基于单片机的自动往返小车的设计精品.docx
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基于单片机的自动往返小车的设计精品
目录
摘要2
第一章MCS-8031单片机及其外围电路3
一.MCS-8031引脚及功能简介3
二.时钟电路5
三.复位及复位电路6
四.8031片外ROM连接7
第二章数码管显示里程方案设计8
一.检测电路方案选择8
二.数码管显示电路9
第三章直流调速方案讨论11
一.确定调速方案11
二.直流调速的实现12
第四章程序15
程序1小车电机调速程序15
程序2里程显示程序19
结论23
致谢24
参考文献25
摘要
本设计要完成自动往返行驶汽车,要求使用MCS-8031单片机,并且用七段数码管显示里程。
要求采用调压调速的方法,
改变电机的速度和转向。
一并完成自动往返功能。
为了方便调速,本设计拟采用小型直流电动机,为了同时满足对电机转速大小和方向的调节,要选择合适的调节方式,本设计拟采用PWM脉宽调制的方法实现。
对于里程显示,要将小车的车轮转数转换成距离,再将其输入单片机,并由单片机处理输出,并用数码管显示出来。
最后根据所选用的硬件及芯片,设计电路并编程实现要求内容。
关键字:
MCS-8031霍尔传感器数码显示PWM脉宽调速
第一章MCS-8031单片机及其外围电路
一.MCS-8031引脚及功能简介
8031是最常见的mcs51系列单片机,是inter公司早期的成熟的单片机产品,应用范围涉及到各行各业,下面介绍一下它的引脚图等资料。
(图1.1为8031引脚图)
图1.1
1)8031引脚功能:
Vcc:
+5V电源电压。
Vss:
电路接地端。
2)P0.0~P0.7:
通道0,它是8位漏极开路的双向I/O通道,当扩展外部存贮器时,这也是低八位地址和数据总线,在编程校验期间,它输入和输出字节代码,通道0吸收/发出二个TTL负载。
3)P1.0~P1.7:
通道1是8位拟双向I/O通道,在编程和校验时,它发出低8位地址,吸收/发出一个TTL负载。
4)P2.0~P2.7:
通道2是8位拟双向I/O通道,当访问外部存贮器时,用作高8位地址总线。
通道2能吸收/发出一个TTL负载。
5)P3.0~P3.7:
通道3准双向I/O通道。
通道3能吸收/发出一个TTL负载,P3通道的每一根线还有另一种功能:
P3.0:
RXD,串行输入口。
P3.1:
TXD,串行输出口。
P3.2:
INT0,外部中断0输入口。
P3.3:
INT1,外部中断1输入口。
P3.4:
T0,定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。
P3.5:
T1,定时器/计数器1外部事件脉冲输入端
P3.6:
WR,外部数据存贮器写脉冲。
P3.7:
RD,外部数据存贮器读脉冲。
6)RST/VpD:
引脚9,复位输入信号,振荡器工作时,该引脚上,2个机器周期的高电平可以实现复位操作,在掉电情况下(Vcc降到操作允许限度以下),后备电源加到此引脚,将只给片内RAM供电。
7)ALE/PROG:
引脚30,地址锁存有效信号,其主要作用是提供一个适当的定时信号,在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8位地址锁存,使总线P0输出/输入口分时用作地址总线(低8位)和数据总线,此信号每个机器出现2次,只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。
所以,在任何不使用外部数据存贮器的系统中,ALE以1/6振荡频率的固定速率输出,因而它能用作外部时钟或定时,8751内的EPROM编程时,此端输编程脉冲信号。
8)PSEN:
引脚29,程序选通有效信号,当从外部程序存贮器读取指令时产生,低电平时,指令寄存器的内容读到数据总线上。
EA/VPP:
引脚31,当保持TTL高电平时,如果指令计数器小于4096,8051执行内部ROM的指令,8751执行内部EPROM的指令,当使TTL为低电平时,从外部程序存贮器取出所有指令,在8751内的EPROM编程时,此端为21V编程电源输入端。
9)XTAL1:
引脚18,内部振荡器外接晶振的一个输入端,HMOS芯片使用外部振荡源时,此端必须接地。
10)XTAL2:
引脚19,内部振荡器外接晶振的另一个输入端,HMOS芯片使用外部振荡器时,此端用于输入外部振荡信号。
二.时钟电路
(a)
(b)
图1.2时钟配置电路
(a)内部方式时钟配置电路;(b)外部方式时钟配置电路
8031单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到:
内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器,就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
内部振荡方式的外部电路如上图所示。
外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。
这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。
外部振荡方式的外部电路如上图所示。
图中,电容器CXl,CX2起稳定振荡频率、快速起振的作用,其电容值一般在5-30pF。
晶振频率的典型值为12MH2,采用6MHz的情况也比较多。
内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定,实用电路中使用较多。
因此本设计中将采用内部方式时钟电路,即采用图1.2(a)所示电路。
三.复位及复位电路
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:
上电复位和上电或开关复位。
上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。
常用的上电复位电路如下图a中左图所示。
图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。
上电后,保持RST一段高电平时间,由于单片机内的等效电阻的作用,不用图中电阻R1,也能达到上电复位的操作功能。
(a)(b)
图1.3复位电路
(a)上电自动复位;(b)上电与按钮复位
上电或开关复位要求电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,用开关操作也能使单片机复位。
常用的上电或开关复位电路如上图(b)所示。
上电后,由于电容C的充电和反相门的作用,使RST持续一段时间的高电平。
当单片机已在运行当中时,按下复位键K后松开,也能使RST为一段时间的高电平,从而实现上电或开关复位的操作。
单片机复位后的状态:
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态,其中包括使程序计数器PC=0000H,这表明程序从0000H地址单元开始执行。
单片机冷启动后,片内RAM为随机值,运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容,21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值,见下表。
值得指出的是,记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态,对于了解单片机的初态,减少应用程序中的韧始化部分是十分必要的。
51单片机在系统复位时,将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值,(在特殊寄存器介绍时再做详细说明)至于内部RAM内部的数据则不变。
系统复位是任何微机系统执行的第一步,使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。
51单片机的复位是由RESET引脚来控制的,此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后,51单片机即进入芯片内部复位状态,而且一直在此状态下等待,直到RESET引脚转为低电平后,才检查EA引脚是高电平或低电平,若为高电平则执行芯片内部的程序代码,若为低电平便会执行外部程序。
四.8031片外ROM连接
用译码法扩展一片2764,单片机扩展8K外部程序存储器一般选用2764EPROM芯片,硬件电路如图1.4所示。
图1.48031与片外ROM连接
图中所示的芯片接法,2764的片选端没有接地,而是通过74LS138译码器的输出端来提供的,这种方法称为译码法。
当同时扩展多片ROM时,常常采用译码法来分别选中芯片。
显然,在图1.4中,只有当译码器的输出=0时,才能够选中该片2764。
第二章数码管显示里程方案设计
一.检测电路方案选择
本设计采用霍尔传感器进行里程检测。
霍耳传感器是利用半导体的磁电效应中的霍耳效应,将被测物理量转换成霍耳电势。
霍尔传感器安装在车轮上,主要检测汽车行进的公里数,并产生一系列相应的脉冲输出,脉冲送到单片机进行处理,单片机根据程序设定通过计算脉冲数换算出行驶公里数。
具体做法如下,把霍尔器件安装在固定的轴上,在车轮上装上小磁铁;小车的轮子运动就会带动小磁铁转动,当霍尔元件感应到小磁铁的时候,就会输出一个脉冲,单片机通过记录脉冲个数,就可以得到小车车轮转数,且车论大小固定,其周长和转数(脉冲个数)的乘积即为里程。
经由单片机处理之后显示出来。
霍尔元件测量模块如下图:
图2.1测转速模块
考虑到信号质量,决定采用施密特触发器。
由于小车震动及噪声的影响,可能导致测速模块输出脉冲波形产生荡漾,利用施密特触发器的脉冲整形功能,获得理想矩形脉冲。
特点:
a.施密特触发器有两个稳定状态,其维持和转换完全取决于输入电压的大小。
b.电压传输特性特殊,有两个不同的阈值电压(正向阈值电压和负向阈值电压)
c.状态翻转时有正反馈过程,从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。
图2.2施密特触发器脉冲整形功能
二.数码管显示电路
单片机驱动LED显示有很多方法,按显示方式可以分为静态显示和动态显示。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能,单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED,直到下一次显示时再传送一次新的数据。
只要当前显示的数据没有变化,就无须理睬数码显示管。
静态显示的数据稳定,占用的CPU时间少。
静态显示中,每一个显示器都要占用单独具有琐存功能的I/O口,该接口用于笔画段字型代码。
这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路,该字段就可以显示要发送的字型。
要显示新的数据时,单片机再发送新的字型码。
另一种方法是动态扫描显示。
动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段(a~g和dp)同名端连在一起,而每一个显示器的公共极COM各自独立接受I/O线控制。
CPU向字段输出端口输出字型码时,所有显示器接受相同的字型码,但究竟使那一位则由I/O线决定。
动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的COM端,使每个显示器轮流电亮。
在轮流点亮过程中,每位显示器的点亮时间极为短暂,但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,给人的印象就是一组稳定的显示数据。
这两种方法有利有弊,静态显示数据虽然稳定,占用很少的CPU时间,但每个显示单元都需要有单独的驱动电路,使用的电路硬件较多;动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新,显示数据有闪烁感,占用CPU的时间多,但硬件是用的较少,能节省线路板空间。
图2.38031外接数码管电路
在一般较为简单的电路系统中,为了降低成本,动态显示方案具备一定实用性,也是目前单片机数码显示中较为常见的一种显示方法。
有关动态扫描的方法和电路设计是本设计所采用的方法。
其电路图如图2.3所示。
其详细电路请见附录大图。
第三章直流调速方案讨论
一.确定调速方案
1.直流调速系统
方案一:
串电阻调速系统。
方案二:
静止可控整流器。
简称V-M系统。
方案三:
PWM脉宽调速系统。
(一)旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流,由发电机给需要调速的直流电动机供电,调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压,从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变,所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁发电机,设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后,因此搁置不用。
(二)V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数,半波、全波、半控、全控等类型,可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高,维护运行麻烦。
最后,当系统处于低速运行时,系统的功率因数很低,并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
(三)采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是,在这里晶闸管不受相位控制,而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时,电源电压加到电动机上,当晶闸管关断时,直流电源与电动机断开,电动机经二极管续流,两端电压接近于零。
脉冲宽度调制(PulseWidthModulation),简称PWM。
脉冲周期不变,只改变晶闸管的导通时间,即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
2.方案比较
与V-M系统相比,PWM调速系统有下列优点:
(1)由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流,电枢电流容易连续,系统的低速运行平稳,调速范围较宽,可达1:
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好,在相同的平均电流下,电动机的损耗和发热都比较小。
(2)同样由于开关频率高,若与快速响应的电机相配合,系统可以获得很宽的频带,因此快速响应性能好,动态抗扰能力强。
(3)由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率较高。
根据以上综合比较,以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向,本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器,简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现,但是驱动能力有限。
为顺利实现电动小汽车的前行与倒车,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。
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。
二.直流调速的实现
1.H桥简介
直流调速器就是调节直流电动机速度的设备,上端和交流电源连接,下端和直流电动机连接,直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源,一路输入给直流电机砺磁(定子),一路输入给直流电机电枢(转子),直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。
同时直流电动机给调速器一个反馈电流,调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况,必要时修正电枢电压输出,以此来再次调节电机的转速。
使用单片机来控制直流电机的变速,一般采用调节电枢电压的方式,通过单片机控制PWM1,PWM2,产生可变的脉冲,这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。
根据公式:
U=aVCC
其中:
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