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1、目 录摘 要ABSTRACT第1章 绪论11.1 课题在理论和实际应用方面的意义11.2 主要研究内容和任务要求11.2.1 研究内容11.2.2 任务要求21.3 电动货物搬运车的发展及趋势31.3.1 国内电动货物搬运车的发展31.3.2 国外电动货物搬运车的研究现状41.4 本章小结4第2章 系统的总体方案52.1 运货场地总体设计52.2方案设计与论证52.2.1 控制器模块设计与论证52.2.2 电源模块设计与论证62.2.3 电机模块设计与论证62.2.4 电机驱动模块设计与论证72.2.5 路面情况检测模块的设计与论证72.2.6 光源检测模块的设计与论证82.2.7 金属探测模
2、块的设计与论证82.2.8 最终方案确定82.3 本章小结9第3章 硬件电路设计103.1 微控制器模块电路的设计103.1.1 单片机的设计103.1.2 时钟电路133.1.3 复位电路133.2 电机模块及其驱动模块电路的设计153.2.1电机模块153.2.2 驱动电路模块153.3 检停红外对管及其电压比较电路的设计163.4 判断金属颜色红外对管电路的设计193.5 金属检测模块电路的设计203.6 光源检测模块电路的设计213.7 蜂鸣器的设计223.8 本章小节23第4章 系统的软件设计244.1 系统软件介绍244.2 软件算法和程序流程244.2.1 主程序流程图244.2
3、.2 主单片机中断系统流程图264.2.3电机控制流程264.3 本章小结27第5章 系统测试285.1 测试所用仪器285.2 测试方法285.2.1硬件测试285.2.2 系统整体调试295.3 测试数据295.4 误差分析30结 论31致 谢32参考文献33附 录134附 录235摘 要进入21世纪，随着科技发展的日新月异，电动控制越来越成为一种不可忽视的动态量，在机械领域扮演了不容忽视的角色。本电动货物搬运车系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为控制核心进行控制，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，对智能小车的检测和控制，实现小车判断货物颜色、选择正确的行进路线、搬运
4、货物时间等功能。这次设计实现的自动搬货电动小车的控制系统由单片机微型控制系统模块、数据采集模块、电机驱动模块、计时显示模块等组成。单片机微型控制系统模块负责对采集的信息进行处理，并通过程序完成复杂的控制；电机驱动模块主要根据单片机传入的信号控制小车的运动；计时显示模块则显示相应的时间。货物颜色判断采用颜色识别传感器。驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向PWM控制。电源采用双电源分别为电机和控制系统供电，提高了系统的稳定性。小车检停和判断金属颜色传感器采用红外对管（红外发光管和红外接收管），光源检测采用光敏电阻和光敏三极管做成组合光敏探测器，增强了检测光源的灵敏性。采用电感式金属传感器进行金
5、属探测，并用蜂鸣器进行声音提示全过程各环节采用LCD液晶显示。通过TLC1543AD转换器识别三种颜色的货物，并将货物送到指定的库中,在每次货物搬运中，每搬完一件货物，记录所搬运的时间。关键词 AT89C51单片机；控制；传感器；AD转换器ABSTRACTInto the 21st century,with the rapid technological development, the electric control has increasingly become a dynamic amount can not be ignored, played a role can not be i
6、gnored in the mechanical field. The electric cargo van system ATMEL AT89C51 microcontroller for the control of the core control, compatible with industry-standard MCS-51 instruction set and output pins, detection and control of the smart car, car the judgment goods color, select the correct the rout
7、e, portering time.The design and implementation of automatic move cargo electric car control system by a single-chip micro-control system modules, data acquisition module, motor driver module, timing display module. The single-chip micro-control system module is responsible for processing the collec
8、ted information, and complex control process is complete; motor drive module is mainly based on the incoming signal of the microcontroller to control the car movement; timing display module to display the appropriate time. The color of goods to judge color recognition sensors. The drive motor DC mot
9、or, motor control for a one-way PWM control. The power supply dual power motor and control system power supply, improve the stability of the system. Car inspection stop and judgment of the metal color sensor uses infrared tube (infrared LED and infrared receiver), the light detected by the photoresi
10、stor made of the combination of sensitive detector and phototransistor, and enhance the sensitivity of the detection light source. Inductive metal sensors for metal detection, prompt the whole process with LCD display and use the buzzer sound. TLC1543AD conversion device to identify the three colors
11、 of the goods, and goods sent to the specified library, in each cargo handling, sore from a cargo handling record time.Key words AT89C51 microcontroller; control; sensor; AD conversion第1章 绪论1.1 课题在理论和实际应用方面的意义随着室内物流技术的发展，电动货物搬运车这种集机械与电子技术于一体的工业产品迅速得到广泛应用。国内外众多知名搬运车生产企业均已开发出全系列产品。作为电动物料搬运车控制系统的重要组成部分
12、，转向系统性能的优劣直接影响到车辆行驶的安全性、操纵的稳定性和驾驶的舒适性。电动货物搬运车主要有高品质电控系统反应灵敏，操控自如，重型设计，结构紧凑，适用于狭小空间等优点。目前同类产品在市场的状况良好，价位合理，市场竞争非常激烈，客户需求量在逐年增加，因此，电动货物搬运车的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高市场价值的。这种电动系列产品以双电源供电为动力，直流电机驱动，提高了效率，节约了时间，节省了资源，很快得到市场认可。在自动化领域中，许多复杂性操作或对人体有害的工作都由机器自动完成。为了实现这些工作，就要求机器具有一定的智能性。本系统以模型车来模拟现实中的智能搬运车，它可以在特定区域内自
13、行寻找要搬运的货物，并按货物种类放到不同的存储区；另外小车还能在指示灯的牵引下，将货物运输到指定的储存区。由于工业现场中大多数恶劣环境和危险环境中仍采用人工的操作方式，也促使我们对智能搬运车的研究和开发。现在的智能搬运车车已在许多部门得到广泛应用。例如焊接、喷漆、检测、医疗应用等。另外，智能搬运车的自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量，尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径。1.2 主要研究内容和任务要求1.2.1 研究内容电动货物搬运车是一个运用计算机、传感、信息、
14、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用，随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。计算机控制与电子技术融合为电子设备智能化开辟了广阔前景。本设计是基于对智能电动货物搬运车控制系统设计，运用AT89C51、L293、AD转换器等实现功能与控制。本设计只要研究在运用计算机控制条件下，采用最基本的汇编语言编写控制程序，采用AT89C51单片机模块来实现机电控制，同时准确运用L293D来实现高低电压控制直流电机。1.2.2 任务要求设计并制作一个电动货物搬运车，
15、该装置能够根据设计要求完成指定物件的搬运任务。指定物件结构及搬运场地参考示意图如图1-1：黄色红色绿色仓库A仓库C仓库B物件搬运距离1m电动货物搬运车 图1-1 搬运场地参考示意图（1） 有红色、绿色、黄色三种物件需要进行搬运。要求在2分钟之内将红色物件搬运到仓库A，将绿色物件搬运到仓库B，将黄色物件搬运到仓库C，在搬运过程中不允许有人工干预；（2）电动货物搬运车在搬运物件时应显示各物件的搬运时间，总的搬运时间；（3）具有运行状态的声、光报讯功能。（4）能把测试人员指定的被搬运物件搬运到指定的仓库号内；设计要求：（1） 提出合理的方案；（2） 利用MCS-51芯片为主控芯片，绘制直流电机控制原
16、理图； （3） 设计键盘及显示电路，编写软件，调整所设计系统能按精度要求实现功能。1.3 电动货物搬运车的发展及趋势现在的智能电动搬运车是指以蓄电池-电动为动力的搬运、仓储和装卸的车辆，它包括了电动平衡重乘驾式叉车、电动乘驾式仓储叉车、电动步行式仓储叉车等。它广泛使用车站和各行业的车间、库房（包括冷库）、超市及生产线上，也可无人驾驶到人员不能接近的场合工作。随着智能电动应用领域和范围的日益广泛，电动货物搬运车的研究与应用正在市场中逐渐占有一席之地,并在日渐成熟中占有巨大的市场前景。电动搬运车的特点：1、车身小、自重轻，能在狭小的通道内作业，能满载进入电梯，并能在轻载荷楼面作业。2、所有控制部件
17、均集中在手把端部，操作简单，无需专业驾驶。3、采用高效直流牵引电动机，牵引力大，步行速度行走，能承受繁重的物料搬运。1.3.1 国内电动货物搬运车的发展目前国内的电动车主要用于观光载客、搬运货物之用，电动观光车的主要用途是在公园、景区、休闲度假村、大学、医院、高尔夫球场、房地产公司等场所用作载客，电动搬运车的主要用途是在工厂、港口码头、物流库房等。电瓶车使用寿命一般为8至12年，其电池使用寿命一般为1-4年（视使用维护情况）。电动车发展历史：源于19世纪80年代，用作私人轿车、载重卡车和城市公共交通车。电瓶车的低速度、充电里程有限并不是缺点，而其无噪音、维修费低使其得以普及。1920年之前，电
18、瓶车一直在和汽油车竞争，后来电瓶车开始减少，因为电动启动器使汽油动力车变得更具吸引力，加上大量生产使汽油车成本降低。在欧洲，电动车一直被用作短程货运车。从70年代开始，各国又重新对电动车产生兴趣，尤其是受到不应依赖外国石油和环境问题影响，导致一再改进电瓶车速度和行驶距离。我国电动工业车辆虽然起步于一九五二年，但发展速度远落后于其他发达国家，当时的归口管理和三电（蓄电池、电机、电控）的落后，制约了电动工业车辆的发展。改革开放以来，由于生产过程的不断自动化，对物料搬运为断提出新的要求，搬运从主要用于露天作业场合，逐渐向仓库、车间及生产线上扩展。在进入室内和半室内作业较露天情况复杂，除无污染和低噪音
19、需求外，还有通道的宽窄，较小的转弯半径，门限、货架的高度、进入电梯、地面楼板的承载重量、低温、防爆和个别场合人员不能进入等约束条件，这些都是一般搬运车难以实现的，而以蓄电池-电机为主的只能电动工业车辆就比较容易满足这些复杂的条件，随着电动、蓄电池及充电装置质量的提高，电控技术的飞快发展，工业车辆行业整体技术水平的进步，使电动工业车辆的舒适性和可靠性大大提高，作业效率明显提高，而维修费用大大降低。在电动车共性关键技术上，建立我国电动车整车的网络、总成及通讯协议规程，开发电动车基本车辆控制器模块，发展带有电子管理系统的高性能动力蓄电池组和具有数字控制系统的电机驱动系统，形成我国电动车零部件工业基础
20、。1.3.2 国外电动货物搬运车的研究现状工业车辆是物流业基本和重要的设备，物流离不开装卸和运输，所以说电动搬运车行业的发展也促进物流业的进步，物流业的发展，也促进工业车辆行业品种规格的增加和质量的提高。二十一世纪的发展，可谓是“呼唤绿色环保”的时代，不但要求人们注重节约能源，更重要的是要求人们更加注重居住环境和绿色环保，以实现社会的可持续发展。电动车是目前世界上唯一能达到零排放的机动车。由于环保的要求，加之新材料和新技术的发展，电动车进入了快速发展期。2010年和2011年上半年工业车辆产品销售全面较大幅度的增长，引起国内外同行们的兴趣，都在做短期和近期的规划，以各种方式来研讨分析电动工业搬
21、运车辆的市场，它必将引起新世纪国内外工业车辆产品在中国市场的激烈竞争。所以世界其他国家工业车辆行业已经做好充分准备，认真按其产品研究国内外的技术和市场，研究WTO的有关条文，使企业在竞争中定位正确并形成自己的特色，同时有实力的企业应走出国门，参加到世界经济的大循环中。 1.4 本章小结本课题是大学生电子设计竞赛的题目，大学生电子设计竞赛志在增加学生的动手实践能力。电子大赛作为大学生群众性科技活动，在着重基础注重前沿的前提下，互相切磋所学，培养大学生的自主创新能力，着重锻炼团队间互帮互助，团结进取，培养发现问题，处理问题的能力。本课题研究的目的是按规定实现货物的搬运，并能正确数字显示。通过设计培
22、养学生掌握专业基础知识和独立解决问题的能力。本章主要介绍了课题在理论和研究方面的意义，以及本设计主要的研究内容，并总结了现今国内外电动货物搬运车的发展状况及趋势。 第2章 系统的总体方案2.1 运货场地总体设计 运货车场地主要由三部分组成：货物、库房和椭圆形的寻迹轨道。首先货物搬运车使用车头的两对光电管来检测黑线，使小车沿黑线行驶，然后将货物和库房分别放在黑线的两边，其距离为1米，这样小车当小车行驶一周之后，将路过所有的货物和库房，检测货物和库房的传感器会将指定的货物放到指定的库房中，完成预订的功能。场地示意图如图2-1：红物A库B库绿物C库黄物 铁片图2-1 场地示意图铁片图2-1 场地示意
23、图2.2方案设计与论证根据设计要求，本系统主要由控制器、电源、 直流电机、传感器等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.2.1 控制器模块设计与论证 小车控制单元的选择，此部分是整个小车的大脑，是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。通常选用单片机作为小车的核心控制单元。方案一：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片
24、机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻光运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案二：采用ATMEL公司生产的AT89C51型单片机作为我们的控制单元因为该型单片机价格便宜，功能比较强大，性价比高，而且在市场上很容易买到。AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器、该器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储
25、技术制造、兼容标准MCS-51指令系统及89C51引脚结构。片内集成了通用的8位CPU和ISP Flash为存储单元，可为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高性价比的解决方案。最重要的是AT89C51为C51系列单片机技术成熟，可靠性高，而且容易查找资料，因此我们采用AT89C51单片机。如上所述，考虑到技术的成熟性，我们采用方案二。2.2.2 电源模块设计与论证由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。方案一： 采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的
26、干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案二：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但我们的车体设计时留出了足够的空间。重要的是蓄电池的价格比较低又可以反复使用。方案三：采用双电源供电。用两个电源分别给控制系统和电机系统供电，将两个系统完全隔离，将电机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。因此我们选择了此方案。如上所述，考虑到系统的稳定性，我们采用方案三。2.2.3 电机模块设计与论证本系统为智能电动车，对于电动车
27、来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。我们综合考虑了以下几种方案。方案一：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，而且步进电机控制相对复杂。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案二：采用直流电机。直流电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。而且具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁快速启动、制动和反转。能够较好的满
28、足系统的要求，而且直流电机控制起来相对容易，因此我们选择了此方案。如上所述，考虑到简单易行，我们采用方案二。2.2.4 电机驱动模块设计与论证方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电机的分压，实现调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现困难。方案二：采用继电器对电机的开或关进行控制，通过控制继电器通断时间和开关切换速度实现对小车的速度进行控制。继电器控制电机可能存在响应时间慢的问题但搭建电路却很复杂，而且对电路要求极高，实现难度很大。方案三：采用由达林顿管组成的H型PW
29、M电路。此电路由四个大功率晶体管组成H桥电路，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，根据调整输入控制脉冲的占空比，达到调整电机的目的。我们选择了L293D驱动芯片，这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。如上所述，考虑到容易实现问题，我们采用方案三。2.2.5 路面情况检测模块的设计与论证路面检测的基本原理是：光线照射到路面并反射，由于黑色材料和白色材料的反射系数不同，所以可以根据接收到的反射光的强弱来判断路面颜色。我们考虑了以下几种方案。方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。
30、当发光二极管发出的可见光照射到黑带时，光线被黑带吸收，光敏二极管为检测到信号，呈高阻抗，使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到地面时，它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到，其阻抗迅速降低，此时输出端为高电平。但是由于光敏二极管受环境中可见光影响较大，电路的稳定性很差。方案二：用市面上通用的发射管及接收头（红外发射管和红外接收管）自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出高电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出低电平。这样自己制作组装的寻迹传感器虽然容易受外界光线的影响，
31、但基本能够满足要求，在实际应用中也有比较好的效果，因此我们采用了这个方案。如上所述，考虑到系统的可靠性，我们采用方案二。2.2.6 光源检测模块的设计与论证此模块为本设计的核心方案，是小车实现各部分功能的关键。方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。采用多路电压比较的方式组成多各检测支路，控制小车的前进方向。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。方案二：用光敏三极管做光敏探测器。光敏三极管把光信号转化为相应的电信号经AD转化为数字信号送入单片机处理，单片机根据各路信号大小比较的结果，从而判断各个方向光
32、线的强弱，进而调整车的前进方向。此方案技术成熟，精度高。方案三：用光敏电阻和光敏三极管做成组合光敏探测器。我们把光敏电阻的判断结果和光敏三极管的判断结果综合处理，这样发挥了光敏电阻和光敏三极管的各自优势，对彼此的缺点进行了互补。对光源的判断更加精确、可靠。如上所述，考虑到系统的可靠性，我们采用方案三。2.2.7 金属探测模块的设计与论证方案一：用霍尔传感器进行金属探测。但该方案受到磁钢的磁力大小以及铁片的大小的影响，易导致误触发，而且探测距离太短，效果不好。方案二：用电感式金属传感器进行金属探测。该传感器灵敏度较高，不易受到外界的震动的干扰。此方案稳定、可靠。如上所述，考虑到系统的可靠性，我们
33、采用方案二。2.2.8 最终方案确定经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1）控制模块采用AT89C51单片机进行控制（2）电机模块采用直流电机驱动小车及转向（3）电机驱动采用L293D芯片（4）电源模块采用双电源分别为电机和控制系统供电（5）小车检停控制器模块和判断金属颜色模块采用红外对管作为传感器（6）光源检测模块采用光敏电阻和光敏三极管做成组合光敏探测器。（7）金属探测模块采用电感式金属传感器进行金属探测2.3 本章小结电动货物搬运车设计涉及控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等专业领域。在这次设计中，我对各个模块都进行了一些研究。从电源、驱动电机、传感器到显示电路
34、等。整个设计没有采用过于复杂的检测方法或控制算法，这样不但能保证系统的可靠性、稳定性与快速性，而且节省了成本与工作量还保证了测速系统的简单可靠。本章主要是对系统总体方案的确定，经过对各个模块的论证，在起初选择模块的时候，都感觉到困难，不知道哪个模块利用率更大些，最后经过不停地研究和论证，我们最终得出了系统的总体方案，并根据总体方案的设计，画出了系统的总体框图如图2-2：AT89C51单片机LCD显示电源转向控制前轮电机驱动控制后轮电机检停控制模块判断颜色模块光源检测模块金属探测模块电源蜂鸣器图2-2 系统的总体框图第3章 硬件电路设计3.1 微控制器模块电路的设计3.1.1 单片机的设计AT8
35、9C51单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。 由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在
36、单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。 诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C5
37、1单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。由上可见，AT89C51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
38、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，这是MCS-51单片机在设计的精美之处。图3-1为AT89C51的引脚图：图3-1 AT89C51引脚图AT89C51引脚功能介绍：VCC：供电电压。GND：接地。P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个引脚脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口
39、，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口
40、输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1TXD（串行输出口）；P3.2 /INT0（外部中断0）；P3.3 /INT1（外部中断1）；P3.4 T0（记时器0外部输入）；P3.5 T1（记时器1外部输入）；P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）；P3.7
41、 /RD（外部数据存储器读选通）；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被
42、略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.1.2 时
43、钟电路AT89C51单片机各功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊、一拍一拍地工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 AT89C51有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器。振荡器产生的时钟频率主要由晶振参数确定（晶振上标明的频率）。电容C
44、1和C2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用（C1、C2大，f变小），其典型值为30pF。图3-2为单片机的时钟电路： 图3-2 时钟电路3.1.3 复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施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。为保证系统可靠复位，在初始化程序中应安排一定的复位延迟时间。图3-3为单片机的复位电路：图3-3 单片机复位电路RS
45、T变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运转。AT89C51单片机的时钟和复位电路如图3-4：图3-4 单片机的时钟、复位电路3.2 电机模块及其驱动模块电路的设计3.2.1电机模块直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电机。直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。 根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。 （1）他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供 电的直流电机称为他励直流电机，永磁直流电机也可看作他励直流电机。 （2）并励直流电机
46、并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。 （3）串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。 （4）复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励
47、式。直流电动机的一些特点：（1）调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 （2）起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机。3.2.2 驱动电路模块电机驱动主要由芯片L293D构成，该芯片可以同时控制两个电机。它有两个使能端E1和E2分别控制整个芯片两部分是否工作。IN1 、IN2、 IN3、 IN4分别在使能端为高电平时控制OUT1、 OUT2、 OUT3 和OUT4是否输出高电平
