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1、 摘要:本設(shè)計(jì)就采用了比較先進(jìn)的89C51為控制核心，89C51采用CHOMS工藝，功耗很低。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列中的89C51單片機(jī)。以89C51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小車的自動(dòng)避障、自動(dòng)尋跡功能。整個(gè)系統(tǒng)小巧緊湊，控制準(zhǔn)確，性價(jià)比高，人機(jī)互動(dòng)性好。 關(guān)鍵詞:單片機(jī)；避障；尋跡；89c51 I 圖2-1系統(tǒng)硬件框圖 三、硬件的設(shè)計(jì) （一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路 按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)超聲波測(cè)距原理，以單片機(jī)AT89c51為核心的測(cè)液位系統(tǒng)。設(shè)

2、計(jì)系統(tǒng)各部分電路功能。圖3.1為89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)。 圖3.1 89C51單片機(jī)最小系統(tǒng) 1.時(shí)鐘電路 89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。89C51單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無(wú)嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度 有少許影響，CX1、CX2可在

3、20pF到100pF之間取值，但在60pF到70pF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65pF。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。 2.復(fù)位電路 89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通

4、過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用6MHZ時(shí)C取22uF,R取1KΩ。 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過(guò)RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路見(jiàn)圖3.1。時(shí)鐘頻率選用6MHZ時(shí)，C取22uF, R2取200歐姆，R1取1K歐姆。 單片機(jī)用與測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，總要有與被測(cè)對(duì)象相聯(lián)系的前向通道。因此，前向通道設(shè)計(jì)與被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在前向通道設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)節(jié)、電源配

5、置、抗干擾設(shè)計(jì)等。在通道電路設(shè)計(jì)中還涉及到模擬電路諸多問(wèn)題。 （二）行車起始、終點(diǎn)及光線檢測(cè) 本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測(cè)路面的起始、終點(diǎn)（2cm寬的黑線），玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開(kāi)始和終點(diǎn)的停車的需要。利用超聲波傳感器檢測(cè)障礙。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線，當(dāng)感受到光線照射時(shí)，其c-e間的阻值下降，檢測(cè)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(jī)控制。 本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管，分別放置在電動(dòng)車車頭的左、右兩個(gè)方向，用來(lái)控制電動(dòng)車的行走方向，當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管

6、受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右兩側(cè)光電管都受到光照時(shí)，單片機(jī)控制直行。見(jiàn)圖3.2電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路。 圖3.2電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路 采用反射接收原理配置了一對(duì)紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來(lái)的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。 此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號(hào)；電動(dòng)車經(jīng)過(guò)黑線時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平

7、信號(hào)后送89C51單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來(lái)控制玩具車的行駛狀態(tài)。前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn),進(jìn)入減速區(qū)時(shí),由單片機(jī)控制進(jìn)行PWM變頻調(diào)速,通過(guò)軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設(shè)置有兩組開(kāi)關(guān)，一組常閉，另一組常開(kāi)。電橋一端接電源，另一端接了一個(gè)三極管。三極管導(dǎo)通時(shí)，電橋通過(guò)三極管接地，電機(jī)電樞中有電流通過(guò)；三極管截止時(shí)，電橋浮空，電機(jī)電樞中沒(méi)有電流通過(guò)。系統(tǒng)通過(guò)電橋的輸出端為轉(zhuǎn)向電機(jī)供電。通過(guò)對(duì)繼電器開(kāi)閉的控制即可控制電機(jī)的開(kāi)斷和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車前行與倒車的目的，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏功

8、能。 檢測(cè)放大器方案： 方案一：使用普通單級(jí)比例放大電路。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、價(jià)格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。 方案二：采用差動(dòng)放大電路。選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路，雖然可以達(dá)到一定的精度，但有時(shí)仍不能滿足某些特殊要求。例如，在測(cè)量本設(shè)計(jì)中的光電檢測(cè)信號(hào)時(shí)需要把檢測(cè)過(guò)來(lái)的電平信號(hào)放大并濾除干擾，而且要求對(duì)共模干擾信號(hào)具有相當(dāng)強(qiáng)的抑制能力。這種情況下須采用差動(dòng)放大電路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。但在實(shí)際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運(yùn)算放大器輸出飽和；為獲得單片機(jī)能識(shí)別的TTL電平卻又無(wú)法抑制共模干擾。 方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功

9、能是比較兩個(gè)電壓的大小，例如將一個(gè)信號(hào)電壓Ui和一個(gè)參考電壓Ur進(jìn)行比較，在Ui>Ur和Ui

10、至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運(yùn)算電路是不同的。 (2)非線性。由于比較器中運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個(gè)輸入端之間的電位差與開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過(guò)最大輸出電壓，使其內(nèi)部某些管子進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關(guān)系，即在放大、運(yùn)算等電路中常用的計(jì)算方法對(duì)于比較器不再適用。 (3)開(kāi)關(guān)特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當(dāng)與一個(gè)受輸入信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過(guò)閾值時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平。由于比較器的輸入信號(hào)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(shù)字電路之間的過(guò)渡

11、電路。 由于比較器的上述特點(diǎn)，在分析時(shí)既不能象對(duì)待放大電路那樣去計(jì)算放大倍數(shù)，也不能象分析運(yùn)算電路那樣去求解輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系，而應(yīng)當(dāng)著重抓住比較器的輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平的臨界條件所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值（閾值）來(lái)分析輸入量與輸出量之間的關(guān)系。 如果在比較器的輸入端加理想階躍信號(hào)，那么在理想情況下比較器的輸出也應(yīng)當(dāng)是理想的階躍電壓，而且沒(méi)有延遲。但實(shí)際集成運(yùn)放的最大轉(zhuǎn)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(hào)。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿毜臅r(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快。 減小比較器響應(yīng)時(shí)間的主要方法有： (1)盡可能使輸入信號(hào)接近理

12、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(yùn)放構(gòu)成比較器，為了提高響應(yīng)速度可以加限幅措施，以避免集成運(yùn)放內(nèi)部的管子進(jìn)入深飽和區(qū)。具體措施多為在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端聯(lián)二極管。如圖3.3電壓比較器電路所示： 圖3.3 電壓比較器電路 在本設(shè)計(jì)中，光電傳感器只輸出一種高低電平信號(hào)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(jiǎn)單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說(shuō)如果輸入信號(hào)因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會(huì)反復(fù)的從一個(gè)電平跳到另一個(gè)電平。如果用這樣的輸出電壓控制電機(jī)或繼電器，將出現(xiàn)頻繁動(dòng)

13、作或起?，F(xiàn)象。這種情況，通常是不允許的。而滯回比較器則解決了這個(gè)問(wèn)題。滯回比較器有兩個(gè)數(shù)值不同的閾值，當(dāng)輸入信號(hào)因受干擾或其他原因發(fā)生變化時(shí)，只要變化量不超過(guò)兩個(gè)閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會(huì)來(lái)回變化。所以抗干擾能力強(qiáng)。 但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無(wú)法消除的。 方案四：施密特觸發(fā)器。 綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，最后我們決定采用數(shù)字器件——施密特觸發(fā)器。 施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的變形，它有兩個(gè)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(hào)的幅值增加到足夠大，它就從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發(fā)器的抗干擾能力比滯回比較器更強(qiáng)。 - 7 -