【毕业论文】基于80C51单片机的电动智能小车（完整论文）

【 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 】基于80C51单片机的电动智能小车（完整论文） 【毕业论文】基于80C51单片机的电动智能小车(完整 论文) 毕业论文设计 基于80C51单片机的电动智能小车 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单片机来实现长春工业大学的毕业设计该设计是结合科研项目而确定的设计类课题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并可以自动记录时间里程和速度自动寻迹和寻光功能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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及测试结果分析 采用的技术主要有 通过编程来控制小车的速度 传感器的有效应用 新型显示芯片的采用 关键词 80C51单片机光电检测器PWM调速电动小车 Design and create an intelligence electricity motive small car Abstract 80C51 is a 8 bit single chip computer Its easily using and multi-function suffer large users This article introduces the CCUT graduation design with the 80C51 single chip computer This design combines with scientific research object This system regards the request of the topic adopting 80C51 for controlling core super sonic sensor for test the hinder It can run in a high and a low speed or stop automatically It also can record the time distance and the speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple the function is dependable Experiment test result satisfy the request this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze The adoption of technique as Reduce the speed by program the engine Efficient application of the sensor The adoption of the new display chip Keywords 80C51 single chip computer light electricity detector PWM speed adjusting Electricity motive small car 目 录 第一章 前 言 1 第二章 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 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 15 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 30 致 谢 31 参 考 文 献 32 附录A 程序清单 33 附录B 硬件原理图 41 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,C152、80C51FAFB、80C51GAGB、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 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 如AD、PWM、PCA 可编程计数器阵列 、WDT 监视定时器 、高速IO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 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 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110000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 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21 电动车的方向检测电路 a 行车方向检测电路见图22 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21 电动车的方向检测电路 a 图22 电动车的方向检测电路 b 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纠偏功能如图23 前行与倒车控制电路所示 图23前行与倒车控制电路 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Ui Ur和Ui Ur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 ? 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 1 尽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 2 选用集成电压比较器 3 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24 电压比较器电路所示 图24 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25 行车距离检测电路所示 图25 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本设计中采用01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使电路不能正常工作 测距原理将光栅安装在电机轴上当电机转动时光栅也随之转动同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点亮在光栅的另一侧设有红外三极管用于接收红外发光二极管发出的红外线信号由于光栅随电机高速转动则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号将该信号传输到80C51单片机的内部计数器计数根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离 三 显示电路 本设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示器并具有双重功能在小车不行驶时其中一片显示年、月另一片显示时、分 当小车行驶时分别显示时间和行驶距离 四 系统原理图 简易智能电动车采用80C51单片机进行智能控制开始由手动启动小车并复位当经过规定的起始黑线由超声波传感器和红外光电传感器检测通过单片机控制小车开始记数显示并避障调速系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测由单片机控制实现在电动车进驶过程中采用双极式H型PWM脉宽调制技术以提高系统的静动态性能采用动态共阴显示行驶时间和里程 系统原理图如图26所示 图26 系统原理图 第三章 硬件设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容一是系统扩展即单片机内部的功能单元如ROM、RAM、IO口、定时记数器、中断系统等能量不能满足应用系统的要求时必须在片外进行扩展选择适当的芯片设计相应的电路二是系统配置既按照系统功能要求配置外围设备如键盘显示器、打印机、AD、DA转换器等要设计合适的接口电路 一 80C51单片机硬件结构 80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上[2]如果按功能划分它由如下功能部件组成即微处理器数据存储器程序存储器并行IO口串行口定时器计数器中断系统及特殊功能寄存器它们都是通过片内单一总线连接而成其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式 1 微处理器 该单片机中有一个8位的微处理器与通用的微处理器基本相同同样包括了运算器和控制器两大部分只是增加了面向控制的处理功能不仅可处理数据还可以进行位变量的处理 2 数据存储器 片内为128个字节片外最多可外扩至64k字节用来存储程序在运行期间的工作变量运算的中间结果数据暂存和缓冲标志位等所以称为数据存储器 3 程序存储器 由于受集成度限制片内只读存储器一般容量较小如果片内的只读存储器的 容量不够则需用扩展片外的只读存储器片外最多可外扩至64k字节 4 中断系统 具有5个中断源2级中断优先权 5 定时器计数器 片内有2个16位的定时器计数器 具有四种工作方式 6 串行口 1个全双工的串行口具有四种工作方式可用来进行串行通讯扩展并行IO口甚至与多个单片机相连构成多机系统从而使单片机的功能更强且应用更广 7 P1口P2口P3口P4口 为4个并行8位IO口 8 特殊功能寄存器 共有21个用于对片内的个功能的部件进行管理控制监视实际上是一些控制寄存器和状态寄存器是一个具有特殊功能的RAM区 由上可见80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全功能强等特点特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器它实际上是一个完整的1位微计算机这个一位微计算机有自己的CPU位寄存器IO口和指令集1位机在开关决策逻辑电路仿真过程控制方面非常有效而8位机在数据采集运算处理方面有明显的长处MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起二者相辅相承它是单片机技术上的一个突破这也是MCS-51单片机在设计的精美之处 二 最小应用系统设计 80C51是片内有ROMEPROM的单片机因此这种芯片构成的最小系统简单、可靠用80C51单片机构成最小应用系统时只要将单片机接上时钟电路和复位电路 即可如图31 80C51单片机最小系统所示由于集成度的限制最小应用系统只能用作一些小型的控制单元其应用特点 有可供用户使用的大量IO口线 内部存储器容量有限 应用系统开发具有特殊性 图31 80C51单片机最小系统 1时钟电路 80C51虽然有内部振荡电路但要形成时钟必须外部附加电路80C51单片机的时钟产生方法有两种内部时钟方式和外部时钟方式 本设计采用内部时钟方式利用芯片内部的振荡电路在XTAL1XTAL2引脚上外接定时元件内部的振荡电路便产生自激振荡本设计采用最常用的内部时钟方式即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路振荡晶体可在12MHZ到12MHZ之间选择电容值无严格要求但电容取值对振荡频率输出的稳定性大小振荡电路起振速度 有少许影响CX1CX2可在20pF到100pF之间取值但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性所以本设计中振荡晶体选择6MHZ电容选择65pF 在设计印刷电路板时晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装以减少寄生电容更好的保证振荡器稳定和可靠地工作为了提高温度稳定性应采用NPO电容 2复位电路 80C51的复位是由外部的复位电路来实现的复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声在每个机器周期的S5P2斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次然后才能得到内部复位操作所需要的信号 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位时钟频率用6MHZ时C取22uFR取1KΩ 除了上电复位外有时还需要按键手动复位本设计就是用的按键手动复位按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的按键手动复位电路见图32时钟频率选用6MHZ时C取22uFRs取200ΩRK取1KΩ 图32 80C51复位电路 三 前向通道设计 单片机用与测控系统时总要有与被测对象相联系的前向通道因此前向通道设计与被测对象的状态特征所处环境密切相关在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择通道结构信号调节电源配置抗干扰设计等在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题 1、前向通道的含义 当将单片机用作测、控系统时系统中总要有被测信号输入通道有计算机拾取必要的输入信息作为测试系统对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务对控制系统来说对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节 对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量如温度压力载荷位移等而计算机是一个数字电路系统因此在前向通道中传感器敏感元件及其相关电路占有重要地位 对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状 态它包括实时性与测量精度同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求 因此单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道原始参数输入通道由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节变换电路故也可称为传感器接口通道 在单片机应用系统中对信号输入传感变换应作广义理解例如开关量的检测及信号输入在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用最简单的开关量输入通道就是一个具有TTL电平的状态开关如水银温度触点温度晶闸管时间继电器限位开关等故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道 并不是所有单片机应用系统都有前向通道例如时序控制系统只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测控子站计算机之间的指令数据传送这些应用系统没有被测对象故不需要前向通道 2、前向通道的设计 1传感器的比较[3] 识别障碍的首要问题是传感器的选择下面对几种传感器的优缺点进行说明见表1探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器它是利用向目标发射超声波脉冲计算其往返时间来判定距离的该方法被广泛应用于移动机器人的研究上其优点是价格便宜易于使用且在10m以内能给出精确的测量不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外还有以下问题首先因其只能在10m以内有效使用所以并不适合ITS系统另外超声波传感器的工作原理基于声即使可以使之测达100m远但其更新频率为2Hz而且还有可能在传输中受到它信号的干扰所以在CWICC 系统中使用是不实际的表1 传感器性能比较 传感器类型 优 点 缺 点 超声波 视觉 激光雷达 MMW雷达 价格合理夜间不受影响 易于多目标测量和分类分辨率好 价格相合理夜间不受影响 不受灯光天气影响 测量范围小对天气变化敏感 不能直接测量距离算法复杂处理速度慢 对水灰尘灯光敏感 价格贵 视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛其优点是尺寸小价格合理在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类但是算法复杂处理速度慢雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制近十年来随着尺寸及价格的降低在汽车行业开始被使用但是仍存在性价比的问题 作为超声波传感器的材料主要为压电晶体压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波同时它接收到超声波时也能转变成电能故它分为发送器和接收器超声波传感器有透射型反射型两种类型常用于防盗报警器接近开关测距及材料探伤测厚等 本设计采用TR-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件其中心频率为40Hz由80C51发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发 出40KHz的脉冲超声波如电动车前方遇到有障碍物时此超声波信号被障碍物反射回来由接收器接收经LM318两级放大再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码当LM567的输入信号大于25mV时输出端由高电平变为低电平送80C51单片机处理超声波检测如图33超声波检测电路所示 图 33 超声波检测电路 四 后向通道设计 在工业控制系统中单片机总要对控制对象实现操作因此在这样的系统中总要有后向通道后向通道是计算机实现控制运算处理后对控制对象的输出通道接口 根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的要求后向通道具有以下特点 1 小信号输出大功率控制根据目前单片机输出功率的限制不能输出控制对象所要求的功率信号 2 是一个输出通道输出伺服驱动系统控制信号而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道 3 接近控制对象环境恶劣控制对象多为大功率伺服驱动机构电磁机械干扰较为严重但后向通道是一个输出通道而且输出电平较高不易受到直接损害但这些干扰易从系统的前向通道窜入 单片机在完成控制处理后总是以数字信号通过IO口或数据总线送给控制对象这些数字信号形态主要有开关量二进制数字量和频率量可直接用于开关量数字量系统及频率调制系统但对于一些模拟量控制系统则应通过数,模转换成模拟量控制信号 根据单片机输出信号形态及控制对象要求后向通道应解决 功率驱动将单片机输出信号进行功率放大以满足伺服驱动的功率要求 干扰防治主要防治伺服驱动系统通过信号通道、电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰通常采用信号隔离、电源隔离和对功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治 数模转换对于二进制输出的数字量采用DA变换器对于频率量输出则可以采用 本设计调速采用PWM调速[5] 为顺利实现电动小汽车的左转和右转本设计采用了可逆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图34为双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图 4个电力晶体管的基极驱动电压分为两组VT1和VT4同时导通和关断其驱动电路中Ub1 Ub4VT2和VT3同时动作其驱动电压Ub2 Ub3 -Ub1 双极式PWM变换器的优点如下 1电流一定连续 2可使电动机在四象限中运行 3电机停止时有微振电流能消除静摩擦死区 4低速时每个晶体管的驱动脉冲仍较宽有利于保证晶体管可靠导通 5低速平稳性好调速范围可达20000左右 1脉宽调制原理 脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器运算放 图34 双极式H型可逆PWM变换器电路原理图 大器工作在开换状态稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值当输入电压极性改变时输出电压就在正负饱和值之间变化这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号一个输入信号是锯齿波调制信号另一个是控制电压其极性大小可随时改变与锯齿波调制信号相减从而在运算放大器的输出端得到周期不变脉宽可变的调制输出电压只要改变控制电压的极性也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性因而改变了电动机的转向改变控制电压的大小则调节了输出脉冲电压的宽度从而调节电动机的转速只要锯齿波的线性度足够好输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的 2逻辑延时环节 在可逆PWM变换器中跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间总称关断时间在这段时间内晶体管并未完全关断如果在此期间另一个晶体管已经导通则将造成上下两管之通从而使电源正负极短路为避免发生这种情况设置了由RC电路构成的延时环节 3电源的设计 本设计的电源为车载电源为保证电源工作可靠单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率大容量的蓄电池而传感器的工作电源则采用了小巧轻便的干电池 五 显示电路设计 本设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示器并具有双重功能在小车 不行驶时其中一片显示年月另一片显示时分 当小车行驶时分别显示时间和行驶距离原理图如图1 本设计中采用新型芯片EM78P458作为显示驱动器它的管脚如图35 EM78P458管脚介绍所示用单片机的并行口控制一个数码显示电路用4个口线用专用驱动芯片控制可以减少对CPU的利用时间单片机将有更多的时间去完成其他功能 图35 EM78P458的管脚 该芯片共有20个管脚管脚 LED1、LED2、LED3、LED4分别接10k电阻和三极管后与4位八段数码管5461中的a1、a2、a3、a4四个数位选择端相连这四个数位选择端用来产生LED选通信号 管脚a、b、c、d、e、f、g、dp分别接680欧电阻后与四位八段数码管5461中的a、b、c、d、e、f、g、dp相连分别控制各段码和小数点 管脚d0、d1、d2、d3接单片机并行口通过对单片机对芯片进行控制管脚vss串上10k电阻后与vcc管脚相接后再接5v电源管脚gnd接地 该芯片所驱动的显示电路如图36 EM78P458集成显示电路所示 显示驱动器支持动态显示其显示功能如表42真值表所示0000-1001显示从0-9数字1010是未进位时是小数点清位1011是进位后加小数点1100-1111是八段共阴数码管的位选 图36 EM78P458集成显示电路 表42真值表 D3 D2 D1 D0 显示 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 0 0 0 8 1 0 0 1 9 1 0 1 0 清小数点 1 0 1 1 加小数点 1 1 0 0 a1选通 1 1 0 1 a2选通 1 1 1 0 a3选通 1 1 1 1 a4选通 第四章 软件设计 系统软件设计说明 在进行微机控制系统设计时除了系统硬件设计外大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序因此软件设计在微机控制系统设计中占重要地位对于本系统软件更为重要 在单片机控制系统中大体上可分为数据处理过程控制两个基本类型数据处理包括数据的采集数字滤波标度变换等过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算然后再输出以便控制生产 为了完成上述任务在进行软件设计时通常把整个过程分成若干个部分每一部分叫做一个模块所谓模块实质上就是所完成一定功能相对独立的程序段这种程序设计方法叫模块程序设计法 模块程序设计法的主要优点是 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试 模块可以共存一个模块可以被多个任务在不同条件下调用 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序为设计者提供方便 本系统软件采用模块化结构由主程序、定时子程序避障子程序、中断子程序 显示子程序、调速子程序、算法子程序构成 一 主程序设计 主程序清单如下 limiw equ 30h 厘米位 miao equ 31h 秒位 fenmi equ 32h 分米位 fmiao equ 33h 分秒位 meter equ 34h 米位 fenzh equ 35h 分位 point equ 36h 小数点位 shimi equ 37h 十米位 shifn equ 38h 十分位 sudu equ 39h 速度控制 jishk equ 3ah 记时开始 zhond equ 3bh zhodu equ 3ch zhon equ 3eh maicho equ 3fh jinweb equ 40h bhcs equ 41h dpan equ 42h fenchu equ 43h fencun equ 44h pand equ 45h fenmc equ 51h org 0000h ajmp main org 000bh ajmp st0 org 001bh ajmp st1 org 0100h main mov limiw00h mov miao00h mov fenmi00h mov fmiao00h mov meter00h mov fenzh00h mov point0bh mov shimi00h mov shifn00h mov jishk00h mov zhond00h mov zhodu00h mov zhon00h mov maicho00h mov jinweb03h mov bhcs00h mov sp6fh mov tmod21h mov th03ch mov tl00b0h mov th19ch mov tl19ch setb ea setb et0 setb et1 mov p10aah acall xianshi 软件流程 如图41流程图所示 图41 流程图 二 显示子程序设计 程序清单如下 xianshi mov p10aah mov p10cch mov alimiw swap a add amiao mov p1a nop nop mov p10ddh mov afenmi swap a add afmiao mov p1a nop nop mov p10eeh mov a0b0h add apoint mov p1a nop nop mov p10eeh mov ameter swap a add afenzh mov p1a nop nop mov p10ffh mov ashimi swap a add ashifn mov p1a ret 三 避障子程序设计 程序清单如下 zhangai jb 25hstop jnb 22hyouzhuan jnb 23hyouzhuan jnb 24hzuozhuan jnb 26hzuozhuan ajmp jiance zuozhuan clr p05 clr p04 mov sudu05h acall delaa setb p04 setb p05 mov sudu07h ajmp jiance youzhuan clr p06 clr p07 mov sudu05h acall delaa setb p07 setb p06 mov sudu07h ajmp jiance stop acall delay jnb 25hzhangai clr tr0 mov afenmi mov fenmca mov a02h add afenmc mov fenmca here cjne afenmihere clr tr1 setb p26 acall delaa setb p27 ajmp 四 软件抗干扰技术 提高玩具车智能控制的可靠性仅靠硬件抗干扰是不够的需要进一步借助于软件抗干扰技术来克服某些干扰[6]在单片机控制系统中如能正确的采用软件抗干扰技术与硬件干扰措施构成双道抗干扰防线无疑为了将大大提高控制系统的可靠性经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术开关量的软件抗干扰技术指令冗余技术软件陷阱技术等 1数字滤波技术 一般单片机应用系统的模拟输入信号中均含有种种噪音和干扰它们来自被测量本身传感器外界干扰等为了进行准确测量和控制必须消除被测信号中的噪 音和干扰对于这类信号采用积分时间等于20ms的整数倍的双积分AD转换器可有效的消除其影响后者为随机信号它不是周期信号对于随机干扰我们可以用数字滤波方法予以削弱或滤除所谓数字滤波就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重故实质上它是一种程序滤波数字滤波克服了模拟滤波器的不足它与模拟滤波器相比 有以下几个优点 数字滤波是用程序实现的不需要增加硬设备所以可靠性高稳定性好 数字滤波可以根据信号的不同采用不同的滤波方法或滤波参数具有灵活方便功能强的特点 数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波克服了模拟滤波器的缺陷 数字滤波器具有以上优点所以数字滤波在微机应用系统中得到了广泛应用 2开关量的软件抗干扰技术 干扰信号多呈毛刺状作用时间短利用这一点我们在采集某一开关量信号时可多次重复采集直到连续两次或两次以上结果完全一致方为有效若多次采样后信号总是变化不定可停止采集给出报警信号由于开关量信号主要是来自各类开 关型状态传感器如限位开关操作按钮电气触点等对这些信号的采集不能用多次平均的方法必须绝对一致才行如果开关量信号超过8个可按8个一组进行分组处理也可定义多字节信息暂存区按类似方法处理在满足实时性要求的前提下如果在各次采集数字信号之间接入一段延时效果会好一些就能对抗较宽的干扰 输出设备是电位控制型还是同步锁存型对干扰的敏感性相对较大前者有良好的抗毛刺干扰能力后者不耐干扰当锁存线上出现干扰时它就会盲目锁存当前的数据也不管此时数据是否有效输出设备和惯性响应速度与干扰的耐受能力也有很大关系惯性大的输出设备如各类电磁执行机构对毛刺干扰有一定的耐受能力惯性小的输出设备如通行口显示设备耐受能力就小一些在软件上最为有效的方法就是重复输出同一个数据只要有可能其重复周期尽可能短些外设设备接受到一个被干扰的错误信息后还来不及作出有效的反应一个正确的信息又来了就可及时防止错误动作的产生另外各类数据锁存器尽可能和CPU安装在同一电路板上使传输线上传送的都是锁存好的电位控制信号对于重要的输出设备最好建立检测通道CPU可以检测通道来确定输出结果的正确性 3指令冗余技术 当CPU受到干扰后往往将一些操作数当作指令码来执行引起程序混乱当程序弹飞到某一字节指令上时便自动纳入正轨当弹飞到某一双字节指令上时有可能落到其操作数上从而继续出错当程序弹飞到三字节指令上时因它有两个操作数继续出错的机会就更大因此我们应多采用单字节指令NOP 或将单字节指令重复书写这便是指令冗余指令冗余无疑会降低系统的效率但在绝大多数情况下CPU还不至于忙到不能多执行几条指令的程度故这种方法还是被广泛采用 在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令以保证弹飞的 程序迅速纳入正确轨道在某些对系统工作状态重要的指令前也可插入两条NOP指令以保证正确执行指令冗余技术可以减少程序弹飞的次数使其很快进入程序轨道但这并不能保证在失控期间不干坏事更不能保证程序纳入正常轨道后就太平无事了解决这个问题必须采用软件容错技术 4、软件陷阱技术 指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的首先弹飞的程序必须落到程序区其次必须执行到冗余指令所谓软件陷阱就是一套引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序如果我们把这段程序的入口标号记为 ERR 的话软件陷阱即为一条无条件转移指令为了加强其捕捉效果一般还在它前面加两条 NOP 指令因此真正的软件陷阱由3条指令构成 NOP NOP ERR 软件陷阱安排在以下四种地方 1 未使用的中断向量区 2 未使用的大片ROM空间 3 表格 5程序区 由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方故不影响程序执行效率在当前EPROM容量不成问题的条件下还是多多益善 五 看门狗技术 PC受到干扰而失控引起程序乱飞也可能使程序陷入死循环 [6]指令技术软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱死循环的困境这时系统完全瘫痪如果操作者在场就可以按下人工复位安钮强制系统复位但操作者不能一直监视着系统也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位为使程序脱离死循环通常采用看门狗技术看门狗技术就是不断监视程序循环运行时间若发现时间超过已知的循环设定时间则认为系统陷入了死循环然后强迫程序返回到0000H入口在0000H处安排一段出错处理程序使系统运行纳入正规 看门狗技术可由硬件实现可由软件实现也可由两者结合实现本系统采用硬件看门狗电路 实现硬件看门狗电路方案较多目前采用较多的方案有以下几种 采用微处理器监控器 采用单稳态电路来实现看门狗单稳定电路可采用74LS123 采用内带震荡器的记数芯片 本设计采用第三种方案实现看门狗电路下面就对该方案作以介绍 1 基本原理 CD4060 是带震荡器的14位计数器由该芯片构成的看门狗电路如图42看门狗电路图所示 4060记数频率由RT和CT决定设实际的程序所需工作周期为T分频器记满时间为T当T T 且系统正常工作时程序每隔T对4060进行扫描一次分频且永无记满输出信号如系统工作不正常如程序跑飞死循环等程序对4060发不出扫描信号分频器记满输出一脉冲号使CPU复位 2 参数选择 4060的振荡频率f由 RT CT决定Rs用于改善振荡器的稳定性Rs 要大于RT一般取Rs 10RT且RT 1kΩCT?100pF如果Rs 450ΩRT 45ΩCT 1uF则f 10HZ4060的振荡频率和Qi i 678910121314 的选择要根据情况确定 3 几个原则 看门狗电路必须由硬件逻辑组成不宜由可编程计数器充当因为CPU失控后可能会修改可编程器件参数使看门狗失效 4060的RST线上阻容组成的微分电路很重要因为扫描输入信号是CPU产生的正脉冲若此信号变1后由于干扰程序乱飞微分电路只能让上跳沿通过不会封死4060看门狗仍能计数起作用若没有微分电路扫描输入信号上的1状态封死4060使之不能记数看门狗不起作用 图42看门狗电路图 CPU必须在正确完成所有工作后才能发扫描输入信号且程序中发扫描信号的地方不能太多否则正好在哪里有死循环看门狗就不产生记满输出信号不能重新启动CPU 4060的记满输出信号不但要接到MCS-51的RST脚而且还应接到其它芯片的RST脚因为程序乱飞后其它具有RST脚的芯片也混乱了必须全部复位 六 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件GAL16V8是LATTICE公司研制的一种电可擦除的可重复编程的低密度PLD器件它采用更为灵活的可编IO结构并采用了先进的EECOMS工艺数秒内即可完成芯片的擦除和编程过程并可反复改写是产品开发研制的理想器件之一 GAL16V8技术特性 1电可擦除工艺 可重编程单元 100,成品率 可重配置逻辑 2高性能E2CMOS工艺 低功耗45mA最大运行功耗35mA最大维持功耗 高速度15,25us最快存取速度 38个输出逻辑单元 对于复杂逻辑设计具有最大灵活性 GAL16V8可仿真20条引脚的PAL器件具有功能 熔丝图 参数的完全兼容性 4预置加电复位全部寄存器 5具有保密单元电子标签 6数据保持超过20年 80C51按键电路直接由80C51接口电路查询消抖 延时20ms 由软件延时完成 第五章 测试数据测试结果分析及结论 测试方法与仪器 测试仪器 测试仪器包括秒表数字万用表信号发生器示波器MCS51仿真机直流稳压电 源等 2测试方法 数字万用表主要用来测试分立元件的电阻压降漏电流截止导通状态等参数 信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输 MCS51仿真机用于测试软件 直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电 秒表用于产品测试按照任务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试 测试数据及测试结果分析 ? 计时精度分析 计时系统采用了新型显示芯片理论上的误差不到1秒年 ? 测距精度分析 测速系统采用了电机轴光电码盘检测技术电机轴与车轮轴之间采用了齿轮箱二级减速变比116车轮周长135mm光电码盘与电机轴安装在一起电机轴每一转产生2个脉冲车轮每转产生32个脉冲理论测量精度可达135mm32 422mm 45mm ? 定位精度分析 本设计采用实际测量与软件补偿技术理论上可使定位精度提高到误差 10mm 3结论 历时三个月的设计过程中我首先边查资料边在实验室焊接小车的线路板在焊接过程中我感觉到即使是一个简单的电路要想很轻松的焊好也不是很容易的事情有时是虚焊的原因有时可能是阻值选错在焊接显示电路时我就错将680欧的电阻焊成了68千欧这使我深深感受到理论与实际间的差距通过这样的设计提高了我的动手能力每天在实验室除了焊接线路板还可以上机编程使我软件调试知识也提高了 本设计采用的是80C51单片机这主要是因为该单片机的稳定性比较好还可以采用其它系列的单片机比如采用陵阳单片机就可以简化编程但其稳定性不是很好 致 谢 历时三个月的毕业设计已经告一段落经过自己不断的搜索努力以及白老师的耐心指导和热情帮助本设计已经基本完成在这段时间里白老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩他的指导使我受益非浅同时本系120实验室的开放也为我的设计提供了实习场地在此对白文峰老师和牛晓升老师表示深深的感谢 通过这次毕业设计使我深刻地认识到学好专业知识的重要性也理解了理论联系实际的含义并且检验了大学四年的学习成果虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练但是我将在以后的工作和学习中继续努力不断完善这三个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程为今后的发展打下了良好的基础 由于自身水平有限设计中一定存在很多不足之处敬请各位老师批评指正 参 考 文 献 1 何立民单片机应用系统设计北京航天航空大学出版社2,546,50 2 李广弟单片机基础北京北京航空航天大学出版社200156,64 3 何希才新型实用电子电路400例电子工业出版社2000年60,65 4 赵负图传感器集成电路 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 第一版化学工业出版社2004590,591 5 陈伯时电力拖动自动控制系统第二版北京机械工业出版社2000年6月127,130 6 张毅刚彭喜元新编MCS-51单片机应用设计第一版哈尔滨工业大学出版社200325,27411,417 附录A 程序清单 limiw equ 30h 厘米位 miao equ 31h 秒位 fenmi equ 32h 分米位 fmiao equ 33h 分秒位 meter equ 34h 米位 fenzh equ 35h 分位 point equ 36h 小数点位 shimi equ 37h 十米位 shifn equ 38h 十分位 sudu equ 39h 速度控制 jishk equ 3ah 记时开始 zhond equ 3bh zhodu equ 3ch zhon equ 3eh maicho equ 3fh jinweb equ 40h bhcs equ 41h dpan equ 42h fenchu equ 43h fencun equ 44h pand equ 45h fenmc equ 51h org 0000h ajmp main org 000bh ajmp st0 org 001bh ajmp st1 org 0100h main mov limiw00h mov miao00h mov fenmi00h mov fmiao00h mov meter00h mov fenzh00h mov point0bh mov shimi00h mov shifn00h mov jishk00h mov zhond00h mov zhodu00h mov zhon00h mov maicho00h mov jinweb03h mov bhcs00h mov sp6fh mov tmod21h mov th03ch mov tl00b0h mov th19ch mov tl19ch setb ea setb et0 setb et1 mov p10aah acall xianshi qidong jb p00qidong acall delay jb p00qidong mov sudu03h clr p26 clr p27 setb tr1 start jnb p23start acall delay jnb p23start mov sudu07h setb tr0 mov jishk01h call delaa call delaa call delaa call delaa call delaa jiance mov cp20 mov 22hc mov cp21 mov 23hc mov cp22 mov 24hc mov cp23 mov 25hc mov cp24 mov 26hc zhangai jb 25hstop jnb 22hyouzhuan jnb 23hyouzhuan jnb 24hzuozhuan jnb 26hzuozhuan ajmp jiance zuozhuan clr p05 clr p04 mov sudu05h acall delaa setb p04 setb p05 mov sudu07h ajmp jiance youzhuan clr p06 clr p07 mov sudu05h acall delaa setb p07 setb p06 mov sudu07h ajmp jiance stop acall delay jnb 25hzhangai clr tr0 mov afenmi mov fenmca mov a02h add afenmc mov fenmca here cjne afenmihere clr tr1 setb p26 acall delaa setb p27 ajmp st0 push acc push psw mov th03ch mov tl00b0h 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