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基于80C51单片机电动智能小车的设计

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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﹑I/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/D﹑D/A转换器等,要设计合适的接口电路。
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,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。
最小应用系统设计
80C51是片内有ROM/EPROM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3.1 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:
(1)      有可供用户使用的大量I/O口线。
(2)      内部存储器容量有限。
(3)      应用系统开发具有特殊性。
 
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XTAL1、XTAL2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1.2MHZ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,CX1、CX2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22uF,R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3.2。时钟频率选用6MHZ时,C取22uF,Rs取200Ω,RK取1KΩ。
 
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3.1)。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CW/ICC系统中使用是不实际的。
 

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。
(2)超声波障碍检测[4]
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,其频率超过20KHz,分横向振荡和纵向振荡两种,超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。它有折射和反射现象,且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性,可做成各种超声波传感器,结合不同的电路,可以制成超声波仪器及装置,在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。
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T/R-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。
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I/O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:
(1)    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。
(2)    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。
(3)    数/模转换。对于二进制输出的数字量采用D/A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3.4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=Ub4;VT2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。


 

 

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