【正文】 供了更加靈活的方式。 本設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；在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。 課題內(nèi)容及安排 本畢業(yè)設計是基于 80C51單片機的電動 智能小車設計的硬件部分， 智能小車 是集理論力學、機械結(jié)構(gòu)、數(shù)字電路、 模擬 電路、 傳感器 、單片機、控制理論和算法等多門學科為一體的綜合系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋機械、電子、自動控制原理、計算機、傳感技術等多個學科和領域。 本文安排如下： 第一章：緒論，概述論文寫作背景 ； 第二章： 80C51 單片機的發(fā)展背景及用途； 第三章： 方案設計與論證； 第四章： 智能小車的硬件設計。單片機由 芯片 內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便 分道揚鑣 。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。基于這一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。 90 年代后隨著 消費電子產(chǎn)品 大發(fā)展，單片機技術得到了巨大提高。而傳統(tǒng)的 8 位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的 嵌入式操作系統(tǒng) 被廣泛應用在全系列的單片機上。單片機比專用處理器更適合應用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了最多的應用?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。而 個人電腦 中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。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。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、排煙罩、 VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！它主要是作為控制部分的核心部件。 圖 單片機芯片 單片機是靠 程序 運行的，并且可以修改。一個不是很復雜的功能要是用美國 50年代 開發(fā)的 74系列，或者 60年代的 CD4000系列這些純 硬件 來搞定的話， 電路 一定是一塊大 PCB 板！但是如果要是用美國 70年代成功投放市場的系列單片機，結(jié)果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的 軟件 還是最低級匯編 語言，它是除了 二進制 機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的 CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設備 。 單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用?？梢哉f，二十世紀跨越了三個 ”電 ”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。因為它體積小，通常都藏在被控機械的 ”肚子 ”里?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如 智能儀表 、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等?，F(xiàn)在有些工廠的技術人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。 單片機的發(fā)展過程 1971 年 intel 公司 研制出世界上第一個 4 位的微處理器； Intel 公司的霍夫 研制成功世界上第一塊 4 位微處理器芯片 Intel 4004，標志著第一代微處理器問世，微處理器和 微機 時代從此開始。 1971基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 年 11 月， Intel 推出 MCS4 微型計算機系統(tǒng) （包括 4001 ROM 芯片、 4002 RAM 芯片、 4003 移位寄存器 芯片和 4004 微處理器 ）其中 4004（下圖）包含 2300 個 晶體管 ，尺寸規(guī)格為 3mm4mm，計算性能遠遠超過當年的ENIAC，最初售價為 200 美元。由于8008 采用的是 P 溝道 MOS 微處理器，因此仍屬第一代微處理器。 頻 2MHz 的 8080 芯片運算速度比 8008 快 10 倍，可存取 64KB 存儲器，使用了基于 6 微米技術的 6000 個晶體管，處理速度為（ Million Instructions Per Second ）。這是世界上第一臺微型計算機。 Zilog 公司于 1976年開發(fā)的 Z80 微處理器，廣泛用于微型計算機和工業(yè)自動控制設備。 20 世紀 80 年代初， Intel 公司在 MCS48 系列單片機的基礎上，推出了 MCS51 系列 8 位高檔單片機。起初模型 ： 即 單片微型計算機 （ Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳 體系結(jié)構(gòu) 。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上， Intel 公司功不可沒。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關，因此，發(fā)展 MCU 的重任不可避免地落在電氣、 電子技術 廠家。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當數(shù) Philips 公司。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記 Intel 和 Philips 的歷史功績。在各類 儀器儀表 中引入單片機，使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比。它是 機械工業(yè) 發(fā)展的方向。用單片機進行實時系統(tǒng) 數(shù)據(jù)處理 和控制，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，有利于提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。 （ 5）在其他方面的應用 單片機還廣泛應用于 辦公自動化 領域、商業(yè)營銷領域、安全防衛(wèi)、汽車及通信系統(tǒng)、計算機外部設備、 模糊控制 等領域。 80C51 單片機引腳圖以及各引腳功能介紹 基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 圖 80C51 單片機管腳圖 Vss(20腳 )：接地 VCC（ 40腳）： 主電源 +5V XTAL1（ 19腳）：接外部晶體的一端。在采用外部時鐘時，對于 HMOS 單片機，該端引腳必須接地；對于 CHMOS 單片機，此引腳作為驅(qū)動端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。 RST（ 9腳）： 單片機剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該腳輸入 24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復位（ RESET） PSEN（ 29腳）： 在 訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效 PSEN基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 信號不出現(xiàn)。我們根據(jù) PSEN、 ALE和 XTAL2輸出端是否有信號輸出，可以判別 80C51是否在工作。 CPU 在向片外存儲器取指令期間， PSEN 信號在 12個時鐘周期中兩次生效。 PSEN 端同樣可驅(qū)動 8個 LSTTL 負載。 EA/VPP（ 31腳）： 當 EA 端輸入高電平時， CPU 從片內(nèi)程序存儲器地址 0000H 單元開始執(zhí)行程序。當 EA 輸入低電平時， CPU 僅訪問片外程序存儲器。 輸入 /輸出引腳： （ 1） — (39腳 — 32腳 ) （ 2） — （ 1腳 — 8腳） （ 3） — （ 26腳 — 21腳） （ 4） — （ 10腳 — 17腳） 基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 10 第三章 方案設計與論證 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?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設備多、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娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。最后，當系統(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備。當晶閘管被觸發(fā)導通時，電源電壓加到電動機上，當晶閘管關斷時，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，本設計采用了可逆 PWM 變換器。我們在設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： 基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 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。前進時，驅(qū)動輪直流電機正轉(zhuǎn) ,進入減速區(qū)時 ,由單片機控制進行 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。 A+d1d8823001 2A74L S 06 d280505001 2A74L S 06VCCD1 D2 圖 前行與倒車控制電路 電橋一端接電源，另一端接了一個三極管。系統(tǒng)通過電橋的輸出端為轉(zhuǎn)向電機供電。如圖 前行與倒車控 制電路所示。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 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，并應設法減小溫漂。 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，反應要靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強，還應有一定的保護措施，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）開關特性。由于比較器的輸入信號是基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 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當是理想的階躍電壓，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間稱為響應時間。 減小比較器響應時間的主要方法有： (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。 圖 施密特觸發(fā)器邏輯圖 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)。 2．行車距離檢測 由于紅外檢測具有反應速度快、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。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（如本設計中采用 米），精度根據(jù)電動車控制的需要確 定。 遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。由此可見，測距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經(jīng)過整形器后送入計數(shù)器或直接送入單片機中。根據(jù)兩個脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個光電耦合器的位置關系，即可計算出玩具車的 行駛方向（前進或后退）。測距原理