【正文】 方案論證 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇與論證 電機(jī)方案的選擇與論證方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。（7）整個(gè)行程約為1600mm減去車長。（5）電動車(含加在車體上的其它裝置)外形尺寸規(guī)定為：長≤300mm，寬≤200mm。（3）測試中，使用參賽隊(duì)自制的蹺蹺板裝置。 設(shè)計(jì)說明（1）蹺蹺板長1600mm、寬300mm，為便于攜帶也可將蹺蹺板制成折疊形式。（4）電動車在3分鐘之內(nèi)完成（1）～（3）全過程。（2）電動車在蹺蹺板上取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5秒鐘以上。 發(fā)揮部分要求圖13 自動駛上蹺蹺板示意圖將配重固定在可調(diào)整范圍內(nèi)任一指定位置，電動車完成以下運(yùn)動：（1）將電動車放置在地面距離蹺蹺板起始端A點(diǎn) 300mm以外、90176。電動車蹺蹺板起始狀態(tài)和平衡狀態(tài)示意圖分別如圖11和圖12所示。配重的位置可以在從始端開始的200mm～600mm范圍內(nèi)調(diào)整，調(diào)整步長不大于50mm；配重可拆卸。而本課題就是為打破這種傳統(tǒng)觀念，而用實(shí)際物品來驗(yàn)證單片機(jī)各種性能的，運(yùn)用現(xiàn)代化的實(shí)踐教學(xué)手段和管理模式,課題充分利用實(shí)驗(yàn)室有利的條件, 不斷地改革和完善單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和方法, 提高學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)能力, 達(dá)到培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才的目的。一種型號的單片機(jī)可以學(xué)習(xí)很多年,學(xué)生訓(xùn)練分散、時(shí)間短暫, 實(shí)踐教學(xué)沒有層次, 階段不明, 忽視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中, 學(xué)生往往很被動, 而且與實(shí)際應(yīng)用不接軌。所以單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的方法得當(dāng), 有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。古人云: “授之以魚, 只供一飯之需, 教之以漁, 則終生受用無窮。21 世紀(jì)是信息時(shí)代, 是經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的時(shí)期,要求培養(yǎng)更多的高素質(zhì)、高能力、有開拓進(jìn)取精神的探索創(chuàng)新型人才, 因此不僅要使學(xué)生通過單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)來掌握基本實(shí)踐手段, 更重要的是使學(xué)生具備應(yīng)用這些手段從事科學(xué)研究的獨(dú)立工作能力。該課程是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程, 如何讓學(xué)生在學(xué)好基礎(chǔ)知識的同時(shí), 迅速掌握設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù), 其中的實(shí)踐教學(xué)起著非常重要的作用。目 錄前 言 2第1章 任務(wù)要求 3 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 設(shè)計(jì)要求 4 基本部分要求 4 發(fā)揮部分要求 4 設(shè)計(jì)說明 5第2章 方案論證 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇與論證 5 電機(jī)方案的選擇與論證 5 尋跡檢測電路方案的選擇與論證 6 平衡檢測電路方案的選擇與論證 6 平衡標(biāo)志方案的選擇與論證 7 顯示時(shí)間電路方案的選擇與論證 7 電源方案的選擇與論證 8 系統(tǒng)電路組成及原理 8第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 單片機(jī)介紹 9 ADC0832數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計(jì)流程 12 尋找平衡子程序設(shè)計(jì)流程 14 T0中斷定時(shí)子程序流程圖 16 LCD顯示子程序流程 17 主程序流程 18第4章 系統(tǒng)測試及調(diào)試 20 系統(tǒng)測試 20 測試儀器 20 數(shù)據(jù)測試 20 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析 21 軟件調(diào)試 21總結(jié) 22致謝 23參考文獻(xiàn) 24附錄1 硬件電路圖 25附錄2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)清單 26附錄3 英語原文 40附錄4 中文翻譯 43前 言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 單片機(jī)已逐漸發(fā)展成為一門關(guān)鍵的技術(shù)學(xué)科。20 多年來, 高校單片機(jī)課程成了很多專業(yè)的必修課。單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)包括單片機(jī)基本理論實(shí)驗(yàn)、典型功能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)(課程設(shè)計(jì)) 、應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)(畢業(yè)設(shè)計(jì)) 以及新技術(shù)使用實(shí)驗(yàn)等等多環(huán)節(jié)訓(xùn)練。在實(shí)踐教學(xué)中, 僅僅傳授實(shí)踐技術(shù)是不夠的, 必須注重學(xué)生能力的培養(yǎng), 使學(xué)生在知識和能力方面得到全面的發(fā)展?！迸囵B(yǎng)能力無異于給學(xué)生一把開啟知識之門的鑰匙, 有了這把鑰匙才能使他們在知識的海洋里泛舟沖浪。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)均以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱或者單片機(jī)技術(shù)開發(fā)裝置為實(shí)驗(yàn)器材, 開設(shè)的實(shí)驗(yàn)大多數(shù)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn), 學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下根據(jù)實(shí)驗(yàn)講義一步一步完成相應(yīng)的內(nèi)容。學(xué)生學(xué)完整個(gè)單片機(jī)課程后不知道單片機(jī)的應(yīng)用場合, 更談不上開發(fā)一些具有實(shí)用價(jià)值的東西。要想從根本上解決問題, 應(yīng)該根據(jù)培養(yǎng)能力的要求, 建立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系, 打破單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué), 為理論教學(xué)服務(wù)的傳統(tǒng)觀念。第1章 任務(wù)要求 設(shè)計(jì)任務(wù)圖11 起始狀態(tài)示意圖設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電動車蹺蹺板，在蹺蹺板起始端A一側(cè)裝有可移動的配重。電動車從起始端A出發(fā)，可以自動在蹺蹺板上行駛。圖12 平衡起始狀態(tài)示意圖 設(shè)計(jì)要求 基本部分要求在不加配重的情況下，電動車完成以下運(yùn)動：（1）電動車從起始端A出發(fā)，在30秒鐘內(nèi)行駛到中心點(diǎn)C附近；（2）60秒鐘之內(nèi)，電動車在中心點(diǎn)C附近使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5秒鐘，并給出明顯的平衡指示；（3）電動車從（2）中的平衡點(diǎn)出發(fā)，30秒鐘內(nèi)行駛到蹺蹺板末端B處（車頭距蹺蹺板末端B不大于50mm）；（4）電動車在B點(diǎn)停止5秒后，1分鐘內(nèi)倒退回起始端A，完成整個(gè)行程；（5）在整個(gè)行駛過程中，電動車始終在蹺蹺板上，并分階段實(shí)時(shí)顯示電動車行駛所用的時(shí)間。扇形區(qū)域內(nèi)某一指定位置（車頭朝向蹺蹺板），電動車能夠自動駛上蹺蹺板，如圖13所示。（3）將另一塊質(zhì)量為電動車質(zhì)量10％～20％的塊狀配重放置在A至C間指定的位置，電動車能夠重新取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5秒鐘以上。（5）其他。（2）蹺蹺板中心固定在直徑不大于50mm的半圓軸上，軸兩端支撐在支架上，并保證與支架圓滑接觸，能靈活轉(zhuǎn)動。（4）允許在蹺蹺板和地面上采取引導(dǎo)措施，但不得影響蹺蹺板面和地面平整。（6）平衡的定義為A、B兩端與地面的距離差d=∣dAdB∣不大于40mm。（8）測試過程中不允許人為控制電動車運(yùn)動。步進(jìn)電動機(jī)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是具有快速啟動和停止能力，能夠達(dá)到我們所要求的標(biāo)準(zhǔn)。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活。方案二：采用減速電機(jī)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩較大，驅(qū)動能力較強(qiáng)， 但是減速電機(jī)的速度也較低，不能很好的滿足要求方案三：采用大功率達(dá)林頓管組成的H型方向控制的電機(jī)驅(qū)動普通的直流電機(jī)。 由于普通直流電機(jī)價(jià)格適宜，更易于購買，并且電路相對簡單，因此采用方案三[2]。考慮到軌道是在白紙上打印的一條黑線，可以利用傳感器辨認(rèn)路面黑白兩種不同的狀態(tài)。方案一：用光電傳感器。但是，由于其他光源影響，需采用聚焦式光電傳感器。紅外線比可見光的波長要長，散射度小，可以降低環(huán)境對光源接收管的干擾，但由于直接利用直流電源對管子供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍易受到干擾。 平衡檢測電路方案的選擇與論證方案一：采用集成芯片SCA61T傾角傳感器。方案二：采用旋轉(zhuǎn)編碼器。方案三：采用電位器。此方案元器件較為普遍，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是電位器阻值變化快，不易采值。 平衡標(biāo)志方案的選擇與論證方案一：采用蜂鳴器和發(fā)光二極管相結(jié)合。方案二：利用角度儀。基于上述分析，我們采用方案一。此方法容易理解，驅(qū)動程序簡單，但需要多片數(shù)碼管驅(qū)動顯示，增加成本，而且占用單片機(jī)多個(gè)I/O口，浪費(fèi)系統(tǒng)硬件資源。此方法需要7個(gè)I/O口可以驅(qū)動8個(gè)數(shù)碼管顯示，驅(qū)動程序也很簡單而且容易理解，但是硬件電路也比較繁瑣，由于小車的容納空間有限，不易采用[6]。采用1602A液晶顯示器，占用單片機(jī)10個(gè)I/O口，浪費(fèi)系統(tǒng)硬件資源，但其美觀大方，使整個(gè)系統(tǒng)看起來更加漂亮。 電源方案的選擇與論證方案一：采用單電源供電。方案二：采用雙電源供電。基于上述分析，我們采用了方案一。見圖21。小車到達(dá)平衡位置時(shí)蜂鳴器有5秒的鳴響，同時(shí)指示燈亮，小車到終點(diǎn)時(shí)只有指示燈亮。AT89C52單片機(jī)平衡檢測時(shí)間顯示電機(jī)驅(qū)動、車向控制蜂鳴器引導(dǎo)線檢測圖21 設(shè)計(jì)原理框圖第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)介紹圖31 AT89C52引腳圖目前，CPU 的發(fā)展應(yīng)用趨于多樣化，主要可分為 8 位機(jī)和 16 位機(jī)兩種，8 位單片機(jī)的應(yīng)用占主流，根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能要求，選用了一種低功耗、低價(jià)格、高性能的 CMOS8 位微處理器－AT89C52，芯片內(nèi)部具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，芯片采用51系列指令集并與51系列單片機(jī)引腳完全兼容[8]。AT89C52單片機(jī)的各引腳功能如下：(1)VCC : 電源(2)GND: 地(3)P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。對P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。對P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。 (5)P2口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個(gè)TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。對P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。P3口亦作為AT89C52特殊功能（第二功能）使用，見表31。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。表31 P3口引腳替換功能表P3口引腳第二功能RXD（串行口輸入）TXD（串行口輸出）（外部中斷0輸入）（外部中斷1輸入） T0（定時(shí)器0外部脈沖輸入） T1（定時(shí)器1外部脈沖輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） (8)ALE/：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時(shí)，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。時(shí)器或時(shí)鐘使用。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作將無效。否則，ALE 將被微弱拉高。(9):外部程序存儲器選通信號。(10)/Vpp:訪問外部程序存儲器控制信號。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。(11)XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 ADC0832數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計(jì)流程ADC0832芯片接口程序的編寫：44為了高速有效的實(shí)現(xiàn)通信，我們采用匯編語言編寫接口程序。數(shù)據(jù)讀取程序以子程序調(diào)用的形式出現(xiàn)，方便了程序的移植。通用功能寄存器和轉(zhuǎn)換值共用寄存器B。運(yùn)行轉(zhuǎn)換子程序后的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值被放入B中。常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第3個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端IN，CH1作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。從第4個(gè)脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。也正是從此位開始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出DATD0。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了[11]。 由于我們所用的AT89C52沒有SPI接口，所以我們用的是模擬數(shù)據(jù)輸出模式。小車出發(fā)時(shí)（即蹺蹺板A點(diǎn)時(shí)），；當(dāng)小車行駛到平衡位置時(shí)（即蹺蹺板C點(diǎn)時(shí)），小車行駛到終端（即蹺蹺板B點(diǎn)時(shí)）。 我們把模擬方式輸出的數(shù)據(jù)高位存在R4寄存器里，數(shù)據(jù)低位存在R5寄存器里，再存入21H存儲單元里，由于蹺蹺板從始端到終端時(shí)R4寄存器里數(shù)據(jù)都不變，所以我們只需要比較數(shù)據(jù)低位就好。本設(shè)計(jì)用T0工作在模式0下定時(shí)，賦5mS初值，用軟件控制定時(shí)起停[12]。T0工作在定時(shí)方式時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖輸入信號是由內(nèi)部時(shí)鐘提供的，每一個(gè)機(jī)器周期使計(jì)數(shù)器的值加1。實(shí)質(zhì)上定時(shí)工作方式，就是對單片機(jī)的機(jī)器周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。內(nèi)含HD44780控制器的液晶顯示器模塊的TC1602A有兩個(gè)寄存器：一個(gè)是命令寄存器，另一個(gè)是數(shù)據(jù)寄存器。 TCl602A內(nèi)部結(jié)構(gòu)由DDRAM、CGROM、IR、DR、BF、AC等大規(guī)模集成電路組成。CGROM為字符產(chǎn)生器ROM (Character Generator RAM，簡稱CGRAM)，可供使用者存儲特殊造型的造型碼，CGRAM最多可存8個(gè)造型。當(dāng)RS及R／W引腳信號為0且Enable引腳信號由1變?yōu)?時(shí)，D0～D7引腳上的數(shù)據(jù)便會存入到IR寄仔器中。因此，可將DR視為一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)．當(dāng)RS及R／W引腳信號為1且Enable引腳信號由l變?yōu)?時(shí)，讀取數(shù)據(jù)：當(dāng)RS引腳信號為l，R／W引腳信號為0且Enable引腳信號由1變?yōu)?時(shí)，存入數(shù)據(jù)。當(dāng)BF為l時(shí)，不接收微機(jī)送來的數(shù)據(jù)或指令；當(dāng)BF為0時(shí)，接收外部數(shù)據(jù)或指令，所以,在寫數(shù)據(jù)或指令到LCD之前，必須查看BF是否為0。 主程序流程主程序流程分3大部分，第一部分為小車從起始位置到尋找到平衡位置，這一部分里主要包括前進(jìn)，尋跡，尋找平衡且顯示時(shí)間子程序。第三部分為從終端返回到起始位置這一段路程，這一部分主要包括后退，尋跡子程序。如我們在編寫尋找平衡子程序時(shí)，由于我們不知道小車在具體位置時(shí)SC61T單軸傾角器輸出的具體電壓值，我們得先編寫一個(gè)具體的顯示SCA61T輸出的電壓值的程序，顯示出小車在蹺蹺板上不同位置時(shí)輸出的不同電壓值。而在編寫尋跡子程序時(shí)，當(dāng)光電傳感器檢測到黑線時(shí)，轉(zhuǎn)多大的角度也是我們一遍一遍修改程序，最后才最終選定的，從而達(dá)到比較好的效果。我們在編程過程中還遇到過很多問題，但經(jīng)過我們多次嘗試修改后最