畢業設計-基于單片機的電動智能小車設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 輸出與輸入不成線性關系，即在放大、運算等電路中常用的計算方法對于比較器不再適用。 (3)開關特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩定狀態，因此它相當與一個受輸入信號控制的開關，當輸入電壓經過 閾值時開關動作，使輸出從一個電平跳變到另一個電平。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字電路之間的過渡電路。 由于比較器的上述特點，在分析時既不能象對待放大電路那樣去計算放大倍數，也不能象分析運算電路那樣去求解輸出與輸入的函數關系，而應當著重沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計（論文） 7 抓住比較器的輸出從一個電平跳變到另一個電平的臨界條件所對應的輸入電壓值（閾值）來分析輸入量與輸出量之間的關系。 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。但實際 集成運放的最大轉換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號。電壓比較器的輸出從低電平變為高電平所須的時間稱為響應時間。響應時間越短，響應速度越快。 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。 (2) 選用集成電壓比較器。 (3) 如果選用集成運放構成比較器，為了提高響應速度可以加限幅措施，以避免集成運放內部的管子進入深飽和區。具體措施多為在集成運放的兩個輸入端并聯二極管。如圖 24 電壓比較器電路所示。 圖 24 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。簡單電壓比較器結構簡單，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因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會反復的從一個電平跳到另一個電平。如果用這樣的輸出電壓控制電機或繼電器，將出現頻繁動作或起停現象。這種情況，通常是不允許的。而滯回比較器則解決了這個問題。滯回比較器有兩個數值不同的閾值，當輸入信號因受干擾或其他原因發生變化時，只要變化量不超過兩個閾值之差，滯回比較器的輸出 電壓就不會來回變化。所以抗干擾能力強。 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。 沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計（論文） 8 方案四：施密特觸發器。 綜合考慮系統的各項性能，最后我們決定采用數字器件 ——施密特觸發器。 施密特觸發器是雙穩態觸發器的變形，它有兩個穩定狀態，觸發方式為電平觸發，只要外加觸發信號的幅值增加到足夠大，它就從一個穩定狀態翻轉到另一個穩定狀態。施密特觸發器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發器的抗干擾能力比滯回比較器更強。 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點，故采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路同圖 25 行車距離檢測電路所示。 圖 25 行車距離檢測電路 紅外測距儀由測距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測長輪的周長為記數的單位，最好取有效值為單一的數值（如本設計中采用 米），精度根據電動車控制的需要確定。測距輪安裝在車輪上，這樣能使記數值準確一些。 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射管和紅外接收管。遮光盤在凹槽中轉動時，缺口進入凹槽時，紅外線可以通過，缺口離開 凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測距輪每轉一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經過整形器后送入計數器或直接送入單片機中。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA0D a t e : 1 9 J u n 2 0 1 2 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t r a t or \ D e s k t o p \ 新建文件夾 ( 5 ) \ M y D e s i gn 4 . d d bD r a w n B y :2174 LM1 4+5沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計（論文） 9 為實現可逆記數功能，我們在測距儀中并列放置了兩個槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產生兩個脈沖信號。根據兩個脈沖信號發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）。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。 測距原理：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，用于接收紅外發光二極管發出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號。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。 顯示電路 本設計中用兩片 4 位八段數碼管 gem4561ae 作顯示器 ,并具有雙重功能 ,在小車不行駛時其中一片顯示年﹑月 ,另一片顯示時﹑分； 當小車行駛時 ,分別顯示時間和行駛距離。 系統原理圖 簡易智能電動車采用 80C51 單片機進行智能控制。開始由手動啟 動小車，并復位，當經過規定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測，通過單片機控制小車開始記數顯示并避障、調速；系統的自動避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器左右側檢測，由單片機控制實現；在電動車進駛過程中，采用雙極式 H 型 PWM 脈寬調制技術，以提高系統的靜動態性能；采用動態共陰顯示行駛時間和里程。系統原理圖如圖 26 所示。 沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計（論文） 10 圖 26 系統原理圖 沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計（論文） 11 第 3 章 硬件設計 一個單片機應用系統的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統擴展，即單片機內部的功能單元，如 ROM﹑ RAM﹑ I/O 口﹑定時 /記數器﹑中斷系統等能量不能滿足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，設計相應的電路。二是系統配置，既按照系統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。 80C51 單片機硬件結構 80C51 單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上 [2]。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、中斷系統及特殊功能寄存器。它們都是通過片內 單一總線連接而成，其基本結構依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統結構模式，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。 (1) 微處理器 該單片機中有一個 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，不僅可處理數據，還可以進行位變量的處理。 (2) 數據存儲器 片內為 128 個字節，片外最多可外擴至 64k 字節，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。 (3) 程序存儲器 由于受集成度限制 ，片內只讀存儲器一般容量較小，如果片內的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至 64k 字節。 (4) 中斷系統 具有 5 個中斷源， 2 級中斷優先權。 (5) 定時器 /計數器 片內有 2 個 16 位的定時器 /計數器， 具有四種工作方式。 沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計（論文） 12 (6) 串行口 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進行串行通訊，擴展并行I/O 口，甚至與多個單片機相連構成多機系統，從而使單片機的功能更強且應用更廣。 (7) P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口為 4 個并行 8 位 I/O 口。 (8) 特殊功能寄存器 共有 21 個 ，用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監視。實際上是一些控制寄存器和狀態寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM 區。 由上可見， 80C51 單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。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。 1 位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8 位機在數據采集，運算處理方面有明顯的長處。 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。 最小應用系統設計 80C51 是片內有 ROM/EPROM 的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統簡單﹑可靠。用 80C51 單片機構成最小應用系統時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖 31 80C51 單片機最小系統所示。由于集成度的限制，最小應用系統只能用作一些小型的控制單元。 其應用特點： 1，有可供用戶使用的大量 I/O 口線； 2，內部存儲器容量有限； 3，應用系統開發具有特殊性。 沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計（論文） 13 圖 31 80C51 單片機最小系統 時鐘電路 80C51 雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。 80C51 單片機的時鐘產生方法有兩種：內部時鐘方式和外部時鐘方式。 本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路。振蕩晶體可在 到 12MHZ 之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩定性、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 時振蕩器有較高的頻率穩定性。所以本設計中，振蕩晶體選擇 6MHZ,電容選擇 65pF。 在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩定和可靠地工作。為了提高溫度穩定性，應采用 NPO 電容。 復位電路 80C51 的復位是由外部的復位電路來實現的。復位引腳 RST 通過一個斯密特觸發器用來抑制噪聲，在每個機器周期 ,斯密特觸發器的輸出電平由復位電路1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA1D a t e : 2 3 J u n 2 0 1 2 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t r a t or \ D e s k t o p \ 新建文件夾 ( 5 ) \ M y D e s i gn 4 . d d bD r a w n B y :E A / V P31X119X218R E S E T9P0P1P2P3∞∞∞∞V C CV C C沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計（論文） 14 采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種 方式。 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電容充電來實現的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms,就可以實現自動上電復位。時鐘頻率用 6MHZ 時 C 取 22uF,R 取 1KΩ。 除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過 RST 端經電阻與電源 Vcc 接通而實現的。按鍵手動復位電路見圖 32。時鐘頻率選用 6MHZ時， C 取 22uF,Rs 取 200Ω， RK取 1KΩ。 圖 32 80C51 復位電路 前向通道設計 單 片機用與測控系統時，總要有與被測對象相聯系的前向通道。因此，前向通道設計與被測對象的狀態、特征、所處環境密切相關。在前向通道設計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結構、信號調節、電源配置、抗干擾設計等。在通道電路設計中還涉及到模擬電路諸多問題。 前向通道的含義 當將單片機用作測﹑控系統時，系統中總要有被測信號輸入通道，有計算機拾取必要的輸入信息。作為測試系統，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統的核心任務，對控制系統來說，對被控對象狀態的測試以及對控制條件1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11