毕业设计-基于单片机的电动智能小车设计

毕业设计-基于单片机的电动智能小车设计内容摘要：

输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。 (3)开关特性。 比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过 阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。 由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。 由于比较器的上述特点，在分析时既不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，也不能象分析运算电路那样去求解输出与输入的函数关系，而应当着重沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文） 7 抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。 如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。 但实际 集成运放的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的阶跃信号。 电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。 响应时间越短，响应速度越快。 减小比较器响应时间的主要方法有： (1) 尽可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近理想阶跃且幅度足够大。 (2) 选用集成电压比较器。 (3) 如果选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子进入深饱和区。 具体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。 如图 24 电压比较器电路所示。 图 24 电压比较器电路 在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我们尝试采用了一种滞回比较器。 简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。 如果用这样的输出电压控制电机或继电器，将出现频繁动作或起停现象。 这种情况，通常是不允许的。 而滞回比较器则解决了这个问题。 滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出 电压就不会来回变化。 所以抗干扰能力强。 但是，滞回比较器毕竟是模拟器件，温度的漂移是它无法消除的。 沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文） 8 方案四：施密特触发器。 综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用数字器件 ——施密特触发器。 施密特触发器是双稳态触发器的变形，它有两个稳定状态，触发方式为电平触发，只要外加触发信号的幅值增加到足够大，它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。 施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性，但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更强。 行车距离检测 由于红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强以及可见 光传感器所不能比拟的优点，故采用红外光电码盘测速方案。 具体电路同图 25 行车距离检测电路所示。 图 25 行车距离检测电路 红外测距仪由测距轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。 测长轮的周长为记数的单位，最好取有效值为单一的数值（如本设计中采用 米），精度根据电动车控制的需要确定。 测距轮安装在车轮上，这样能使记数值准确一些。 遮光盘有一缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。 遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开 凹槽红外线被阻挡。 由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。 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 \ 新建文件夹 ( 5 ) \ M y D e s i gn 4 . d d bD r a w n B y :2174 LM1 4+5沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文） 9 为实现可逆记数功能，我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。 根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出玩具车的行驶方向（前进或后退）。 遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里，以避免外界光线的干扰，使电路不能正常工作。 测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动，同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点 亮，在光栅的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。 由于光栅随电机高速转动，则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。 将该信号传输到 80C51 单片机的内部计数器计数，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。 显示电路 本设计中用两片 4 位八段数码管 gem4561ae 作显示器 ,并具有双重功能 ,在小车不行驶时其中一片显示年﹑月 ,另一片显示时﹑分； 当小车行驶时 ,分别显示时间和行驶距离。 系统原理图 简易智能电动车采用 80C51 单片机进行智能控制。 开始由手动启 动小车，并复位，当经过规定的起始黑线，由超声波传感器和红外光电传感器检测，通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速；系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测，由单片机控制实现；在电动车进驶过程中，采用双极式 H 型 PWM 脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能；采用动态共阴显示行驶时间和里程。 系统原理图如图 26 所示。 沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文） 10 图 26 系统原理图 沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文） 11 第 3 章 硬件设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如 ROM﹑ RAM﹑ I/O 口﹑定时 /记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。 二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑ A/D﹑ D/A 转换器等，要设计合适的接口电路。 80C51 单片机硬件结构 80C51 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上 [2]。 如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行 I/O 口、串行口、定时器 /计数器、中断系统及特殊功能寄存器。 它们都是通过片内 单一总线连接而成，其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式，但对各种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) 微处理器 该单片机中有一个 8 位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。 (2) 数据存储器 片内为 128 个字节，片外最多可外扩至 64k 字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 (3) 程序存储器 由于受集成度限制 ，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至 64k 字节。 (4) 中断系统 具有 5 个中断源， 2 级中断优先权。 (5) 定时器 /计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 /计数器， 具有四种工作方式。 沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文） 12 (6) 串行口 1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。 可用来进行串行通讯，扩展并行I/O 口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 (7) P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口为 4 个并行 8 位 I/O 口。 (8) 特殊功能寄存器 共有 21 个 ，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。 实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的 RAM 区。 由上可见， 80C51 单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。 特别值得一提的是该单片机 CPU 中的位处理器，它实际上是一个完整的 1 位微计算机，这个一位微计算机有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 1 位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而 8 位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。 MCS51 单片机中 8 位机和 1 位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的 一个突破，这也是 MCS51 单片机在设计的精美之处。 最小应用系统设计 80C51 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。 用 80C51 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图 31 80C51 单片机最小系统所示。 由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。 其应用特点： 1，有可供用户使用的大量 I/O 口线； 2，内部存储器容量有限； 3，应用系统开发具有特殊性。 沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文） 13 图 31 80C51 单片机最小系统 时钟电路 80C51 虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。 80C51 单片机的时钟产生方法有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在 XTAL XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。 本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。 振荡晶体可在 到 12MHZ 之间选择。 电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响， CX CX2 可在 20pF 到 100pF之间 取值，但在 60pF 到 70pF 时振荡器有较高的频率稳定性。 所以本设计中，振荡晶体选择 6MHZ,电容选择 65pF。 在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。 为了提高温度稳定性，应采用 NPO 电容。 复位电路 80C51 的复位是由外部的复位电路来实现的。 复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期 ,斯密特触发器的输出电平由复位电路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 \ 新建文件夹 ( 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沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文） 14 采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种 方式。 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。 只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms,就可以实现自动上电复位。 时钟频率用 6MHZ 时 C 取 22uF,R 取 1KΩ。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。 本设计就是用的按键手动复位。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。 其中电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现的。 按键手动复位电路见图 32。 时钟频率选用 6MHZ时， C 取 22uF,Rs 取 200Ω， RK取 1KΩ。 图 32 80C51 复位电路 前向通道设计 单 片机用与测控系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道。 因此，前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。 在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。 在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。 前向通道的含义 当将单片机用作测﹑控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。 作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11。