電氣工程與自動化畢業(yè)論文基于單片機的自動往返小汽車的設計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設 計</p><p>　　基于單片機的自動往返小汽車的設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程與自動化 </p><p>　　學生姓名 學號 &

2、lt;/p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設計以AT89C51單片機芯片作為自動往返小汽車的檢測和控制核心。小車的行駛軌道為白色紙面

3、加黑色線條構成。我們利用兩個放置在小車前端，兩個放置在小車后端的紅外線光電傳感器來檢測跑道上黑線的位置，并以此判斷小車的位置。根據(jù)設計方案小車在不同位置具有不同速度和不偏離軌道的要求對小車的運行行駛速度和方向進行相應的控制。小車小輪上鋪有霍爾元件，小車每轉一周就將的反映信號傳送到AT89C51單片機內(nèi)，由AT89C51單片機的內(nèi)部計時器來計算小車實際行駛的時間和距離，通過LED燈直觀的顯示出來。</p><p>

4、<b>　　設計主要部分：</b></p><p>　　1.小車電源部分：采用單一的+9V電源供電，利用MC34063將電源經(jīng)過DC/DC轉換，讓CPU和電機電源都具備自己獨立的電源，讓小車的電源部分同步實現(xiàn)抗干擾和外圍設備的簡單化。</p><p>　　2.糾偏控制部分：通過裝在小車前后的四個紅外線傳感器檢測小車是否一直和鋪在地面的黑線對齊，如果偏離，傳感器會將得到

5、的不同輸入信號傳送到單片機，再由單片機輸出控制信號控制繼電器的吸合與放開，實現(xiàn)偏轉電機的正反轉向，最終達到對小車行駛方向的糾正。</p><p>　　3.速度控制部分：同樣的先通過紅外線傳感器傳達來的信號，再根據(jù)需要的具體速度調(diào)速。調(diào)速部分我們采用軟件控制的PWM調(diào)速。主要是在計時中斷程序里設定一個變量，每次中斷執(zhí)行一次就令變量+1，然后將當前的變量值與原先設定的PWM的值進行比較，再由單片機控制給電機加上所需要

6、的不同占空比方波來控制小車的電機轉速，最終達到控制小車行駛速度的目的。</p><p>　　4.數(shù)字顯示部分：利用四個共陰極的8位LED數(shù)碼管與譯碼塊CD4511共同組成靜態(tài)顯示部分。</p><p>　　5.中央控制單元：選用89C51單片機，不但使系統(tǒng)簡單而且很大程度上增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。</p><p>　　關鍵詞：89C51單片機 ；紅外傳感器 ；P

7、WM調(diào)速 ；DC/DC變換</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design with AT89C51 chip as automatic round-trip car detection and control core. Car driving rail for white paper and black line

8、make. We use two placed in car front, two placed in the infrared photoelectric sensor after car to detect the runway black line position, and judged whether the car position. According to the design scheme in different l

9、ocations have different car speed and not off track to drive the car running speed and direction for the corresponding control. Car small wheels a</p><p>　　Design main parts:</p><p>　　1 .Car pow

10、er part: It has adopted a single + 9V power supply, use MC34063 will power after DC/DC conversion, let the CPU and motor power all have their own independent power, let the car power part of synchronization of anti-jammi

11、ng and peripherals simplified.</p><p>　　2 .Rectify control parts: Through the packed in car and four infrared sensor detects whether has been laid in the car with the black line alignment, if the deviation o

12、f the sensor will get different input signals to the microcontroller, again by microcontroller output control signal control relay suction match and release, realize the positive and negative to deflect motor car driving

13、 on, and finally reach the correct direction.</p><p>　　3 .Speed control parts: The same go through infrared sensors convey to signal, again according to the needs of specific speed. Speed control section, we

14、 adopt PWM speed of software. Mainly in the timer interruption program to set a variable, each interrupt execution time makes variable + 1, then will the current variable value and set the value of the original PWM, agai

15、n by comparison with single-chip microcomputer control needed to motor for different wave to control of empty car motor speed, a</p><p>　　4 .Digital display parts: Use four of the eight LED digital cathode t

16、ube and decode block CD4511 composed static display section.</p><p>　　5 .The central control unit: Choose 89C51, not only make the system is simple and greatly increase the system stability and flexibility.&

17、lt;/p><p>　　Keywords: 89C51; Infrared sensors; PWM speed; DC/DC transform</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　第1章 89C51的簡介與管腳選擇2</

18、p><p>　　1.1 89C51的特點2</p><p>　　1.2 89C51管腳介紹2</p><p>　　1.3 89C51管腳的選擇4</p><p>　　第2章 設計方案簡介與選擇5</p><p>　　2.1設計要求簡述5</p><p>　　2.2設計方案選擇5<

19、/p><p>　　2.3設計方案的細部簡介7</p><p>　　2.3.1小車電源模塊7</p><p>　　2.3.2路面黑線檢測模塊7</p><p>　　2.3.3小車倒車模塊7</p><p>　　2.3.4小車糾偏模塊7</p><p>　　2.3.5數(shù)字顯示單元模塊8<

20、;/p><p>　　2.3.6電動機調(diào)速模塊8</p><p>　　2.3.7數(shù)據(jù)存儲模塊8</p><p>　　第3章 硬件設計9</p><p>　　3.1小車電源部分9</p><p>　　3.2糾偏控制部分10</p><p>　　3.3速度控制部分10</p>

21、<p>　　3.4紅外線傳感器部分11</p><p>　　3.5數(shù)字顯示部分13</p><p>　　3.6霍爾元件部分15</p><p>　　3.7晶振電路部分16</p><p>　　3.8復位電路部分16</p><p>　　第4章 軟件設計18</p><p>

22、　　4.1單片機內(nèi)部邏輯結構18</p><p>　　4.2單片機存儲器19</p><p>　　4.3單片機時鐘信號20</p><p>　　4.4計數(shù)/定時功能21</p><p>　　4.5編程語言選擇21</p><p>　　4.6數(shù)字顯示部分測試程序框圖與源程序22</p><

23、p>　　4.7行駛控制部分測試程序框圖與源程序23</p><p><b>　　小結27</b></p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p>　　附錄1 硬件電路圖30</p>&

24、lt;p><b>　　前 言</b></p><p>　　單片機（單片微型計算機）是微型計算機很重要的一個分支，自從70年代問世以來，憑借其極高的性能價格比，倍受人們的重視和關注。單片機體積很小，重量非常輕，抗干擾的能力較強，對環(huán)境的適應度強，價格便宜，非?？煽浚`活性強，而且應用范圍廣，發(fā)展迅速，所以單片機現(xiàn)在已被人們廣泛地應用在家用電器、機電設備控制、智能儀器、自動檢測和數(shù)據(jù)處

25、理等各個方面。</p><p>　　單片機被普遍的認為是在一塊集成了中央處理器（CPU），存儲器（RAM、ROM、EPROM）以及各種輸入輸出接口（計數(shù)器、定時器、串行口、A/D轉換器、脈沖調(diào)制器PWM、并行I/O口等）的硅板，它完全具備一臺計算機的功能，因此被稱為單片微型計算機。</p><p>　　通常采用的高性能MCS-51系列8位單片機集成度高、系統(tǒng)簡單、擴展方便、處理功能強、容易

26、產(chǎn)品化。相比于MCS-48系列，在片內(nèi)存儲器的容量，I/O口及指令系統(tǒng)功能等方面都很大程度上得到了提高，適用于實時控制、智能儀器、復雜的多機系統(tǒng)等領域，絕對是工業(yè)控制領域中最理想的8位單片機。在國內(nèi)單片機的開發(fā)應用在近幾年也得到了很大的發(fā)展，取得了很多科研成果，并已轉化為一定的生產(chǎn)力，獲得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。</p><p>　　自動小車是一個運用計算機、傳感等技術來實現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動行駛為一體

27、的高新技術綜合體。它在軍事、民用和科學研究等方面已獲得了應用，對解決道路交通安全提供了一種新的途徑。</p><p>　　隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究，許多國家已經(jīng)把電子設計比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。電子設計涉及到多個學科，機械電子、傳感器技術、自動控制技術、人工智能控制、計算機與通信技術

28、等等，是眾多領域的高科技。電子設計技術，它是一個國家高科技實例的一個重要標準，可見其研究意義很大。</p><p>　　第1章 89C51的簡介與管腳選擇</p><p>　　1.1 89C51的特點</p><p>　　89C51是一種低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。它帶有4K字節(jié)閃爍可編程可擦除的只讀存儲器。本系列單片機的可擦除只讀存儲器可以反復

29、的擦除次數(shù)可以達到100次。該微處理器是由ATMEL制造與工業(yè)標準的MCS-51指令集還有輸出管腳都相兼容。由ATMEL的89C51是一種高效微控制器，它將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中。該系列單片機含有32條I/O口線，2個16位的定時器和計數(shù)器，6個中斷輸入端口,5個中斷源和4個優(yōu)先級嵌套中斷結構，1個串行I/O口及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。89C51只支持并行寫入，同時需要VPP要寫入高壓；89C5*系列的電源范圍在低于

30、4.8V和高于5.3V的時候則無法正常工作；而89C51工作頻率范圍最高支持到24M；需要外接看門狗計時器單元電路。該系列的XTAL1、XTAL2分別為反向放大器的輸入及輸出。此反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅動器件的話，XTAL2應不接。89C51因為設有穩(wěn)態(tài)邏輯，所以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，可支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但是RAM、定時器、 計數(shù)器、串口</p>&

31、lt;p>　　1.2 89C51管腳介紹</p><p>　　其引腳圖如圖1.1所示：</p><p>　　圖 1.1 89C51管腳圖</p><p>　　表1.1 89c51管腳功能表</p><p>　　1.3 89C51管腳的選擇</p><p>　　本次設計所需要的管腳有：</p><

32、;p>　　P1.0-P1.3管腳作為四個紅外線傳感器的輸入管腳。</p><p>　　P3.0(RXD)和P3.1(TXD)管腳用來實現(xiàn)小車電機的偏轉控制。</p><p>　　P3.6和P3.7管腳用來實現(xiàn)小車電機的速度及正反轉控制。</p><p>　　P0.0-P0.7共八個管腳實現(xiàn)LDE數(shù)碼管的數(shù)字顯示和位選擇。</p><p>

33、;　　P3.4作為霍爾元件的信號輸入端。</p><p>　　VCC（單片機的電源引腳）和VSS（接地地腳）。</p><p>　　XTAL1與XTAL2晶振引腳與RST復位引腳。</p><p>　　第2章 設計方案簡介與選擇</p><p><b>　　2.1設計要求簡述</b></p><p&

34、gt;　　圖 2.1 小車往返圖</p><p>　　此次設計的小車往返如圖2.1所示，跑道的寬度為0.5m， 跑道的表面上鋪有白紙，在B、C、D、E、F、G處均有2cm寬的黑線。小車往返于起跑線與終點線之間，車子從起跑線B開始出發(fā)，然后經(jīng)過CD段路程進入限速區(qū)DE，跑出限速區(qū)后回復到原來的速度繼續(xù)行駛完EF段，最后在終點線G處停車10s。接著小車會倒退重復往返在起點和終點。小車在終點線停車和返回起始點時車子的位

35、置需要與黑線盡量對齊。另外要求車子能夠自動的將行駛的時間以及行駛的里程顯示在小車上。</p><p><b>　　2.2設計方案選擇</b></p><p>　　方案一：可以采用以PLC為中心的控制電路，將其輸入/輸出端口與外部設備相連，通過編輯程序直接控制小汽車。PLC是一種建立在單片機之上的產(chǎn)品，雖然此方案也能實現(xiàn)小車的往返，但是但價格高、工作速度慢、器件所占的空

36、間較大、小車負載較重、控制部分顯得不夠直觀，不利于系統(tǒng)靈活性和智能性的提高。</p><p>　　方案二：選用傳統(tǒng)的數(shù)字電路圖如圖2.2所示，其主要的特點在于用一套雙計數(shù)器完成系統(tǒng)控制功能，通過傳感器的整形輸出觸發(fā)脈沖并送入計數(shù)器，輸出通過譯碼后驅動數(shù)碼管分別顯示時間和位移。由傳感器整形輸出觸發(fā)脈沖送入計數(shù)器的記數(shù)值進行比較，相應的控制PWM發(fā)生器，產(chǎn)生占空比可變的電壓信號來驅動電機實現(xiàn)調(diào)速。還可以根據(jù)計數(shù)器來決

37、定方向控制器，發(fā)出方向控制信號，控制小汽車的往返。此方案使用的芯片較多，從而造成控制電路接口電路繁瑣，而且抗干擾能力差。</p><p>　　圖 2.2 傳統(tǒng)數(shù)字電路原理框圖</p><p>　　方案三：經(jīng)過上一節(jié)的方案簡介大致了解各個方案的優(yōu)缺點，我們決定選用第三種方案原理如圖2.3所示：選用89C51型號的單片機作為小車往返系統(tǒng)的核心控制部分；用放置在小車前端和后端的紅外光電傳感器來檢

38、測小車是否經(jīng)過跑道上的黑線，同時判斷小車在跑道上的具體位置，然后以小車當前所處的位置具體的對小車的行駛狀態(tài)進行調(diào)整；另外單片機可以根據(jù)傳感器輸入的信號控制繼電器的吸合放開，以此控制轉向電機的脈沖電壓來控制電機的轉向，最終實現(xiàn)小車行駛方向偏離的糾正；小車的調(diào)速采用軟件控制的PWM調(diào)速控制來驅動電機的轉動速度；小車以及單片機的電源用單一的9V直流電源供電，通過DC/DC轉變后分別向單片機以及電動機供電；小車的行駛情況通過LED數(shù)碼管加上譯碼

39、塊組成的靜態(tài)顯示模塊顯示出來。</p><p>　　圖 2.3 單片機控制電路原理框圖</p><p>　　如上綜述選用第三方案。</p><p>　　2.3設計方案的細部簡介</p><p>　　2.3.1小車電源模塊</p><p><b>　　方案一：</b></p><

40、p>　　選用+9V的直流電壓同時供給CPU和電機。但是啟動時會因為電機啟動電流太大，電壓下降很快容易讓CPU不正常工作，造成程序紊亂。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　選用+9V電源電壓供給電機，CPU的電壓由+9V通過DC/DC轉換后供給。選用這種方案，CPU采用的是經(jīng)過DC/DC變換的電源供電，電壓比較穩(wěn)定，不太受電機的干擾

41、，很大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。</p><p>　　基于上述分析，選擇了方案二</p><p>　　2.3.2路面黑線檢測模塊</p><p>　　探測路面黑線的原理是：當光線照射到路面并反射時，因為黑線和白紙的反射系數(shù)不一樣，所以可以根據(jù)接受到的反射光強弱判斷是否到達黑線。</p><p><b>　　方案一：</b&

42、gt;</p><p>　　選用可見光發(fā)光二極管和光敏二極管組成的發(fā)射—接收電路。但是這種方案也存在比較大的缺點：其它環(huán)境光線會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，只要外界光亮的條件有所改變，就很可能造成判斷錯誤或者漏判斷，采用超高亮度發(fā)光二極管雖然可以一定程度上降低外界的干擾，可是這樣即增加車載，又增大電路體積，而且還增加額外的功率損耗。</p><p><b>　　方案二：<

43、;/b></p><p>　　選用反射式紅外發(fā)射—接收器，因為采用紅外管代替普通的可見光管，可以很有效的降低環(huán)境光源造成的干擾，不但體積小，靈敏度高，線性度好，外圍電路簡單，而且對電源要求不高。缺點就是大氣潮濕等因素會衰減它的作用，比較適用于用于室內(nèi)檢測，對用于此次設計比較適合。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p&g

44、t;　　選用激光傳感器，其優(yōu)點是探測非常精確，測試范圍很廣，但是對外圍電路的要求較高，價格昂貴。</p><p>　　基于上述分析，選擇了方案二</p><p>　　2.3.3小車倒車模塊</p><p>　　小車的返回方式采用倒車式返回，控制很簡單，只要讓驅動小車的電機反轉即可完成。因為轉彎式返回的技術要求較高，軟件編程方面需要很高的精度，所以本次設計采用倒車式返

45、回。</p><p>　　2.3.4小車糾偏模塊</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　可以在小車的行駛路線旁邊固定兩塊擋板，再在小車的前后四個角安裝上滑輪用來減小摩擦力。此方案雖然簡單也比較直接，但是靈動性不高，需要兩塊很長的擋板，而且違背智能小車的主題不合。</p><p><b&g

46、t;　　方案二：</b></p><p>　　在小車的前后四個角均放置一個傳感器，用于檢測小車和黑線的對齊度然后具體情況具體糾偏。此方案的缺點是：如果希望小車能夠按照軌道路線行駛，那么軌道上的黑線就必須要連續(xù)的放置。而且小車的糾正角度也不好設定，因為此次小車往返設計的路程短，所以此方案不會很大的影響本次設計。</p><p>　　基于上述分析，選擇了方案二</p>

47、<p>　　2.3.5數(shù)字顯示單元模塊</p><p>　　選用譯碼器再加上共陰極的8位LED數(shù)碼管組成靜態(tài)顯示模塊。不但算法簡單，單片機編程方便，而且中斷控制設計容易，電路直觀。</p><p>　　2.3.6電動機調(diào)速模塊</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　選用的是由達林頓

48、管組成的H型PWM電路。采用單片機控制達林頓管讓其工作在占空比可調(diào)的開關狀態(tài)，來精確的調(diào)整電動機轉速。此電路因為工作在管子的飽和截止模式下，效率很高；H型電路保證電路可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向控制；電子開關的速度快，穩(wěn)定性強，但是在此次設計中，由于對控制電路的時間要求不是很高，它的優(yōu)點不能得到充分的發(fā)揮，還可能造成硬件電路板過于復雜。</p><p><b>　　方案二：</b></p&

49、gt;<p>　　選用繼電器對電機的開、關進行控制，用軟件PWM實現(xiàn)對小車的速度調(diào)整。此方案電路比較簡單，體積較小，很適合此次設計。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　選用電阻網(wǎng)絡或者數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，以此達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只可以實現(xiàn)有級的調(diào)速，可是數(shù)字電阻的元器件價格較昂貴，另外一般的電動機的電阻較小

50、，可是電流很大，分壓不但會降低效率，而且實現(xiàn)起來也比較困難。</p><p>　　基于上述分析，選擇了方案二。</p><p>　　2.3.7數(shù)據(jù)存儲模塊</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　采用外接ROM進行存儲。采用外接ROM進行存儲是保存實驗數(shù)據(jù)的慣用方法，其特點是在單片機斷電之后仍然

51、能保存住數(shù)據(jù)，但無疑將增大軟硬開銷和時間開銷。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　直接用單片機內(nèi)部的RAM進行存儲。雖然不能在斷電后保存數(shù)據(jù)，但可以在實驗結束后根據(jù)按鍵顯示相應值。而且本實驗的數(shù)據(jù)存儲不大，采用RAM可以減少IO接口的使用，便利IO接口分配，故此方案具有成本低、易實現(xiàn)的優(yōu)點，更符合實際需求。</p><

52、;p>　　基于上述分析，選擇了方案二</p><p><b>　　第3章 硬件設計</b></p><p><b>　　3.1小車電源部分</b></p><p>　　因為小車上面不方便放置多個電源，如果單電源直接給小車的電機部分以及芯片供電，在電機啟動的小段時間內(nèi)會使電壓嚴重下降。因此我們采用一枚MC34063芯

53、片構成一個高頻率振蕩電路，來解決這一問題。MC34063是專門用在直流——直流轉換的芯片， 它可以用較少的外接器件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反相器。MC34063能在3—4V的輸入電壓下工作；工作振蕩頻率范圍從100HZ—100KHZ；有短路電流限制功能；輸出的開關電流可以達到1.5A。</p><p>　　MC34063原理框圖如圖3.1所示，振蕩器通過恒流源對接在CT（3號管腳）管腳上的定時電容

54、不斷地充電與放電來產(chǎn)生振蕩波形。因為充電和放電電流都是恒定的，所以振蕩頻率僅取決于外接定時電容的容量。與門的C輸入端在振蕩器對外充電時候為高電平，D輸入端在比較器輸入電平低于閾值電平的時候為高電平，當C與D端輸入均變成高電平時觸發(fā)器被置為高電平，輸出開關管導通，相反當振蕩器在放電期間，C端輸入為低電平，觸發(fā)器就被復位，使得輸出開關管處于關閉得狀態(tài)。電流限制SI檢測端（5號管腳）通過檢測連接在V和5號腳上電阻的壓降來完成功能。在檢測到電阻

55、上的電壓降將超過300mV的時候，電流的限制電路開始工作，這時通過CT管腳（3號管腳）對定時電容進行快速充電來減少充電時間和輸出開關管的導通時間，最終使得輸出開關管的關閉時間延長。</p><p>　　經(jīng)過直流變?yōu)榻涣?，再轉換成交流，芯片MC34063使輸入電壓的9V變成了5V。而且輸入電壓的波動范圍可以從7V—15V，輸出均是穩(wěn)定的5V。此電路具有很高的抗干擾能力，同時又能起到很好的隔離作用。</p>

56、;<p>　　圖 3.1 MC34063內(nèi)部結構</p><p>　　圖 3.2 小車電源電路</p><p><b>　　3.2糾偏控制部分</b></p><p>　　糾偏控制電路的主要部分是由PWM控制電路和繼電器組成的，轉向控制信號由單片機端口RXD（P3.0）和TXD（P3.1）的輸出決定，其硬件圖如3.3所示。當RXD

57、輸出為低電平的時候，上面的三極管8550就導通，繼電器馬上吸合，開關搭在1和3的 位置，同時TXD的輸出為低電平，下面的場效應管導通，使得轉向電機正轉。當RXD輸出為高電平的時候，上面的三極管8550立馬截止，繼電器馬上放開，開關接搭在2和4的 位置，同時TXD的輸出為低電平，下面的場效應管導通，使轉向電機反轉。此電路可以通過單片機控制TXD端口的輸出從而控制轉向電機的轉動時間來達到糾正不同程度偏轉的目的。</p><

58、;p>　　圖 3.3 糾偏控制電路</p><p><b>　　3.3速度控制部分</b></p><p>　　速度控制部分同樣也是采用PWM控制電路加上繼電器從而來控制小車的前后運動，同時通過軟件編程來實現(xiàn)PWM的速度控制。紅外傳感器檢測到的信號經(jīng)過整形后傳送到CPU，通過CPU對黑線的準確判斷從而辨別小車當前所處的具體位置，最后根據(jù)單片機發(fā)出信號來控制繼電器

59、的常開、常閉觸點吸合，控制驅動電機的正反轉，實現(xiàn)小車的前進與后退,同時通過輸出控制場效應管的導通與否,從而達到控制小車速度的目的。硬件電路如圖3.3所示，控制信號由單片機的WR（P3.7），RD（P3.6）端口提供。當RD端口輸出為低電平的時候，三極管8550不導通，繼電器放開，開關接在1和3的位置；同時WR口輸出高電平，經(jīng)過反向器CD4069后變低，使場效應管導通,電動機正轉，小車前進；當RD端口輸出為高電平時，8550三極管導通，繼

60、電器吸合，開關接在2和4的位置，同時WR端口輸出為高電平，經(jīng)過反向器CD4069后變低，最后使得場效應管導通,電動機反轉，小車后退。同時通過軟件控制WR端口的輸出來控制場效應管導通的時間，可以給電機加上占空比不同的驅動電壓，達到控制小車速度的目的。電路中的二極管D1和D2是續(xù)流保護的作用。</p><p>　　圖 3.4 速度控制電路</p><p>　　3.4紅外線傳感器部分</p

61、><p>　　硬件部分如圖3.5所示，小車的頭部安裝了2個紅外線傳感器，尾部安裝了2個紅外線傳感器，用于感應小車運行時跑道上的黑線，當小車處于白紙上時，紅外線會被白紙反射回來，接收端的光敏三極管就會導通，進而輸出一個高電平，而當小車處于黑線上時，紅外線會被黑線吸收，接收端的光敏三極管不會導通，從而輸出一個低電平。輸出信號經(jīng)過CD4069反向器后通過P1.0-1.3端口輸入單片機，單片機通過比較，可以得出當前小車的行駛

62、有無偏離的情況。進而可以控制糾偏單元和速度控制單元，對小車的行駛情況進行調(diào)整。圖中的CD4069為整流電路，可以將傳感器所得的信號整形，從而得到比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖 3.5 紅外線傳感電路</p><p><b>　　3.5數(shù)字顯示部分</b></p><p>　　圖 3.6 小車數(shù)字顯示部分</p><

63、p>　　顯示部分如（圖3.6）所示：顯示部分由四片CD4511及四片LED數(shù)碼管一起構成靜態(tài)顯示模塊。LED 數(shù)碼顯示有動態(tài)掃描和靜態(tài)顯示兩種方式；另外有共陰極和共陽極之分（3.7）。在動態(tài)掃描方式中，各數(shù)碼管是輪流點亮，也就是說控制數(shù)碼顯示的位選信號和相應的顯示數(shù)碼的字形代碼是同時逐一送出。但是視覺存在暫留現(xiàn)象，所以視覺上市全都點亮著，這種電路的優(yōu)點在于電路比較簡單，但是極大的增加了軟件的復雜程度，而且很大的占用了CPU的接口資

64、源，浪費系統(tǒng)的工作時間。在靜態(tài)顯示方式中，只需要將數(shù)據(jù)送出鎖存以后，各數(shù)碼顯示的數(shù)據(jù)就不需要刷新，如果數(shù)據(jù)沒有改變，我們就可以不去管它，所以稱之為靜態(tài)顯示。由于靜態(tài)顯示方式的工作原理比較簡單，程序比較直觀簡單，程序間的相互關聯(lián)也很少，所以選用靜態(tài)的共陰極LED數(shù)碼管構成顯示情況。共陽極的公共端接到陽極，低電平時有效(燈亮)， 共陽極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陽極(正極)都聯(lián)在一起,此數(shù)碼管陽極(正極)在外部只有一個引腳。共陰極公共端接到陰極

65、，高電平時有效(燈亮)，共陰極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極(負極)都聯(lián)在一起,此數(shù)碼管陰極(負極)在外部只有一個引腳。</p><p>　　譯碼電路要求具有BCD碼－七段碼(段選碼)的功能，并且要求能夠完成BCD碼的鎖存和驅動能力。譯碼電路種類繁多，多采用集成電路芯片，本次設計采用CD4511 BCD碼－七段碼譯碼驅動器 ，它將BCD碼譯成七段碼(a-g)，驅動共陰極LED數(shù)碼管。</p><p

66、>　　圖 3.7 共陰（陽）極數(shù)碼管及管腳配置</p><p>　　圖 3.8 CD4511引腳圖</p><p>　　CD4511具有鎖存功能，采用16腳雙列直插式，如3.8主要引腳功能如下：</p><p>　　VDD 、GND——分別為正負電源端，電壓范圍是3~18V，通常取5V、10V等；</p><p>　　A、B、C、D——

67、BCD碼輸入端；</p><p>　　a-g——七段碼（高電平有效）；</p><p>　　LT——燈測試端，無論其他端狀態(tài)如何，只要LT=0（低電平），LED就顯示全亮筆劃，構成數(shù)字“8”，由此可檢測數(shù)碼管好壞；</p><p>　　BL——消隱控制端，當BI =0，LT=1時，強迫顯示器消隱，不顯示任何字形；</p><p>　　LE——

68、鎖存控制端，當LE=0時，可以選通鎖存器，此時可寫入要顯示的字符BCD碼，當LE=1時，鎖存寫入的顯示字符BCD碼，鎖存BCD碼經(jīng)譯碼輸出七段碼。</p><p>　　表 3.1 CD4511 譯碼輸出表</p><p>　　CD4511不但具有鎖存功能而且可以自動將BCD碼轉換為7段碼。在LE端輸入為低電平時，將加在A、B、C、D輸入端的數(shù)據(jù)譯成顯示器的字驅動信號輸出，再經(jīng)限流電阻到數(shù)碼

69、管的字段控制線上。當LE端輸入為高電平時，驅動信號被鎖存在CD4511的輸出端。 89C51控制整個系統(tǒng)和管理顯示結果的輸出。CPU將數(shù)據(jù)寫入顯示緩沖器CD4511，并驅動四片LED數(shù)碼塊，將顯示緩沖器中的數(shù)據(jù)在數(shù)碼塊上顯示出來。P0.7—P0.4口的輸出控制四片CD4511的LE端，哪一位輸出的電平為零，決定了哪一個數(shù)碼管點亮，而P0.3—P0.1口的輸出控制了數(shù)碼管的字段控制線，它們輸出的BCD碼就是顯示在數(shù)碼管上的數(shù)字。</

70、p><p><b>　　3.6霍爾元件部分</b></p><p>　　圖 3.9 霍爾元件</p><p>　　按題要求顯示全程速度，可以通過檢測車輪轉過的轉數(shù)乘上車輪的周長來計算，霍爾元件就是一種很好的可用于車輪轉數(shù)計數(shù)的元件?；魻栐驹硎牵涸谄胀ㄞD盤計數(shù)的儀表中加裝霍爾元件和磁鐵，即可構成基于磁電轉換技術的傳感器?；魻栐潭ò惭b在計數(shù)

71、轉盤附近，永磁鐵安裝在計數(shù)盤（例如0.01立方米）位上，當轉盤每轉一圈，永磁鐵經(jīng)過霍爾元件一次即在信號端產(chǎn)生一個計量脈沖。在普通轉盤計數(shù)的儀表中加裝霍爾元件和磁鐵，即可構成基于磁電轉換技術的傳感器。本系統(tǒng)中霍爾元件固定安裝在計數(shù)轉盤附近，永磁鐵安裝在計數(shù)盤位上，當轉盤每轉一圈，永磁鐵經(jīng)過霍爾元件一次即在信號端產(chǎn)生一個計量脈沖。由于霍爾電壓很微弱(mV級)，需用霍爾集成電路進行處理，如圖3.9所示。無論信號轉子的哪個葉片通過空氣間隙時，霍

72、爾信號發(fā)生器都將產(chǎn)生一個電位由高到低的脈沖信號,直接送IOB3作外部中斷源，信號轉子通過霍爾元件將產(chǎn)生一個中斷，對中斷進行計數(shù)，此中斷的個數(shù)即為車輪轉過的轉數(shù)。</p><p><b>　　3.7晶振電路部分</b></p><p>　　圖 3.10 晶振部分電路</p><p>　　單片機的TTAL（19管腳）和XTAL2（18管腳）接晶振，

73、通過晶振Y1\電容C1和C2與單片機XTAL1和XTAL2相連，與單片機的內(nèi)部構造成一個時鐘信號源，作為單片機的工作時序。這個晶振配合產(chǎn)生時鐘信號的方法稱為內(nèi)部時鐘方式。晶振的頻率決定了該系統(tǒng)的時鐘頻率。晶振一般選擇1.2~12MHz，電容容量可選取20~40pF。</p><p>　　外部時鐘方式此是將外部振蕩脈沖接入XTAL1或XTAL2。不同單片機外時鐘信號接入方式不同，例如8051外時鐘信號由XTAL2端

74、腳注入后直接送至內(nèi)部時鐘電路，輸入端XTAL1應接地。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故建議外接一個上接電阻。然而對于89C51，因內(nèi)部時鐘發(fā)生器的信號取自反相器的輸入端，故采用外部時鐘源時，接線方式為外時鐘信號接到XTAL1而XTAL2懸空。</p><p>　　外接時鐘信號通過一個二分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)部時鐘信號，要求高、低電平的持續(xù)時間都大于20ns，一般為頻率低于12MHz的方波。片內(nèi)時鐘發(fā)生器就

75、是上述的二分頻觸發(fā)器，它向芯片提供了一個2節(jié)拍的時鐘信號。</p><p><b>　　3.8復位電路部分</b></p><p>　　89C51單片機的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的，89C51單片機的片內(nèi)復位如圖3.11所示。復位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一

76、次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。</p><p>　　圖 3.11 89C51的片內(nèi)復位結構</p><p>　　復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式</p><p>　　最簡單的上電復位電路如圖3.12所示，過外部復位電路電容的充電來實現(xiàn)。當電源接通時只要VCC的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。</p><p&

77、gt;　　圖 3.12 上電復位電路</p><p>　　除了上電復位之外，有時還需要按鍵手動復位，按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位時通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的，按鍵手動電平復位電路如圖3.13所示。本次設計采用的就是按鍵手動復位。</p><p>　　圖 3.13 按鍵手動復位</p><p><b>　　第4章 軟件設

78、計</b></p><p>　　4.1單片機內(nèi)部邏輯結構</p><p>　　圖 4.1 單片機內(nèi)部邏輯結構</p><p>　　如圖P0和P2口得驅動通過總線和‘程序地址寄存器’相連接，P0和P2的第二角色是作為地址和數(shù)據(jù)和‘程序地址寄存器’相互作用；P3口扮演的第二‘角色’是與中斷、串行口通信和定時器相關。</p><p>　

79、　P0、P1、P2、P3口得鎖存器都與單片機的總線相連接?？梢钥吹綆缀趺總€方框都與這條主線有‘親密’關系。在單片機運行過程中，這條主要的總線上總是傳送著各式各樣的數(shù)據(jù)。列入執(zhí)行指令‘MOV P1，A’時，把累加器ACC的數(shù)據(jù)載入P1中。這時，數(shù)據(jù)從累加器ACC中出來，‘跑進’總線上，并且沿著總線來到P1口鎖存器附近，P1鎖存器也接到MOV指令的‘通知’，知道有數(shù)據(jù)傳送過來需要接收，于是P1口鎖存器把總線上這段從ACC送出的數(shù)據(jù)接收下來，

80、并送到P1口驅動上，這樣在單片機的P1口就出現(xiàn)了與累加器ACC中一樣的8位數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　4.2單片機存儲器</b></p><p>　　圖 4.2 儲器分類</p><p>　　RAM之所以稱為隨機訪問存儲器，是因為它能在同樣的時間內(nèi)訪問RAM中任意地址上的數(shù)據(jù)，而不需要從頭到尾順序的對地址上的數(shù)據(jù)進行訪問。RAM有動態(tài)R

81、AM與靜態(tài)RAM之分，同臺RAM存儲單元要定時期的重寫數(shù)據(jù)；而靜態(tài)RAM與動態(tài)RAM最大的區(qū)別就是它不需要對數(shù)據(jù)進行重新裝載，只要保持給靜態(tài)RAM供電，它就能保持住原來存儲的數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖 4.3 單片機數(shù)據(jù)存儲器 </p><p>　　ROM即只讀存儲器，顧名思義，也就是說這類存儲器只可以讀不可以寫，屬于非易失性存儲器。ROM中的信息一旦寫入就不能進行修改，其信息斷電之后

82、也仍然保留。燒入數(shù)據(jù)后，無需外加電源來保存數(shù)據(jù)。斷電數(shù)據(jù)不丟失，適合存儲需長期保留的不變數(shù)據(jù)。單片機含有片內(nèi)和片外ROM，如圖4.4所示。</p><p>　　圖 4.4單片機程序存儲器</p><p>　　4.3單片機時鐘信號</p><p>　　圖 4.5 單片機時鐘信號</p><p>　　時鐘周期也稱為振蕩周期，定義為時鐘脈沖的倒數(shù)（

83、可以這樣來理解，時鐘周期就是單片機外接晶振的倒數(shù)，例如12M的晶振，它的時間周期就是1/12 us），是計算機中最基本的、最小的時間單位。</p><p>　　在一個時鐘周期內(nèi)，CPU僅完成一個最基本的動作。對于某種單片機，若采用了1MHZ的時鐘頻率，則時鐘周期為1us；若采用4MHZ的時鐘頻率，則時鐘周期為250us。由于時鐘脈沖是計算機的基本工作脈沖，它控制著計算機的工作節(jié)奏（使計算機的每一步都統(tǒng)一到它的步調(diào)

84、上來）。顯然，對同一種機型的計算機，時鐘頻率越高，計算機的工作速度就越快。但是，由于不同的計算機硬件電路和器件的不完全相同，所以其所需要的時鐘周期頻率范圍也不一定相同。我們學習的8051單片機的時鐘范圍是1.2MHz-12MHz。</p><p>　　在8051單片機中把一個時鐘周期定義為一個節(jié)拍（用P表示），二個節(jié)拍定義為一個狀態(tài)周期（用S表示）。</p><p>　　在計算機中，為了便

85、于管理，常把一條指令的執(zhí)行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。一般情況下，一個機器周期由若干個S周期（狀態(tài)周期）組成。8051系列單片機的一個機器周期同6個S周期（狀態(tài)周期）組成。前面已說過一個時鐘周期定義為一個節(jié)拍（用P表示），二個節(jié)拍定義為一個狀態(tài)周期（用S表示），8051單片機的機器周期由6個狀態(tài)周期組成，也就是說一

86、個機器周期=6個狀態(tài)周期=12個時鐘周期。參見后面的時序圖。</p><p>　　指令周期是執(zhí)行一條指令所需要的時間，一般由若干個機器周期組成。指令不同，所需的機器周期數(shù)也不同。對于一些簡單的單字節(jié)指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執(zhí)行，不再需要其它的機器周期。對于一些比較復雜的指令，例如轉移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。</p><p>　　4.4

87、計數(shù)/定時功能</p><p>　　計數(shù)是對外部事件進行的。外部事件以脈沖形式輸入，作為計數(shù)器的計數(shù)脈沖。為此芯片上有T0(P3.4）和T1(P3.5）兩個引腳，用于為這兩個計數(shù)器輸入計數(shù)脈沖。計數(shù)脈沖是負跳變有效，供計數(shù)器進行加法計數(shù)。使用計數(shù)功能時，單片機在每個機器周期的S5P2拍節(jié)對計數(shù)脈沖輸入引腳進行采樣。</p><p>　　定時功能也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，不過此時的計數(shù)脈

88、沖來自單片機芯片內(nèi)部，每個機器周期有一個計數(shù)脈沖，即每個機器周期計數(shù)器加1。由于一個機器周期等于12個振蕩脈沖周期，因此，計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12。</p><p>　　本次設計計數(shù)部分采用0工作方式，工作方式0是13位計數(shù)結構，計數(shù)器由TH0的全部8位和TL0的低5位構成，TL0的高3位不用。圖4.6是定時器/計數(shù)器在0工作方式下的邏輯結構。</p><p>　　圖 4.6 計數(shù)/定

89、時邏輯結構</p><p><b>　　4.5編程語言選擇</b></p><p>　　常用的單片機編程語言有C語言和匯編語言，而且這兩種語言都是大學學過的課程。C語言直接由編譯器自動分配所需要的寄存器和數(shù)據(jù)存儲單元，因此編寫者不需要分配。C語言語法簡單，程序可讀性強。匯編語言雖然是一種低級語言，但是它能夠對硬件資源進行準確的操作，能夠充分運用硬件資源。因為本次設計難

90、度系數(shù)并不是很大，所以用匯編語言可以顯得更直觀。</p><p>　　4.6數(shù)字顯示部分測試程序框圖與源程序</p><p>　　圖 4.7 數(shù)字顯示部分框圖</p><p>　　顯示測試程序的主要思路是利用一個循環(huán)將累加器中內(nèi)容（0--9）輪流送入譯碼塊，并顯示，從而達到測試LED數(shù)碼管的顯示功能的作用。</p><p><b>

91、　　源程序：</b></p><p>　　4.7行駛控制部分測試程序框圖與源程序</p><p>　　圖 4.8 小車行駛部分控制框圖</p><p>　　糾偏部分程序的主要思路是通過讀入P1口的低四位，將紅外傳感器感應到的情況與設定的參數(shù)進行比較從而得到小車當前的偏離狀況，并采取相應方向和程度的糾偏。</p><p><b

92、>　　源程序：</b></p><p><b>　　小結</b></p><p>　　從選題到完成畢業(yè)設計前后將近三個月時間，雖然并沒有理想的做出實物。但是收獲的依然頗多。</p><p>　　這次畢業(yè)設計我的課題是基于單片機的自動往返小汽車的設計，從最開始的方案比較，器件選擇，到后來的電路圖繪制，這是對四年來所學知識的綜合應

93、用，我不單是完成了一次畢業(yè)設計，更重要的是學會了分析問題，解決問題的方法，學會怎樣從理論走向實際，這為我以后的工作和學習奠定了基礎。</p><p>　　本次小車設計仍有很多缺點的存在。首先是紅外線傳感器糾正方向，糾偏的程序輸入后糾正的角度是固定的，如果小車偏離角度過大的話就不能完全達到糾偏效果；如果偏離角度過小的話，反而會因為糾偏電路的存在使偏離更為嚴重。其次小車上裝的紅外線傳感器是探測地面是的黑線，所以只能經(jīng)

94、過才能探測的到，并不能提早知道小車的位置，所以小車會沖出終點線和起跑線。</p><p>　　小車速度控制方面也是過于死板，完全是根據(jù)源程序來調(diào)速。本設計采用LED燈顯示方式為靜態(tài)顯示，雖然在程序方面省事，可是采用動態(tài)顯示可以更加效率的運用單片機的管腳資源。</p><p>　　如果采用簡易的遙控控制可以很大提升小車往返的完美度，但是因為時間倉促，水平有限，并沒有運用遙控技術，而且論文中難

95、免有錯誤，不足之處還請各位老師批評指正。</p><p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1]李廣弟. 單片機基礎[M]，（第三版）. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.</p><p>　　[2]康華光. 電子技術基礎：模擬部分[M]，（第四版）. 北京：高等教育出版社，2003.</p><

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