1、 图书分类号： 密 级： 毕业设计 (论文 ) 基于 80C51 单片机智能 小车 SMART CAR BASED ON THE 80C51 SINGLE-CHIP 学生姓名 陈从从 学院名称 信电 工程 学院 专业名称 电子信息工程技术 指导教师 肖理庆 2009 年 5 月 18 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 摘要 随着时代的飞速发张，电子技术已渗透到我们生活得方方面面，现代电子技术以电子技术以数字信号处理、通讯等技术组成的新兴 学科得到了广泛的应用，特别是数字信号处理、语音 视频、图形图像、军事、自动控制等领域发挥得特别出色。单片机技术的发展以微处理器 （ MPU） 技术及超
2、大规模继承电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出微处理器更具个性化的发展趋势。 本设计基于计算机控制技术、单片机技术、传感器技术、智能控制技术、机电一体化技术及机器人学研制了一个能自动寻线、识别并测量铁片、避障、自主规划路径的职能电动小车。论而你分析了小车本体、主控系统、信息感知单元、驱动单元等模块的理论论证、设计与调试过程，并集合实际调试过程的分析，详细阐述了小车整个行驶过程中的运动参数的规划与实现 。本设计在特色部分论文分析了以 Megal8 芯片为主基于概率分析的避障单元的设计与实现，串行扫描方式实现的人机接口，寻光雷达，小车位姿控制等内容。本设计的理论设计方案、调试方法、测
3、试数据分析方法及设计中的特色与创新点等对自动运动机器人、家用情节机器人、灭火机器人等自主及半自主机器人的设计与实现有一定的参考意义。 关键词 80C51 单片机；光电检测器； PWM 调速；电动小车 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) II 目 录 1 绪论 . 1 1.1 单片机发展 . 1 1.2 设计背景 . 1 2 方案设计与论证 . 3 2.1 直流调速系统 . 3 2.2 检测系统 . 4 2.2.1 行车起始、终点及光线检测 . 4 2.2.2 行车距离检测 . 8 2.3 显示电路 . 9 2.4 系统原理图 . 9 3 硬件设计 . 11 3.1 80C51 单片机硬件结构 .
4、 11 3.2 最小应用系统设计 . 12 3.2.1 时钟电路 . 13 3.2.2 复位电路 . 13 3.3 前向通道设计 . 14 3.3.1 前向通道的含义 . 14 3.3.2 前向通道的设计 . 15 3.4 后向通道设计 . 16 3.4.1 脉宽调制原理 . 17 3.4.2 逻辑延时环节 . 18 3.4.3 电源的设计 . 18 3.5 显示电路设计 . 19 4 软件设计 . 20 4.1 主程序设计 . 20 4.2 显示子程序设计 . 24 4.3 避障子程序设计 . 25 4.4 软件抗干扰技术 . 26 4.4.1 数字滤波技术 . 26 4.4.2 开关量的软
5、件抗干扰技术 . 27 4.4.3 指令冗余技术 . 27 4.4.4 软件陷阱技术 . 27 4.4.5 程序区 . 28 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) III 4.5 “看门狗”技术 . 28 4.5.1 基本原理 . 28 4.5.2 参数选择 . 29 4.6 可编程逻辑 器件 . 30 5 测试数据、测试结果分析及结论 . 31 5.1 测试方法与仪器 . 31 5.2 测试方法 . 31 5.3 结论 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 附录 . 34 附录 1 程序清单 . 34 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 1 绪论 1.1 单片机发展 单片机是单片微型
6、计算机的简称，早期英文名是 Single-chip Microcomputer, 后来大多数称为 “ 微控制器 ” （ MCU， Microcontroller Unit） 或 “ 嵌入式计算机 ”（ Embedded computer） 。 MCU 的基本含义 1是：在一块芯片上集成了中央处理单元（ CPU） 、存储器（ RAM/ROM 等）、定时器 /计数器及多种输入输出接口的比较完整的数字处理系统。它的出现是大规模集成电路技术发展的产物。它广泛地应用于工业控制、通讯、智能化仪表等领域。 单片机的出现使计算机制造技术不断发展的产物，它使计算机从海量数值计算进入到智能化控制领域 2。从此，计
7、算机技术在两个重要领域 通用计算机领域和嵌入式计算机领域都获得极其重要的进展，为计算机的应用开辟了更广阔的空间。就单片机组成而言，虽然它只是一块芯片，但包含了 计算机的基本组成单元，仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备、五部分组成，只不过这些都集成在一块芯片上，这种结构使得单片机成为具有独特功能的计算机。 由于单片机具有体积小、价格低、稳定可靠等优点，它的出现与迅速发展，在控制领域，发生了一场技术革命。单片机以其较高的性能价格比、灵活性等特点，在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。在单片机出现之前，人们必须用模拟电路、数字电路实现大部分计算、控制功能，这样使得控制系统体积庞大，易出
8、故障。单片机出现以后，这些控制功能的绝大部分，已由单片机的软件实现。其他 电子线路成为单片机的外围接口电路，承担着输入、输出、执行动作等功能，而计算、比较、判断等原来必须用电路实现的功能，现在用软件取代，大大提高了系统性能，这种控制技术称为微控制技术。在微控制技术中，核心是单片机，其他部分以此展开。 本设计课题以单片机为核心，充分利用了 MC68HC908GP32 的强大功能，通过对 CPU 的编程，实现了对小车的行驶路程的计算，以及对电动机的变速、转弯、自动停车等一系列控制；数据的采集通过多个反射式红外传感器（包括 4 个安装在车底前端的黑白传感器，一个安装在后轮一侧）。 CPU 通过采集的
9、 数据来控制小车，使小车能沿着地上的指定路线自动寻迹行驶。采用七段 LED 显示路程。电机的驱动模块采用基于 PWM 原理的集成有 H 桥电路的电机驱动芯片 L298N，可以效降低驱动电机的转速，实现调速。接一个稳压管（ 7805）提供稳定的 5 伏电压（电源电压 9 伏），使得系统更加稳定。 1.2 设计背景 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 2 随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动 小车应该能够实时显示
10、时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。 根据题题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，次那个奖测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的只能控制。 这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用 MCS-51 系列中的 80C51 单片机。以 80C51为控制核心，利用超声波传感 器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程
11、和速度，自动寻迹和寻光功能。80C51 是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。 第三代单片机包括了 Intel 公司发展 MCS-51 系列的新一代产品，如 8 C15280C51FA/FB 80C51GA/GB 8 C451 8 C452,还包括了 Philips Siemens ADM Fujutsu OKI Harria-Metra ATMEL等公司以 80C51 为核心推出 的大量各具特色与 80C51 兼容的单片机 3。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现 Microcomputer 完善的控制功能为己任，将一些
12、外部接口功能单元如A/D PWM PCA(可编程计数器阵列 ) WDT(监视定时器 )高速 I/O 口计数器的捕获 /比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。 Philips 公司还为这一代单片机 80C51 系列 8 C592 单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线 -CAN(Controller Area Network BUS) 4。 新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。 本设计就采用了比较先进的 80C51 为控制核心 ， 80C51 采用 CHOMS
13、 工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 3 2 方案设计与论证 根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基 础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。 2.1 直流调速系统 方
14、案一：串电阻调速系统。 方案二：静止可控整流器。简称 V-M 系统。 方案三：脉宽调速系统。 旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转 速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以 G-M 系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。 V-M 系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控
15、、全控等类型，可实现平滑调速。 V-M 系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦 。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。 采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制 （ Pulse Width Modulation） ，简称 PWM5。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改
16、变脉冲宽度来进行直流调速。 与 V-M 系统相比， PWM 调速系统有下列优点： （ 1）由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达 1： 10000 左右。由于电流波形比 V-M 系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。 （ 2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 4 频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。 （ 3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高 。根据以上综合比较，以及本设计
17、中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了 H 型 单极型可逆 PWM 变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称 PWM 变换器。 脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆 PWM变换器。可逆 PWM 变换器主电路的结构式有 H 型、 T 型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式 H 型变换器，它是由 4 个三极电力晶体管和 4 个续流二极管组成的桥式电路。 2.2 检测系统 检测系统主要实现光电检测，即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。 2.2.1行车起始、终点及光
18、线检测 本系统 采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点（ 2cm 宽的黑线），玩具车底盘上沿黑线放置一套，以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。利用超声波传感器检测障碍 6。光线跟踪，采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其 c-e 间的阻值下降，检测电路输出高电平，经 LM393 电压比较器和 74LS14 施密特触发器整形后送单片机控制。 本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头的左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受到光照时， 单片机控制转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时
19、，单片机控制直行。见图 2.1 电动车的方向检测电路 (a)。 行车方向检测电路（见图 2.2 电动车的方向检测电路 (b)） 采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。 此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收， 输出高电平信号；电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送 80C51 单片机处
20、理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。前进时，驱动轮直流电机正转 ,进入减速区时 ,由单片机控制进行 PWM 变频调速 ,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比 ,实现调速。最后经反接制动实现停车。前行与倒徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 5 车控制电路的核心是桥式电路和继电器。电桥上设置有两组开关，一组常闭，另一组常开。 图 2.1 电动车的方向检测电路 (a) 图 2.2 电动车的方向检测电路 (b) 电桥一端接电 源，另一端接了三极管。三极管导通时，电桥通过三极管接地，电机电枢中有电流通过；三极管截止时，电桥浮空，电机电枢中没有电流通过。系统通徐州工程学院毕业设计 (论文 )
21、 6 过电桥的输出端为转向电机供电。对继电器开闭的控制即可控制电机的开端和转速方向进而达到控制网聚车前行与倒车的目的，实现随动控制系统的纠偏功能。如图： 图 2.3 前行与倒车控制电路所示。 检测放大器方案： 方案一：使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。 方案二：采用差动放大电路。选择优质元件构成比例放 大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；为获得单片机能识别的TTL 电平却又无法抑制共模干扰。 方案三：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压 Ui 和一个参考电压 Ur 进行比较，在 UiUr 和 UiUr 两种不同情况下，
