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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 基于單片機(jī)智能小車的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 工業(yè)制造學(xué)院 專 業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 年級(jí) 11 指導(dǎo)教師 職稱 講師 2015年5月8日 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 摘要：智能小車是當(dāng)今科技智能化的產(chǎn)物，它能夠在行駛中自動(dòng)尋跡以及繞過(guò)障礙物到達(dá)目的地，本設(shè)計(jì)采用 MCS-51 系列中的 AT89C51單片機(jī)作為原型，以AT89C51作為控制核心，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡和尋光等等功能。 本文以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、程序指令、流程圖等等，在保留了原始智能小車控制系統(tǒng)的基本功能的同時(shí)又增加了一系列的實(shí)用功能并簡(jiǎn)化其電路結(jié)構(gòu)，其將以控制方便，靈活，只要改變輸入單片機(jī)的控制程序，便可控制小車的行駛軌跡。 關(guān)鍵詞：智能小車；單片機(jī)；結(jié)構(gòu)圖；控制； The design of intelligent vehicle based on SCM Specialty： Student Number： Student： Supervisor： Abstract：The smart car is the product of the intelligent technology, it can run in automatic tracing and bypass the obstacles to reach the destination, this design uses MCS-51 series microcontroller AT89C51 is used as the prototype, using AT89C51 as the control core, using ultrasonic sensors to detect obstacles on the road, automatic obstacle avoidance control of electric cars, fast slow well, automatic parking, and can automatically record the time, mileage and speed, automatic tracing and light and so on. This paper takes the SCM as the core design of the system structure diagram, program instructions, flow chart and so on, the basic functions of the original intelligent car control system also adds a series of practical functions and simplify the circuit structure, the control will be convenient, flexible, as long as the change control procedures for the importation of SCM, can run trajectory control car. Key words：pneumatic manipulator； cylinder； pneumatic loop； Fout degrees of freedom. I 目 錄 緒論 2 1. 智能小車總體概況 2 2. 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 3. 課題的提出及主要任務(wù) 2 4. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2 4.1 方案論證 2 4.2 系統(tǒng)硬件總體框圖 2 4.3 單片機(jī)的作用和功能 2 4.4 單片機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合 2 5. 硬件電路的設(shè)計(jì) 2 5.1 電源模塊 2 5.2 時(shí)鐘電路 2 5.3 復(fù)位電路 2 5.4 紅外遙控系統(tǒng)原理框圖 2 5.5 主控芯片介紹 2 5.6 單片機(jī)控制模塊 2 6. 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 6.1 主程序流程圖 2 6.2 遙控器解碼程序流程圖 2 7. 系統(tǒng)調(diào)試 2 7.1 硬件調(diào)試 2 7.2 軟件調(diào)試 2 7.3 軟硬聯(lián)調(diào) 2 結(jié)論 29 參考文獻(xiàn) 20 致謝 31 緒論 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來(lái)越受人關(guān)注。全國(guó)電 子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目， 全國(guó)各高校也都很 重視該題目的研究?？梢?jiàn)其研究意義很大。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的， 指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準(zhǔn)備。 本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。設(shè)計(jì) 的智能電動(dòng)小車應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，具有自動(dòng)尋跡、尋光、避 障功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車。 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝光電、 紅外線、超聲波傳感器及金屬探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的 實(shí)時(shí)測(cè)量， 并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各 種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。 這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)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 AT89C51 單片機(jī)。 以 AT89C51 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)小汽車 的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度， 自動(dòng)尋跡和尋光功能。AT89C51 是一款八位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到 了廣大使用者的好評(píng)。它是第三代單片機(jī)的代表。 第三代單片機(jī)包括了 Intel 公司發(fā)展 MCS-51 系列的新一代產(chǎn)品， 8ｘC151 如 ﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC451,還包括了 Philips﹑Siemens ﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL 等公司以 89C51 為核心推出的大量各具特色﹑與 89C51 兼容的單片機(jī)。新一代的單片機(jī)的最主要的技術(shù)特點(diǎn) 是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn) Microcomputer 完善的控制功能為己任，將一些 外部接口功能單元如 A/D﹑PWM﹑PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)﹑WDT(監(jiān)視定時(shí)器) ﹑高速 I/O 口﹑計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機(jī)中，在總線方面最重 要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線， 為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更 加靈活的方式。Philips 公司還為這一代單片機(jī) 80C51 系列 8ｘC592 單片機(jī)引入 了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線----CAN(Controller Area Network BUS). 新一代單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展與配置打 下了良好的基礎(chǔ)。 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。 該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義， 可以應(yīng)用于考古、 機(jī)器人、 醫(yī)療器械等許多方面。 尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景； 在考古方面也應(yīng)用到了超聲 波傳感器進(jìn)行檢測(cè)。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義更強(qiáng)。 1 智能小車總體概況 本次設(shè)計(jì)的智能小車以AT89C51為核心，經(jīng)焊接相關(guān)芯片用電路板自制而成，通過(guò) I/O 口檢測(cè)信號(hào)，輸出信號(hào)到 L293D，從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)控制其前進(jìn)、停止、左 轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。檢測(cè)信號(hào)則為三組紅外發(fā)射和接收管，一組黑線時(shí)輸出高電平，白線 時(shí)輸出低電平。另兩組黑線時(shí)輸出低電平，白線時(shí)輸出高電平。 智能小車的控制器使用 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機(jī)。 程序設(shè)計(jì)上使用了時(shí) 鐘中斷來(lái)控制小車行駛的狀態(tài)檢測(cè)，使用外部中斷來(lái)記錄小車行駛的距離，軟件 上設(shè)置了一個(gè)狀態(tài)寄存器， 來(lái)記錄小車運(yùn)行的狀態(tài)，小車的運(yùn)行為延黑線行駛狀 態(tài)，避障礙物狀態(tài)等。 在黑線上行駛時(shí)，控制器檢測(cè)紅外傳感器，如果小車行駛偏離方向，則控制 小車轉(zhuǎn)向輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向。 在避障狀態(tài)時(shí)，控制器檢測(cè)紅外傳感器，判斷前方是否有障礙物，如果有 障礙物則控制汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向，躲避障礙物。 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 至2006年中國(guó)汽車保有量已達(dá)3500萬(wàn)輛（其中轎車占80%，約2500萬(wàn)輛）,每年仍以30%的速度遞增。我國(guó)成為了繼美國(guó)之后的第二大汽車生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展也帶動(dòng)了相關(guān)配套、服務(wù)業(yè)的發(fā)展。而將功能強(qiáng)大的智能車載信息系統(tǒng)——車載電腦加載到汽車上已經(jīng)成為歐美、日本等地汽車市場(chǎng)的首選新裝備。車載電腦給汽車帶來(lái)了一場(chǎng)信息化的革命，讓每輛汽車構(gòu)建成一個(gè)完美的車載信息與娛樂(lè)系統(tǒng)終端，包括車載通訊系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字娛樂(lè)系統(tǒng)以及輔助駕駛系統(tǒng)。坐在汽車?yán)锩媛?tīng)廣播或者音樂(lè)已經(jīng)習(xí)以為常，但是車載電腦帶來(lái)的是全方位的數(shù)字娛樂(lè)，由于其支持WINDOWS下的所有應(yīng)用程序，因此，CD、VCD/DVD以及收看電視都成為可能。讓你在開(kāi)車的時(shí)候聽(tīng)音樂(lè)，在休息的時(shí)候欣賞好萊塢大片或是收看電視，甚至玩各種游戲。車載通訊與導(dǎo)航系統(tǒng)主要指GPRS和GPS，讓你“輕車熟路”，而且輕松打電話。 不僅如此，它還讓你輕松暢游互聯(lián)網(wǎng)，方便地在車上發(fā)送電子郵件、查看公司業(yè)務(wù)信息等、和朋友聊天、網(wǎng)絡(luò)游戲等等。不在辦公室而勝在辦公室，也無(wú)須再為塞車趕不到公司而焦頭爛額！最后，還可以利用車載電腦的擴(kuò)展性，把個(gè)人電腦的功能全部應(yīng)用到車上，比如：MP3/DVD/DivX多媒體播放、手機(jī)控制、WiFi/3G無(wú)線上網(wǎng)、PC游戲、卡拉OK、紅外線倒車鏡頭等等。車載電腦DIY如此強(qiáng)大的功能，讓很多車友心動(dòng)，“只要車內(nèi)有揚(yáng)聲器和收音機(jī)，就可以給汽車安裝車載電腦?！备难b店員工的話更是把安裝車載電腦當(dāng)成小KISS：“用汽車上的電池來(lái)為電腦輸送動(dòng)力，并將音頻線連接到揚(yáng)聲器上，車載電腦完全不用為動(dòng)力和占用空間的問(wèn)題發(fā)愁?！币虼?，給自己心愛(ài)的坐駕安上車載電腦已經(jīng)成為一種時(shí)尚。安裝車載電腦和個(gè)人辦公電腦沒(méi)什么區(qū)別，主要也分為硬件和軟件兩部分。硬件方面盡量選取低功耗硬件，畢竟汽油不便宜，低功耗可以少消耗點(diǎn)汽油，另外也要盡可能地選取抗震效果較強(qiáng)的硬件。首先要選一款機(jī)箱，對(duì)于有限的車內(nèi)空間，怎樣充分利用十分重要。因此要選擇美觀而小巧的機(jī)箱，目前市面較流行的合利科技的NC小機(jī)箱只有大字典尺寸，很受車友歡迎。車載電腦的內(nèi)存一般使用普通PC256MDDR內(nèi)存就夠用了。由于要經(jīng)受勞頓奔波，存儲(chǔ)系統(tǒng)一般采用筆記本硬盤，當(dāng)然你要是還不放心，就可以選用CF卡存儲(chǔ)系統(tǒng)。主板選擇范圍較大，但需要考慮兩個(gè)因素，一是車內(nèi)溫度高，因此要求主板的功耗要低，發(fā)熱不能夠過(guò)高；再者考慮到機(jī)箱的空間，要求板子小巧。 眾多車友推薦使用VIA的EPIA系列ITX主板，集成了顯卡、聲卡以及CPU，性能穩(wěn)定、功耗較低。顯示器一般選用8英寸或者7英寸的LCD液晶屏，有LILIPUT(利利普)、德龍等品牌。電源是車載電腦的重心，因?yàn)槠嚬╇姴环€(wěn)定，車載啟動(dòng)或加速時(shí)，對(duì)主板的電源產(chǎn)生沖擊，如果主板對(duì)電源承受力弱，就會(huì)出現(xiàn)死機(jī)或異常。因此車載電腦最好采用帶ITPS功能車載電腦DC/DC電源。很多車友選用逆變器方案，但并不是最佳的選擇，DC變交流電，具有一定的安全隱患，另外轉(zhuǎn)換效率也是個(gè)問(wèn)題。 其他的外設(shè)，比如GPS接收器、網(wǎng)絡(luò)連接等都可以選用USB設(shè)備。軟件方面相比而言就要簡(jiǎn)單很多，操作系統(tǒng)一般裝XP、WIN2000，為了操作方便也可以添加一些車載電腦的專用軟件，如國(guó)外免費(fèi)軟件MediaCar。導(dǎo)航軟件有靈圖、城際通等。就目前情況而言，不論是DIY還是購(gòu)買整機(jī)，給汽車裝上車載電腦都不是一件難事，但是，過(guò)多的負(fù)載還是會(huì)影響到行車安全，并且電腦安裝過(guò)程也要改動(dòng)不少電路，需要確保安全。只有安全的享受數(shù)字技術(shù)帶給我們的快樂(lè)，才是我們所需要的！上面所講的車載電腦指能夠支持多種應(yīng)用程序的嵌入式計(jì)算機(jī)，換句話說(shuō)就是把我們?nèi)粘Ｓ玫膫€(gè)人電腦小型化加載到汽車上，成為一個(gè)智能化的外設(shè)。而一般車友所謂的電腦是指負(fù)責(zé)車輛與引擎狀況監(jiān)管的行車電腦，也就是我們所謂的ECU（EngineControlUnit）。 3 課題的提出及主要任務(wù) 本次課題的內(nèi)容是基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)，以單片機(jī)為控制核心，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用光電傳感器、超聲波傳感器等組成不同的檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)小車在行駛中自動(dòng)尋跡、躲避障礙物，利用光電傳感器進(jìn)行自動(dòng)尋跡，實(shí)現(xiàn)了小車能夠沿著黑線行走。利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙物。通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)小車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。設(shè)計(jì)的具體過(guò)程如下： 1） 查閱相關(guān)資料，了解智能小車單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。 2） 確定智能小車的設(shè)計(jì)方案。 3） 各程序流程圖的繪制，電路圖的繪制。 4） 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 4.1 方案論證 簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車采用 80C51 單片機(jī)進(jìn)行智能控制。開(kāi)始由手動(dòng)啟動(dòng)小車， 并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過(guò)規(guī)定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測(cè)，通過(guò) 單片機(jī)控制小車開(kāi)始記數(shù)顯示并避障、調(diào)速；系統(tǒng)的自動(dòng)避障功能通過(guò)超聲波傳 感器正前方檢測(cè)和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測(cè)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；在電動(dòng)車進(jìn) 駛過(guò)程中，采用雙極式 H 型 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能； 采用動(dòng)態(tài)共陰顯示行駛時(shí)間和里程。 4.2 系統(tǒng)硬件總體框圖 本次設(shè)計(jì)的智能小車以AT89C51為核心，將其作為主控芯片來(lái)處理各個(gè)模塊的運(yùn)營(yíng)，其系統(tǒng)硬件總框圖如下： 4.3 單片機(jī)的作用和功能 隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小、功能將列強(qiáng)。在單片機(jī)家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS–51系列中的80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名IC制造廠商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51單片機(jī)已成為單片機(jī)發(fā)展的主流。專家認(rèn)為，雖然世界上的MCU品種繁多，功能各異，開(kāi)發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，80C51可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片。 STC89C51RC系列單片機(jī)是宏晶科技出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器和6時(shí)鐘/機(jī)器可選，HD版本和90C版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。89C51與89C51的區(qū)別在于51的程序空間為4K字節(jié)，而51程序空間為8K字節(jié)，其余性能與結(jié)構(gòu)相同。本論文以89C51RC系列來(lái)講述。單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等。由于單片機(jī)體積小，使用方便的特點(diǎn)，被應(yīng)用在智能儀器上，再結(jié)合其他的傳感器之類的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度等精密量的測(cè)量，功能十分的強(qiáng)大。同樣由于單片機(jī)的體積小、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和使用方便等方面的優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)也被普遍應(yīng)用于工業(yè)控制上，比如多種多樣的通訊系統(tǒng)以及機(jī)器人等方面。此外，由于單片機(jī)的適應(yīng)能力很強(qiáng)，所以在我們常用的手機(jī)、電腦等物品上應(yīng)用十分廣泛。還有，醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備如呼吸機(jī)等也有單片機(jī)的廣泛應(yīng)用。還有就是汽車系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等都廣泛應(yīng)用單片機(jī)。其中，單片機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如下： 4.4單片機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合 由于單片機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域之廣，幾乎到了無(wú)孔不入的地步。單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域有： 1）智能化家用電器：各種家用電器普遍采用單片機(jī)智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子線路控制，升級(jí)換代，提高檔次。如洗衣機(jī)、空調(diào)、電視機(jī)、錄像機(jī)、微波爐、電冰箱、電飯煲以及各種視聽(tīng)設(shè)備等。 2）辦公自動(dòng)化設(shè)備：現(xiàn)代辦公室使用的大量通信和辦公設(shè)備多數(shù)嵌入了單片機(jī)。如打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、繪圖機(jī)、考勤機(jī)、電話以及通用計(jì)算機(jī)中的鍵盤譯碼、磁盤驅(qū)動(dòng)等。 3）商業(yè)營(yíng)銷設(shè)備：在商業(yè)營(yíng)銷系統(tǒng)中已廣泛使用的電子稱、收款機(jī)、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機(jī)、出租車計(jì)價(jià)器以及倉(cāng)儲(chǔ)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、商場(chǎng)保安系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保險(xiǎn)系統(tǒng)等都采用了單片機(jī)控制。 4）工業(yè)自動(dòng)化控制：工業(yè)自動(dòng)化控制是最早采用單片機(jī)控制的領(lǐng)域之一。如各種測(cè)控系統(tǒng)、過(guò)程控制、機(jī)電一體化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各種工業(yè)領(lǐng)域都要用到單片機(jī)控制。 5）智能化儀表：采用單片機(jī)的智能化儀表大大提升了儀表的檔次，強(qiáng)化了功能。如數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)、故障診斷、聯(lián)網(wǎng)集控等。 6）智能化通信產(chǎn)品：最突出的是手機(jī)，當(dāng)然手機(jī)內(nèi)的芯片屬專用型單片機(jī)。 7）汽車電子產(chǎn)品：現(xiàn)代汽車的集中顯示系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和運(yùn)行監(jiān)視器（黑匣子）等都離不開(kāi)單片機(jī)。 8）航空航天系統(tǒng)和國(guó)防軍事、尖端武器等領(lǐng)域：?jiǎn)纹瑱C(jī)的應(yīng)用更是不言而喻。 單片機(jī)應(yīng)用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。更重要的意義在于，單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。以前采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。以前自動(dòng)控制中的PID調(diào)節(jié)，現(xiàn)在可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有智能化的數(shù)字計(jì)算控制、模糊控制和自適應(yīng)控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱為微控技術(shù)。隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣，微控制技術(shù)將不斷發(fā)展完善。 5 硬件電路的設(shè)計(jì) 5.1 電源模塊 穩(wěn)壓電源是單片機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為測(cè)控系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和抗干擾性能。近年來(lái)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源正逐步被更高效率的開(kāi)關(guān)電源所取代，特別是單片機(jī)開(kāi)關(guān)電源的迅速推廣應(yīng)用，為設(shè)計(jì)新型、高效、節(jié)能電源創(chuàng)造了良好的條件。本機(jī)采用的是5V的電源，用干電池供電。其電路圖如下： 5.2 時(shí)鐘電路 AT89S51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外附加電路。AT89S51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，即用外接晶振和電容組成的并聯(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20pF到100pF之間取值。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇11.0592MHZ，電容選擇30pF。其電路圖如下圖： 5.3 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。 復(fù)位信號(hào)及其產(chǎn)生RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期(即二個(gè)機(jī)器周期)以上。若使用頗率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)4us才能完成復(fù)位操作。整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)刻對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位相按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。 上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖1.2.2(2)（a）所示。這佯，只要電源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，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖（a),（b）(c)所示: 5.4 紅外遙控系統(tǒng)原理框圖 紅外線遙控是比較常見(jiàn)的一種遙控設(shè)備，它是利用波長(zhǎng)為0.76~1.5μm之間的紅外線來(lái)傳送控制信號(hào)的遙控設(shè)備。其占據(jù)空間小、價(jià)格便宜、使用方便，在我們常用的家用電器比如電視、DVD，錄音機(jī)、空凋等和一些小型電動(dòng)玩具裝置上均已應(yīng)用了紅外線遙控設(shè)備。但是紅外遙控也有缺點(diǎn)比如容易受到空間和距離的限制，一般在7m的范圍內(nèi)有效且發(fā)射和接收之間不能被物體隔擋，但對(duì)于本設(shè)計(jì)的智能小車來(lái)說(shuō)已經(jīng)能夠滿足要求。紅外遙控系統(tǒng)一般由兩大部分組成：一個(gè)紅外發(fā)射部分，一個(gè)紅外接收部分。其中發(fā)射部分主要由按鍵鍵盤、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器構(gòu)成，它最重要的部分就是應(yīng)用編碼芯片對(duì)按鍵信息進(jìn)行編碼和發(fā)送；接收部分由光電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路構(gòu)成，其最重要的部分是對(duì)接收到的編碼進(jìn)行解調(diào)。其原理如圖5.3所示： 5.5 主控芯片介紹 HT6221是合泰公司生產(chǎn)的多功能遙控編碼芯片，工作電壓在1.8V-3.5V，其采用PPM（PulsePositionModulation）進(jìn)行編碼，周期能編碼16位地址碼和8位數(shù)據(jù)碼，最多能同時(shí)支持32個(gè)活動(dòng)鍵。其引腳結(jié)構(gòu)如圖5.4所示： 遙控編碼有兩種：位0和位1，其低電平脈寬相同但高電平脈寬不一樣。采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的脈沖表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的脈沖表示二進(jìn)制的“1”。其波形如圖5.4所示： 5.6 單片機(jī)控制模塊 本設(shè)計(jì)我們采用AT89C51單片機(jī)作為智能小車部分的控制核心，AT89C51單片機(jī)是AT89系列的標(biāo)準(zhǔn)型8位單片機(jī)，其與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)和8051產(chǎn)品引腳兼容，功耗低、性能強(qiáng)大、價(jià)格便宜適用于許多較為復(fù)雜控制的場(chǎng)合。AT89C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：一個(gè)以ALU為中心的8位中央處理器，256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），8K字節(jié)用來(lái)存儲(chǔ)程序的Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器即片內(nèi)ROM(可反復(fù)擦寫1000次),4個(gè)8位可編程I/O口（P0、P1、P2、P3），3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)，一個(gè)全雙工串行通信口，一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。AT89C51單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)主要由單片機(jī)、復(fù)位電路、振蕩電路等部分組成。 本設(shè)計(jì)中我們使用了AT89C51單片機(jī)的大部分引腳，其具體的引腳功能分配如下表5-5所示： 6 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6.1 主程序流程圖 該智能化小車主程序流程圖如下圖所示： 6.2 遙控器解碼程序流程圖 7 系統(tǒng)調(diào)試 7.1 硬件調(diào)試 硬件調(diào)試，對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實(shí)現(xiàn)指定的功能。查看硬件電路的連接是否與邏輯圖一致，用萬(wàn)用表檢測(cè)有無(wú)短路或斷路現(xiàn)象，器件的規(guī)格、極性是否有誤。檢查完畢，用萬(wàn)用表測(cè)量一下電路板正負(fù)電源兩端之間的電阻，排除電源短路的可能性。 7.2 軟件調(diào)試 本系統(tǒng)的軟件調(diào)試因AT89S51核心模塊的使用而變得相對(duì)容易，keil軟件開(kāi)發(fā)環(huán)本系統(tǒng)的軟件調(diào)試因AT89S51核心模塊的使用而變得相對(duì)容易，keil軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，能判 斷語(yǔ)法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤，這樣使調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單，由于本系統(tǒng)是分模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的，所以調(diào)試時(shí)先分模塊進(jìn)行調(diào)試。如小車紅外線尋跡程序，在調(diào)試時(shí)將它放在一個(gè)子程序里單獨(dú)測(cè)試，看其是否能夠完成預(yù)定的功能，如能，測(cè)試通過(guò)，否則，修改并反復(fù)測(cè)試直到通過(guò)。 雖然在軟件的調(diào)試過(guò)程中，綜合利用了設(shè)定斷點(diǎn)、單步、跟蹤等調(diào)試手段，使得調(diào)試工作更易進(jìn)行。但是也出現(xiàn)了一定的問(wèn)題，接近開(kāi)關(guān)傳感器的計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，電機(jī)延時(shí)沒(méi)起到效果等等。通過(guò)了多次分離合并，修改測(cè)試語(yǔ)句以及單片機(jī)外加LED燈觀察現(xiàn)象等方法得以解決，達(dá)到綜合效果。 7.3 軟硬聯(lián)調(diào) 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊設(shè)計(jì)法，所以方便對(duì)各電路模塊功能進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊的調(diào)試、接近開(kāi)關(guān)傳感器調(diào)試、紅外線避障模塊的調(diào)試以及電機(jī)控制模塊的調(diào)試，最后將各模塊組合后結(jié)合軟件進(jìn)行整體測(cè)試。在軟件和硬件都基本調(diào)通的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)。按照又上向下，模塊化設(shè)計(jì)的理念對(duì)模塊逐個(gè)調(diào)試：首先，調(diào)紅外接近開(kāi)關(guān)模塊，是否能正常檢測(cè)，然后調(diào)試單片機(jī)能否對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，接著調(diào)試單片機(jī)對(duì)L298N的控制。最后等模塊逐一調(diào)通后，再進(jìn)行聯(lián)調(diào)。再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)的題目是頸部康復(fù)拉伸機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識(shí)，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度本文所設(shè)計(jì)的是頸部康復(fù)拉伸機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)初期的定稿，查資料和開(kāi)始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識(shí)的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門學(xué)問(wèn)不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最后，感謝幫助過(guò)我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過(guò)。 做一門學(xué)問(wèn)不容易，需要有不斷鉆研，積極進(jìn)取的精神，以后我會(huì)更加努力，爭(zhēng)取做到更好。除了要衷心的感謝我的指導(dǎo)老師以外，我還要感謝在校期間所有傳授過(guò)我知識(shí)的老師們，他們孜孜不倦的教誨是我完成這篇論文的基礎(chǔ)。作為一個(gè)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，在一些其他課程上遇到過(guò)許多問(wèn)題，多虧老師們?cè)诎倜χ谐槌鰰r(shí)間為我答疑解難，給予我耐心的指點(diǎn)，讓我少走了許多彎路。在此我對(duì)他們無(wú)私的愛(ài)心表示由衷的感謝。同時(shí)也感謝大學(xué)生活中與我朝夕相處的同學(xué)們，他們給我留下了最難忘的回憶。在一起走過(guò)的日子里，我們一同歡笑，一起悲傷，相互鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。我要感謝在這漫長(zhǎng)而短暫的四年里陪我一同走過(guò)的同學(xué)們，因?yàn)橛辛四銈?，我的生命中多了很多歡樂(lè)的瞬間和美好的回憶，愿我們的情義地久天長(zhǎng)。 最后感謝我的家人，是他們一直站在我身后，做我堅(jiān)強(qiáng)的后盾，無(wú)論我成功與否，他們都默默地給予我支持與鼓勵(lì)，讓我感到我不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗。謝謝你們，我一定會(huì)更加努力，不辜負(fù)你們對(duì)我的期望。 參考文獻(xiàn) [1] 鄭淑芳 機(jī)械設(shè)計(jì)理論研究與探討 北京：科學(xué)出版社，2004.5 [2] 黃長(zhǎng)藝 頸部康復(fù)拉伸機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1 [3] 周宏甫 頸部康復(fù)拉伸機(jī)設(shè)計(jì).高等教育出版社，2004.3 [4] 姜繼海，宋錦春，高常識(shí). 頸部康復(fù)拉伸機(jī)原理.高等教育出版社，2002.8 [5] 張春林，曲繼方，張美麟.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，2001.4 [6] 錢平. 加工專機(jī)應(yīng)用技術(shù) 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Dynamic Control of a Manipulator withPassive Joints in Operational Space. 致 謝 時(shí)間過(guò)得真快，到現(xiàn)在，論文總算完成了，我的心里感到特別高興和激動(dòng)，在這里，我打心里向我的導(dǎo)師和同學(xué)們表示衷心的感謝！因?yàn)橛辛死蠋煹恼佌伣虒?dǎo)，才讓我學(xué)到了很多知識(shí)和做人的道理，由衷地感謝我親愛(ài)的老師，您不僅在學(xué)術(shù)上對(duì)我精心指導(dǎo)，在生活上面也給予我無(wú)微不至的關(guān)懷支持和理解，在我的生命中給予的靈感，所以我才能順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)，也學(xué)到了很多有用的知識(shí)，同時(shí)我的生活中的也有了一個(gè)明確的目標(biāo)。知道想要什么，不再是過(guò)去的那個(gè)愛(ài)玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，創(chuàng)新的學(xué)術(shù)風(fēng)格，認(rèn)真負(fù)責(zé)，無(wú)私奉獻(xiàn)，寬容豁達(dá)的教學(xué)態(tài)度都是我們應(yīng)該學(xué)習(xí)和提倡的。通過(guò)近半年的設(shè)計(jì)計(jì)算，查找各頸部康復(fù)拉伸機(jī)的相關(guān)資料，論文終于完成了，我感到非常興奮和高興。雖然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因?yàn)槲沂窃趺聪氲模@是我付出的汗水獲得的成果，是我在大學(xué)四年的知識(shí)和反映。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是來(lái)自老師和同學(xué)的潛移默化讓我學(xué)到很多有用的知識(shí)，在這里，謝謝老師以及所有關(guān)心我和幫助我的人，謝謝大家。 最后，感謝所有幫助我的老師和同學(xué)，有你們的支付和幫助，我才能夠取得如今的成就，在這里，謝謝大家了。 XIX