DA 轉(zhuǎn)換器等要設(shè)計合適的接口電路 一 80C51 單片機硬件結(jié)構(gòu) 80C51 單片機是把那些作為控制應(yīng)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 [2]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 IO 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(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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 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(jìn)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(jié)果數(shù)據(jù)暫存和緩沖標(biāo)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) 4 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源 2 級中斷優(yōu)先權(quán) 5 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 6 串行口 1 個全雙工的串行口具有四 種工作方式可用來進(jìn)行串行通訊擴展并行 IO 口甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)從而使單片機的功能更強且應(yīng)用更廣 7 P1 口 P2 口 P3 口 P4 口 為 4 個并行 8 位 IO 口 8 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(jìn)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 80C51 單片機的硬件結(jié)構(gòu)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 IO 口和指令集 1 位機在開關(guān)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(fù)合在一起二者相輔相承它是單片機技術(shù)上的一個突破這也是 MCS51 單片機在設(shè)計的精美之處 二 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 80C51 是片內(nèi)有 ROMEPROM 的單片機因此這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單、可靠用 80C51 單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可如圖 31 80C51 單片機最小系統(tǒng)所示由于集成度的限制最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元其應(yīng)用特點 有可供用戶使用的大量 IO 口線 內(nèi)部存儲 器容量有限 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性 圖 31 80C51 單片機最小系統(tǒng) 1 時鐘電路 80C51雖然有內(nèi)部振蕩電路但要形成時鐘必須外部附加電路 80C51單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式 本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路在 XTAL1XTAL2 引腳上外接定時元件內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩本設(shè)計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路振蕩晶體可在 12MHZ到 12MHZ之間選擇電容值無嚴(yán)格要求但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性大小振蕩電路起振速度 有少許影響 CX1CX2可在 20pF到 100pF之間取值但在 60pF到 70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性所以本設(shè)計中振蕩晶體選擇 6MHZ 電容選擇 65pF 在設(shè)計印刷電路板時晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機芯片安裝以減少寄生電容更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作為了提高溫度穩(wěn)定性應(yīng)采用 NPO 電容 2 復(fù)位電路 80C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的復(fù)位引腳 RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲在每個機器周期的 S5P2 斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號 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 最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的只要 Vcc的上升時間不超過 1ms就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位時鐘頻率用6MHZ 時 C 取 22uFR 取 1KΩ 除了上電復(fù)位外有時還需要按鍵手動復(fù)位本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種其中電平復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc接通而實現(xiàn)的按鍵手動復(fù)位電路見圖 32 時鐘頻率選用 6MHZ時 C取 22uFRs取 200Ω RK 取 1KΩ 圖 32 80C51 復(fù)位電路 三 前向通道設(shè)計 單片機用與測控系統(tǒng)時總要有與被測對象相聯(lián)系的前向 通道因此前向通道設(shè)計與被測對象的狀態(tài)特征所處環(huán)境密切相關(guān)在前向通道設(shè)計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇通道結(jié)構(gòu)信號調(diào)節(jié)電源配置抗干擾設(shè)計等在通道電路設(shè)計中還涉及到模擬電路諸多問題 前向通道的含義 當(dāng)將單片機用作測、TTL 電平的狀態(tài)開關(guān)如水銀溫度觸點溫度晶閘管時間繼電器限位開關(guān)等故只要反映外界狀態(tài)的信號輸入通道都可稱為前向通道 并不是所有單片機應(yīng)用系統(tǒng)都有前向通道例如時序控制系統(tǒng)只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時間序列來控制外部的運行狀態(tài)分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計算機與現(xiàn)場測控子站計算機之間的指令數(shù)據(jù)傳送這些應(yīng)用系統(tǒng)沒有被測對象故不需要前向通道 前向通道的設(shè)計 1 傳感器的比較 [3] 識別障礙的首要問題是傳感器的選擇下面對幾種傳感器的優(yōu)缺點進(jìn)行說明見表 1 探測障礙的最簡單的方法是使 用超聲波傳感器它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖計算其往返時間來判定距離的該方法被廣泛應(yīng)用于移動機器人的研究上其優(yōu)點是價格便宜易于使用且在 10m以內(nèi)能給出精確的測量不過在 ITS系統(tǒng)中除了上文提出的場景限制外還有以下問題首先因其只能在 10m 以內(nèi)有效使用所以并不適合 ITS 系統(tǒng)另外超聲波傳感器的工作原理基于聲即使可以使之測達(dá) 100m遠(yuǎn)但其更新頻率為 2Hz 而且還有可能在傳輸中受到它信號的干擾所以在 CWICC系統(tǒng)中使用是不實際的表 1 傳感器性能比較 傳感器類型 優(yōu) 點 缺 點 超聲波 視覺 激光雷達(dá) MMW 雷達(dá) 價格合理 夜間不受影響 易于多目標(biāo)測量和分類分辨率好 價格相合理夜間不受影響 不受燈光天氣影響 測量范圍小對天氣變化敏感 不能直接測量距離算法復(fù)雜處理速度慢 對水灰塵燈光敏感 價格貴 視覺傳感器在 CW系統(tǒng)中使用得非常廣泛其優(yōu)點是尺寸小價格合理在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測量定多個目標(biāo)并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標(biāo)進(jìn)行分類但是算法復(fù)雜處理速度慢雷達(dá)傳感器在軍事和航空領(lǐng)域已經(jīng)使用了幾十年主要優(yōu)點是可以魯棒地探測到障礙而不受天氣或燈光條件限制近十年來隨著尺寸及價格的降低在汽車行業(yè)開始被使用但是仍存在性價比的問題 作為超聲波傳感器的材料主要為壓電晶體壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅魉梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波同時它接收到超聲波時也能轉(zhuǎn)變成電能故它分為發(fā)送器和接收器超聲波傳感器有透射型反射型兩種類型常用于防盜報警器接近開關(guān)測距及材料探傷測厚等 本設(shè)計采用 TR4012 小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件其中心頻率為 40Hz 由 80C51 發(fā)出的 40KHz 脈沖信號驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出 40KHz 的脈沖超聲波如電動車前方遇到有障礙物時此超聲波信號被障礙物反射回來由接收器接收經(jīng) LM318 兩級 放大再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片 LM567解碼當(dāng) LM567 的輸入信號大于 25mV 時輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剿?80C51 單片機處理超聲波檢測如圖 33 超聲波檢測電路所示 圖 33 超聲波檢測電路 四 后向通道設(shè)計 在工業(yè)控制系統(tǒng)中單片機總要對控制對象實現(xiàn)操作因此在這樣的系統(tǒng)中總要有后向通道后向通道是計算機實現(xiàn)控制運算處理后對控制對象的輸出通道接口 根據(jù)單片機的輸出和控制對象實現(xiàn)控制信號的要求后向通道具有以下特點 1 小信號輸出大功率控制根據(jù)目前單片機輸出功率的限制不能輸出控制對象所要求的功率信號 2 是 一個輸出通道輸出伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制信號而伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋信號通常是作為檢測信號輸入前向通道 3 接近控制對象環(huán)境惡劣控制對象多為大功率伺服驅(qū)動機構(gòu)電磁機械干擾較為嚴(yán)重但后向通道是一個輸出通道而且輸出電平較高不易受到直接損害但這些干擾易從系統(tǒng)的前向通道竄入