1、I超声波避障小车设计原理与应用摘 要80C51 单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用 80C51 单片机完成智能小车测避障功能。本系统以设计题目的要求为目的，采用 80C51 单片机为控制核心，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。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。采用的技术主要有：（1） 通过编程来控制小车的速度；（2） 传感器的有效应用；（3） 新型显示芯片的采用II目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 前 言
2、 .1第二章 方案设计与论证 .3（一）直流调速系统 .3（二）检测系统 .4（三）显示电路 .9（四）系统原理图 .9第三章 硬件设计 .10（一）80C51 单片机硬件结构 .10（二）最小应用系统设计 .11（三）前向通道设计 .12（四）后向通道设计 .14（五）显示电路设计 .17第四章 软件设计 .20（一）主程序设计 .20（二）显示子程序设计 .24（三）避障子程序设计 .25（四）软件抗干扰技术 .26（五） “看门狗”技术 .28（六）可编程逻辑器件 .29第五章 测试数据、测试结果分析及结论 .31致 谢 .32参 考 文 献 .33附录 A 程序清单 .34附录 B 硬
3、件原理图 .421第一章 前 言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。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。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、超声波传感器及金属探测器，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
4、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。下面就简要的介绍一下单片机及其典型应用方式： “单片机”一词是 Single-Chip Microcomputer 较准确的译法，但最能准确反映单片机设计思想并且具有技术眼光的词汇是 Microcomputer（微处理器） 。之所以出现了 Sigle-chip Microco
5、mputer 一词，实在是因为早期，甚至到 MCS-51 时期，单片机准确地体现了 Sigle-chip Microcomputer 的形态和内容。然而发展到 MCS-96，发展到新一代 80C51M68HC05M68HC11 系列单片机时，在单片机中着力扩展了各种控制功能。如 A/DPWMPCA 计数器捕获/比较逻辑高速 I/O 口WDT 等，已突破了 Microcomputer 的传统内容，朝 Microcomputer 的内涵发展。因此，目前已到了该给单片机正名的时候了，国外已逐渐统一成 Microcomputer。从最初的单片机发展到如今的新一代单片机。大致经历了三个年代。如以Inte
6、l8 位单片机为例，这三个年代划大致是：第一代：以 1976 年推出的 MCS-48 系列为代表，其主要的技术特征是将 CPU 和计算机外围电路集成到了一个芯片上，作为与通用 CPU 分道扬镳构成新型工业微控制器取得了成功，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。第二代：以 MCS-51 的 80518052 为代表，其主要的技术特征是为片机配置了完善的外部并行总线（ABDBCB）和具有多机识别功能的串行通讯接口（UART）,规范了功能单元的 SFR 控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好的兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。无论是第一代还是第二2代单片机都还未突破单片
7、计算机的内涵。第三代：以 80C51 系列为代表，它包括了 Intel 公司发展 MCS-51 系列的一代产品，如 8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,还包括了PhilipsSiemensADMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL 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。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，将一些外部接口功能单元如 A/DPWMPCA(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
8、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 8C592 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).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。Microcontroller 并没有过分强调“单片” ，因为向单片形式发展是一切先进电子系统都在追求的理想，并不为单片机所专有。单片机的应用方式随对象、环境、规模不同而大相径庭，不必独崇一宗。按照所使用单片机的类型不同，单片机
9、应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。总线方式的应用系统中，单片机都具有完善的外部扩展总线，如并行三总线（AB、DB、CB） 、串行通讯总线（如 UART）,通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。采用总线方式的应用系统多属复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用系统而构成的多机与网络系统。非总线方式的应用系统省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的引脚可提供更多的用户 I/O 口，可使应用系统的芯片数量最少。非总线方式的应用系统多属小型控制器、测控单元、单元仪表等。总线方式的单片机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为 I/O 口用。在掩摸用户程序时，还可要
10、求将这些 I/O 口改造成具有各种驱动能力的 I/O 口。本设计就采用了比较先进的 80C51 为控制核心，80C51 采用 CHOMS 工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、医疗器械等许多方面。3第二章 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。（一）直流调速系统方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器
11、。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、全控等类型，可实现平滑调速。V-M 系统的缺点是晶闸
12、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 PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改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
13、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。4（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
14、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 各续流二极管组成的桥式电路。（二）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。1行车起始、终点及光线检测：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
15、的停车的需要。利用超声波传感器检测障碍。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，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
16、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。5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)前进时，驱动轮直流电机正转,进
17、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。电桥一端接电源，另一端接了一个三极管。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。系统通过电桥的输出端为转向电机供电。通过对继电器开闭的控制即可控制电机的开断和转速方向进而达到控制玩具车前行与倒车的目的，实现随动控制系统的6纠偏功能。如图 2.3 前行与倒车控制电路所示。图 2.3 前行与倒车控制电路检测放大器方案：方案一：使用普通单
18、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
19、和一个参考电压 Ur 进行比较，在 UiUr 和 UiUr 两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。而 Ui 变化经过 Ur 时，比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。比较器有各种不同的类型。对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。比较器的特点：A-+d1d8823001 2A74LS06 d280505001 2A74LS06VCCD1 D27 工作在开环或正反馈状态。放大、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速
20、度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。 非线性。由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。 开关特性。比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较
21、器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。由于比较器的上述特点，在分析时既不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，也不能象分析运算电路那样去求解输出与输入的函数关系，而应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。但实际集成运放的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的阶跃信号。电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。响应时间越短，响应速度越快。减小比较器响应时间的主要方法有：a. 尽
22、可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近理想阶跃且幅度足够大。b. 选用集成电压比较器。c. 如果选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子进入深饱和区。具体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。如图 2.4 电压比较器电路所示：图 2.4 电压比较器电路在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我们尝试采用了一种滞回比较器。简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它8的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。如果用这样的输出电压控制电机或继电器，将
23、出现频繁动作或起停现象。这种情况，通常是不允许的。而滞回比较器则解决了这个问题。滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出电压就不会来回变化。所以抗干扰能力强。但是，滞回比较器毕竟是模拟器件，温度的漂移是它无法消除的。方案四：施密特触发器。综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用数字器件施密特触发器。施密特触发器是双稳态触发器的变形，它有两个稳定状态，触发方式为电平触发，只要外加触发信号的幅值增加到足够大，它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性，但施密特触发器的抗干扰能力比
24、滞回比较器更强。2行车距离检测由于红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点，故采用红外光电码盘测速方案。具体电路同图 2.5 行车距离检测电路所示：图 2.5 行车距离检测电路红外测距仪由测距轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。测长轮的周长为记数的单位，最好取有效值为单一的数值（如 0.1 米） ，精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安装在车轮上，这样能使记数值准确一些。遮光盘有一缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻挡。由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。为实现可逆记数功能，我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出玩具车的行驶方向（前进或后退） 。遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里，以避免外界光线的干扰，
