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電子信息類紅外線控小車設(shè)計論文
論文關(guān)鍵字：單片機89C51 脈寬調(diào)制 直流電機 LED顯示
論文摘要：本課題組設(shè)計制作了一款具有智能功能的小車，功能強大。小車具有以下幾個功能：可遙控小車的車速，方向，可按喇叭，小車的狀態(tài)用LED和數(shù)碼管顯示。 而小車的車速和轉(zhuǎn)的方向則是通過直流控制電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速來控制，以及PWM的占空比通過轉(zhuǎn)換成二進制顯示在數(shù)碼管上以顯示小車的車速。而本文即是設(shè)計了用89C51和74HC138等控制的直流電機實現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)，硬件電路實現(xiàn)了小車正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速的功能，給出了程序流程圖程序及仿真結(jié)果。
1目的及意義
大學畢業(yè)實習是完整大學生活的一部分，是本科學生畢業(yè)前的一個重要的實踐教學環(huán)節(jié)，是成長為一名高級專門技術(shù)人才所得到專門實踐訓練的重要手段。通過畢業(yè)實習可以使學生在畢業(yè)前有一定的職業(yè)意識、職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)經(jīng)驗，可以使學生能較深入地了解本專業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)過程和知識，進一步加深對所學專業(yè)理論知識的理解，進一步熟悉實際產(chǎn)品研發(fā)的方法與過程，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力以及工程實際能力，為實際工作打下良好基礎(chǔ)。
�。�1）鞏固、聯(lián)系、充實、加深、擴大所學知識基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識；
�。�2）提高運用所學知識來解決實際問題的能力；
�。�3）初步掌握專業(yè)設(shè)計工作的流程和方法；
�。�4）學習體會典型電子產(chǎn)品項目開發(fā)團隊的角色構(gòu)成及團隊角色協(xié)同工作技巧；
�。�5）學習典型的電子產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)；
�。�6）學習體驗課堂理論知識在實際工程項目中的應(yīng)用，積累項目實戰(zhàn)經(jīng)驗；
�。�7）感受電子產(chǎn)品研發(fā)對學生知識結(jié)構(gòu)、技術(shù)技能、綜合素質(zhì)的要求；
�。�8）加速由學生向員工的身份轉(zhuǎn)變，增強同學的就業(yè)能力和信心；
�。�9）學習體會電子產(chǎn)品企業(yè)規(guī)范化、專業(yè)化、標準化、規(guī)�；碾娮赢a(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)流程、典型開發(fā)團隊中人員角色設(shè)置。
2實習任務(wù)及要求
實習題目：紅外遙控小車
實習具體要求：
(1) 可遙控小車的車速、方向、可按喇叭，同時小車的狀態(tài)用LED燈和數(shù)碼管顯示。
(2) 獨立查資料，同時訂立方案，然后畫出原理圖及其相應(yīng)的PCB板，并且相關(guān)的程序并進行仿真。
(3) 焊接電路板，下載源程序進行調(diào)試。
3實習時間及地點
實習時間：2010年3月2日～2010年3月19日（3周）
實習地點：西華大學電氣信息學院專業(yè)實驗中心
4實習情況及完成情況
4.1主要芯片介紹
MCS—51系列單片機及其特點
�。�1）可靠性高：
因為芯片是按測控要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于PC機。系統(tǒng)軟件（如：程序指令，常數(shù)，表格）固化在ROM中，不易受到破壞。許多信號的通道均在一個芯片內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
�。�2）便于擴展：
片內(nèi)具有正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的（總線，并行和串行的輸入/輸出）管腳，很容易組成一定規(guī)模的系統(tǒng)。
（3）控制功能
具有豐富的控制指令：如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O口的操作指令，未處理指令。
（4） 使用性好
體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。
單片機的發(fā)展簡介
�。�1）第一階段（1971年到1978年），以MCS-48系列為代表，稱4位單片機。在片內(nèi)：CPU有四位或8位，ROM有4KB或8KB,RAM有64B或128B,只有并行接口，無串行接口，只有一個8位的定時/計數(shù)器，中斷源只有兩個。在片外，尋址范圍只有4K,芯片引腳只有40個。
�。�2）第2階段（1978年到1983年），以MCS-51系列為代表的成為8為單片機：在片內(nèi)：CPU有8位，ROM有4KB或8KB,RAM有256B或128B,只有并行接口，有串/并行接口，有2個或3個16位的定時/計數(shù)器，中斷源有5個至7個。在片外：尋址范圍有64KB，芯片引腳有40個。
�。�3）第3階段（1983以后），以MCS-96系列為代表，稱16位單片機。在片內(nèi)：CPU有16位，ROM有8KB,RAM有232B,有串/并行接口，有4個16位的定時器，中斷源有8個，增加了D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路。在片外：尋址范圍有64KB，芯片引腳有48個或68個。
以上MCS-51系列以及優(yōu)良的性價比，在我過得到了廣泛的應(yīng)用。
4.2硬件模塊的設(shè)計
在本次的設(shè)計中，我們涉及的硬件模塊主要包括電源電路、串口電路、晶振電路、復位電路、顯示電路以及紅外收發(fā)電路組成。整體的組成框圖如圖4.1所示：
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圖4.1 硬件組成框圖
4.2.1電源電路的設(shè)計
這次的設(shè)計我們選擇用USB接口供電的電路圖，是因為用USB接口供電比較方便，并且在此次的設(shè)計中，USB僅作供電用，不參與與PC機的數(shù)據(jù)傳輸。
在電路設(shè)計中，用LED燈來顯示電路是否通電，用一個開關(guān)制電源的通與斷。電源電路如圖4.2所示：
圖4.2 電源電路
4.2.2串口電路
RS-232C是美國電氣協(xié)會推廣使用的一種串行總路線標準，是DCE(數(shù)據(jù)通信設(shè)備，如微機)和DTE(數(shù)據(jù)終端設(shè)備，如CRT)間傳輸串行數(shù)據(jù)的接口總線。RS-232C最大傳輸距離為15m，最高傳輸速率約20kbps，信號的0電平為+3V～+15V。邏輯1電平為-3V～-15V。RS-232信號線和DB-9引腳關(guān)系如表4.1所示。
表4.1 RS-232管腳功能表
該產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。由于電腦串口rs232電平是-10v +10v，而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是ttl電平0 +5v,max232就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的,該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。MAX232是電荷泵芯片，可以完成兩路TTL/RS-232電平的轉(zhuǎn)換，它的的9、10、11、12引腳是TTL電平端，用來連接單片機的。
在設(shè)計中，若要使單片機和上位機進行，則必須要考慮接口電路。由于單片機通過串口發(fā)送出來的是TTL電平（0V和5V），而RS-232總線上輸入、輸出數(shù)據(jù)和控制信號為+12V左右的電壓，單片機要和PC的上位機通信就必須是電平一致，所以發(fā)送部分關(guān)鍵的部分是電平轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送，電平轉(zhuǎn)換可以用模擬器件進行轉(zhuǎn)換，但是為了方便起見，本次設(shè)計采用的是集成芯片，一個芯片加上它的外圍電路即可完成電平的轉(zhuǎn)換的工作。結(jié)構(gòu)簡單、方便容易，精確度高。本次所采用的是MAX232，我們要對其外圍電路進行設(shè)計。
MAX232是標準的串口通信接口，對于一般的雙向通訊，只需要使用串行輸入口RXD(第3腳)、串行輸出TXD(第2腳)和地線（第7腳）。該電路主要將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平注意：單片機的晶振選11.0592MHz，主要是讓其串口通信的初試化波特率時可更接近9600。MAX232邏輯電平的規(guī)定如表4.2， 其電路如圖4.3所示。
表4.2 邏輯電平表
圖4.3 串行通訊電路
4.2.3晶振電路的設(shè)計
晶體震蕩電路是為單片機提供穩(wěn)定的11.0592MHZ的頻率。其電路圖如圖4.4所示：
圖4.4晶振電路
4.2.4復位電路的設(shè)計
復位電路可以在單片機不正常工作時，讓其復位，使其跳出錯誤的循環(huán)，重新開始進行新的運行。本次設(shè)計采用了如圖4.5的設(shè)計。
圖4.5 復位電路
4.2.5顯示電路的設(shè)計
此次設(shè)計我們要用到數(shù)碼管顯示電路和LED燈的顯示電路用以顯示小車狀態(tài)。數(shù)碼管顯示電路采用74LS138譯碼器來選擇控制數(shù)碼管的顯示，通過PNP三極管對輸出信號進行放大來驅(qū)動數(shù)碼管的顯示。數(shù)碼管采用共陽極，顯示數(shù)據(jù)信息通過P2口傳輸給數(shù)碼管，這樣就能完成數(shù)碼管對小車狀態(tài)的顯示功能，其電路圖如圖4.6所示：
圖4.6 數(shù)碼管顯示電路
此次電路設(shè)計的顯示小車狀態(tài)的電路還有LED顯示電路，LED顯示電路采用74HC573鎖存器將P0口傳來的數(shù)據(jù)用以控制LED燈的亮滅，其電路圖如圖4.7所示：
圖4.7 LED顯示電路
4.2.6紅外收發(fā)電路的設(shè)計
該模塊使用一體化紅外接收頭，其電路如圖4.8所示。瓷片電容為去耦電容，DOUT即是解調(diào)信號的輸出端，直接與單片機的P3.7口相連。有紅外編碼信號發(fā)射時，輸出為檢波整形后的方波信號，并直接提供給單片機。
圖4.8 紅外收發(fā)電路
4.3軟件的設(shè)計
要對然間進行設(shè)計，首先我們應(yīng)該考慮到紅外接收的波形，在熟悉了紅外接收的波形的基礎(chǔ)上，才好更進一步的對然間進行設(shè)計。圖4.9是這次設(shè)計所用的遙控板的紅外接收信號的波形圖：
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圖4.9 紅外接收波形圖
在搞清楚了紅外接收波形的原理以后，下面我們就可以開始設(shè)計本設(shè)計的程序了，圖4.10是本次設(shè)計的軟件流程圖：
該流程圖設(shè)計了P3.7口是否接收到低電平的判斷程序,解碼程序,遙控執(zhí)行程序等主要的軟件模塊。
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圖4.10 軟件流程圖
4.4系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。
4.4.1硬件調(diào)試
在完成了電路板的焊接之后,我們首先要做的是硬件的調(diào)試。我們將電路板通過USB接上電源后，電源的顯示燈亮了，這表示此電路板已通上電了，把電源處的開關(guān)按下之后，指示燈熄滅，這表示此時可以通過電源處的開關(guān)來給電路板供電。
然后分別按下與單片機相連的八個開關(guān)，對應(yīng)的LED燈也都亮了，除了第四個燈沒亮之外。因此我么就用萬用表分別挨著側(cè)了一下與這個LED相關(guān)的器件，發(fā)現(xiàn)是LED接反了，將其接正了之后，此LED就能正常顯示了。由于這個電路比較簡單，在加上我們焊接板子的時候比較仔細，因此在硬件調(diào)試的時候沒有發(fā)現(xiàn)電路板有什么大的錯誤。
4.4.2軟件調(diào)試
Keil C是重要的軟件仿真軟件，對軟件的編寫有著重要的作用。
Keil C51 Vision2集成開發(fā)是Keil Software，Inc/Keil Elektronik GmbH開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺，內(nèi)嵌多種符合當前標準的開發(fā)工具，可以完成從工程建立到、編譯、鏈接、目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程尤其是C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。Keil C51集成開發(fā)環(huán)境的主要功能有以下幾點：
Vision2 for Windows：是一個集成開發(fā)環(huán)境，它將項目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個功能強大的環(huán)境中；
C51國際際準化C交叉編譯器：從C源代碼產(chǎn)生可重定位的目標模塊；
A51宏匯編器：從80C51匯編源代碼產(chǎn)生可重定位的目標模塊；
BL51鏈接器/定位器：組合由C51和A51產(chǎn)生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊；
LIB51庫管理器：從目標模塊生成連接器可以使用的庫文件；
OH51目標文件至HEX格式的轉(zhuǎn)換器，從絕對目標模塊生成Intel Hex文件；
RTX-51實時操作系統(tǒng)：簡化了復雜的實時應(yīng)用軟件項目的設(shè)計。
這個工具套件是為專業(yè)軟件開發(fā)人員設(shè)計的，但任何層次的編程人員都可以使用，并獲得80C51單片機的絕大部分應(yīng)用。
Keil Software提供了一流的80C51系列開發(fā)工具軟件，下面描述每個套件及其內(nèi)容：
�、臥K51專業(yè)開發(fā)套件。PK51專業(yè)開發(fā)套件提供了所有工具，適合專業(yè)開發(fā)人員建立和調(diào)試80C51系列微控制器的復雜嵌入式應(yīng)用程序。專業(yè)開發(fā)套件可針對80C51及其所有派生系列進行配置使用。
�、艱K51開發(fā)套件。DK51開發(fā)套件是PK51的精簡版，它不包括RTX51 Tiny實時操作系統(tǒng)。開發(fā)套件可針對80C51及其所以派生系列進行配置使用。
�、荂A51編譯器套件。如果開發(fā)者只需要一個C編譯器而不需要調(diào)試系統(tǒng)，則CA51編譯器套件就是最好的選擇。CA51編譯器套件只包含Vision2 IDE集成開發(fā)環(huán)境，CA51不提供Vision2調(diào)試器的功能。這個套件包括了要建立嵌入式應(yīng)用的所有工具軟件，可針對80C51及其所有派生系列進行配置使用。
�、華51匯編器套件。A51匯編器套件包括一個匯編器和創(chuàng)建嵌入式應(yīng)用所需要的所有工具。它可針對80C51及其所有派生系列進行配置使用。
�、蒖TX51實時操作系統(tǒng)（FR51）。RTX51實時操作系統(tǒng)是80C51系列微控制器的一個實時內(nèi)核。RTX51 Full提供RTX51 Tiny的所以功能和一些擴展功能，并且包括CAN協(xié)議接口子程序。
一下是用KEIL C 運行本實驗程序的結(jié)果如圖4.11所示：
圖4.11 軟件調(diào)試圖
將用KEILC仿真程序所生成的HEX文件通過串行下載到單片機上之后，通過遙控板的控制，就可以實現(xiàn)此次設(shè)計的功能：按方向鍵的時候，相應(yīng)的LED亮，按檔位鍵的時候，數(shù)碼管分別顯示1、2、3，同時led還要閃爍。
5產(chǎn)品的功能及指標參數(shù)
本次實習產(chǎn)品是紅外遙控小車，小車的功能：
(1)顯示小車的方向，車速，分別用LED燈和數(shù)碼管顯示了其狀態(tài)；
(2)當遙控板按下方向鍵時，相應(yīng)的LED燈會亮，以此表示小車的前行方向；
(3)當按下遙控板的檔位鍵時，數(shù)碼管會分別顯示相應(yīng)的車速1、2、3，同時伴隨著LED燈的閃爍，以此表示小車在變速。
6與體會
通過三周的努力我們設(shè)計出了紅外遙控小車的設(shè)計、制作和調(diào)試的任務(wù)。雖然沒有真正的小車實物，但我們用了數(shù)碼管和LED燈來代替了小車的狀態(tài)，通過遙控板對其進行了控制。
在設(shè)計的過程中用到了單片機，用到了Protel 99se。在Protel的界面中找到單片機芯片，畫出電源電路，復位電路，晶體振蕩電路，LED接口電路連線后實現(xiàn)PCB的轉(zhuǎn)換。做課程設(shè)計是為了讓我們對平時學習的理論知識與實際操作相結(jié)合，在理論和實驗教學基礎(chǔ)上進一步鞏固已學基本理論及應(yīng)用知識并加以綜合提高，學會將知識應(yīng)用于實際的方法，提高分析和解決問題的能力。在做課程設(shè)計的過程中，我深深地感受到了自己所學到知識的有限，明白了只學好課本上的知識是不夠的，要通過和互聯(lián)網(wǎng)等各種渠道來擴充自己的知識。同時我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，只有在充分的分工合作中才可以事半功倍做到最好，所以必須發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的精神。
此次任務(wù)中主要做了下面幾點較突出的工作：
（1）通過查閱大量的相關(guān)資料，詳細了解了紅外遙控系統(tǒng)的原理，明確了研究目標。
�。�2）通過本次畢業(yè)實習進一步加深了對專業(yè)軟件的了解，并能夠靈活運用Protel 99se。
�。�3）通過此次畢業(yè)實習重新復習并進一步學習了單片機；熟練掌握了WORD軟件的使用。
同時此次實習中也存在很多的問題，特別是軟件方面對程序的編寫還比薄弱，編寫出的程序還不能完全實現(xiàn)預期的目標。通過這次設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。有了這次的設(shè)計經(jīng)驗，相信在以后的學習設(shè)計實踐過程中，我們可以做到更好。
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