【正文】 量各具特色﹑與 80C51 兼容的單片機。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計提供了更加靈活的方式。 本設(shè)計就采用了比較先進的 80C51 為控制核心，80C51 采用 CHOMS 工藝，功耗很低。尤其是在足球機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行檢測。 智能循跡小車設(shè)計原理這里的循跡是指小車在黑色地板上循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。 智能循跡小車設(shè)計要求（1）自動尋跡小車從安全區(qū)域啟動。2 方案設(shè)計與論證根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。 直流調(diào)速系統(tǒng)方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。簡稱 VM 系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。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)的可逆運行造成困難。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運行時，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，電源電壓加到電動機上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(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)通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(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，簡稱 PWM 變換器。為順利實現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設(shè)計采用了可逆 PWM 變換器。我們在設(shè)計中采用了常用的雙極式 H 型變換器，它是由 4 個三極電力晶體管和 4 個續(xù)流二極管組成的橋式電路。1） ．行車起始、終點及光線檢測：本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始、終點（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，其 ce 間的阻值下降，檢測電路輸出高電平，經(jīng) LM393 電壓比較器和 74LS14 施密特觸發(fā)器整形后送單片機控制。見圖 電動車的方向檢測電路(a)。該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、一個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。哪一種預(yù)先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。最后經(jīng)反接制動實現(xiàn)停車。電橋上設(shè)置有兩組開關(guān)，一組常閉，另一組常開。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、價格低廉。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路，雖然可以達到一定的精度，但有時仍不能滿足某些特殊要求。這種情況下須采用差動放大電路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。方案三：電壓比較器方案。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。對它的要求是：鑒別要準確，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。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反饋，有時甚至還加正反饋。(2) 非線性。(3) 開關(guān)特性。由于比較器的輸入信號是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的過渡電路。如果在比較器的輸入端加理想階躍信號，那么在理想情況下比較器的輸出也應(yīng)當(dāng)是理想的階躍電壓，而且沒有延遲。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿毜臅r間稱為響應(yīng)時間。減小比較器響應(yīng)時間的主要方法有：(1) 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。(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)部的管子進入深飽和區(qū)。如圖 電壓比較器電路所示：圖 電壓比較器電路在本設(shè)計中，光電傳感器只輸出一種高低電平信號且伴有外界雜波干擾，所以我們嘗試采用了一種滯回比較器。如果用這樣的輸出電壓控制電機或繼電器，將出現(xiàn)頻繁動作或起?，F(xiàn)象。而滯回比較器則解決了這個問題。所以抗干擾能力強。方案四：施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的變形，它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)方式為電平觸發(fā)，只要外加觸發(fā)信號的幅值增加到足夠大，它就從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。首先利用光電對管對路面信號進行檢測，經(jīng)過比較器處理之后，送給軟件控制模塊進行實時控制，輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動芯片驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運動。檢測（黑線） 軟件控制 驅(qū)動電機 控制小車圖 智能小車尋跡系統(tǒng)框圖 傳感檢測單元 小車循跡原理該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路 ”—黑線。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點。 傳感器的選擇及檢測電路設(shè)計市場上用于紅外探測法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡單、工作性能可靠的集成式紅外探頭。圖 ST168 檢測電路ST198 采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測方式。筆者經(jīng)過多次測試、比較，發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測物表面 10 毫米時，檢測效果最好。因為傳感器輸出端得到的是模擬電壓信號，所以在輸出端增加了比較器，先將 ST198 輸出電壓與 進行比較，再送給單片機處理和控制。從簡單、方便、可靠等角度出發(fā)，同時在底盤裝設(shè) 4 個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，將大大提高其循跡的可靠性，具體位置分布如圖 所示。其中 X1 與 Y1 為第一級方向控制傳感器，X2與 Y2 為第二級方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。第二級方向探測器實際是第一級的后備保護，它的存在是考慮到小車由于慣性過大會依舊偏離軌道，再次對小車的運動進行糾正，從而提高了小車循跡的可靠性?？刂品椒ㄓ泻芏?，大部分都采用單片機控制。 NY啟動（開始前進）初始化程序 I/O 口掃描 I/O 口是否有變化？進入判斷程序，輸出相應(yīng)的信號控制電機終止圖 系統(tǒng)的程序流程圖小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機 I/O 口，一旦檢測到某個 I/O 口有信號變化，程序就進入判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。考慮到機械裝置不便于修改等因素，這里選擇后者，利用單片機輸出端輸出高電平的脈寬及其占空比的大小來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制小車的速度。 電機驅(qū)動單元從單片機輸出的信號功率很弱，即使在沒有其它外在負載時也無法帶動電機，所以在實際電路中我們加入了電機驅(qū)動芯片提高輸入電機信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機轉(zhuǎn)動。圖 (a) L298N 管腳分布圖從圖中可以知道，一塊 L298N 芯片能夠驅(qū)動兩個電機轉(zhuǎn)動，它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。其電機驅(qū)動電路設(shè)計如圖 (b)所示。具體電路設(shè)計如圖 所示。該穩(wěn)壓電路的設(shè)計如圖 所示。到達 B 出時繼續(xù)前進與C 邊相交，然后右轉(zhuǎn) 90 度，返回到開始處 A 點。ABC圖 小車循跡路線圖5 結(jié)束語此方案選擇的器件比較簡單，實際中也很容易實現(xiàn)。不足之處，由于小車采用直流電機，其速度控制不夠精確和穩(wěn)定，導(dǎo)致小車循跡時行走不是很流暢；其次，由于車身比較重，致使小車在拐彎的時候比較吃力，有時候會卡死不動。由于設(shè)計要求并不復(fù)雜，我們沒有在電路中增加冗余的功能，但是我們保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴展和進一步的開發(fā)。通過幾個月的努力，即將完成論文，當(dāng)然由于本人精力和時間有限，本論文中或多或少會存在一些缺點，所設(shè)計的軟硬件難免存在一些不足，還懇請各位老師和同學(xué)給予批評和指正。首先感謝我的導(dǎo)師朱宇副教授！本文的研究工作是在朱老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下完成的。朱老師淵博的學(xué)識、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敬業(yè)的精神和平易近人的態(tài)度，給我留下了深刻的印象，在朱老師的指導(dǎo)下，我在學(xué)習(xí)生活方面都得到了很多進步！他即是良師又是益友，不僅讓我學(xué)到了專業(yè)知識，還讓我學(xué)到了很多做人的道理，會不斷激勵著我奮發(fā)學(xué)習(xí)、努力進步。在此，請允許我表示我深深的敬意和衷心的感謝。另外，感謝我的同學(xué)和室友，他們在我的學(xué)習(xí)和生活中給與了我很大的幫助很支持。參考文獻[1] 劉坤、宋戈 .51 單片機 C 語言應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全[M].[2] 張義和、徐宏昌 .例說 51 單片機(C 語言版)[M].[3] ++語言程序設(shè)計[M].[4] [M].[5] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].[6] 龔尚福、朱宇 .微機原理與接口技術(shù)[M].(4)[7] 趙家貴、付小美、[8] [9] [10] (美) (英文版)[M].20229[11] (英文版)[M].20225附 錄1 相關(guān)芯片介紹 單片機概述單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過 10 元即可......用它來做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十 K 的尺寸！對于家用 PC 的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用 PC 上來運行，家用 PC 的也是承受不了的。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱 PC 機。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“ 智能型”，如智能型洗衣機等。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。在個人計算機上這些部份被分成若干塊芯片，安裝一個稱之為主板的印刷線路板上。 MCS51 單片機和 8058031 、89C51 等的關(guān)系我們平常老是講 8051，又有什么8031，現(xiàn)在又有 89C51，它們之間究竟是什么關(guān)系? MCS51 是指由美國 INTEL 公司（對了，就是大名鼎鼎的 INTEL）生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了好些品種，如 8031，8051，8751，8032，8052，8752 等，其中 8051 是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在 8051 的基礎(chǔ)上進行功能的增、減、改變