【正文】 片機(jī)配置了芯片間的串行總線，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式。 本設(shè)計(jì)就采用了比較 先進(jìn)的 80C51 為控制核心， 80C51 采用 CHOMS 工藝，功耗很低。焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 前言 2 尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)。 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 方案設(shè)計(jì)與論證 3 2 方案設(shè)計(jì)與論證 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車改裝的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所 檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。 直流調(diào)速系統(tǒng) 方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。簡(jiǎn)稱 VM系統(tǒng)。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變 流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。 VM系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 VM系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。由于電流波形比 VM系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 方案設(shè)計(jì)與論證 4 動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱 PWM變換器。為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的前行與倒車，本設(shè)計(jì)采用了可逆 PWM 變換器。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式 H型變換器，它是由 4個(gè)三極電力晶體管和 4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。 行車起始、終點(diǎn)及光線檢測(cè) 本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測(cè)路面的起始、終點(diǎn)（ 2cm寬的黑線），玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應(yīng)起始 的記數(shù)開始和終點(diǎn)的停車的需要。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線，當(dāng)感受到光線照射時(shí)，其 ce 間的阻值下降，檢測(cè)電路輸出高電平，經(jīng) LM393 電壓比較器和 74LS14 施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)控制。見圖 21 電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路。該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻。 此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn) ,進(jìn)入減速區(qū)時(shí) ,由單片機(jī)控制進(jìn)行 PWM 變頻調(diào)速 ,通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比 ,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。 圖 21 電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路 檢測(cè)放大器方案 方案一：使用普通單級(jí)比例放大電路。但是也存在著許多不足。 方案二：采用差動(dòng)放大電路。例如，在測(cè)量本設(shè)計(jì)中的光電檢測(cè)信號(hào)時(shí)需要把檢測(cè)過來的電平信號(hào)放大并濾除干擾，而且要求對(duì)共模干擾信號(hào)具有相當(dāng)強(qiáng)的抑制能力。但在實(shí)際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運(yùn)算放大器輸出飽和；為獲得單片機(jī)能識(shí)別的 TTL 電平卻又無法抑制共模干擾。電壓比較器的功能是比較兩個(gè)電壓的大小，例如將一個(gè)信號(hào)電壓 Ui 和一個(gè)參考電壓 Ur 進(jìn)行比較，在 UiUr 和 UiUr 兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個(gè)不同的 電平，即高電平和低電平。 比較器有各種不同的類型。 電壓比較器的特點(diǎn)： 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。因此比較器的性能分析方法與放大、運(yùn)算電路是不同 的。由于比較器中運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個(gè)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(yùn)算等電路中常用的計(jì)算方法對(duì)于比較器不再適用。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當(dāng)與一個(gè)受輸入信號(hào)控制的開關(guān)，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過閾值時(shí)開關(guān)動(dòng)作，使輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平。 由于比較器的上述特點(diǎn)，在分析時(shí)既不能象對(duì)待放大電路那樣去計(jì)算放大倍數(shù)，也不能象分析運(yùn)算電路那樣去求解輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系，而應(yīng)當(dāng)著重抓住比較器的輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平的臨界條件所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值（閾值）來分析輸入量與輸出量之間的關(guān)系。但實(shí)際集成運(yùn)放的最大轉(zhuǎn)換速率總是有焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 方案設(shè)計(jì)與論證 7 限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號(hào)。 響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快。 (2) 選用集成電壓比較器。具體措施多為在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并聯(lián)二極管。簡(jiǎn)單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說如果輸入信號(hào)因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會(huì)反復(fù)的從一個(gè)電平跳到另一個(gè)電平。這種情況，通常是不允許的。滯回比較器有兩個(gè)數(shù)值不同的閾值，當(dāng)輸入信號(hào)因受干擾或其他原因發(fā)生變化時(shí)，只要變化量不超過兩個(gè)閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會(huì)來回變化。 但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無法消除的。 綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性 能，最后我們決定采用數(shù)字器件 —— 施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發(fā)焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 方案設(shè)計(jì)與論證 8 器的抗干擾能力比滯回比較器更強(qiáng)。具體電路同圖 23 行車距離檢測(cè)電路所示： 圖 23 行車距離檢測(cè)電路 紅外 測(cè)距儀由測(cè)距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測(cè)距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺口進(jìn)入凹槽時(shí)，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。 為實(shí)現(xiàn)可逆記數(shù)功 能，我們?cè)跍y(cè)距儀中并列放置了兩個(gè)槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)。 遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。由于光柵隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信 號(hào)。 本設(shè)計(jì)中用一片四位共陰數(shù)碼管做顯示器，并具有雙重功能，在小車行駛中顯示小車的速度狀態(tài)，在小車停止時(shí)顯示小車的路程。開始由手動(dòng)啟動(dòng)小車，并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過規(guī)定的起始黑線，紅外光電傳感器檢測(cè)，通過單片機(jī)控制小車開始記數(shù)顯示并循跡、調(diào)速；系統(tǒng)的自動(dòng)循跡功能通過紅外 RPR220 傳感器正前方檢測(cè)和左右側(cè)檢測(cè)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn) ；在電動(dòng)車進(jìn)駛過程中，采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 L298，以提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能；采用動(dòng)態(tài)共陰顯示行駛速度和里程。 圖 24 系統(tǒng)原理圖 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 硬件設(shè)計(jì) 10 3 硬件設(shè)計(jì) 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如 ROM﹑ RAM﹑ I/O 口﹑定時(shí) /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(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。 80C51 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 80C51 單片機(jī)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(gè)尺寸有限的集成電路芯片上 [2]。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。 1 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè) 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(yùn)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。 3 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)。 5 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有 2個(gè) 16位的定 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式?？捎脕磉M(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O 口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 硬件設(shè)計(jì) 11 廣。 8 特殊功能寄存器 共有 21 個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。 由上可見， 80C51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。 1 位機(jī)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(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長(zhǎng)處。 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 80C51是片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單﹑可靠。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。 (2)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。 圖 31 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng) 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 硬件設(shè)計(jì) 12 時(shí)鐘電路 80C51 雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)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， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值，但在 60pF到 70pF 時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)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。 復(fù)位電路 80C51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過 1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需 要按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路見圖 32。因此，前向通道設(shè)計(jì)與被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在通道電路設(shè)計(jì)中還涉及到模擬電路諸多問題。作為測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)被測(cè)對(duì)象拾取必要的原始參量信號(hào)是系統(tǒng)的核心任務(wù)，對(duì)控制系統(tǒng)來說，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試以及對(duì)控制條件的監(jiān)測(cè)也是不可缺少的環(huán)節(jié)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有重要地位。同時(shí)使這些測(cè)量信號(hào)能