1、I基于51单片机的自动避障小车的研究与设计西南林学院计算机与信息科学系，云南昆明650224摘要本文介绍了利用红外反射式传感器实现小车自动避障的设计与实现，能在有障碍物的情况下判断并自动躲避。自动避障是基于自动避障小车（AAOVAUTOAVOIDOBSTACLEVEHICLE）的机器人系统。实验中采用反射式红外传感器采集外界信号，红外反射式传感器采集后的信号经A/D转换器转换为数字信号，再由单片机对数字信号进行处理，控制电机，躲避障碍物。系统控制核心采用AT89C51单片机,电机驱动芯片采用TA7267BP，利用三相电机来控制避障小车的转向，A/D转换器采用串行的TLC0831芯片，反射式传感
2、器采用QRB1114型。该技术可以应用于儿童智能玩具开发、隧道或管道检测，无人驾驶机动车、无人工厂、仓库、服务机器人等领域。关键词自动避障红外传感器单片机电路设计IITHERESEARCHANDDESIGNOFAAOVAUTOAVOIDABSTACLECARWHICHBASESON51SINGLECHIPSSOUTHWESTFORESTRYUNIVERSITYCOMPUTERANDINFORMATIONSCIENCEDEPARTMENTKUNMING,YUNNAN650224SUMMARYTHISARTICLEINTRODUCESTHEDESIGNANDEXECUTIONOFAUTOMATIC
3、ALLYAVOIDINGOBSTACLESBYUSAGEOFTHEREFLECTEDINFRAREDSENSORONSMSLLCARSITMAKESTHESMALLCARSJUDGEANDEVADETHEOBSTACLESAUTOMATICALLYAVOIDINGOBSTACLESAUTOMATICALLYISBASEDONTHEAAOVAUTOAVOIDOBSTACLEVEHICLEOFROBOTSYSTEMINTHEEXPERIMENT,ITADOPTSREFLECTEDINFRAREDSENSORTOCOLLECTTHEEXTERNALWORLDSIGNALSWHICHISTRANSFO
4、RMSINTONUMBERSIGNALSBYTHEA/DCONVERSIONMACHINELATERTHENAFTERTHAT,THESINGLECHIPWILLHANDLETHESENUMBERSIGNALSANDCONTROLCURRENTMACHINETOAVOIDOBSTACLESTHECONTROLCOREINSYSTEMADOPSTHEAT89C2051SINGLECHIPTHECURRENTMACHINEDRIVINGCMOSCHIPADOPSTA726TBPLIST,MAKINGUSEOF3PHASENCURRENTMACHINETOCONTROLCARSDIRECTIONTH
5、EA/DCONVERSIONMACHINEADOPSSERIESLINESTLC0831CMOSCHIPTHEREFLECTINGTYPESENSORADOPSQRB1114THISTECHNOLOGYCOULDSERVETOTHEDEVELOPMENTOFCHILDRENSINTELLIGENTTOYS,THEEXAMNATIONOFTUNNELSANDPIPES,DRIVERLESSMOBILE,ROBOTFACTORY,WAREHOUSE,SERVICEROBOTANDETCKEYWORDAAOVAUTOAVOIDINFRANEDSENSORSINGLECHIPMICROCOMPUTER
6、，CURRENTDESIGNIII目录目录III前言11避障小车设计思路211设计思路212系统组成22控制核心单片机321单片机的发展历史322单片机的特点323单片机的应用领域4231单片机在智能仪表中的应用4232单片机在机电一体化中的应用424单片机外部晶振43AT89C51单片机531主要性能参数532单片机选择54传感器641传感器选择642红外反射式光电传感器特性与工作原理643两种反射式型号的传感器参数比较7431QRB1114型反射式传感器7432ST178型反射式传感器8433自制传感器测试数据及实物图片944具体设计与实现1245QRB1114反射式红外传感器与A/D转换
7、器连接电路125模/数A/D转换器1451A/D转换的主要性能指标14511分辨率14512转换时间14513量程14514精度1452A/D转换的外围电路14521采样保持电路15522多路转换模拟开关15IV523三态门15538位A/D转换器ADC0809芯片15531ADC0809的主要特性16532ADC0809内部结构16533ADC0809引脚功能17534ADC0809的工作过程18535ADC0809与8051单片机模拟实验18536ADC0809与8051模拟实验程序1954TLC0831八位串行A/D转换器20541TLC0831的特点20542TLC0831引脚功能20
8、543TLC0831电气特性21544功能方框图及功能说明2155TLC0831与8051单片机模拟实验22551TLC0851与8051模拟实验电路图22552TLC0851与8051模拟实验程序236单片机驱动直流小电机2561电机驱动电路器件2562驱动电路的基本功能2563H桥式电路原理2564驱动芯片比较26641电机驱动芯片L29826642电机驱动专用芯片TA7267BP2765驱动芯片选择2966TA7267BP驱动芯片与AT89C51单片机连接电路307单片机控制避障小车方向3171步进电机控制系统及各部分功能3172步进电机3273单片机控制步进电机接口电路328避障小车的
9、动力微型电机3481三种类型的电机比较3482电机选择349电路图及电机驱动程序和万向轮驱动程序3691电路全图3692程序选择3693程序流程图3694程序清单3710结论39V参考文献40指导教师简介错误未定义书签。致谢错误未定义书签。前言1前言自第一台工业机器人诞生以来，机器人技术经历了一个长期而又缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机、微电子、网络等技术的快速发展，机器人已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，迅速改变着人们的生活方式。人们在不断认识、探讨和改造自然的过程中，总结经验，不断创新，致力于制造出能替代人类劳动的机器人。1本文的内容
10、是设计一部自动避障小车，此设计将信号采集，信号处理，命令执行，避障等功能集为一体，采用了四个模块，每个模块都执行相应的功能，使整个系统的稳定性达到了比较高的水平。自动避障小车可用于隧道及管道检测。此类工作由于其特殊性和高难度性时常给工人带来生命危险。但是通过一台自动避障小车，就可以轻而易举地降低危险度，还能节约大量时间和资金投入。对一些运输企业来说，自动避障小车加以改进就是一台很好的运输设备，虽然其造价昂贵，但它给整个社会的运输业带来的便利却不容忽视。作为一种无人操纵的自动化运输设备，自动避障小车具有运输效率高、节能、工作可靠、能实现柔性运输、使用灵活、无公害等许多优点。自动避障小车已经成为现
11、代企业提高生产效率，降低生产成本的有力工具。但是由于其高昂的造价和复杂的制造工艺令许多中小企业望而却步，使得其在国内一直无法得到普及和推广。因此设计一种低价位又满足以上特点，且适合中小型企业需求的自动避障小车就显得非常迫切。2控制核心单片机21避障小车设计思路11设计思路一块电路板，板载两个电动机，其中一个作为动力装置配置到两个车轮上，另一个作为一个车轮的方向控制来用，设计三个车轮或四个，分别为动力车轮（两个）和方向车轮（一个或两个），方向车轮在前，动力车轮在后。其中作为动力车轮的两个必须并行的焊接到电路板上，两个电动机用大小齿轮与车轮连接，来控制车的速度。一个传感器，感测前方物体；一块单片机
12、用来控制整个电路。车在行走的过程中，通过传感器来探测前方是否有物体，如果有，传感器向单片机发出一个倒车的信号和方向控制信号，车向后倒，同时方向轮逆时针转动，车倒到一定距离后，传感器检测不到障碍物信号，方向轮恢复，继续前进。12系统组成图11系统组成方框图避障小车系统由单片机控制，该系统主要有四部分组成，即控制模块、电机驱动模块、方向电机控制模块和数据采集模块。单片机方向电机控制电机驱动芯片电机A/D转换芯片传感器控制核心单片机32控制核心单片机本设计采用的控制核心是单片机，其原因是控制简单，操作方便，数据处理速度快，体积小等优点。21单片机的发展历史从单片机的发展历史来看，可以分为四个阶段第一
13、阶段19741976单片机初级阶段。因工艺限制，此阶段的单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如仙童公司生产的F8单片机，只包括了8位CPUCENTRALPROCESSINGUNIT，称中央处理器，由计算机的运算器和控制器组成，是计算机的核心，64个字节RAMRANDOMACCESSMEMORY,随机存取存储器和两个并行口，需要加一块具有1KBROMREADONLYMEMORY,只读存储器、定时器/计数器和两个并行口的3851芯片才能组成一台完整的计算机。第二阶段19761978年低性能单片机阶段。此阶段的单片机已为一台完整的计算机，但内部资源不够丰富，以INTEL公司生产的MCS48系列为
14、代表，片内集成了8位CPU,8位定时器/计数器、RAM和ROM等，但无串行口，中断系统也比较简单，片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。第三阶段19781982高性能单片机阶段。此阶段的单片机内部资源丰富，以INTEL公司生产的MCS51系列为代表，片内集成了8位CPU,16位定时器/计数器、串行I/O口、多级中断系统、RAM和ROM等，片内RAM和ROM容量加大，寻址范围可达64KB。有的型号内部还带有A/D转换器。第四阶段19828位单片机的巩固发展阶段及16位、32位单片机推出阶段。16位单片机以INTEL公司生产的MCS96系列为代表，在片内带有多通道A/D转换器和高速输入
15、/输出HSI/HSO部件，中断处理和实时处理能力很强。322单片机的特点综合来看，单片机具有如下明显的特点1小巧灵活、成本低、易于产品化。能利用它方便组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表，很容易满足仪器设备既智能化又微型化的要求。2可靠性高、使用的温度范围宽。单片机芯片一般是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境。这一特点是其他几种无法比拟的。控制核心单片机43易扩展、控制能力强。通过单片机本身或扩展可以方便地构成各种规模的应用系统及多机和分布式计算机控制系统。4指令系统相对简单，较易掌握，且指令中较丰富的逻辑控制功能指令，能较方便地直接操作外部输入输出设备。423单片机的应用领
16、域目前单片机的应用己深入到国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起重要的推动作用。由单片机的特点决定了单片机的主要应用领域智能仪器仪表、机电一体化、实时控制、民用电子产品和国防工业等方面。231单片机在智能仪表中的应用单片机广泛应用于实验室、交通工具、计量等各种仪器仪表之中，使仪器仪表智能化，提高它们的测量精度，加强其功能，简化仪器仪表的结构，便于使用、维护和改进。例如电度表校验仪，电阻、电容、电感测量仪，船舶航行状态记录仪，烟叶水分测试仪，智能超声波测厚仪等。单片机在该领域的应用，不仅使传统的仪器仪表发生根本的变革，也给传统的仪器仪表行业的改造带来了曙光和美好的前景。232
17、单片机在机电一体化中的应用机电一体化是机械工业发展的重要方向。机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，列如微电控制的铣床、车床、钻床、磨床等等。单片机的出现促进了机电体化的进程，它作为机电产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、控制功能强、安装方便等优点，大大提升了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。424单片机外部晶振晶振为单片机提供时钟周期，没有晶振，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步的执行，单片机访问一次存储器的时间称为一个机器周期，这是一个时间基准。一个机
18、器周期包括12个时钟周期。单片机的所有指令中，有些完成的比较快，只要一个时钟周期就行了，有的比较慢，需要2个时钟周期，还有两条指令，需要四个时钟周周期才行。553AT89C51单片机AT89C51是美国ATMEL生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，如图31所示，片内含2KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128B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AT89C51单片机可为你提供许多高性价比的适用场合。631主要性能参数与MCS51产品指令系统完全兼
19、容4K字节可重擦写FLASH内存存储器1000次擦写周期全静态操作0HZ20MHZ三级加密程序存储器1208字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式632单片机选择由于INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多公司，所以目前单片机的种类很多，在选择单片机时要依据实际设计要求选择合适的单片机。本设计只用到单片机的一个定时器和一些I/O口，在考虑单片机价格和性能后，选用了AT89C51型单片机。如图31所示。图31AT89C51单片机与晶振连接图传感器64传感器传感器是用来感知周围事物的仪器。接近觉传感器是用于感知机器人周
20、围障碍物的接近程度的仪器。当机器人与障碍物非常接近时，传感器发出报警，故其感知过程不包括与障碍物的直接接触。接近觉传感器介于触觉传感器和视觉传感器之间，不仅可以测距和定位，而且可以沟通视觉和触觉传感器的信息，在机器人基于传感器信号控制中起特殊作用。741传感器选择实现自动避障小车的接近觉功能有多种方式1）光电接近觉传感器，光电接近觉传感器塞速度快，抗干扰能力强，测量点小，具有可使用CCD视频摄像头的“视网膜”摄像头进行图象采集和识别，适用范围广等优点；但是不适用在小体积系统使用，并且还涉及图象采集、图象识别等领域。2）电容式接近传感器，基于检测对象表面靠近传感元件时的电容变化。3）超声波传感器
21、，根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度。4）红外反射式光电传感器，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。7根据本设计使用场合的具体情况，传感器要感知的对象是物体的有无和物体的接近程度，与精确的测距系统有相似之处，但又有不同，只要求判断出简单的阈值或提供远、近分档的距离。因此使用较简单的接近传感器实现小车避障是有依据可循的并且是可行的。为了简单起见，系统中使用了一个红外反射式光电传感器，用于障碍判断。42红外反射式光电传感器特性与工作原理反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极
22、管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。8理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。9原理如图41所示传感器7反射表面图41红外发射接收原理43两种反射式型号的传感器参数比较市场上反射式传感器种类很多，不同的产品适用的场合不同，对于本设计要求，只要能感测到避障小车前150MM左右的障碍物就可以了，所以，我们根据要求我们选择了QRB1114
23、10型和ST178P型。11431QRB1114型反射式传感器表41QRB1114极限参数项目符号数值单位输入正向电流FI50MA正向电压RV5V耗散功率P100MW输出集射电压CEOV30V射集电压ECOV45V集电极功耗P100MW表42QRB1114电气特性项目符号测试条件最小典型最大单位输入正向电压FVFI40MA17V正向电流RIRV50100UA接收电路光敏二极管或三极管发射LED传感器8输出集电极暗电流CEOICEV10VFI0MA100NA集电极亮电流LICEV5VFI40MA060MAQRB1114标准电流与障碍物距离曲线432ST178型反射式传感器表43ST178极限参数
24、项目符号数值单位输入正向电流FI50MA正向电压RV6V耗散功率P75MW输出集射电压CEOV25V射集电压ECOV6V集电极功耗P50MW表44ST178电气特性项目符号测试条件最小典型最大单位输正向电压FVFI20MA12515V传感器9入正向电流RIRV5010UA输出集电极暗电流CEOICEV20VFI0MA1UA集电极亮电流LICEV15VFI8MA050MAST178标准电流与障碍物距离曲线433自制传感器测试数据及实物图片由于设计的需要，我们在电子元件厂买了对红外对射管，具体参数不详细，最大支持电压为5V。在测试当中，我们发现此对射管在日光灯的照射下，阴暗的条件下，干扰太大，在晴
25、朗的天气条件下，测试数据比较理想。12下面是我们在晴朗的天气条件下测得的数据障碍物距离与电压表45障碍物距离（MM）050100150200250300350400450500无限电压（V）470468465460452430413400395390390390障碍物距离与电流表46障碍物距离（MM）050100150200250300350400450500550600无限传感器10电流（UA）07111314141414274356707984114障碍物距离与电流曲线自制传感器测试时图片图421传感器11图422图423传感器1244具体设计与实现接近觉传感器应用场合不同选择不同，感觉的
26、距离范围不同，可从几毫米到几米。对于自动动避障小车，反射距离在150MM左右，探测环境在阴影之下，不易受到日光的干扰。因此，我们选用QRB1114和ST178型号的反射式红外传感器，这两种传感器选用FS359F反射红外对管，043W和048W型封装。这两种封装形状规则，便于安装。对于障碍物的检测，可以使用超声波传感器，效果也较好，但电路系统庞大，还需占用大量MCU时间。上文的激光传感器虽然性能不错，但价格较贵。从需要100250MM垂直探测距离的要求来看，普通的红外反射式传感器又很难胜任。QRB1114与ST178反射式传感器经过比较发现，它们都很适合本设计所用的传感器，QRB1114反射式传
27、感器测试最佳距离为150MM，ST178反射式传感器测试最佳距离为80MM，经过我们组商量，考虑到控制上的问题，我们采用了QRB1114型反射式红外传感器，其原因是可以探测障碍物的距离远，有利于自动避障小车躲避障碍。符合设计要求。QRB1114在使用约50A的发射电流，没有强烈日光干扰（在有日光灯的房间里）最佳探测距离能达150MM，完全能满足探测距离要求。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了图42的电路形式。20图42红外反射式光电传感器电路45QRB1114反射式红外传感器与A/D转换器连接电路反射式红外传感器采集的模拟量（A）就是大小随时间连续变化的量，例如锅炉
28、的温度，燃气管道中燃气的流量、压强、输电线的电压、电流等。要对这些物理量加模/数（A/D）转换器13以控制，就要用传感器把它们的信号检测出来，传送到单片机中。由单片机中的程序判断该怎样输出命令。但是单片机中的信号是反映电平高低的离散的数字信号（D），因此在输入到单片机之前还要把连续变化的模拟物理量先用变送器变成连续变化的模拟量，再用采样/保持器每隔一定时间间隔（很短）采一次模拟电压量的样，保持一定时间（很短），送A/D（模/数）转换器，将模拟电压量（A）转换成反映电平高低的离散的数字信号（D）。13之后再送入单片机计算处理。反射式红外传感器与A/D转换器连接电路如图43所示。图43反射式红外传
29、感器与A/D转换器连接电路模/数（A/D）转换器145模/数A/D转换器A/D转换器是指通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但是在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经过各种传感器把各种物理量转换成电信号。A/D转换后，输出的数字信号有8位、10位、12位和14位。在本设计中，由于传感器采集的是外界电压信号，故需要一个合适的A/D转换器用来转换外界信号给单片机。51A/D转换的主要性能指标511分辨率分辨率是指A/D转换器能分辨的最小模拟输入量。通常用转换成的数字量的位数来表示,如8位,10位,12位,1
30、5位等位数越高,分辨率越高。例如,对于8位A/D转换器,当输入电压满刻度为5V时,其输出数字量的变化范围为0255,转换电路对输入模拟电压的分辨能力为5V/255195MV。14512转换时间转换时间是A/D转换完成一次转换所需的时间。目前常用的A/D转换集成芯片的转换时间约为几个微秒至200微秒。转换时间是编程必须考虑的参数,若CPU输入A/D转换后的数据,采用无条件传送方式,从启动A/D转换开始,延时等待,转换结束,才可输入数据。此延时等待时间必须大于或等于A/D转换时间。14513量程量程是指所能转换的输入电压范围。514精度A/D转换精度分为绝对精度和相对精度两种。1绝对精度是指对应于
31、一个给定量A/D转换器的误差,其误差大小由实际模拟量输入值与理论值来度量。2相对精度由绝对误差决定。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比,一般用百分数来表示。52A/D转换的外围电路在实际系统中用到A/D转换时,还要考虑模拟量的变化速度与A/D转换器的转换模/数（A/D）转换器15速度,为此引入了采样保持电路还需考虑一个A/D转换器的转换速度,为此引入了多路转换模拟开关,以及数据输出线与系统总线的连接,三态门的概念。521采样保持电路如果A/D转换器的转换速度比模拟信号高出许多倍,那么,模拟信号可以直接加到A/D转换器,但是如果模拟信号变化比较快,为了保证转换精度,就要在A/D转换之前加上采样保
32、持电路,使得A/D转换期间保持输入模拟信号不变。采样保持电路有两种工作状态,一种是采样状态,一种是保持状态在采样状态,输出随输入而变换在保持状态,输出保持为某一个值。目前,采样保持电路集成在一个芯片中,为专用的采样保持芯片。如AD583K,AD582K等芯片另外还有A/D芯片带有保持电路,如12位AD1554为采样保持A/D芯片。14522多路转换模拟开关在实际工程中,有时要求同时测量温度,压力,温度,风速,流量等多种参数,根据测量值发出相应的控制,有时要求测量同一参数,但不同的测量点,都用公共的A/D,D/A转换电路,这就要求解决多个回路和A/D,D/A转换器之间的切换问题。一般采用两种方法
33、,一种方法是用独立的多路转换模拟开关轮流切换各回路和A/D,D/A之间的通路,对于A/D转换来说,要用到多路输入,一路输出模拟开关电路,对于D/A转换来说,要用到一路输入,多路输出的模拟开关电路,去控制多个对象。这两种电路都有专用的集成电路芯片。14523三态门A/D转换器的数据输出是否能直接与CPU数据总线相连,要看数据输出端是否具有可控的三态输出门。有的A/D转换器带有三态输出门,当A/D转换结束时,CPU执行一条输入指令,用读信号打开三态门,将数据从A/D转换器取出,读入CPU。有的A/D转换器不带三态输出门,可外接三态门电路实现A/D转换器和CPU之间的数据传输。14538位A/D转换
34、器ADC0809芯片ADC0809芯片是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,如图51、52内部结构和引脚图。模/数（A/D）转换器16图51ADC0809内部结构图图52ADC0809引脚图531ADC0809的主要特性1它具有8路模拟量输入,8位A/D转换器2转换时间为100US3模拟输入电压范围05V,不需零点和满刻度校准4低功耗,约15MW532ADC0809内部结构1通道选择开关可采集8路模拟信号,通过多路转换开关,实现分时采集8路模拟信号。2通道地址锁存和译码模/数（A/D）转换器17用来控制通道选择开关通过ADDA,ADDB,ADDC三个地址选择端的译码作用,控制通道选择开关,接
35、通某一路的模拟信号,采集并保持该路模拟信号,输入到ADC0809比较器的输入端。3逐次逼近A/D转换器该部分包括比较器,8位开关树形D/A转换器,逐次逼近寄存器,把输入的模拟信号进行逐次逼近式A/D转换,转换结束后把转换数据从逐次逼近寄存器传送到8位锁存三态门。48位锁存器和三态门经A/D转换的数字量保存在8位锁存寄存器中,当输出允许信号OE有效时,打开三态门,转换后的数据通过数据总线传送到CPU由于ADC0809具有三态门输出,因而数据线可直接挂在CPU数据总线上。14533ADC0809引脚功能ADDA,ADDB,ADDC地址输入线,用来选通8路模拟输入中的一路它们与模拟信号的关系如下表表
36、51地址输入线与模拟信号的关系ADDCADDBADDA模拟信号0000IN0011IN0102IN0113IN1004IN1015N1106IN1117IN0IN7IN8路模拟信号输入端。ALE地址锁存允许信号。输入,高电平有效用来控制通道选择开关的打开与闭合。模/数（A/D）转换器18ALE1时,接通某一路的模拟信号,ALE0时,锁存该路的模拟信号。12、22、828位数字量输出端。STARTA/D转换启动信号,输入,高电平有效。EOCA/D转换结束信号,输出,高电平有效,EOC信号可用来申请中断。CLK时钟脉冲输入端要求时钟频率不高于640KHZ。EFR,EFRREF基准电压。一般与微机接
37、口时,REFV为0V或5V,REFV为5V或0V。14534ADC0809的工作过程ADC0809的工作过程是首先确定ADDA,ADDB,ADDC三位地址决定选择哪一路模拟信号,然后使ALE1,使该路模拟信号经选择开关达到比较器的输入端。启动START,START的上升沿将逐次逼近寄存器复位,下降沿启动A/D转换这时EOC输出信号变低,指示转换正在进行。A/D转换结束,EOC变为高电平,指示A/D转换结束。此时,数据已保存到8位锁存器EOC信号可作为中断申请号,通知CPU转换结束,可以输入数据中断服务程序所要做的事情是使OE信号变为高电平,打开三态门,由ADC0809输出的数字量传送到CPU。
38、也可以采用查询式,CPU执行输入指令,查询EOC端是否变为该电平状态。若为低电平,则等待,若为高电平,从OE端输入一个高电平信号,打开三态门输入数据。14535ADC0809与8051单片机模拟实验我们用ADC0809采集来的信号，驱动P10口上的二极管，当外界的电压超过460V时，二极管就发亮，否则熄灭。电路图如图53。16模/数（A/D）转换器19图53ADC0809与单片机连接图536ADC0809与8051模拟实验程序经我们计算，当模拟电压是460V时，汇编语言代码为224。模拟程序如下CSEGAT0000HLJMPSTARTCSEGAT4000HSTARASTEBP12MOVDPTR
39、,0CFA0HEL试验箱仿真地址JNBP12MOVEA,DPTRMOV40H,ACLRCSUBBA,224与460V电压比较JCDEMSTEBP10AJMPLPDEMCLRP10模/数（A/D）转换器20AJMPLPEND仿真结果，如果模拟输入电压大于460V时，发光二极管发光，否则熄灭。1654TLC0831八位串行A/D转换器TLC0831是8位逐次逼近模数转换器。有一个输入通道，串行输出可以配置为和标准移位寄存器或处理器接口。541TLC0831的特点8位分辨率易于和微处理器接口或独立使用满比例工作或用5V基准电压单通道或多路选择的双通道，可单端或差分输入选择单5V供电，输入范围05V输
40、入和输出与TTL和CMOS兼容在CLOCKF250KHZ时，转换时间为32US设计成可以和国家半导体公司的ADC0831和ADC0832互换总非调整误差1LSB16542TLC0831引脚功能CS片选端，低电平有效。IN与IN模拟信号差分输入端。REF基准电压（05V）输入端。DOUT8位数据串行输出端。CLK时钟脉冲输入端。16TLC0831时序如图9模/数（A/D）转换器21543TLC0831电气特性表52TLC0831电器特性电源电压CCV5V输入电压范围逻辑模拟03V至CCV03V03V至CCV03V输入电流RI5MA总输入电流20MA544功能方框图及功能说明如图54所示图54TL
41、C0831功能方框图TLC0831使用采样数据比较器的结构，用逐次逼近流程，转换差分模拟输入信号。要转换的输入电压连到一个输入端，相对于地（单端输入）或另一个输入端（差模/数（A/D）转换器22分输入）。TLC0831只有一个极性已固定配置的差分输入端，因此不需要地址信号。TLC0831可以使用差分信号，连在它的IN和IN端；或使IN连到地，信号连到IN。作为单端输入。当连到分配正端的输入电压低于分配为负端的输入电压时，转换结果全为0。通过和控制处理器相连的串行数据链路传送控制命令，用软件对通道选择和输入端进行配置。串行通信格式在不增加封装大小的情况下，可以在转换器中包含更多的功能。另外，可把
42、转换器和模拟传感器放在一起，和远端的控制处理器串行通信，而不用进行低电平的模拟信号的远程传送。这样处理过程返回到处理器的是无噪声的数字数据。置CS为低方能启动转换器开始，使所有逻辑电路使能。CS在整个转换过程中必须置为低。接着从处理器接收一个时钟，一个时钟的时间间隔被自动插入，以使多路转换器选定的通道稳定。DO脱离高阻状态，提供一个时钟的时间间隔的前导电平，以使多路稳定。SAR比较器把从电阻梯形网络输出的逐次信号和输入信号进行比较。比较器输出指出模拟输入是大于还是小于电阻梯形网络的输出。在转换过程中，转换数据同时从DO端输出，以最高位（MSB）开头。经过8个时钟后，转换完成。当CS变高，内部所
43、有寄存器清零。此时，输出电路变为高阻状态。如果希望开始另一个转换，CS必须做一个从高到低的变跳，后面紧接地址数据。1655TLC0831与8051单片机模拟实验利用传感器采集的信号，来控制LED灯亮/灭实验，当传感器采集的信号超过460V时，发光二极管就亮，我们正是利用这一功能，来控制电机按照预先设计的程序运行，从而达到控制的目的。551TLC0851与8051模拟实验电路图如图55所示模/数（A/D）转换器23图55TLC0831与8051模拟实验连接图552TLC0851与8051模拟实验程序经我们计算，当模拟电压是460V时，汇编语言代码为224。程序如下STARTCLKP10；关灯LP
44、ACALLRD；调读数据子程序CLRC；清进位位CJNEA，224，LP0；读出数据与460V比较LP0JCSTART；小于460V转STARTSETBP10；大于460V开灯报警SJMPLP；转LP重读数据RDCLRP11；片选有效，启动A/D转换SETBP12；置时钟高电平MOVR0,A；延时个晶振周期模/数（A/D）转换器24CLRP12；置时钟低电平MOVR1,8；要读位数据LP1SETBP12；置时钟高电平MOVR0,A；延时个晶振周期CLRP12；置时钟低电平MOVC,P13；将转换好的数据送进位位MOVC,P13；重送一次RLCA；送并左移一位DJNZR1,LP1；位数据未取完转
45、LP1SETBP11；位数据取完使片选无效RET；仿真结果与ADC809一样，如果模拟输入电压大于460V时，发光二极管发光，否则熄灭。15单片机驱动直流小电机256单片机驱动直流小电机控制电机运动，例如转向，速度和角度的控制，是单片机在机电控制中的一个典型的应用。直流电机的控制性能优越，特别适合速度的控制，为了实现直流电机的正反转运行，只需要改变电机电源的极性。这种电压极性的变化和运转时间的长短由单片机实现，而提供直流电机正常运转的电流则需要驱动电路实现。561电机驱动电路器件单片机本身具备一定的驱动能力，其I/O口的电流在10MA左右，像驱动发光二极管之类的器件并不需要特殊的驱动电路。但是
46、对于直流电机这类负载较大的器件，单片机无法为其提供足够的电流。尤其是在直流电机刚启动时，电机的启动电流往往会达到其正常工作电流的45倍，所以，这一类的电路需要专门的驱动电路完成对电机的驱动，而单片机只是完成逻辑控制部分的工作。562驱动电路的基本功能驱动电路的基本功能是要有足够的电流驱动电机转动，在本设计中，还需要利用单片机的逻辑电平输出控制电机的正反转。63H桥式电路原理桥式电路是一种最基本的驱动电路结构。控制电机正反转的桥式驱动电路有单电源和双电源两种驱动方式。由于本设计要求，采用单电源驱动方式。5如图61所示图61单电源H桥式驱动方式电路单片机驱动直流小电机26在图中的四个二极管为续流二
47、极管。如果选用的驱动电路中使用的是晶体三极管，那么这四个二极管是必须使用的，其主要作用是用以消除电机所产生的反向电动势，避免电机的反向电动势对晶体三极管的反向击穿。5单电源方式的桥式驱动电路又称为全桥式方式驱动或者H桥方式驱动。电机正转时三极管Q1和Q4导通，反转时Q2和Q3导通，两种情况下，加在电机两端的电压极性相反。当四个晶体管全部关闭时，电机就停止转动。若Q1和Q3关闭，而Q2和Q4导通时，电机处于短路制动状态，将在瞬时停止转动。5这四种状态对应的H桥式驱动电路状态如图62所示。图62H桥式电路的四种状态图13从左到右分别表示H桥式驱动电路的开关工作状态的切换，电机分别处于正转、反转、停
48、止和短路制动四个状态。从图中可以看出，通过三极管的放大，保证了电机的驱动电流；通过桥式电路，对不同开关的选择，可以实现单片机的数字电平控制三极管的导通和截止，从而控制小电机的正反转。564驱动芯片比较641电机驱动芯片L298L298是ST公司生产的一款高电压、大电流、小功率电机驱动芯片。该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等电感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈給控制电路。18单
49、片机驱动直流小电机27其具有以下电气特性1）电源驱动电压VS可达5V46V，逻辑支持电压VSS为45V7V；2）输入高电压VIH为23VSS，输入低电压为0V15V；3）峰值驱动电流可达3A，正常工作电流为2A，总驱动电流可达4A；4）响应速度快，提供纳秒级的响应速度；5）提供过温保护，工作温度范围可达25130，正常工作温度为1335。温度过高或温度过低时，芯片均会停止工作，防止其损坏。L298采用的是15脚的MULTIWATT封装，各引脚功能分布如表61所示表61L298各引脚功能引脚符号功能1CURRENTSENSINGA在这两个引脚与地GND之间连接电流检测15CURRENTSENSINGB电阻，用来反馈负载电流，实现恒流控制2OUTPUT13OUTPUT24SUPPLYVOLTAGE电机驱动电源输入端，此脚和地GND之间需要连接100NF的无感电容5INPUT17INPUT26ENABLEA11ENABLEB8GND接地端。9LOGICSUPPLYVOLTAGE逻辑控制部分的电源输入端10INPUT312INPUT413OUTPUT314OUTPUT4642电机驱动专用芯片TA7267BPTA7267BP是东芝公司生产的一款专用于小型直流电机驱动的专用芯片。该芯片在相应的逻辑电平的控制下，能够实现电机的正转、反转、停
