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1、目录第一章 前言2第二章 方案设计与论证3一、电动机驱动调速模块4二、 路面黑线探测模块4三、 车轮检速及路程计算模块5四、 电源选择5五、 小结6第三章 单片机的系统介绍6一、STC89C52单片机6第三章 系统硬件设计8一、 电动机PWM驱动模块的电路设计与实现8二、 路面黑线检测模块的电路设计与实现9三、车速及路程检测模块的电路设计与实现10第四章 系统软件介绍11一、路面检测程序11二、89C52单片机的主控程序12总 结13参 考 文 献14附录 程序清单15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
2、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.关键词 80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车一、方案设计与论证1、方案的选择与论证根据题目的要求可以分为以下
3、几个模块，如图：2、方案设计1、电动机驱动调速模块根据题目要求，通过控制电机两端电源的极性就可实现电机的正、反转，采用不同占空比的信号来控制直流电机，即可实现电机调速的目的，三种设计方案的比较如下：方案一：采用继电器对电动机的开关进行控制，通过控制继电器开与关的时间比例达到对电动机速度的调节。这个方案的优点是电路简单，缺点是继电器响应时间慢、易损坏、寿命短、可靠性低。方案二：采用数控电位器X9313集合NE555多谐振荡器输出PWM信号。通过单片机控制数控电位器来调整NE555多谐振荡器的输出方波的占空比，达到对电机速度的控制。这个方案的优点是控制比较方便、节约软件资源，但数控电位器不易购买且
4、硬件参数的计算较繁琐。方案三：采用单片机直接产生PWM信号结合由772组成的经典H型桥式PWM电机驱动电路。此电路中驱动管772工作在占空比可调的开关状态，通过单片机可精确调整电动机的转速。由于此电路中管子工作在饱和截止的状态下，所以效率非常高；H型电路保证了可以简单实现转速和方向的控制；电子开关的响应时间很短，稳定性极强。由于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。二、 路面黑线探测模块探测路面黑线的大致原理是:光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱判断是否到达黑线。 方案一:可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接
5、收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判;虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。 方案二:脉冲调制的反射式红外发射-接收器。考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰;另外，红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大(50-100mA)，这样也大大提高了信噪比。 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
6、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89C52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。基于上述综合考虑，拟采用方案二。三、 车轮检速及路程计算模块 方案一:采用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。 方案二:受鼠标的工作原理
7、启发，采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀地固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。通过脉冲的计数，对速度进行测量。 以上两种都是比较可行的转速测量方案。尤其是霍尔元件，在工业土得到广泛采用。但是在本题中，小车的车轮较小，方案一的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。相反，方案二适用于精度较高的场合，可以车轮上加较多的遮光条来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案二。四、 电源选择 方案一:所有器件采用单一电源(6节M电池)。这样供电比较简单;但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰,
8、严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。 方案二:双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电藕合器传输信号。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。 我们认为本设计的稳定可靠性更为重要，故拟采用方案二。五、 小结经过一番仔细的论证与比较，我们决定了系统各个主要模块的最终方案如下:电动机驱动与调速模块:采用达林顿管的H型PWM电动机驱动电路车轮检速模块: 采用光电断续开关构成的光电感应系统路面黑线检测模块:采用调制的反射式发射-接收器电源:双电源供电(6节M电池+1节9V方型电池)二、单片机的系统介绍STC89C5
9、2单片机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ROMRAMI/O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A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。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I/O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
10、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
11、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I/O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I/O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，
12、这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O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。三 系统的硬件设计(1) 电动机PWM驱动模块的电路设计与实现 具体电路见图3。本电路采用的是基于PWM原理的H型驱动电路。该电路采用11P132 大功率达林顿管，以保证电动机启动瞬间的8A电流要求。 图 3 当Ug1为高电平 ,Ug2为低电平时，Q3、Q6 管导通，Q4、Q5管截止，电动机正转。当
13、Ug1为低电平，Ug2为高电平时，Q3、Q6管截止，Q4、 Q5 管导通，电动机反转。另外四个二极管可以在Ug1由高变低时，通过D2、D4 两个二极管形成电动机电圈感应电压的回路，起到了保护电动机的作用。 控制系统电压统一为5V电源，因此若达林顿管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V，再加上三极管本身的压降，加到电动机两端的电压就只有4V左右，减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运用了 4N25光藕集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来，这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。 至于Ug1 与Ug2这对控制电压，我们采用了200Hz的周期信号控制，
14、通过对其占空比的调整，对车速进行调节。最小脉宽为0.2ms，速度共分25挡，可以满足车速调整的精度要求。同时，可以通过Ug1与Ug2的切换来控制电动机的正转与反转。(2) 路面黑线检测模块的电路设计与实现 为了检测路面黑线，在车底的前部和中部安装了两个反射式红外传感器。为减少环境光源干扰，增加信噪比，采用脉冲调制的发射与接收电路。发射、接收的具体电路见图4。 发射部分采用55定时器产生9kHz、占空比为1:5的方形脉冲信号，通 过三极管Q1的放大来驱动红外发射管，实现路面检测系统信号的调输入制。 图 4接收部分的光敏二极管在不同的光 照强度下，电阻值会大幅改变。因 此可以通过改变岛的大小，调整
15、输 出对路面灰度的敏感程度。本实验 中，我们把电路参数设置为只对黑 色敏感，这样甚至可以忽略路面上 的脚印。输出的交流信号，经过隔直电容，整形后输出。 至于解调的一般做法是通过滤波电路后利用频率解码器解调。但是这样做无法充分利用瞬时信噪比大的优势，而且也无法方便地调节接收敏感度。 因此，我们使用单片机同步检测的方法。接收器产生的信号经过信号识别整形电路向89C2051分别指示两个传感器的探测信号。同时，发射电路的555定时器产生的调制信号作为同步信号输入给89C2051中断。当89C2051接收到中断时，便去检测传感器信号，等连续检测到若干个信号之后，再发送中断通知主控89620。 这样做的优点在于，可以充分利用单片机编程，等连续测到多个信号后才认为是黑线，避免将其他杂物误判为黑线，以增强纠错能力。(3) 车速及路程检测模块的电路设计与实现 在车轴上固定有一个沟槽状的断式红外光电开关，而在车轮侧壁则伸出一圈遮光板，圆周上均匀分布15 个输出方孔。车轮转动时，方孔依次通过沟槽，光电开关便得到通断相间的高低电平信号。得到
