項(xiàng)目9 智能小車的設(shè)計(jì)制作

單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

項(xiàng)目9智能小車的設(shè)計(jì)與制作目錄

知識鏈接一、MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展二、循跡傳感器控制基本知識任務(wù)實(shí)施一、任務(wù)分析二、安裝與調(diào)試三、直流電動機(jī)控制技術(shù)

四、步進(jìn)電動機(jī)控制技術(shù)目錄

知識鏈接任務(wù)實(shí)施一、任務(wù)分析二、安裝與調(diào)試一、MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展二、循跡傳感器控制基本知識三、直流電動機(jī)控制技術(shù)

四、步進(jìn)電動機(jī)控制技術(shù)1、程序存儲器擴(kuò)展(1)擴(kuò)展總線8031單片機(jī)片內(nèi)無ROM，若要正常工作，必需外配ROM。外接ROM后，P3口、P2口、P0口均被占用只剩下P1口作I/O口用，其它功能不變。地址總線：由P2口提供高8位地址線（A8～A15），此口具有輸出鎖存的功能，能保留地址信息。由P0口提供低8位地址線。由于P0口是地址、數(shù)據(jù)分時(shí)使用的通道口，所以為保存地址信息，需外加地址鎖存器鎖存低8位的地址信息。一般都用ALE正脈沖信號的下降沿控制鎖存時(shí)刻。數(shù)據(jù)總線：由P0口提供。此口是雙向、輸入三態(tài)控制的通道口?？刂瓶偩€：擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)常用的控制信號為地址鎖存信號ALE，片外程序存儲器取指信號以及數(shù)據(jù)存儲器RAM和外設(shè)接口共用的讀寫控制信號等。1、程序存儲器擴(kuò)展1、程序存儲器擴(kuò)展(2)訪問外部程序存儲器時(shí)序操作時(shí)序如圖所示，其操作過程如下。①在S1P2時(shí)刻產(chǎn)生ALE信號。②由P0、P2口送出16位地址，由于P0口送出的低8位地址只保持到S2P2，所以要利用ALE的下降沿信號將P0口送出的低8位地址信號鎖存到地址鎖存器中。而P2口送出的高8位地址在整個(gè)讀指令的過程中都有效，因此不需要對其進(jìn)行鎖存。從S2P2起，ALE信號失效。③從S3P1開始，開始有效，對外部程序存儲器進(jìn)行讀操作，將選中的單元中的指令代碼從P0口讀入，S4P2時(shí)刻，失效。④從S4P2后開始第二次讀入，過程與第一次相似。1、程序存儲器擴(kuò)展1、程序存儲器擴(kuò)展(3)程序存儲器（EPROM）的擴(kuò)展以2764作為單片機(jī)程序存儲器擴(kuò)展的典型芯片為例進(jìn)行說明.

①2764的引線

2764是一塊8K×8bit的EPROM芯片，其管腳圖如圖11.3所示

A12～A0

13位地址信號輸入線，說明芯片的容量為8K＝213個(gè)單元。D7～D0

8位數(shù)據(jù)，表明芯片的每個(gè)存貯單元存放一個(gè)字節(jié)（8位二進(jìn)制數(shù)）。為輸入信號。當(dāng)它有效低電平時(shí)，能選中該芯片，故又稱為選片信號。為輸出允許信號。當(dāng)為低電平時(shí)，芯片中的數(shù)據(jù)可由D7～D0輸出。

PGM為編程脈沖輸入端。當(dāng)對EPROM編程時(shí)，由此加入編程脈沖。讀PGM時(shí)為高電平。1、程序存儲器擴(kuò)展1、程序存儲器擴(kuò)展②2764的連接使用1、程序存儲器擴(kuò)展③存儲器映像分析分析存儲器在存儲空間中占據(jù)的地址范圍，實(shí)際上就是根據(jù)連接情況確定其最低地址和最高地址。圖11.4所示，由于P2.7、P2.6、P2.5的狀態(tài)與2764芯片的尋址無關(guān)，所以P2.7、P2.6、P2.5可為任意。從000到111共有8種組合，其2764芯片的地址范圍是：最低地址：0000H(A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000000000000)最高地址：FFFFH(A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=1111111111111)共占用了64KB的存儲空間，造成地址空間的重疊和浪費(fèi)。2、數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展(1)數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展概述①地址線的連接，與程序存儲器連法相同。②數(shù)據(jù)線的連接，與程序存儲器連法相同。③控制線的連接，主要有下列控制信號：2、數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展(2)數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展使用的典型芯片A12～A0（addressinputs）：地址線，可尋址8KB的存儲空間。D7～D0（databus）：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。（outputenable）：讀出允許信號，輸入，低電平有效。（writeenable）：寫允許信號，輸入，低電平有效。（chipenable）：片選信號1，輸入，在讀/寫方式時(shí)為低電平。VCC：+5V工作電壓。

GND：信號地2、數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展(3)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)序2、數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展(4)數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展方法

①單片數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展2、數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展(4)數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展方法②多片數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展3、I/O口擴(kuò)展概述(1)I/O口擴(kuò)展的原因

MCS-51系列單片機(jī)共有四個(gè)并行I/O口，分別是P0、P1、P2和P3。其中P0口一般作地址線的低八位和數(shù)據(jù)線使用；P2口作地址線的高八位使用；P3是一個(gè)雙功能口，其第二功能是一些很重要的控制信號，所以P3一般使用其第二功能。這樣供用戶使用的I/O口就只剩下P1口了。另外，這些I/O口沒有狀態(tài)寄存和命令寄存的功能，因此難以滿足復(fù)雜的I/O操作要求。(2)I/O口的編址技術(shù)用戶可以通過對I/O口進(jìn)行讀和寫操作來完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。例如：P0口的地址為80H。用戶可以使用MOV指令對P0口進(jìn)行寫操作。

MOVP0，A3、I/O口擴(kuò)展概述(3)單片機(jī)I/O傳送的方式①無條件傳送方式②查詢方式③中斷方式中斷方式大大提高了單片機(jī)系統(tǒng)的工作效率，所以在單片機(jī)中被廣泛應(yīng)用。(4)簡單I/O口擴(kuò)展①簡單輸入口擴(kuò)展1)兩個(gè)輸入口擴(kuò)展外界輸入的數(shù)據(jù)為常態(tài)數(shù)據(jù)：外部輸入數(shù)據(jù)變化不快，經(jīng)P0口讀取輸入外部數(shù)據(jù)時(shí)，外部數(shù)據(jù)一定是有的，故不需鎖存外部數(shù)據(jù)。常用輸入緩沖器有：74LS244，74LS245等。3、I/O口擴(kuò)展概述3、I/O口擴(kuò)展概述3、I/O口擴(kuò)展概述(4)簡單I/O口擴(kuò)展①簡單輸入口擴(kuò)展2)多輸入口擴(kuò)展使用多片74LS244實(shí)現(xiàn)多個(gè)（例如5個(gè)）輸入口擴(kuò)展的電路連接如圖。3、I/O口擴(kuò)展概述(4)簡單I/O口擴(kuò)展1)簡單輸出口擴(kuò)展使用的典型芯片簡單輸出口擴(kuò)展通常使用74LS377芯片，該芯片是一個(gè)具有”使能”控制端的鎖存器。其信號引腳如圖11.14所示。其中：1D～8D為8位數(shù)據(jù)輸入線，1Q～8Q為8位數(shù)據(jù)輸出線，CK為時(shí)鐘信號上升沿?cái)?shù)據(jù)鎖存，為使能控制信號，低電平有效。VCC為＋5V電源。74LS377是由D觸發(fā)器組成的，D觸發(fā)器在上升沿輸入數(shù)據(jù)，即在時(shí)鐘信號（CK）由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入鎖存器。其功能表如表所示。3、I/O口擴(kuò)展概述3、I/O口擴(kuò)展概述(4)簡單I/O口擴(kuò)展2)輸出口擴(kuò)展連接

擴(kuò)展單輸出口只需要一片74LS377，其連接電路如圖所示

4、通用并行I/O擴(kuò)展接口

(1)8255的外部引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4、通用并行I/O擴(kuò)展接口

(2)8255的擴(kuò)展邏輯電路

4、通用并行I/O擴(kuò)展接口

(1)8255的工作方式目錄

知識鏈接一、單片機(jī)概述任務(wù)實(shí)施一、任務(wù)分析二、安裝與調(diào)試二、循跡傳感器控制基本知識三、直流電動機(jī)控制技術(shù)

四、步進(jìn)電動機(jī)控制技術(shù)1、ST188紅外傳感器由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷”道路”—黑線。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號。2、循跡傳感器檢測電路ST188采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測方式。ST188的檢測距離很小，一般為8~15毫米，因?yàn)?毫米以下是它的檢測盲區(qū)，而大于15毫米則很容易受干擾。經(jīng)過多次測試、比較，發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測物表面10毫米時(shí)，檢測效果最好。2、循跡傳感器檢測電路R1限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流50mA的影響，用R1=150的電阻作為限流電阻，Vcc=5V作為電源電壓，測試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率完全能滿足檢測需要。2、循跡傳感器檢測電路voiddelay(uintz){

uintx，y；

for(x=z；x>0；x--)

for(y=100；y>0；y--)；

}voidmain(){

while(1)

{

if(jc==0)

{

xs=1；

delay(1000)；xs=0；

delay(1000)；}xs=0；目錄

知識鏈接任務(wù)實(shí)施一、任務(wù)分析二、安裝與調(diào)試

三、直流電動機(jī)控制技術(shù)二、循跡傳感器控制基本知識一、MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展

四、步進(jìn)電動機(jī)控制技術(shù)1、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理直流電機(jī)可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進(jìn)行分類，其中根據(jù)直流電機(jī)的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機(jī)（將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動機(jī)（將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）、直流測速發(fā)電機(jī)（將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為電信號）、直流伺服電動機(jī)（將控制信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號）2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低速時(shí)受到磁場飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過調(diào)節(jié)電阻來實(shí)現(xiàn)的，但這種調(diào)壓方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。其中脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞電壓的接通和斷開的時(shí)間比（即占空比）來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度降低。只要按照一定的規(guī)律改變通斷電的時(shí)間，就可使電機(jī)的速度保持在一穩(wěn)定值上。2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制(1)直流電動機(jī)的PWM控制技術(shù)PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。下面簡述一下PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。假設(shè)V1先導(dǎo)通T1秒，然后又關(guān)斷T2秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖（b）的波形圖，可以得到電機(jī)電樞端的平均電壓。如果，可定義為占空比。假定輸入電壓不變，越大，則電機(jī)電壓就越大，反之也成立。所以改變就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制改變有三種方法：第一種就是T1保持不變，使T2在0到∞之間變化，這叫定寬調(diào)頻法；第二種就是T2不變，使T1在0到∞之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻法；第三種就是T保持一定，使T1在0到T間變化，這叫定頻調(diào)寬法。本設(shè)計(jì)采用的是定頻調(diào)寬法，電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在產(chǎn)生PWM脈沖實(shí)現(xiàn)上更方便[2]。基于單片機(jī)類由軟件來實(shí)現(xiàn)PWM：在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比D是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓Ud不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。改變占空比D的值有三種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變t2，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t2不變，只改變t1，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變t1和t。2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動機(jī)電樞兩端電壓。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。PWM實(shí)現(xiàn)方式：方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè)us。方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。故采用方案一。2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制(2)單片機(jī)控制直流電動機(jī)的電路及程序?qū)π⌒椭绷麟妱訖C(jī)進(jìn)行可逆的PWM調(diào)速控制，可應(yīng)用比較廣泛的是由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的H型橋式驅(qū)動電路。本例通過外接的A/D轉(zhuǎn)換電路，對應(yīng)外部不同的電壓值，利用AT89C51單片機(jī)產(chǎn)生占空比不同的控制脈沖，驅(qū)動直流電動機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。并通過外接的單刀雙擲開關(guān)，控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制源程序如下：#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitK1=P3^0;sbitK2=P3^1;sbitK3=P3^2;sbitP1_0=P1^0;sbitP1_1=P1^1;voidmotor_start();voidmotor_turn();voidmotor_pause();2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制voiddelay(uintx){uchari; while(x--) {for(i=0;i<120;i++);}}voidmain(){ while(1) {motor_start(); motor_turn(); motor_pause(); }}2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制voidmotor_start()//正轉(zhuǎn){if(K1==0) { delay(10); if(K1==0) { P1_0=0; P1_1=1; } }}2、直流電動機(jī)的單片機(jī)控制在設(shè)計(jì)中可以使用集成有橋式電路的電機(jī)專用芯片，可以簡化電路。目前常用的電機(jī)驅(qū)動芯片有LMD18200、L298、ML33886、MC4428等。不過在應(yīng)用領(lǐng)域，L298使用比較廣泛，所以本設(shè)計(jì)采用L298作為電機(jī)的驅(qū)動芯片原理圖如圖目錄

知識鏈接任務(wù)實(shí)施一、任務(wù)分析二、安裝與調(diào)試

四、步進(jìn)電動機(jī)控制技術(shù)二、循跡傳感器控制基本知識一、MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展

三、直流電動機(jī)控制技術(shù)1、步進(jìn)電動機(jī)常識常見的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度，而五相步進(jìn)角一般為0.72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。2、永磁式步進(jìn)電機(jī)的控制圖左是35BY48S03型永磁步進(jìn)電機(jī)的外形圖，圖右是該電機(jī)的接線圖，從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有5根引出線。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，只要輪流給各引出端通電即可。將COM端標(biāo)識為C，只要AC、C、BC、C，輪流加電就能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，如果將COM端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管），將A、、B、輪流接地。表11.4列出了該電機(jī)的一些典型參數(shù)。2、永磁式步進(jìn)電機(jī)的控制有了這些參數(shù)，不難設(shè)計(jì)出控制電路，因其工作電壓為12V，最大電流為0.26A，因此，用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動器（ULN2003）來作為驅(qū)動，通過P1.4~P1.7來控制各線圈的接通與切斷，電路如圖11.33所示。開機(jī)時(shí)，P1.4~P1.7均為高電平，依次將P1.4~P1.7切換為低電平即可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，注意在切換之前將前一個(gè)輸出引腳變?yōu)楦唠娖健Ｈ绻淖冸姍C(jī)的轉(zhuǎn)動速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間，而要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，只要改變各線圈接通的順序。2、永磁式步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括啟?？刂啤⑥D(zhuǎn)向控制、速度控制、換向控制4個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上看，進(jìn)電機(jī)分為三相、四相、五相等類型，本次設(shè)計(jì)的是四相電機(jī)。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式有單四拍、雙四拍和單雙八拍三種，時(shí)序如表所示。3、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動實(shí)例【例2】設(shè)計(jì)一個(gè)51單片機(jī)四相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有如下功能：(1)由I/O口產(chǎn)生的時(shí)序方波作為電機(jī)控制信號；(2)信號經(jīng)過驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；(3)電機(jī)的狀態(tài)通過鍵盤控制，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。在本次設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為7.5度，一圈360度。（按鍵P2.1正轉(zhuǎn)，P2.2反轉(zhuǎn)，P2.3停止。雙四拍工作方式：AB–B