基于at89c52智能小车的设计(编辑修改稿)

基于at89c52智能小车的设计(编辑修改稿)内容摘要：

RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52 有 40个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 3 个 16位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线， AT89C52 可以按照常规方法进行编程 ,但不可以在线编程 (S 系列的才支持在线编程 )。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 AT89C52RC 作为本设计的核心芯片如图 2所示，是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，兼容标准 MCS51指令系统及 80C51 引脚结构， ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成一片功能强大的微型计算机。 AT89C52RC 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 11 图 2 AT89C52RC 单片机 AT89C52RC单片机的硬件结构 AT89C52RC 单片机系列的存储器用的是哈佛结构，即将程序和数据存储器截然分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。 AT89C52RC 的存储器可分为五类：程序存储器，内部数据存储器，特殊功能寄存器，位地址空间，外部数据存储器。 AT89C52RC单片机管脚简介 AT89C52是一个低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51指令系统，片内置通用 8位中央 处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52有 40个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2个外中断口， 3个 16位可编程定时计数器 ,2个全双工串行通信口， 2 个读写口线， AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地 降低开发成本。 AT89C52有 PDIP、 PQFP/TQFP及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性： 兼容 MCS51指令系统 8k 可反复擦写 (1000次） Flash ROM 32个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM 3个 16位可编程定时 /计数器中断 时钟频率 024MHz 2个串行中断 可编程 UART 串行通道 2个外部中断源 共 6个中断源 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 12 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 AT89C52RC 有 40引脚双列直插（ DIP）、 44引脚（ PLCC）、 44引脚（ TQFP）封装形式。 AT89C52RC的引脚功能如图 3所示。 AT89C52RC 系列单片机采用了 CMOS 技术制造，它集成度高、速度快、功耗低。 AT89C52RC单片机的内部存储结构 AT89C52RC 单片机片内总体结构的详细框图如图 3 所示，主要由 9 个部分组成，分别是： 1 个 8 位中央处 理器； 4KBFlash 存储器； 128B 的数据存储器；32 条 I/O 接口线（ P0、 P P P3）； 2 个定时 /计数器； 1 个具有 6 个中断源、4 个优先级的中断嵌套结构；用于多处理机通信、 I/O 扩展或全双工 UART 的串行口；特殊功能寄存器（ SFR）； 1 个片内振荡器和时钟电路。 图 3 40 引脚双列直插（ DIP）封装 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 13 图 4 单片机内部结构简图 硬件设计 在本设计中电路设计非常重要包括复位操作方式、晶振频率、传感器电路设计、电源 管理模块、驱动模块的设计。 这些电路设计都以简单、使用为原则进行设计。 其中复位电路、晶振电路和电源构成了单片机的最小系统。 下面是详细介绍。 复位操作方式 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是 PC 初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。 除了进入系统的正常初始化外，由于程序运行时出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也需按复位键以从新启动。 除 PC 之外，复位操作还对其它特殊功能寄存器有影响。 复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响。 它们的复位状态见附录表例如；在复位期间 ALE 和 PSEN 信号变为无效状态，即 ALE=1， PSEN=1。 (1)复位信号及其产生 RST 引脚是复位信号的输入端。 复位信号是高电平有效，其有效时间应持续湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 14 24 个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。 若使用频率为 6MHZ 的晶振，则复位信号持续时间应超过 4微秒才能完成复位操作。 整个复位电路包括芯片内、外两部分。 外部电路产生的复位信号（ RST）送施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的 S5P2 时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。 (2)复位操作方式 复位操作有上电自动复位 、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式。 图 5 单片机复位电路图 本次设计采用的是上电复位，上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源 VCC 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。 复位时间计算方式：（ R） *（ C） =(欧姆） *（法拉）＝秒 R＝ ， C＝ 10UF 则延时 时间是（ *1000） *（ 10/1000000） ＝ 秒 晶振频率 AT89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图 10。 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 C C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。 对外接电容 C C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用 30pF177。 10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pF177。 10pF。 用户也可以采用外部时钟。 采用外部时钟的电路如图 10 右图 所示。 这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。 由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 15 号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 晶振电路是单片机不可缺少的，这种电路是单片机内部振荡电路，由只需要在单片机的 XTAL1 和 XTAL2引脚边接一个晶体振荡器或一个陶瓷振荡器，并通过两个电容后接地即可， XTAL1 和 XTAL2 分别为单片机片内反相器的输入和输出端口，因为单片机内部工 作 需要时钟，产生机器周期，振荡电容一般选取 1030PF，振荡电路的频率要满足单片机的工作频率要求，单片机才能正常工作。 如图 6 所示。 at 系列 单片机是 12 分频，如用 12M 的晶振分频后就是 12M/12=1M 一个指令周期就是 1/1M=1us。 这样使单片机具有良好的抗干扰能力。 图 6 单片机晶振电路图 传感器电路 寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中最重要的一部分，其作用相当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入单片机进行数据处理，其能否正常工作直接影响着小车队路面的判断以及小车 下一步的行动，因而其布局的合理性与有效对小车稳定而又快速的行驶起着关键的作用。 我们认为在传感器的布局中，要解决两个问题：信息检测的精确度和信息检测的前沿性。 （ 1）本设计中选用的传感器如图 7所示，白色为：红外发射探头（连续的发射红外光线）。 黑色为：红外接收探头（接收反射回来的红外光线） 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 16 图 7 红外发射管与红外接收探头 本设计中安装了三组红外探头，排成三角形。 （ 2） 传感器电路图如图 8 所示 ， 详细全图见附录 图 8 红外发射与接收探头相关的匹配电阻 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 17 220 电阻：红外发射器的降压与限流电阻（完成对红外发 射器的保护）。 因为单片机的电源是 5V，流过放光二极管的电流小于 20MA，放光二极管的管压降为 ~2V。 所以根据单片机电源减去二极管管压降除以流过二极管电流，就可以得到所需要的电阻。 15K 电阻：红外接收探器的光信号变电信号电阻（完成将反射回来的光信号）。 15K 的电阻选择是随意选择的，也可以选择 10K， 20K。 因为红外接收探头在工作时，就相当于一个开关，所以电阻是随意的。 红外发射与红外接收， V1 红外发射器：主要完成红外线的发射， V2 红外接收器：主要完成将反射回来的红外光线接收到后再由电阻转换为电信号。 （ 3）寻迹小车的寻迹原理 寻迹小车之所以能够寻迹，主要是由 小车下 方的两对红外发射与接收探头来完成的。 我们知道光有反射的特性。 所以说当 下 方的红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。 当红外接收探头接收到信号后，再将 转变成的电 信号送到单片机由单片机内部的程序来控制小车的运行。 那么如何知道是黑线还是白线呢。 原来红外光线有一个反射特性。 但对于不 同 的物体反射特性是不一样的，特别是对白色反光的物体，红外光线的反射量将会多一点。 而对黑色不反光的物体，红外反射量将会大量 的减少。 那么我们就可以利用这个特性来完成黑与白的判断。 通过电路的合理安装，可以将这种接收到的红外光线变化量转换为电压值传送到单片机中。 返回的电压值为低电平，而单片机就可以进行各种智能化控制了。 例如，完成黑白线的寻迹功能，还有倒车停车的功能。 电机驱动模块 供电电路：运动系统供电采用双电源分别对电机和控制器供电。 考虑到小车是个不断运动的实验设备，采用干电池供电。 总的供电系统是有 6V 的大功率电池储能，经过电压转换单元。 由一个 6V 转为 5V 对控制单元供电；另一个 6V电池直接对电机的供电端连接。 供电部分的分 析将在后 面结合 整个系统的供电电路进行详细介绍。 电机驱动和控制电路：通过 51 单片机，控制端口对直流电机的转速和转向来对电机进行控制。 直流电机的控制一般由单片机的 PWM 信号来完成，因为单片机引脚产生的电流很小，不足以驱动需要大电流的电机，所以在这里我们采用电机驱动芯片L9110，让单片机控制他，来间接的驱动电机，他的输入只要一个单片机信号，输出脚可以输出很大的电流。 电路图示见图 9，管脚定义见表 1。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 18 图 9 电机驱动电路图 序号 符号 功能 1 OA A 路输出管 2 VCC 电源电压 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 19 3 VCC 电源电压 4 OB B 路输出管 5 GND 地线 6 IA A 路输入管教 7 IB B 路输入管教 8 GND 地线 表 1 管脚定义表 图 10 管脚波形图 描述： L9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片 IC 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。 该芯片有两个 TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性。 两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动 能力，每通道能通过750~800mA 的持续电流，峰值电流能力可达 ~；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。