基于51單片機開關電源自動循跡小車設計論文

1、西華大學課程設計摘 要智能循跡是基于自動引導機器人系統(tǒng)，用以實現(xiàn)小車自動識別路線，以及選擇正確的路線。智能循跡小車是一個運用傳感器、單片機、電機驅動及自動控制等技術來實現(xiàn)按照預先設定的模式下，不受人為管理時能夠自動實現(xiàn)循跡導航的高新科技。該技術已經(jīng)應用于無人駕駛機動車，無人工廠，倉庫，服務機器人等多種領域。本設計是基于STC89C52單片機控制的智能循跡小車，小車能夠識別地上黑色軌跡線，實現(xiàn)循跡行走，而且在循跡過程中還能夠繞開前方的障礙物。本次設計包括開關電源模塊、充電模塊、單片機模塊、電機驅動模塊、循跡模塊和避障模塊。其中開關電源模塊是將220V交流電轉化為12V供電機驅動芯片使用和5V供單

2、片機使用。充電模塊是給鋰電池充電，以作備用電源。單片機模塊以STC89C52單片機為控制核心，用其產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。循跡模塊則采用紅外光電傳感器RPR220型光電對管，對路面黑色軌跡進行檢測，并將路面檢測信號反饋給單片機。單片機對采集到的信號進行分析判斷，及時控制電機驅動模塊中由芯片L298N驅動的電機以調整小車轉向，從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動行駛，實現(xiàn)小車自動尋跡的目的。同時在此基礎上，避障模塊當中利用E18-D80NK 3-80cm可調紅外避障傳感器對小車進行避障。本設計不僅給出了完整的硬件電路圖和相關控制程序，而且還利用PROTEUS進行了小車電機實時仿真。關鍵詞：單片機；

3、自動循跡；開關電源；Proteus仿真目錄摘 要I第1章 緒論11.1 智能循跡小車概述11.1.1 循跡小車的發(fā)展歷程回顧11.1.2 智能循跡分類21.1.3 智能循跡小車的應用31.2 智能循跡小車研究中的關鍵技術4第2章 自動循跡小車系統(tǒng)方案設計52.1 設計要求52.2 自動循跡小車基本原理52.3 模塊方案比較與論證52.3.1 控制器模塊52.3.2 電源模塊62.3.3 充電模塊62.3.4 電機模塊72.3.5 電機驅動模塊72.3.6 循跡傳感器模塊72.3.7 避障傳感器模塊82.4 系統(tǒng)總體方案的確定8第3章 硬件設計93.1 單片機電路設計93.1.1 單片機的功能特

4、性描述93.1.2 晶振電路93.1.3 復位電路103.1.4 單片機整體電路113.2 開關電源電路設計133.2.1 UC3842簡介133.2.2 UC3842開關電源電路143.3 充電電路設計153.4 電機驅動電路設計163.4.1 L289N簡介163.4.2 電機驅動原理183.4.3 小車運動邏輯193.5 循跡電路設計203.5.1 RPR220與LM339簡介203.5.2 循跡設計213.6 避障電路設計22第4章 軟件設計234.1 系統(tǒng)軟件流程圖234.2 程序設計234.2.1 計時程序設計234.2.2 主程序設計24第5章 系統(tǒng)調試26結束語29參考文獻30

5、附錄A 總電路圖31附錄B 循跡小車程序32III第1章 緒論進入二十一世紀，隨著計算機技術和科學技術的不斷進步，機器人技術較以往已經(jīng)有了突飛猛進的提高，智能循跡小車即帶有視覺和觸覺的小車就是其中的典型代表。1.1 智能循跡小車概述智能循跡小車又被稱為Automated Guided Vehicle，簡稱AGV，是二十世紀五十年代研發(fā)出來的新型智能搬運機器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光學或其他自動導引裝置，可以沿設定的引導路徑行駛，安全的運輸車。工業(yè)應用中采用充電蓄電池為主要的動力來源，可通過電腦程序來控制其選擇運動軌跡以及其它動作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來確定其行進路線,無人搬運車通

6、過電磁軌道所帶來的訊息進行移動與動作，無需駕駛員操作，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。AGV的另一個特點是高度自動化和高智能化，可以根據(jù)倉儲貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運行路徑的費用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比非常低廉。AGV小車一般配有裝卸機構，可與其它物流設備自動接口，實現(xiàn)貨物裝卸與搬運的全自動化過程。此外，AGV小車依靠蓄電池提供動力，還有清潔生產(chǎn)、運行過程中無噪音、無污染的特點，可用在工作環(huán)境清潔的地方。1.1.1 循跡小車的發(fā)展歷程回顧隨著社會的不斷發(fā)展，科學技術水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來代替人來做一些非常危險，或者要求精度很高等其他事情的工

7、具，于是就誕生了機器人這門學科。世界上誕生第一臺機器人誕生于1959年，至今已有50多年的歷史，機器人技術也取得了飛速的發(fā)展和進步，現(xiàn)已發(fā)展成一門包含：機械、電子、計算機、自動控制、信號處理，傳感器等多學科為一體的性尖端技術。循跡小車共歷了三代技術創(chuàng)新變革： 第一代循跡小車是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何傳感器，只是采用簡單的開關控制，通過編程來設置循跡小車的路徑與運動參數(shù)，在工作過程中，不能根據(jù)環(huán)境的變化而改變自身的運動軌跡。支持離線編程的第二代循跡小車具有一定感知和適應環(huán)境的能力，這類循跡小車裝有簡單的傳感器，可以感覺到自身的的運動位置，速度等其他物理量，電路是一個閉環(huán)反饋的控制系統(tǒng)，能適

8、應一定的外部環(huán)境變化。第三代循跡小車是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構成感官系統(tǒng)，通過采集外部的環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車，能獨立完成任務，有其自身的知識基礎，多信息處理系統(tǒng)，在結構化或半結構化的工作環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境變化作出決策，有一定的適應能力，自我學習能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車能獨立工作，一方面應具有較高的智慧和更廣泛的應用，研究各種新機傳感器，另一方面，也掌握多個多類傳感器信息融合的技術，這樣循跡小車可以更準確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息。1.1.2 智能循跡分類AGV從發(fā)明至今已經(jīng)有50多年的歷史，隨著應用領域范圍的不斷擴大，其種類和形式

9、也變得更加多樣化。一般根據(jù)行駛的導航方式將智能循跡小車分為以下幾種類型：(1)電磁感應式電磁感應式引導一般在地面上，沿預定路徑埋電線，當高頻電流通過導線，電線周圍產(chǎn)生電磁場流動， AGV小車上安裝兩個對稱的電磁感應傳感器，他們收到的電磁信號差異可以反映的AGV偏離程度路徑的程度。 AGV自動化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車輛的轉向，連續(xù)的動態(tài)的閉環(huán)控制設置能夠保證AGV對設定路徑的穩(wěn)定自動跟蹤。在目前商業(yè)用途的AGV中，特別是大型和中型小車，絕大多數(shù)都采用電磁感應導航。(2)激光式安裝有可旋轉的激光掃描器的AGV，可安裝在墻壁或有高反射激光定位標志的支柱上或者路徑上運行，AGV依

10、靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標志反射回的激光束，車載計算機，計算出當前車輛的位置和運動方向，通過內置的數(shù)字地圖和校準位置相比，以實現(xiàn)自動處理。目前，這種AGV類型的應用比較廣泛?；谕瑯拥脑?，如果激光掃描儀被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導的AGV小車可以轉變?yōu)榧t外引導和超聲引導的AGV。(3)視覺式視覺引導式AGV是的迅速發(fā)展和比較成熟的AGV，這種AGV配備CCD攝像機，傳感器和車載電腦，在車載計算機中設置有AGV欲行駛路徑周圍環(huán)境圖像數(shù)庫。在AGV的行駛過程中，相機得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫進行比較，以確定當前位置和車輛周圍的圖像信息并對駕駛下一步作出決定。這種AGV

11、小車并不需要設置任何的人工物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計算機圖像采集，存儲和處理技術飛速發(fā)展的今天，這種類型的AGV實用性越來越強。此外，還有鐵磁陀螺慣性引導式AGV、光學引導式AGV等多種形式的AGV。1.1.3 智能循跡小車的應用智能循跡小車發(fā)展歷史及主要應用場所如下：(1)倉儲業(yè)1954年，來自美國南卡羅來納州的Mercury Motor Freight公司成為第一批把AGV小車的應用到倉庫的使用者，來實現(xiàn)出入庫貨物的自動處理。至今世界上有超過2100個廠家把大約2萬臺大型或小型的AGV小車應用到自己的倉庫中。中國的海爾集團在2000年把9臺AGV小車投產(chǎn)到了自己的倉庫區(qū)，形成一

12、個靈活的AGV自動數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少33500的儲存和裝卸貨物的任務。(2)制造業(yè)在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中AGV小車大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運送任務。由多臺AGV小車組成的物流運輸處理系統(tǒng)，較人工搬運系統(tǒng)來說更靈活，運輸路線可以根據(jù)生產(chǎn)過程及時調整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十幾個產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活性，企業(yè)的競爭力。在1974年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車組裝廠，提高了運輸系統(tǒng)的靈活性，使用以AGV小車為載運工具的裝配線，采用該裝配線后，減少了20%裝配時間、減少了39%組裝錯誤，減少了57%投資資金回收時間以及減少了5%的員工費用。目前，在世界主要的汽車生產(chǎn)廠家，如通

13、用、豐田、克萊斯勒、大眾AGV小車已被廣泛應用。近年來，作為CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，直譯為基于計算機的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng))的基礎搬運工具，AGV已經(jīng)深入到機械加工，家電制造，微電子制造，煙草等行業(yè)，生產(chǎn)業(yè)和加工業(yè)已成為AGV小車使用最廣泛的領域。(3)郵局、圖書館、港口碼頭和機場在郵局，圖書館，碼頭和機場候機樓等人口密集的公眾場所，存在著大量的物品的運送工作，充滿不定性和動態(tài)性強的特點，搬運過程往往也很單一。AGV有著可并行工作、自動化、智能化和處理靈活的特點，可以很好的滿足這些場合的運輸要求。1983年瑞典的大斯得哥爾摩郵局

14、，1988年日本東京的多摩郵局，1990年中國上海的郵政相繼開始使用AGV小車來完成郵品的搬運工作。在荷蘭的鹿特丹港口，50輛被稱為“院子里的拖拉機”的AGV小車每天都在把集裝箱從船邊運送到幾百米以外的倉庫中。(4)煙草、醫(yī)藥、化工、食品對于處理一些需要在清潔、安全、無排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如煙草、制藥、食品、化工等產(chǎn)品時應考慮AGV小車的應用。在全國許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團、玉溪紅塔集團、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠，應用激光引導式AGV完成托盤貨物的搬運工作。1.2 智能循跡小車研究中的關鍵技術現(xiàn)在全世界越來越多的國家都在做著研究智能化、多樣化的自動汽車導航的工作。自動汽車導航

15、是一個非常復雜的系統(tǒng)，它不僅應具有正常的運動功能的成分，而且還應具有任務分析，路徑規(guī)劃，信息感知，自主決策等類似人類的智能行為。人類可以利用自己的聽覺、視覺、味覺、觸覺等功能獲取事物的信息，人類的大腦再根據(jù)已經(jīng)掌握的知識對這些信息進行綜合分析，從而全面了解認知事物。這樣一個認識事物、分析事物和處理信息的過程稱之為信息融合過程。多傳感器信息融合的基本原理就是模仿人類大腦的這個過程，得到一個對復雜對象的一致性解釋或結論。多傳感器信息融合是協(xié)調多個分布在不同地點，相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀測量信息加以綜合，協(xié)調使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，以減少不確定性，得到對物體或環(huán)

16、境的一致性描述的過程。多傳感器信息融合具有許多性能上的優(yōu)點：(1)增加了系統(tǒng)的生存能力；(2)減少了信息的模糊性；(3)擴展了采集數(shù)據(jù)覆蓋范圍；(4)增加了可信度；(5)改善了探測性能；(6)提高了空間的分辨力；(7)改善了系統(tǒng)的可靠性；(8)信息的低成本性。本文主要由五章構成，第1章為緒論，主要講述循跡小車的發(fā)展歷程及在目前所應用領域中的作用。第2章為自動循跡小車總體設計方案，主要確定系統(tǒng)各個模塊的具體選擇。第3章是系統(tǒng)的硬件設計，其中包含開關電源的設計，充電電路的設計，單片機電路的設計，電機驅動電路，光電傳感器模塊和避障模塊。第4章為系統(tǒng)的軟件設計，主要介紹的是軟件實現(xiàn)過程。第5章是用Pr

17、oteus軟件對小車系統(tǒng)進行仿真和調試。第2章 自動循跡小車系統(tǒng)方案設計2.1 設計要求（1）用MCS-51系列單片機或其它CPU作為小車的控制器；（2）設計識別黑色軌跡線的傳感器；（3）采用紅外或超聲測或其它判定障礙物功能；（4）設計驅動電機的電路，可實現(xiàn)電機變速、啟動、反轉及停止；（5）設計控制小車行走的程序；（6）外部220V電源（開關電源）供電，工作時備用電源供電，自動充電功能，體積小巧；（7）用Proteus實現(xiàn)小車電機控制仿真。2.2 自動循跡小車基本原理循跡就是能夠沿著給定的軌跡運行，一般給定的軌跡為在白色地面上黑色軌跡。為了實現(xiàn)這一目的，就需要軌跡檢測模塊，這相當于小車的眼睛，

18、需要將路面信息返回到大腦中，這大腦就需要有信息處理功能的微處理器來構成，處理的信息需要執(zhí)行機構來執(zhí)行，這就需要電機驅動模塊，來實現(xiàn)小車的行走功能，而一個完整的系統(tǒng)，還需要有電源模塊來提供能量。簡言之，系統(tǒng)的基本原理就是：循跡模塊將檢測到的路面信息傳送給微處理器來處理，然后將處理結果送到電機驅動模塊執(zhí)行，達到循跡的目的。2.3 模塊方案比較與論證根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、充電模塊、電機及其驅動模塊、循跡傳感器模塊、避障傳感器模塊構成。為了較好的實現(xiàn)各模塊的功能，分別設計了幾種方案并分別進行了比較與論證。2.3.1 控制器模塊方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)的主控制器。FPGA可

19、以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高，體積小，穩(wěn)定性好，IO口資源豐富，易于進行功能擴展，處理速度快，常用于大規(guī)模實時性要求較高的系統(tǒng)，但價格高，編程實現(xiàn)難度大。方案二：采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮我們放棄了此方案。方案三：STC89C52單片機作為系統(tǒng)的控制器。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位

20、微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，單片機可以在線編程、調試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調試，并且價格便宜。本系統(tǒng)邏輯功能簡單，僅僅需要接收傳感器的信號和控制電機，對控制器的數(shù)據(jù)處理能力要求不高，從性價比方面考慮選擇方案三。2.3.2 電源模塊根據(jù)本次設計要求，需采用開關電源電路。開關電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、電路形式靈活多樣等優(yōu)點，因而在各類電子產(chǎn)品中得到廣泛的應用。由于開關電源芯片眾多，因此本著“適用、夠用、好用”的原則選擇

21、了UC3842。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型開關電源芯片。單端輸出可直接驅動雙極型晶體管和MOSFET管，具有引腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點，能通過高頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適合構成無工頻變壓器的2050W小功率開關電源。又其構成電路所需元件極少，非常符合“適用、夠用、好用”原則。2.3.3 充電模塊根據(jù)本次設計要求，需要設計充電模塊以作備用電源實用。方案一：給12V蓄電池充電。雖然蓄電池具有較強的電流驅動能力，穩(wěn)定的電壓輸出性能，以及相關的充電芯片，但處于蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便的原因，還是放棄了這種方案。方案二：給3節(jié)4

22、.2V可充電式鋰電池充電。雖然鋰電池的價格有點貴，但鋰電池的電量比較足，并且可以充電，可重復利用，也有相關的充電芯片，因此選擇了此方案。同時選擇了LTC4053，設計出具有USB接口功能的充電電路。綜上考慮，選擇方案二。2.3.4 電機模塊方案一：采用直流電機。直流電機轉動力矩大，響應快速，體積小，重量輕，直流電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉,能滿足各種不同的特殊運行要求，價格便宜。方案二：采用步進電機。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的精密執(zhí)行原件?？刂品奖?，體積小，靈活性和可靠性高，具

23、有瞬時啟動和急速停止的優(yōu)越性，比較適合本系統(tǒng)控制精度高的特點。但步進電機的抖動比較大，輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其轉速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，價格還比較昂貴，所以這里不采用此方案。由于直流電機價格便宜、控制簡單，因此本設計用方案一。2.3.5 電機驅動模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴，且可能存在干擾。更主要的問題在于一般電動機的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開與關進行控制，通過控制開關的

24、切換速度實現(xiàn)對小車的速度進行調整。這個電路的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間長，易損壞，壽命較短，可靠性不高。方案三：采用專用電機驅動芯片L298N作為電機驅動芯片。L298N中有兩套H橋電路，剛好可以控制兩個電機。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復雜電路需要。L298的驅動功率較大，在646V的電壓下，可以提供2A的額定電流，并且具有過熱自動關斷和電流反饋檢測功能，安全可靠。基于以上的分析，選擇方案三。2.3.6 循跡傳感器模塊方案一：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強

25、烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。方案二：用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。其具有如下特點：塑料透鏡可以提高靈敏度。內置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結構緊湊。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電對管調理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。因此出于穩(wěn)定性來說，選擇方案二。2.3.7 避障傳感器模塊方案一：采用紅外測

26、距傳感器。本次設計利用E18-D80NK可調紅外避障傳感器對小車進行避障，該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。方案二：采用超聲波傳感器，雖然其具有測量精度高、方向性好的優(yōu)點，但成本相對紅外較高，因此放棄本方案。因此基于成本考慮，選擇方案一。2.4 系統(tǒng)總體方案的確定自動循跡小車系統(tǒng)結構框圖如下圖所示。以STC89C52單片機為控制核心，主要由電源模塊、充電模塊、電機及其驅動模塊、循跡傳感器模塊、避障傳感器模塊構成。圖2.1 自動循跡小車系統(tǒng)結構框圖第3章 硬件設計3.1 單片機電路設計一個單片機應用系統(tǒng)的硬

27、件電路設計包含兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路；二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、A/D、D/A轉換器等。3.1.1 單片機的功能特性描述單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜。單片機內部也有和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件。單片機是一種集成電路芯片，采用超

28、大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。本課題選擇了STC公司的生產(chǎn)的STC89C52單片機。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器。一個芯片上擁有8位CPU，并且在系統(tǒng)可編程Flash。STC89C52提供給為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標準功能:8k字節(jié)Flash，512字

29、節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，兩個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。此外，空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。3.1.2 晶振電路在STC89S52單片機上內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。在1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并

30、聯(lián)諧振回路。從XTAL1接入，如圖3.1所示。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有要求。本設計選用的是11.0592MHZ無源晶振、2個30pF瓷片電容，使得一個機器周期是1s。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，而兩個電容則是起到并聯(lián)諧振的作用，如果沒電容，振蕩電路會因為沒有回路而停振，電路不能正常工作。圖3.1 單片機晶振電路3.1.3 復位電路復位電路的作用是在上電或復位過程中，控制CPU的復位狀態(tài)：這段時間內讓CPU保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。89系列單

31、片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中的。施密特觸發(fā)電路是一種波形整形電路，當任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，產(chǎn)生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內之噪聲干擾電路的正常工作。如遙控接收線路，傳感器輸入電路都會用到它整形。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。本設計采用的電容值為10F的電容和電阻采用10k的電阻。如圖3.2所示上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當單片機已在運行

32、之中時，按下復位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關復位的操作。圖3.2 單片機復位電路3.1.4 單片機整體電路51單片機內部有P0、P1、P2、P3等4個8位雙向I/0口，因此外設可直接連接于這幾個口線上，而無需另加接口芯片。P0P3的每個端口可以按字節(jié)輸入和輸出，也可以按位進行輸入輸出，用于位控制十分方便。P0：P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個TTL電路，對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0不具有內部上拉電阻，需要外接上拉電阻。P1：P1口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，

33、P1 輸出緩沖器能驅動4 個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣

34、故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。單片機模塊如圖3.3所示。STC89C52主要功能如表3.1所示。表3.1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容M

35、CS51指令系統(tǒng)8K可反復擦寫Flash ROM32個雙向I/O口256x8bit內部RAM3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷時鐘頻率0-24MHz2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設置睡眠和喚醒功能圖3.3 單片機模塊電路3.2 開關電源電路設計3.2.1 UC3842簡介本次采用的開關電源芯片為UC3842，UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅動MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點。UC3842采用DIP-8封裝，引腳排列如圖3.4所示，各

36、個引腳功能見表3.2所示，UC3842的內部結構如圖3.5所示。圖3.4 UC3842引腳排列圖表3.2 UC3842各個引腳功能引腳號引腳符號功能1COMP內部誤差放大器輸入端，可接RC補償網(wǎng)絡到誤差放大器的反相輸入端，來決定放大器的閉環(huán)增益和頻率響應，使芯片工作穩(wěn)定2VFB反饋電壓輸入端，此腳與內部誤差放大器相向輸入端的基準電壓（一般為+2.5V）進行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度3ISENSE電流傳感端，檢測開關管峰值電流，經(jīng)取樣電阻轉換成電壓，當取樣電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效保護了功率開關4RT/CT定時端，外接定時電阻和定時電容決定振蕩器工作頻率5GROUND接

37、地端6OUTPUT輸出端7VI電源輸入端，當電壓低于+16V時，UC3842不工作8VREF+5V基準電壓輸出端圖3.5 UC3842內部結構框圖3.2.2 UC3842開關電源電路UC3842開關電源電路如圖3.6所示。圖3.6 UC3842開關電源電路其工作原理為：開關功率管為N溝道MOS管，該電路屬于單端反激式變換器 ，當開關功率管導通時，整流二極管D12、D13截止，電能就儲存在高頻變壓器T的初級繞組N1中；當開關功率管關斷時，D12、D13導通，N1上儲存的電能傳輸給次級繞組N3、N4，并分別經(jīng)過D12、C11和D13、C12整流濾波后向負載供電。其穩(wěn)壓過程是首先對輸出電壓進行采樣，

38、然后依次經(jīng)過誤差放大器、過流檢測比較強、PWM鎖存器、門電路和輸出級去控制開關功率管的導通及關斷時間，最終達到穩(wěn)壓目的，采樣電壓是從自饋線圈N2的整流濾波輸出端引出的。剛啟動時UC3842所需+16V工作電壓由R27、C9電路提供。220V交流電經(jīng)橋式整流和電容濾波，得到+330V直流高壓，再經(jīng)R27降壓后接UC3842的7端，利用C10的充電過程使電壓VI逐漸升至+16V以上，從而實現(xiàn)軟啟動。當開關電源轉入正常工作后，N2上的高頻電壓經(jīng)D10，C9整流濾波，作為芯片的工作電壓。UC3842屬于電流控制型PWM，初級線圈中的電流在過流檢測電阻R25上建立的電壓V0，加至過流檢測比較器的同相端，

39、與反相端的誤差電壓作比較，進而控制輸出脈沖的占空比，使流過開關功率管的最大峰值電流始終受VI的控制。只要電壓V0達到1V，比較器就翻轉，輸出為高電平，將PWM鎖存器置零，PWM關斷，從而實現(xiàn)了過流保護。鑒于在開關功率管關斷的瞬間，高頻電壓器的漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，N1上還會產(chǎn)生反向電動勢，現(xiàn)利用C8、D9、R26、C13、D11、R28組成兩級吸收回路，對開關功率管起到保護作用。D9、D10和D11采用快恢復二極管。輸出整流濾波電路由D12、C11和D13、C12組成，D12、D13采用肖特基二極管。PWM鎖存器的作用是保證在每個時鐘周期內只輸出一個脈寬調制信號，可消除噪聲干擾的影響。輸入欠壓鎖

40、定電路的開啟電壓為16V，關斷電壓為10V。僅當電壓V0大于16V時UC3842才能啟動，此時芯片工作電流僅1mA，自饋電后變?yōu)?5mA。當輸入欠壓時，開關功率管自行關斷。此外，在芯片內部還有一只穩(wěn)壓管，一旦輸入端出現(xiàn)高壓，穩(wěn)壓管就將V0鉗于34V，起到保護作用。+5.0V基準電壓經(jīng)R18給C5充電，C5再經(jīng)過芯片內部電路放電，于是就能在UC3842的4腳得到鋸齒波電壓。R19和C6用以調節(jié)誤差放大器的增益和頻率響應。自饋線圈的輸出電壓V0經(jīng)過R20、R21分壓后作為比較電壓，當電網(wǎng)電壓升高會導致輸出電壓也升高，反之亦然。3.3 充電電路設計本次充電電路設計是給3節(jié)4.2V可充電式鋰電池充電，

41、充電芯片采用LTC4053。充電電路如圖3.7所示。圖3.7 LTC4053 USB接口充電電路LTC4053是可直接與USB接口的鋰離子電池專用充電IC，同時還集成了NTC（負溫度系數(shù)）溫度補償、開關控制、100/500mA電流等電路。最大輸入電壓為7V，最大輸出電流為535mA。VCC直接取至USB接口的電源，SHDN為開關控制，低電平時充電，高電平時停止充電；PROG腳選擇充電電流，低電平時選擇100mA充電，以適合小電流輸出的USB接口，高電平時選擇500mA充電，以適合大電流輸出的USB接口；NTC腳接入熱敏電阻可進行溫度補償；LTC4053還設置了定時充電功能，定時時間周期由TIM

42、ER腳外接電容決定：t=3C/0.1（式中t的單位為h，C的單位為F）。Q2是P溝道MOSFET管，被用來選擇是否為USB供電的開關。3.4 電機驅動電路設計3.4.1 L289N簡介電機驅動選用雙全橋電機專用驅動芯片L298N，內部包含4通道邏輯驅動電路。可以驅動兩個直流電機或驅動兩個二相電機，也可單獨驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V。直接通過電源來調節(jié)輸出電壓，直接通過單片機的IO端口提供信號，使得電路簡單，使用更方便。L298N可接受標準的TTL邏輯電平信號VSS，VSS通常接4.57V的電壓。4腳VS接電壓源，VS可接電壓范圍VIH為2.546V。L298N芯片輸出電流可達2.

43、5 A，可驅動電感負載。L298N是一個內部有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動芯片，可以用來驅動直流電動機、步進電動機。使用標準邏輯電平信號控制，直接連接單片機管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。L298N有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作。L298N引腳排列如圖3.8所示，各個引腳功能見表3.2所示。圖3.9 L298N引腳排列圖表3.3 L298N引腳編號與功能引腳號名稱功能1電流傳感器A在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流2輸出引腳1內置驅動器A的輸出端1，接至電機A3輸出引腳2內置驅動器A的輸出端2，接至電機A4電機電源端

44、電機供電輸入端,電壓可達46V5輸入引腳1內置驅動器A的邏輯控制輸入端16使能端A內置驅動器A的使能端7輸入引腳2內置驅動器A的邏輯控制輸入端28邏輯地邏輯地9邏輯電源端邏輯控制電路的電源輸入端為5V10輸入引腳3內置驅動器B的邏輯控制輸入端111使能端B內置驅動器B的使能端12輸入引腳4內置驅動器B的邏輯控制輸入端213輸出引腳3內置驅動器B的輸出端1，接至電機B14輸出引腳4內置驅動器B的輸出端2，接至電機B15電流傳感器B在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流3.4.2 電機驅動原理電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。圖3.10 L298N內部

45、H橋驅動電路圖3.10為一個典型的直流電機的控制電路。被命名為“H橋驅動電路”主要是因為電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。H橋電機驅動電路包含四個三極管和一個電機。電機運轉，必須遵循導通對角線上的一對三極管?；诓煌龢O管對的導通情況可以控制電機的轉向，電流可可以從左至右流過電機，也可以從右至左流過電機。當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右流過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q2和Q3同時導通的情況下，電流將從右至左流過電機。從而驅動電機沿逆時針方向轉動。驅動電機時，保證H橋上兩個同側的三極管

46、不會同時導通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值，該電流僅受電源性能限制，可能燒壞三極管。基于上述原因，在實際驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。圖3.11 所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎上增加了四個二極管來保護電路。四個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關。采用以上方法，電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果IN1信號為“0”，IN2信號為“1”，并且使能信號是“1”，

47、那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經(jīng)電機；如果IN1信號變?yōu)椤?”，而IN0信號變?yōu)椤?”，那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。圖3.11 L298N驅動芯片和直流電機接線圖3.4.3 小車運動邏輯基于以上L298N原理的闡述，現(xiàn)將小車運動邏輯列入表3.4中。表3.4 小車運動邏輯使能端A使能端B左電機右電機左電機運行狀態(tài)右電機運行狀態(tài)小車運行狀態(tài)IN1IN2IN3IN4111010正轉正轉前行111001正轉反轉右轉111011正轉停止以右電機為中心原地右轉110110反轉正轉左轉110101反轉反轉后退111110停止正轉以左電機為中心原地左轉3.5 循跡電路設計3.5.1 R

48、PR220與LM339簡介循跡小車在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色，由于黑紙和白色路面對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收的反射光的強弱來判斷道路黑色軌跡。本設計循跡傳感器采用RPR220反射型光電對管，通過紅外敏感端對不同顏色的感光能力的不同，可以很容易的辨別白紙上的黑色軌跡。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線照射到黑帶時，光線被黑帶吸收，紅外接收管無法接受到紅外線，不導通。當紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射到地面時發(fā)生漫反射，光反射回來被紅外接收管吸收，紅外接收管導通。RPR220型光電對管如圖3.12所示。圖3.12 RPR220型光電對管在循跡模塊中，要將模擬量轉化為數(shù)字量，因此要用到電壓

49、比較器，本設計選用的電壓比較器是LM339， LM339集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，LM339類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)，

50、因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。LM339可構成單限比較器、遲滯比較器、雙限比較器（窗口比較器）、振蕩器等。還可以組成高壓數(shù)字邏輯門電路，并可直接與TTL、CMOS電路接口。3.5.2 循跡設計將該傳感器4個一組放置在小車前方，傳感器布局如圖3.13所示，中間兩個傳感器之間的距離最好為軌跡寬度

51、，左邊第一個和第二個之間的距離可適當較近一些，具體位置可在測試中調整，這樣放置的目的是能夠很好的反應小車的循跡狀態(tài)，例如當左邊第一個在黑線上時，就表明小車偏離軌道太遠需要進行粗調，應當向左大轉彎了。當傳感器在黑線上時接收管不導通，LM393的3腳電壓就為VCC，而2腳電壓可以由電位器進行調節(jié)，只要電位器不是在最上端，則2腳電壓就小于VCC，這樣正向端的電壓大于反向端電壓，那么經(jīng)過電壓比較器比較后，輸出高電平，當傳感器在白線上時，紅外接收管導通，則3腳可視為接地，則正向端電壓小于反向段電壓，那么經(jīng)比較器比較后輸出低電平。圖3.13 傳感器布局綜合以上分析，循跡電路設計見圖3.14（注：本設計需要

52、用4組該檢測電路以達到精確循跡的目的，圖中只給出了1組）。圖3.14 循跡電路3.6 避障電路設計利用E18-D80NK可調紅外避障傳感器進行小車的避障擴展，紅外避障傳感器如圖3.14所示，該傳感器測量范圍為380CM，可利用其背面的距離調節(jié)電位器來調節(jié)距離。圖3.14 E18-D80NK紅外避障傳感器避障硬件電路如圖3.15所示（注：本設計需要用2組該避障電路，圖中只給出了1組）。避障原理是檢測到障礙物則輸出低電平，背面燈亮，未檢測到障礙物則輸出高電平，背面燈滅，由于這種傳感器比較貴，因此在保證能正常避障的情況下，使用該傳感器兩個來達到避障的目的。避障思路是：在小車正前方放置一個避障傳感器，

53、用于對正前方的障礙物進行檢測，在小車左輪附近放置一個傳感器用于在小車轉彎時對左邊的障礙物進行檢測，當前方的傳感器檢測到障礙物時，小車右轉彎，具體行駛是小車左輪正傳右輪反轉向右原地轉一個角度，然后右輪加速行駛，左輪正常行駛，繞過障礙物，直到回到黑線上繼續(xù)循跡，在轉彎過程中，若左側傳感器檢測到信號則表明小車應繼續(xù)向右轉彎，否則會撞到障礙物上。具體小車轉的角度和速度要在時間測試中逐漸進行改善。圖3.15 避障硬件電路第4章 軟件設計4.1 系統(tǒng)軟件流程圖自動循跡小車系統(tǒng)程序要求對4個光電對管的信號和2個E18-D80NK可調紅外避障傳感器進行檢測，然后單片機根據(jù)檢測到得信號做出相應的控制反應，從而控

54、制電動機的轉速和轉向，達到自動循跡和避障的目的。具體程序流程圖如圖4.1。圖4.1 程序流程圖4.2 程序設計4.2.1 計時程序設計為了更方便的控制小車速度，采用PWM調速方式，而該中斷計時程序的作用是產(chǎn)生一個基準的時間，調用該程序讓某一I/0口保持高電平，然后再調用一次將該I/0口取反就形成了PWM信號，從而控制電機的轉速，非常方便，改變t的值來改變占空比。void timer(unsigned int t) /中斷計時 unsigned int i; for(i=0;i<t;i+) /*計數(shù)t*50*/TMOD=0X10; TH0=0x3C; TL0=0xB0; TR1=1; wh

55、ile(!TF1); TR1=0; 4.2.2 主程序設計主程序的內容包括初始化程序，讀取傳感器信息，以及根據(jù)相應的電機控制程序等。其中傳感器信號可能邏輯狀態(tài)如表4.1所示，根據(jù)這些狀態(tài)結合實際軌跡情況對電機進行相應控制，不同的軌跡在相同狀態(tài)下電機的控制也會不同（“1”表示傳感器未檢測到黑線，“0”表示傳感器檢測到黑線）。表4.1 傳感器信號可能邏輯狀態(tài)RPR3RPR1RPR2RPR4狀態(tài)1111前進10011011右輪轉彎，向左轉01111101左輪轉彎，向右轉11100011右轉90°，向左轉00011100左轉90°，向左轉1000例如小車偏左狀態(tài)如圖4.2所示，當小

56、車處于這種狀態(tài)時，小車向左轉彎才能讓黑線在小車正下方，這時應該控制左輪電機速度不變，右輪電機加速才能比較平穩(wěn)的讓小車恢復最佳循跡狀態(tài)。當小車右邊兩個傳感器都在黑線上時（如圖4.3），表明小車需要轉過90°彎，這時應該左輪電機正傳，右輪電機反轉才能平穩(wěn)的沿著黑線轉彎。圖4.2 小車偏左狀態(tài)圖4.3 小車偏右狀態(tài)基于上述傳感器可能出現(xiàn)的邏輯狀態(tài)循跡程序如下：main() IN1=1,IN2=0,IN3=1,IN4=0;while(1)if(BZ1=1&&(RPR3=1&&RPR1=1&&RPR2=1&&RPR4=1)|(RPR3=1&&RPR1=0&&RPR2=0&&RPR4=1)IN1=1,IN2=0,IN3=