【正文】 ：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉動時，光柵也隨之轉動，同時安裝在光柵一側的紅外發(fā)光二極管點亮，在光柵的另一側設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。將該信號傳輸到 80C51 單片機的內部計數器計數，根據預先實測的數據換算關系即可計算出電動機車的行車距離。 系統(tǒng)原理圖 簡易智能電動車采用 80C51 單片機進行智能控制。 系統(tǒng)原理圖如圖 所示。近年來機器人的智能水平不斷提高 ,并且迅速地改變著人們的生活方式。 隨著科學技術的發(fā)展 ,機器人的感覺傳感器種類越來越多 ,其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺傳感器的核心器件是攝像管或 CCD,目前的 CCD已能做到自動聚焦。機器人要實現自動導引功能和避障功能就必須基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 要感知導引線和障礙物 ,感知導引線相當給機器人一個視覺功能。采用與地面顏色有較大差別的線條作引導 ,使用傳感器感知導引線和障礙判斷。 2)電容式接近傳感器 ,基于檢測對象表面靠近傳感元件時的電容變化。 4)紅外反射式光電傳感器 ,它包括一個可 以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管 (或光敏三極管 ) 。因此使用較簡單的接近傳感器實現小車尋跡和避障是有依據可循的并且是可行的。 反射式光電傳感器的光源有多種 ,常用的有 紅外發(fā)光二極管 ,普通發(fā)光二極管 ,以及激光二極管前兩種光源容易受到外界光源的干擾 ,而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中 ,傳感器只接收很窄的頻率范圍信號 ,不容易被干擾但價格較貴。因為光的反射受到多種因素的影響 ,如反射表面的形狀、顏色、光潔度 ,日光、日光燈照射等不確定因素。紅外反射光強法的 測量原理是將發(fā)射信號經調制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調制的紅外信號 ,原理如圖 所示。設定輸出電壓達到某一閾值時作為目標 ,不同的目標距離閾值電壓是不同的。對于自動尋跡和小車輪子的測速傳感器 ,反 射距離都在基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 1cm 左右 ,探測環(huán)境都在陰影之下 ,不易受到日光的干擾。該封裝形狀規(guī)則 ,便于安裝。上文的激光傳感器雖然性能不錯 ,但價格較貴。在對 6 個型號的傳感器測試后 ,選用了價格、性能基本適合的 043W 封裝的反射紅外傳感器。紅外傳感器的電路有多種形式 ,在這里為了安裝調試方便 ,我們采用了圖 的電路形式。 LM324 是14 腳 DIP 封裝 ,內置四個運算放大器的集成器件 ,用兩個 LM324 便能完成所有傳感器 與 MCU 的連接 ,并且電路簡單 ,響應速度快 ,波形規(guī)則 ,基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 調試簡單。傳感器狀態(tài)決定下一步的運行方式 ,具體可參見程序設計中的相關內容。測速度傳感器安裝在緊靠車輪兩側。由內部引腳可知 P110和 P111 都沒有內部上拉電阻 ,在需要對外輸出電流時要外接上拉電阻 ,這點在設計時應該特別引起注意。軟件能與 ZT89C51 系列兼容。其中 VCC 的電壓范圍為 213V26V ,保證電源在較寬的范圍使用。 圖 AT89C51 單片機連接及引腳圖 自主式尋跡、避障智能小車的硬件設計包括了傳感器測量電路、控制處理器電路、電機驅動電路、顯示處理器電路 ,以及電源、顯示部分。程序設計主要考慮穩(wěn)定性、抗干擾性 ,主程序主要起到導向和決策功能 ,決定什么時候機器人該做什么。轉向、直線前進、顯示、延時、定時等。當光照強弱變化時，電極之間的電阻會隨之變化。常見的光電三極管外形如圖 l 所示，文字符號表示為 VT 或V。這是由于硅元件較鍺元件有小得多的暗電流和較小的溫度系數。管芯基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積卻做得較小，入射光線主要被基區(qū)吸收。在基區(qū)漂移場的作用下，電子被拉向集電區(qū)，而空穴被積聚在靠近發(fā)射區(qū)的一邊。 光電三極管現已發(fā)展成為一類特殊的半導體隔離器件。 美、 日兩國生產的以紅外發(fā)光三極管和光敏器件管組成的器件為主 ,該類器件大約占整個美、日兩國生產的全部光電耦合器的 60%左右。日本橫河電機公司用GaAsP 紅外發(fā)光二極管作輸入端 ,PIN 光電二極管作接收端制成的三種高速光電耦合器的絕緣電壓都在 3000伏以上 ,其中 5082— 43610型超高速數字光電三極管和 5082— 4361型高共模抑制型光電三極管的響應速度均可基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 達到 10Mb/s,它們的電流傳輸效率 高達 60%以上。 光電三極管在多種電子設備中的應用非常廣泛。今后 ,光電三極管將向高速化、高性能 ,小體積 ,輕重量的方向發(fā)展。 門電路有一個閾值電壓，當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 閾值電壓。它是一種閾值開關電路，具有突變輸入 —— 輸出特性的門電路。 利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。當輸入電壓由低向高增加，到達 V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓 Vi由高變低，到達 V，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現輸出電壓變化滯后的現象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的。當傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變壞；當傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳 輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產生振蕩現象；當其他脈沖信號通過導線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現附加的噪聲。只要施密特觸發(fā)器的vt+和 vt設置得合適，均能收到滿意的整形效果。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器﹑打印機﹑ A/D﹑ D/A 轉換器等，要設計合適的接口電路。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數據存儲器、程序存儲器、并行 I/O 口、串行口、定時器 /計數器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。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。 數據存儲器 片內為 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、運算的中間結果、數據暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數據存儲器。 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源， 2 級中斷優(yōu)先權。 串行 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式。 P P P P4 為 4 個并行 8 位 I/O。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)。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、 I/O口和指令集。 MCS51 單片機中 8位機和 1 位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術上的一個突破，這也是 MCS51 單片機在設計的精美之處。用 80C51 單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖 80C51 單片機最小系統(tǒng)所示。其應用特點： （ 1）有可供用戶使用的大量 I/O 線。 （ 3）應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。80C51 單片機的時鐘產生方法有兩種 。 本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在 XTALXTAL2 引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩。振蕩晶體可在 到 12MHZ 之間選擇。所以本設計中，振蕩晶體選擇 6MHZ,電容選擇 65pF。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用 NPO 電容。復位引腳 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)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。 最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 電容充電來實現的。時鐘頻率用 6MHZ 時 C 取 22uF,R 取 1KΩ。本設計就是用的按鍵手動復位。其中電平復位是通過 RST 端經電阻與電源 Vcc 接通而實現的。時鐘頻率選用 6MHZ 時， C 取 22uF,Rs 取 200Ω， RK取 1KΩ。因此，前向通道設計與被測 對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關。在通道電路設計中還涉及到模擬電路諸多問題。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關電路占有重要地位。同時使這些測量信號能滿足計算機輸入接口的電平要求。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關的信號調節(jié)、變換電路 ,故也可稱為傳感器接口通道。最簡單的開關量輸入通道就是一個具有 TTL 電平的狀態(tài)開關，如水銀溫度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關等。 并不是所有單片機應用系統(tǒng)都有前向通道，例如時序控制系統(tǒng)，只根據系統(tǒng)內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場測、控子站計算機之間的指令、數據傳送。 2﹑前向通道的設計 （ 1）傳感器的比較 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)缺點進行說明（見表 ）。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。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。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達 100m 遠，基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 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CW/ICC 系統(tǒng)中使用是不實際的。 測量范圍小，對天氣變化敏感。 不能直接測量距離，算法復雜， 處理速度慢。 MMW 雷達 不受燈光、天氣影響。其優(yōu)點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據外形和大小對目標進行分類。雷達傳感器在軍事和航空領域已經使用了幾十年。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。 （ 2）超聲波障礙檢測 超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，其頻率超過 20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應 用。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。 本設計采用 T/R4012 小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 測元件，其中心頻率為 40Hz，由 80C51 發(fā)出的 40KHz 脈沖信號驅動超聲波傳感器發(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 LM318 兩級放大，再經帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片 LM567 解碼，當 LM567 的輸入信號大于 25mV 時，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，?80C51 單片機處理。 圖 超聲波檢測電路 后向通道設計 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機總要對控制對象實現操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，總要有后向通道。 根據單片機的輸出和控制對象實現控制信號的要求，后向通道具有以下特點： （ 1） 小信號輸出、大功率控制。 （ 2）是一個輸出通道。 （ 3）接近控制對象，環(huán)境惡劣。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。 單片機在完成控制處理后，總是以數字信號通過 I/O 口或數據總線 基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 送給控制對象。 根據單片機輸出信號形態(tài)及控制對象要求，后向通道應解決： （ 1）功率驅動。 （ 2）干擾防治。通常采用信號隔離﹑電源隔離和對功率開關實現過零切換等方法進行干擾防治。對于二進制輸出的數字量采用 D/A 變換器；對于頻率量輸出則可以采用本設計調速采用 PWM 調速： 為順利實現電動小汽車的左轉和右轉，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。 4 個電力晶體管的基極驅動電壓分為兩組。 雙極式 PWM 變換器的優(yōu)點如下： （ 1）電流一定連續(xù)； （ 2）可使電動機在四象限中 運行； （ 3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （ 4）低速時，每個晶體管的驅動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通； （ 5）低速平穩(wěn)性好，調速范圍可達 20200 左右。運算放大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點輸入信號就可使其輸出電基于 80C51 單片機的電動智能小車硬件設計 壓達到飽和值，當輸入電壓極性改變時，輸出電壓就在正、負飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉換作用。一個輸入信號是鋸齒波調制信號，另一 個是控制電壓，其極性大小可隨時改變，與鋸齒波調制信號相減，從而在運算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調制輸