單片機電動智能小車設(shè)計

根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。

這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。

方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。

方案二：靜止可控整流器。簡稱V-M系統(tǒng)。

方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。

旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當(dāng)?shù)男�轉(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術(shù)落后，因此擱置不用。

V-M系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦�，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。

采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。

與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：

（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。

（2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強。

（3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。

根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計中受控電機的容量和直流電機調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計采用了H型單極型可逆PWM變換器進行調(diào)速。

脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。

脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。為順利實現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設(shè)計采用了可逆PWM變換器�？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。我們在設(shè)計中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。

檢測系統(tǒng)主要實現(xiàn)光電檢測，即利用各種傳感器對電動車的避障、位置、行車狀態(tài)進行測量。

1．行車起始、終點及光線檢測：

本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始、終點（2cm寬的黑線），玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開始和終點的停車的需要。利用超聲波傳感器檢測障礙。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線，當(dāng)感受到光線照射時，其c-e間的阻值下降，檢測電路輸出高電平，經(jīng)LM393電壓比較器和74LS14施密特觸發(fā)器整形后送單片機控制。

本系統(tǒng)共設(shè)計兩個光電三極管，分別放置在電動車車頭的左、右兩個方向，用來控制電動車的行走方向，當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時，單片機控制轉(zhuǎn)向電機向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時，單片機控制轉(zhuǎn)向電機向右轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右兩側(cè)光電管都受到光照時，單片機控制直行。見圖2.1 電動車的方向檢測電路(a)。

行車方向檢測電路（見圖2.2 電動車的方向檢測電路(b)）采用反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個電平跳變信號。

此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經(jīng)過黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送80C51單片機處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。前進時，驅(qū)動輪直流電機正轉(zhuǎn),進入減速區(qū)時,由單片機控制進行PWM變頻調(diào)速,通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比,實現(xiàn)調(diào)速。最后經(jīng)反接制動實現(xiàn)停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設(shè)置有兩組開關(guān)，一組常閉，另一組常開。

圖2.1 電動車的方向檢測電路(a)

圖2.2 電動車的方向檢測電路(b)

電橋一端接電源，另一端接了一個三極管。三極管導(dǎo)通時，電橋通過三極管接地，電機電樞中有電流通過；三極管截止時，電橋浮空，電機電樞中沒有電流通過。系統(tǒng)通過電橋的輸出端為轉(zhuǎn)向電機供電。通過對繼電器開閉的控制即可控制電機的開斷和轉(zhuǎn)速方向進而達到控制玩具車前行與倒車的目的，實現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)的糾偏功能。如圖2.3 前行與倒車控制電路所示。

圖2.3前行與倒車控制電路

檢測放大器方案：

方案一：使用普通單級比例放大電路。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、價格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。

方案二：采用差動放大電路。選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路，雖然可以達到一定的精度，但有時仍不能滿足某些特殊要求。例如，在測量本設(shè)計中的光電檢測信號時需要把檢測過來的電平信號放大并濾除干擾，而且要求對共模干擾信號具有相當(dāng)強的抑制能力。這種情況下須采用差動放大電路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。但在實際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運算放大器輸出飽和；為獲得單片機能識別的TTL電平卻又無法抑制共模干擾。

方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小，例如將一個信號電壓Ui和一個參考電壓Ur進行比較，在Ui>Ur和Ui<Ur兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個不同的電平，即高電平和低電平。而Ui變化經(jīng)過Ur時，比較器的輸出將從一個電壓跳變到另一個電平。

比較器有各種不同的類型。對它的要求是：鑒別要準(zhǔn)確，反應(yīng)要靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強，還應(yīng)有一定的保護措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。

比較器的特點：

⑴  工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。放大、運算電路為了實現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿足

一定的精度要求，這些電路中的運放均引入了深度負(fù)反饋；而為了提高比較器的反應(yīng)速度和靈敏度，它所采用的運放不但沒有引入負(fù)反饋，有時甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運算電路是不同的。

⑵  非線性。由于比較器中運放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個輸入端之間的電位差與開環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過最大輸出電壓，使其內(nèi)部某些管子進入飽和區(qū)或截止區(qū)，因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關(guān)系，即在放大、運算等電路中常用的計算方法對于比較器不再適用。

⑶  開關(guān)特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當(dāng)與一個受輸入信號控制的開關(guān)，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過閾值時開關(guān)動作，使輸出從一個電平跳變到另一個電平。由于比較器的輸入信號是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的過渡電路。

如果在比較器的輸入端加理想階躍信號，那么在理想情況下比較器的輸出也應(yīng)當(dāng)是理想的階躍電壓，而且沒有延遲。但實際集成運放的最大轉(zhuǎn)換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿�須的時間稱為響應(yīng)時間。響應(yīng)時間越短，響應(yīng)速度越快。

減小比較器響應(yīng)時間的主要方法有：

(1) 盡可能使輸入信號接近理想情況，使它在閾值附近的變化接近理想階躍

且幅度足夠大。

(2) 選用集成電壓比較器。

施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的變形，它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)方式為電平觸發(fā)，只要外加觸發(fā)信號的幅值增加到足夠大，它就從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發(fā)器的抗干擾能力比滯回比較器更強。

2．行車距離檢測

由于紅外檢測具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性強以及可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點，故采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路同圖2.5 行車距離檢測電路所示：

圖2.5 行車距離檢測電路

紅外測距儀由測距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測長輪的周長為記數(shù)的單位，最好取有效值為單一的數(shù)值（如本設(shè)計中采用0.1米），精度根據(jù)電動車控制的需要確定。測距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。

遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動時，缺口進入凹槽時，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經(jīng)過整形器后送入計數(shù)器或直接送入單片機中。

為實現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們在測距儀中并列放置了兩個槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產(chǎn)生兩個脈沖信號。根據(jù)兩個脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個光電耦合器的位置關(guān)系，即可計算出玩具車的行駛方向（前進或后退）。

遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。

測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，光柵也隨之轉(zhuǎn)動，同時安裝在光柵一側(cè)的紅外發(fā)光二極管點亮，在光柵的另一側(cè)設(shè)有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉(zhuǎn)動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號。將該信號傳輸?shù)?0C51單片機的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)，根據(jù)預(yù)先實測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計算出電動機車的行車距離。

本設(shè)計中用兩片4位八段數(shù)碼管gem4561ae作顯示器,并具有雙重功能,在小車不行駛時其中一片顯示年﹑月,另一片顯示時﹑分； 當(dāng)小車行駛時,分別顯示時間和行駛距離。

  簡易智能電動車采用80C51單片機進行智能控制。開始由手動啟動小車，并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過規(guī)定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測，通過單片機控制小車開始記數(shù)顯示并避障、調(diào)速；系統(tǒng)的自動避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測，由單片機控制實現(xiàn)；在電動車進駛過程中，采用雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能；采用動態(tài)共陰顯示行駛時間和里程。

系統(tǒng)原理圖如圖2.6所示。

圖2.6 系統(tǒng)原理圖

一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時/記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當(dāng)?shù)男酒�，設(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。

80C51單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上[2]。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種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 微處理器

該單片機中有一個8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。

2 數(shù)據(jù)存儲器

片內(nèi)為128個字節(jié)，片外最多可外擴至64k字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。

3 程序存儲器

由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k字節(jié)。

4 中斷系統(tǒng)

具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。

5 定時器/計數(shù)器

片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器， 具有四種工作方式。

6 串行口

1個全雙工的串行口，具有四種工作方式�？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應(yīng)用更廣。

7 P1口、P2口、P3口、P4口

為4個并行8位I/O口。

8 特殊功能寄存器

共有21個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。

由上可見，80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微計算機，這個一位微計算機有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機中8位機和1位機的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術(shù)上的一個突破，這也是MCS-51單片機在設(shè)計的精美之處。

80C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用80C51單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖3.1 80C51單片機最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點：

圖3.1 80C51單片機最小系統(tǒng)

1、時鐘電路

80C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。80C51單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。

本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度

有少許影響，CX1、CX2可在20pF到100pF之間取值，但在60pF到70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65pF。

在設(shè)計印刷電路板時，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。

2、復(fù)位電路

80C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。

復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。

最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF,R取1KΩ。

除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖3.2。時鐘頻率選用6MHZ時，C取22uF,Rs取200Ω，RK取1KΩ。

圖3.2 80C51復(fù)位電路

單片機用與測控系統(tǒng)時，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道。因此，前向通道設(shè)計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在前向通道設(shè)計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計等。在通道電路設(shè)計中還涉及到模擬電路諸多問題。

1﹑前向通道的含義

當(dāng)將單片機用作測﹑控系統(tǒng)時，系統(tǒng)中總要有被測信號輸入通道，有計算機拾取必要的輸入信息。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務(wù)，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。

對被測對象狀態(tài)的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因為被測對象的狀態(tài)參數(shù)常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計算機是一個數(shù)字電路系統(tǒng)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有重要地位。

對被測對象的信號的拾取其主要任務(wù)就是最忠實地反映被測對象的真實狀態(tài)，它包括實時性與測量精度。同時使這些測量信號能滿足計算機輸入接口的電平要求。

因此，單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號輸入通道，原始參數(shù)輸入通道。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關(guān)的信號調(diào)節(jié)、變換電路,故也可稱為傳感器接口通道。

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，對信號輸入、傳感、變換應(yīng)作廣義理解，例如開關(guān)量的檢測及信號輸入，在單片機的各種應(yīng)用系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。最簡單的開關(guān)量輸入通道就是一個具有TTL電平的狀態(tài)開關(guān)，如水銀溫度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關(guān)等。故只要反映外界狀態(tài)的信號輸入通道都可稱為前向通道。

并不是所有單片機應(yīng)用系統(tǒng)都有前向通道，例如時序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時間序列來控制外部的運行狀態(tài)；分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計算機與現(xiàn)場測、控子站計算機之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。這些應(yīng)用系統(tǒng)沒有被測對象，故不需要前向通道。

2﹑前向通道的設(shè)計

（1）傳感器的比較[3]

識別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對幾種傳感器的優(yōu)缺點進行說明（見表3.1）。探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。該方法被廣泛應(yīng)用于移動機器人的研究上。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用，且在10m以內(nèi)能給出精確的測量。不過在ITS系統(tǒng)中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。首先因其只能在10m以內(nèi)有效使用，所以并不適合ITS系統(tǒng)。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達100m遠(yuǎn)，但其更新頻率為2Hz，而且還有可能在傳輸中受到它信號的干擾，所以在CW/ICC系統(tǒng)中使用是不實際的。

表3.1 傳感器性能比較

第四章 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計說明

在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計在微機控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。

在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。

為了完成上述任務(wù)，在進行軟件設(shè)計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設(shè)計方法叫模塊程序設(shè)計法。

模塊程序設(shè)計法的主要優(yōu)點是：

本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時子程序、避障子程序﹑中斷子程序顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑算法子程序構(gòu)成。

主程序清單如下：

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 ;小數(shù)點位

        shimi   equ     37h ;十米位

        shifn   equ     38h ;十分位

        sudu    equ     39h ;速度控制

        jishk   equ     3ah ;記時開始

        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 limiw,#00h

        mov miao,#00h

        mov fenmi,#00h

        mov fmiao,#00h

        mov meter,#00h

        mov fenzh,#00h

        mov point,#0bh

        mov shimi,#00h

        mov shifn,#00h

        mov jishk,#00h

        mov zhond,#00h

        mov zhodu,#00h

        mov zhon,#00h

        mov maicho,#00h

        mov jinweb,#03h

        mov bhcs,#00h

        mov sp,#6fh

        mov tmod,#21h

        mov th0,#3ch

        mov tl0,#0b0h

        mov th1,#9ch

        mov tl1,#9ch

        setb ea

        setb et0

        setb et1

        mov p1,#0aah

        acall xianshi

軟件流程 如圖4.1流程圖所示：

圖4.1 流程圖

二 顯示子程序設(shè)計
程序清單如下：

xianshi:

        mov p1,#0aah

        mov p1,#0cch

        mov a,limiw

        swap a

        add a,miao

        mov p1,a

        nop

        nop

        mov p1,#0ddh

        mov a,fenmi

        swap a

        add a,fmiao

        mov p1,a

        nop

        nop

        mov p1,#0eeh

        mov a,#0b0h

        add a,point

        mov p1,a

        nop

        nop

        mov p1,#0eeh

        mov a,meter

        swap a

        add a,fenzh

        mov p1,a

        nop

        nop

        mov p1,#0ffh

        mov a,shimi

        swap a

        add a,shifn

        mov p1,a

        ret

輸出設(shè)備是電位控制型還是同步鎖存型，對干擾的敏感性相對較大。前者有良好的抗‘毛刺’干擾能力，后者不耐干擾，當(dāng)鎖存線上出現(xiàn)干擾時，它就會盲目鎖存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，也不管此時數(shù)據(jù)是否有效。輸出設(shè)備和慣性（響應(yīng)速度）與干擾的耐受能力也有很大關(guān)系。慣性大的輸出設(shè)備（如各類電磁執(zhí)行機構(gòu)）對‘毛刺’干擾有一定的耐受能力。慣性小的輸出設(shè)備（如通行口、顯示設(shè)備）耐受能力就小一些。在軟件上，最為有效的方法就是重復(fù)輸出同一個數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復(fù)周期盡可能短些。外設(shè)設(shè)備接受到一個被干擾的錯誤信息后，還來不及作出有效的反應(yīng)，一個正確的信息又來了，就可及時防止錯誤動作的產(chǎn)生。另外，各類數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和CPU安裝在同一電路板上，使傳輸線上傳送的都是鎖存好的電位控制信號，對于重要的輸出設(shè)備，最好建立檢測通道，CPU可以檢測通道來確定輸出結(jié)果的正確性。

3、指令冗余技術(shù)：

當(dāng)CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。當(dāng)程序彈飛到某一字節(jié)指令上時，便自動納入正軌。當(dāng)彈飛到某一雙字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯。當(dāng)程序彈飛到三字節(jié)指令上時，因它有兩個操作數(shù)，繼續(xù)出錯的機會就更大。因此，我們應(yīng)多采用單字節(jié)指令（NOP)或?qū)�單字�?jié)指令重復(fù)書寫，這便是指令冗余。指令冗余無疑會降低系統(tǒng)的效率，但在絕大多數(shù)情況下，CPU還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度，故這種方法還是被廣泛采用。

在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確軌道。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可插入兩條NOP指令，以保證正確執(zhí)行。指令冗余技術(shù)可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快進入程序軌道，但這并不能保證在失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了，解決這個問題必須采用軟件容錯技術(shù)。

4﹑軟件陷阱技術(shù)：

指令冗余使彈飛的程序安定下來是有條件的。首先，彈飛的程序必須落到程序區(qū)；其次，必須執(zhí)行到冗余指令。所謂軟件陷阱，就是一套引導(dǎo)指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。如果我們把這段程序的入口標(biāo)號記為 ERR 的話，軟件陷阱即為一條無條件轉(zhuǎn)移指令，為了加強其捕捉效果，一般還在它前面加兩條 NOP 指令，因此真正的軟件陷阱由3條指令構(gòu)成：

               NOP

NOP

                  ERR

軟件陷阱安排在以下四種地方：

   (1)未使用的中斷向量區(qū)。

   (2)未使用的大片ROM空間

   (3)表格

   5、程序區(qū)

由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序執(zhí)行效率，在當(dāng)前EPROM容量不成問題的條件下，還是多多益善。

PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)” [6]。指令技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，這時系統(tǒng)完全癱瘓。如果操作者在場，就可以按下人工復(fù)位安鈕，強制系統(tǒng)復(fù)位。但操作者不能一直監(jiān)視著系統(tǒng)，也往往是在引起不良后果之后才進行人工復(fù)位。為使程序脫離“死循環(huán)”，通常采用“看門狗技術(shù)”�！翱撮T狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)時間超過已知的循環(huán)設(shè)定時間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強迫程序返回到0000H入口，在0000H處安排一段出錯處理程序，使系統(tǒng)運行納入正規(guī)。

“看門狗”技術(shù)可由硬件實現(xiàn)，可由軟件實現(xiàn)，也可由兩者結(jié)合實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用硬件“看門狗”電路。

實現(xiàn)硬件“看門狗”電路方案較多，目前采用較多的方案有以下幾種：

本設(shè)計采用第三種方案實現(xiàn)“看門狗”電路，下面就對該方案作以介紹。

(1)基本原理

CD4060 是帶震蕩器的14位計數(shù)器，由該芯片構(gòu)成的看門狗電路如圖4.2看門狗電路圖所示。

4060記數(shù)頻率由RT和CT決定。設(shè)實際的程序所需工作周期為T，分頻器記滿時間為T’,當(dāng)T’>T 且系統(tǒng)正常工作時，程序每隔T對4060進行掃描一次，分頻且永無記滿輸出信號。如系統(tǒng)工作不正常（如程序跑飛、死循環(huán)等），程序?qū)?060發(fā)不出掃描信號，分頻器記滿輸出一脈沖號使CPU復(fù)位。

(2)參數(shù)選擇

4060的振蕩頻率f由 RT 、CT決定。Rs用于改善振蕩器的穩(wěn)定性，Rs 要大于RT。一般取Rs=10RT，且RT>1kΩ,CT≥100pF。如果Rs=450Ω，RT=45Ω，CT=1uF,則f=10HZ。4060的振蕩頻率和Qi(i=6,7,8,9,10,12,13,14)的選擇要根據(jù)情況確定。

(3)幾個原則

看門狗電路必須由硬件邏輯組成，不宜由可編程計數(shù)器充當(dāng)，因為CPU失控后，可能會修改可編程器件參數(shù)，使看門狗失效。

4060的RST線上阻容組成的微分電路很重要，因為掃描輸入信號是CPU產(chǎn)生的正脈沖，若此信號變“1”后，由于干擾，程序亂飛，微分電路只能讓上跳沿通過，不會封死4060，看門狗仍能計數(shù)起作用。若沒有微分電路，掃描輸入信號上的“1”狀態(tài)封死4060，使之不能記數(shù)，看門狗不起作用

圖4.2看門狗電路圖

CPU必須在正確完成所有工作后才能發(fā)掃描輸入信號，且程序中發(fā)掃描信號的地方不能太多。否則，正好在哪里有死循環(huán)，看門狗就不產(chǎn)生記滿輸出信號，不能重新啟動CPU。

4060的記滿輸出信號不但要接到MCS-51的RST腳，而且還應(yīng)接到其它芯片的RST腳，因為程序亂飛后，其它具有RST腳的芯片也混亂了，必須全部復(fù)位。

可編程邏輯器件GAL16V8是LATTICE公司研制的一種電可擦除的可重復(fù)編程的低密度PLD器件。它采用更為靈活的可編I/O結(jié)構(gòu)，并采用了先進的EECOMS工藝，數(shù)秒內(nèi)即可完成芯片的擦除和編程過程，并可反復(fù)改寫，是產(chǎn)品開發(fā)研制的理想器件之一。

GAL16V8技術(shù)特性

（1）電可擦除工藝   

可重編程單元

100％成品率

可重配置邏輯

（2）高性能E2CMOS工藝     

低功耗：45mA最大運行功耗，35mA最大維持功耗

高速度：15～25us最快存取速度

（3）8個輸出邏輯單元

對于復(fù)雜邏輯設(shè)計具有最大靈活性

GAL16V8可仿真20條引腳的PAL器件，具有功能 / 熔絲圖 /參數(shù)的完全兼容性

（4）預(yù)置、加電復(fù)位全部寄存器

（5）具有保密單元、電子標(biāo)簽

（6）數(shù)據(jù)保持超過20年。

80C51按鍵電路直接由80C51接口電路查詢。消抖(延時20ms)由軟件延時完成。

測試方法與儀器：

測試儀器包括秒表、數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器、示波器、MCS51仿真機、直流穩(wěn)壓電源等。            

2、測試方法  

數(shù)字萬用表主要用來測試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止/導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù)；

信號發(fā)生器與示波器用于測試各光電傳感器信號的接收與傳輸；            

MCS51仿真機用于測試軟件；