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序冀岂贡
4 years ago
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1 逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文單晶片自走車 Development of Auto Vehicle Based on Micro Chip 指導教授 : 蘇文彬學生 : 李侃謙楊博翔李欣達中華民國九十一年五月三十日

3 感謝首先我們要感謝我們的指導老師蘇文彬老師, 有耐心的給予我們協助及指導, 讓我們在做這次專題的時候從中學習到了很多相關知識及經驗, 而在做專題途中我們遇到問題時, 老師更是熱心從旁協助鼓勵, 提供詳細資料與方法, 使得我們的專題能順利完成, 在此謹致上最崇高的敬意同時也感謝賴助教的協助, 還有系上老師與學長和同學的幫忙, 使我們得以完成這次的專題, 在此一併致上最深的感激 i

4 中文摘要在現今科技發達, 許多事情都以機械來代替人工而我們實驗的題目, 即是自動控制的一項產物而我們的自走車就是利用 8051 單晶片的程式設計, 來控制直流馬達和光感測器, 做整體的規劃而所謂的感測器和單晶片的知識, 卻是本專題最重要的基本元素而單晶片就是一種擁有完整的硬體架構和週邊設備, 配合指令的輸入, 可以達到我們要求動作的控制器而光感測器是利用光線感測的原理, 來做為單晶片指令的變換和符合動作要求的重要元件所以要完成一台會依條件行走的自走車, 必須事先選取所需的單晶片和感測器外, 還必須注意單晶片和感測器電路間的關係所以這次的專題, 整合了我們大學所學到的知識, 對我們來說, 是很大的進步 ii

5 Abstract In the technological world, many things can be done by machine instead of the man.. and our project is one thing of the product by auto-controlled. Our auto car is designed by 8051 microchip. And 8051 microchip is used to control motor and light sensor. The knowledge of the sensor and microchip is the basic elements of this project. And the microchip is the controller who has completed framework and structure. With entering injunctions, we can finish our order. However light sensor is basic organizer used for changing microchip injunctions and fitting the order moment by the theory which is the body accepting the light or not. To making one auto car which can go by the order not only choice the microchip and sensor previously, but also needs to care the relation between the microchip and sensor circuit. This project is composed of the knowledge which we learn in the school. And it is the very best advancement for us. iii

6 目錄感謝中文摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 iv 圖目錄 vii 表目錄 x 第一章前言研究動機研究目的預期目標第二章 8051 簡介何謂單晶片微處理器 MCS-51 介紹 MCS-51 主要功能單晶片之接腳及功能的記憶體結構中斷結構輸入 / 輸出埠第三章光感測器光感測器介紹 CNY iv

7 3.3 光感測器電路光感測器程式第四章 PWM PWM PWM 電路 PWM 生成圖第五章自走車電路電源電路單晶片 (8051) 電路感測器電路 PWM DC MOTOR 第六章結論附錄自走車程式程式說明 v

8 圖目錄圖晶片之接腳圖記憶體映像圖圖 2.3 內部記憶體映像圖圖 2.4 內部資料 RAM 的空間位置圖 2.5 特殊功能暫存器與記憶體對應關係圖圖 3.1 光感測器 CNY70 內部結構圖 3.2 光反射圖 3.3 光吸收圖 4.1 不同工作週期的 PWM 圖 4.2 PWM 生成方塊圖圖 4.3 PWM 生成圖一圖 4.4 PWM 生成圖二圖 4.5 PWM 生成圖三圖 4.6 PWM 生成圖四圖 5.1 電池裝置圖圖 5.2 電源電路圖圖電路圖圖 5.4 感測器電路圖 5.5 PWM 電路圖 5.6 DC Motor 電路圖 vi

9 表目錄表各版本晶片表 3.1 光感測器狀態程式表表 4.1 PWM 輸出表表 5.1 CNY70 對不同反射介質的感測值表 5.2 自走車所行走狀態時的輸入與輸出的 IC 狀態表 vii

10 第一章前言 1.1 研究動機小時候常常拿著一台遙控汽車, 藉由我們手上的遙控器來操控方向, 和同學在空地中互相較勁長大後, 我發現其實遙控汽車並不只是拿來馳乘, 而是用來在許多人們無法到達的地方, 作為探勘地形或是救援工作等狹小空間, 僅只能讓小型機械到達的地方更因為藉由對 8051 微算機系統的學習, 讓我們想運用所學的知識來設計一台運用 8051 及光感測器等等來做控制的小型機械, 也就是我們所熟知的自走車 1.2 研究目的利用直流馬達的驅動電路, 及感測器的感測電路, 及藉由 8051 程式撰寫, 來模擬自走車整個系統的動作 1.3 預期目標本自走車是使用反射型的光感測器來測試路徑, 所以在剛開始設計時, 希望車子在設定軌道上時, 感測器能正確的感測, 並適時的修正前進的路徑, 進而平順的沿著路徑行走在行進的路徑方面, 可做直線前進和弧形轉彎, 在速度方面, 則可分為高速和低速兩種 - 1 -

11 第二章 8051 簡介 2.1 何謂單晶片微處理器一般計算機系統依其特性可分為可重新程式 (Reprogrammable) 及嵌入( Embedded )系統可程式系統就像一般我們使用的電腦, 含有可儲存的大量記憶體的磁碟機使用者可藉由鍵盤螢幕顯示器等輸出入原件在磁碟機內存放許多不同的程式, 並隨時叫出來使用或加以修改 ; 嵌入系統就像我們本實驗用的單晶片微處理器, 將少量的記憶體及輸出及輸入原件都嵌入一顆晶片內, 一般都將使用的單一程式燒死在裡面, 使其作某一特定工作, 所以單晶片微處理器又叫做微程式控制器由此可知如果我們要設計一個簡單的微電腦系統, 採用單晶片微處理器將是最佳的選擇 [1] 2.2 MCS-51 介紹 MCS-51 是 Intel 公司所設計的 8051 系列單晶片的總名稱 MCS-51 系列單晶片可分為下列 3 種版本 : 1. 晶片內不含程式記憶體( ROMless ) 2. 晶片內含記憶體 ROM 3. 晶片內含程式記憶體 EPROM 而各版本之晶片就如下面表所示 - 2 -

12 表各版本晶片 2.3 MCS-51 主要功能( 1 )專為控制運用所設計的 8 位元 CPU ( 2 )有完整的單位元邏輯運算指令 ( 3 )有 32 條( 4 個 Port )雙向且每條都可以被單獨定址的 I/O ( 4 )內部有 128 Byte 可供讀 / 寫的 RAM ( 5 )內部有兩個 16 位元 Timer/Counter ( 6 )有一個通信用的雙工 UART (串列 I/O ) ( 7 )可接受 5 個中斷源, 且有 2 層優先權的中斷結購 ( 8 )內部有時脈震盪器(最高頻率可到 12 MHz ) ( 9 )內部有 4K 的程式記憶體 ( 10 )可在外部擴充到 64 K 程式記憶體( EPROM ) ( 11 )可在外部擴充 64 K 資料記憶體( RAM ) 單晶片之接腳及功能 - 3 -

13 圖晶片之接腳 1. 腳位 40 VCC (電源正端) : 無論正常( Normal ) 閒置( Idle )及電力下降( Power - 4 -

14 Down )運作期間, 皆由此腳供應電壓( +5V ) 2. 腳位 20 VSS: 電源接地端 3. 腳位 P0.0-P0.7: 此 8 支腳為 MCS-51 第 0 個輸入 / 輸出埠, 簡稱 P0 除了單純做為 I/O 使用外, 如果再 8051 的外面擴充程式記憶體或資料記憶體時,P0 就當作位址匯流排( A0-A7 )和資料匯流排( D0-D7 )多工使用 4. 腳位 1-8 P1.0-P1.7: 此 8 支腳為 MCS-51 第一個輸入 / 輸出埠, 簡稱為 P1 ( 1 ) PORT1 之輸出緩衝能夠吸收或供應 4 個 LS TTL 負載 ( 2 )如果是 8052 時,P1.0 又可當作 Timer2 的外部脈波輸入腳,P1.1 又當作 T2EX, 可當作另一個外部中斷觸發輸入腳 5. 腳位 P2.0-P2.7 此 8 支腳為 MCS-51 第二個輸入 / 輸出埠, 簡稱為 P2 ( 1 )如果 8051 的外部擴充程式記憶體或資料記憶體時,P2 變成 8051 的位址匯流排的高位元組即 A8-A15 ( 2 )如作為輸人埠, 必須先將 1 寫到 P2, 才可以正常作為輸入埠作為輸出埠, 將 1 輸出, 則接腳為高電位, 輸出 0 到 P2, 則接腳為低電位每個接腳可以驅動 4 個 LS TTL 負載 6. 腳位 P3.0-P3.7 此 8 支腳為 MCS-51 第三個輸入 / 輸出埠, 簡稱為 P3 ( 1 ) P3 裡的每支接腳除了可以作為單純的輸出和輸入使用外, 也當作 8051 內部與某些週邊與外界溝通的接腳 ( 2 )例如 : P3.0/RXD(10) 串列通訊的信號接收腳 P3.1/TXD(11) 串列通訊的信號傳送腳 P3.2/INTO(12) 第 0 個外部中斷信號輸入腳 P3.3/INT1(13) 第 1 個外部中斷信號輸入腳 P3.4/T0(14) 第 0 個計時 / 計數器, 外部計數信號輸入腳 P3.5/T1(15) 第 1 個計時 / 計數器, 外部計數信號輸入腳 - 5 -

15 P3.6/WR(16) 對外部資料記憶體的寫入控制信號 P3.7/RD(17) 對外部資料記憶體的讀取控制信號 7. 腳位的重置( Reset )輸入腳, 當這隻腳由外部輸入 High ( +5v )的信號時,8051 就被重置, 而位址從 0000H 開始執行程式 8. 腳位兩支腳上跨接一個 12 MHz 的石英晶體, 內部的震盪器就會產生 12 MHz 的工作頻率, 供內部使用 9. 腳位 29 PSEN 是 Program Store Enable, 程式儲存致能信號它是 8051 用來讀取外部程式記憶體的指令時所用的讀取信號, 通常這支腳是接到 EPROM 的 OE 腳利用 PSEN 和 RD 這兩個腳位分別致能放在外部的 EPROM 與 RAM 10. 腳位 30 這支腳的名稱稱為位址鎖住致能( Address Latch Enable ), 因 MCS-51 的 P0 具有位址和資料匯流的雙工作用, 在讀取外部記憶體的資料或程式碼, 為分辨 P0 上為位址信號線或是資料信號線, 由 ALE 接腳輸出一負緣信號作為辨別 P0 上的位址信號, 此信號一般都接到一閂鎖電路致能腳 11. 腳位 31 這支腳的名稱為外部存取致能( Extrnal Acess Enable )當 EA=0 時 8051 一律執行外部程式記憶體的程式當 EA=+5 時 8051 則是自內部 ROM 或 EPROM 讀取程式執行 [2] 的記憶體結構 8051 的記憶體可以分成 3 塊獨立的記憶體 : 1. 內部加上外部的程式記憶體 (ROM) 共 64K Byte 2. 可在外部擴充 64K byte 的資料記憶體 (RAM) 3. 內部資料記憶體空間 256 Byte 下圖為 8051 的記憶體映像圖 - 6 -

16 圖記憶體映像圖 A. 程式記憶體程式記憶體是存放 8051 所執行的程式碼地方,CPU 會主動到這裡來讀取要執行的指令碼, 因此這塊記憶體的資料只能被 CPU 讀取, 而無法寫入資料 MCS-51 的程式記憶體有內部及外部兩種 : ( 1 )當 EA 接為高電位, 則自內部 0000H 開始讀取程式碼 ; 當超過 0FFFH(4K Byte) 時, 就跳至外部程式記憶體, 讀取程式碼 ( 2 )當 EA 為 Low 電位, 就一定自外部記憶體 0000H, 開始讀取程式記憶體 B. 外部資料記憶體 8051 允許你在外部擴充 64K byte 資料記憶體而定址 64K 資料記憶體空間需要 16 條位址線和 8 條資料線, 而這 16 條位址線跟 8 條資料線與程式記憶體使用相同的匯流排, 然後 8051 以控制匯流排來區分這兩塊不同的記憶體如讀取外部程式記憶體時使用 PSEN, 而讀寫外部資料記憶體使用 RD 和 WR 信號 C. 內部資料記憶體 8051 內部有一塊 128 byte 的位址空間, 這塊空間是存放資料記憶體( RAM ) 和特殊功能暫存器( SFR )的地方如下圖示這塊記憶體的映像圖 - 7 -

17 圖 2.3 內部記憶體映像圖 A. 內部資料 RAM 又可分為三區 : 1. 暫存器庫( Register Banks )由位址 00~1FH 共 32 Bytes 分為 4 組暫存器庫, 每組佔 8 Bytes 各含有 R0~R7 八個暫存器個可位元定址區( Addressable Bits )由資料 RAM 的位址 20H 到 2FH 共 16 個 Bytes 合計 128 位元, 是可以獨立做單位元定址 3. 堆疊區( Stack )堆疊可定址在資料 RAM 的任何位置, 若資料 RAM 未被佔用, 則堆疊最大可達 128 Bytes 容量 - 8 -

18 圖 2.4 內部資料 RAM 的空間位置 B. 特殊功能暫存器包括算術暫存器( A,B,PSW ) 指標暫存器( SP,DPH,DPL )及提供 CPU 和晶片內週邊介面功能的暫存器 - 9 -

19 圖 2.5 特殊功能暫存器與記憶體對應關係圖特殊暫存器也有 128 個可位元定址, 其直接位址由 80H~FFH 共 128 Bytes, 位址能被 8 整除之位置恰好皆屬可位元定址區由上圖看出仍有許多位址空缺著, 而對空缺位址的存取是無效的 [7] 2.6 中斷結構 8051 提供了 5 種中斷來源, 計時器 0(TF0) 計時器 1(TF1) 串列埠中斷 (RI 或 TI) 屬內部中斷,INT0 和 INT1 屬外部中斷,8051 的中斷可藉由特殊功能暫存器中的計時 / 計數控制暫存器 (TCON) 中斷致能暫存器(IE) 中斷優先次年控制暫存器 (IP) 等暫存器來規劃其動作模式 2.7 輸入 / 輸出埠 8051 的 I/O 埠共有 32 位元, 分成 P0 P1 P2 P3 四個 8 位元的 I/O

20 埠, 每一個 I/O 不埠都含有栓鎖與輸出驅動器, 除了 P1 純粹做為輸入與輸出的功能外,P0 還具有擴充外接記憶體或其他週邊資料匯流排和低位元址的功能,P2 有擴充外接記憶體之高位元址的功能,P3 具有中斷要求輸入計數輸入串列埠輸入 / 輸出, 讀寫控制訊號等功能

21 第三章光感測器第三章可以分為以下四部分 1. 光感測器介紹 2.CNY70 內部結構及動作原理 3. 光感測器電路 4. 光感測器程式 3.1 光感測器介紹光感測器為利用光線以檢知受體的一種感測器使用上分為二類 : (1) 反射型 : 光源與感光元件並排放置, 光線是否自壁面反射來判斷壁面的方式 (2) 遮光型 : 光源與感光元件設置相向的位置, 當從光源射往感光元件的光線被遮斷時, 即判斷其間有壁面存在的方式光感測器使用的光大致上有分為可見光及紅外線兩種, 分別稱為可見光感測器及紅外線光感測器可見光的壞處是易受環境的影響, 例如可見光會被黑色吸收使用紅外線的好處是, 其不會受到室內照明的影響, 但由於紅外線無法看見, 很難確認其動作 [3] 3.2 CNY CNY70 內部結構

22 CNY70 的內部結構如圖 3.1 所示, 其中包含紅外線發光二極體, 光電晶體, 以及光濾波器, 其功能分別是 : 圖 3.1 光感測器 CNY70 內部結構 1. 紅外線發光二極體 : 類似發光二極體 (LED) 的功能, 當 PN 兩端加上順向偏壓時可發出波長為 800nm 的紅外線不可見光 2. 光電晶體 : 為一個對紅外線波長具敏感反應的光偵測元件, 當光電晶體受紅外線光照射時為低阻抗, 而未受光時呈現高阻抗 3. 光濾波器 : 唯一僅讓波長為紅外線附近光譜通過的濾光透境, 可用來加強光電晶體的雜抗訊能力 ( 紅外線以外不可見與可見光的干擾 )[4] CNY70 動作原理 CNY70 光感測器, 其光源和感測元件是做在一起, 其動作是光遇到普通地面, 就會反射到感測元件, 如圖 3.2 光遇到黑色膠帶會被吸收, 如圖

23 圖 3.2 光反射圖 3.3 光吸收我們這次自走車使用了三顆光感測器, 其目的在於偵測黑色膠帶的路徑, 提供狀況給 8051 微處理機做判斷其動作原理由 5V 經 220Ω 限流電阻連接 CNY70 的光源 LED 的 A 腳,K 接地當 CNY70 在普通地面上時, 光電晶體接收到反射光,E 腳輸出高電位 ; 在黑色膠帶上時, 沒有接收到光時, 則為低電位 [9] 3.3 光感測器電路由於 CNY70 的 E 接腳在有反射物時為高電位 5V, 而無反射物時則為低電位 0V, 我們便可利用這特性使 CNY70 去感測出信號輸出給 8051 作為輸入但是 CNY70 的 E 接腳的電位也會因為接受到反射光的多寡而有所變化, 無法一直準確的維持 0V 和 5V 的輸出, 所以我們便在後面加了個 74LS14 IC 來使訊號於予反向整型 74LS14 這個 IC 在此電路所扮演的功能是一個反向器, 當 CNY70 E 接腳輸出為 0V 時, 經由 74LS14 便會反向輸出 5V 的穩定電壓, 而若是 E 接腳輸出的電壓大於 0V 時,74LS14 相對的會全部反向輸出 0V 的低電位, 如此 8051 便可以精確地判斷光感測器出來的結果, 進而驅動馬達去作調整 [6][8]

24 而為了調整電路地靈敏度, 我們同時在 E 接腳接了個 SVR 50KΩ 的可變電阻, 目的是在調整電路的靈敏度, 當 SVR 50KΩ 調小時, 流過光電晶體的射極電流 IE 較大, 因此光電晶體較容易飽和, 靈敏度變大 ; 相反地, 當 SVR 50KΩ 調大時, 靈敏度變小, 在實際的應用中, 為求最佳的靈敏度控制, 應在不同的環境下隨時調整 SVR 50KΩ 的大小 3.4 光感測器程式本自走車使用三顆光感測器來判斷黑色膠帶的路徑, 其在設計上只有七種狀態, 如表 3.1 在程式的撰寫上有幾個重點: 1. 判斷中間的光感測器的狀態 2. 判斷左右的光感測器的狀態 3. 三顆光感測器全在普通地板上 4. 三顆光感測器全在黑色膠帶上 5.PWM 馬達控制表 3.1 光感測器狀態程式表光感測器狀態光感測器狀態值程式重點 1. 中間光感測器 High 左邊光感測器 High 3. 右邊光感測器 Low 4. 車子進行小幅度的左轉

25 1. 中間光感測器 High 左邊光感測器 Low 3. 右邊光感測器 High 4. 車子小幅度的右轉 1. 中間光感測器 Low 左邊光感測器 High 3. 右邊光感測器 Low 4. 車子進行大幅度的左轉 1. 中間光感測器 Low 左邊光感測器 Low 3. 右邊光感測器 High 4. 車子進行大幅度的右轉 1. 三顆光感測器全為 Low 車子停止 1. 三顆光感測器全為 Low 車子停止 1. 三顆光感測器全為 High 車子前進 [9]

26 - 17 -

27 第四章 PWM 4.1PWM 用固定頻率而改變工作週期 (Duty Cycle) 的方法, 稱為脈波寬度調變 (Pulse Width Modulation, PWM) 只要先定出頻率, 再調整工作週期從 0-100%, 可使馬達轉速從 0~ 最大轉速 12.5% Duty cyc 25% Duty cyc 50% Duty cyc 圖 4.1 不同工作週期的 PWM 圖 4.1 上的三種脈波寬度相同, 可是時間間隔卻不相同, 因而造成平均值得不同, 分別為 12.5% 倍,25% 倍,50% 倍因此轉速自然會跟著改變, 平均值愈大, 轉速相對的會愈快

28 4.2 PWM 電路 PWM 的生成電路, 我們使用了 D/A IC(DAC 08), 三角波產生 IC (ICL8038), 以及一個比較器 (LM393) 來完成如圖 2 Port Port Port DAC 08 LM393 To Motor ICL8038 圖 4.2 PWM 生成方塊圖 DAC 08 可接收 8 個位元的輸入, 理想狀態下可依輸入的位元而產生不同的電壓值,, 但因為輸出的電壓值很小, 所以使用 741 放大器放大電壓在三角波產生 IC 部分, 可以有 -4~+4 的電壓值之後將這兩個訊號經由 LM393 比較器處裡後, 產生相同頻率, 相同電壓值的 PWM 電路 [11]

29 4.3 PWM 生成圖以下舉例四種不同的輸入訊號與產生的輸出訊號圖 1. 輸入 ; 100% 圖 4.3 PWM 生成圖一 2. 輸入 ; 85% 3. 輸入 ; 60% 圖 4.4 PWM 生成圖二

圖 4.5 PWM 生成圖三 4. 輸入 00111111 ; 25% 圖 4.

30 圖 4.5 PWM 生成圖三 4. 輸入 ; 25% 圖 4.6 PWM 生成圖四經過 PWM 電路轉換後的訊號, 輸入給直流馬達, 可產生不同的轉速將這些訊號的平均功率求出後再對照馬達的轉速, 的確是如同當初的預期, 達到我們所需要的轉速以下是自走車各種行走狀態的 PWM 輸出表

31 表 4.1 PWM 輸出表左馬達右馬達直走 (100%) (100%) 右轉 (85%) (50%) 右轉 (60%) (25%) 左轉 (50%) (85%) 左轉 (25%) (60%) 停止 (0%) (0%)

32 第五章自走車電路由以上的設計構想, 自走車電路可分為以下四大部分 : 1. 電源電路 2. 單晶片 (8051) 電路 3. 感測器電路 4. PWM 電路 5. DC Motor 電路 5.1 電源電路電源需求因為各個 IC 所需求的電壓有 -12V,0V,+5V,+12V, 且此次有 D/A 訊號, 因此所需求的電壓需精準且穩定, 所以設計了一個穩壓電源電路我們使用 MC7805 提供 +5V,MC7812 提供 +12V,MC7912 提供 -12V 另外在馬達電源部分, 因為所需求的電流量較大, 其反電動勢會影響到 IC 的工作, 因此另外提供 +12V 的電源電源電路圖 0V +18V -18V 圖 5.1 電池裝置圖

33 +18V D U2 MC7812T Vin GND +12V 3 R2 1K +12V 2 C8 0.1uF + C4 1000uF/25V + C6 1000uF/25V C11 0.1uF D4 LED +9V D U3 MC7805T Vin GND +5V 3 R3 1K +5V 2 C9 0.1uF + C14 220uF/16V + C15 220uF/16V C12 0.1uF D5 LED R4 1K -18V D C10 0.1uF + C5 1000uF/25V 2 Vin 1 GND U4 MC7912T -12V 3 + C7 1000uF/25V C13 0.1uF D6 LED -12V 圖 5.2 電源電路圖電源電路圖說明 7805 的輸入電源至少供給 +8V,7812 為 +15,7912 為 -12V, 如此才能提供穩定的電壓我們串接了 4 顆 9V 的電池, 若將中間的連接線拉出視為接地, 則正端為 +18V, 負端為 -18V in out 腳位上的 0.1uF 電容器是為了減少燥音與可能感染的高頻雜訊,Film( 薄膜電容 ) Multi-Layer( 層積電容 ) 等大部份高頻響應良好的都可以使用因為通過的電流量較大, 所以在 7812/7805/7912 上加上散熱片, 防止溫度過高而損壞 IC [10]

34 5.2 單晶片 (8051) 電路電路 S1 +5V RESET C3 10u J RM J LM C1 20P C2 Y1 +5V VCC 40 U1 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 13 INT1 12 INT0 15 T1 14 T0 31 EA/VP 12MHz 19 X1 18 X2 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P J3 CON5 D LED D8 LED D9 LED R5 1K R6 1K R7 1K +5V R1 10K 20P 9 RESET GND RD WR 8051 RXD 10 TXD ALE/P PSEN 圖電路圖電路說明自走車的感測器有 5 個, 馬達 2 個因此需要 5 組訊號輸入, 兩對各三組的訊號輸出給 PWM 電路產生電路我們選用 P0 輸入,P1 輸出另外在程式的撰寫部分, 沒有超過 8051 內部程式記憶體的容量, 因此在 31 跟接腳接 +5V, 表示選用 8051 的內部記憶體來存放程式另外在 P2 有 3 組 LED 燈, 表示感測器的動作另外還有外加石英震盪器 Reset 電路 5.3 感測器電路感測器電路

35 R1 220 U1 CNY70 R2 10K U R1 220 U1 CNY70 R2 10K U R4 1K R5 1K -12 R3 10K R1 220 U1 CNY70 R2 10K R4 1K 3 2 R5 1K 7-12 R3 4 1 U K JP HEADER 7X2 +5 J CON R1 220 U1 CNY70 R2 10K U R1 220 U1 CNY70 R2 10K R4 1K R5 1K -12 R3 10K 7 U R4 1K R5 1K R3 10K R4 1K R5 1K R3 10K 圖 5.4 感測器電路感測器電路說明我們使用 CNY70 光感測器, 他必須有 +5V 的輸入, 並且有 220Ω 限流電阻防止電流過大損壞紅外線發射器在輸出部分, 經由測試後, 有感應與沒有感應的狀態下所測量的電壓值, 會因為反射的物質與距離而有所差異如下表一表 5.1 CNY70 對不同反射介質的感測值反射介質黑紙白紙銀紙鏡子距離 0CM 0.1V 0.8V 1.7V 2.2V

36 0.4CM 0.1V 0.5V 1.5V 2.2V 0.8CM 0.0V 0.3V 1.4V 1.9V 1.2CM 0.0V 0.1V 1.0V 1.5V 1.6CM 0.0V 0.0V 0.5V 0.8V 2.0CM 0.0V 0.0V 0.1V 0.2V 2.4CM 0.0V 0.0V 0.1V 0.2V CNY70 感應出來的訊號為類比式的, 不能直接輸入給 8051 單晶片, 因此需透過 74LS14 來進行類比 - 數位轉換 74LS14 為一反向器, 當輸入大於 1.5V 時, 他便會輸出 0V; 輸入小於 1.3V 時, 輸出為 5V 但由以上感測器的輸出結果, 無法給 74LS14 坐判斷, 因此在感測器與 74LS14 間, 加入一個 741 放大器, 將感測器的訊號放大 10 倍後, 電壓值便會大於 74LS14 的輸入需求, 而產生反向的動作

37 5.4 PWM PWM 電路 +5V R1 R2 R3 5.1k 5.1k 5.1k U1 MC1408 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 GND 2 Vcc OUTPUT Vee RANGE COMP Vrf(+) Vrf(-) R4 12K R5 12K -12V C3 0.01u +12V +12V 7 U LM741-12V C V R7 10K RD1 100K +12V 13 C1 0.1u C2 0.1u RA1 10K 33p R6 7.9K -12V C5 R10 15K.0033U R11 100K U4 Q3C Q3E Q4B Q3B Q4E Q2C Q4C Q2B Q5B E Q5E Q1B Q5C Q1C ICL R8 4.7K R9 4.7K RB? +12V +12V R K U3A LM393 D1 OUT 1k 4 4.2V -12V 圖 5.5 PWM 電路 PWM 電路說明 ICL8038 可產生 +4V~-4V 的三角波,RB 是負責調整三角波的波峰位置 DAC 08 有 8 位元輸入, 當輸入 An 時,DAC 08 會將輸出電壓乘以 1/( A n ) 之後再輸出, 其輸出電壓的數學式為 8 1 Vo= Vi 1 2 n n=

38 以下是自走車所行走狀態時的輸入與輸出的 IC 狀態表表 5.2 自走車所行走狀態時的輸入與輸出的 IC 狀態表輸入輸出輸出電壓 % Vin % Vin % Vin % Vin % Vin % Vin % Vin % Vin 之後將 DAC 08 的訊號放大到與三角波產生器相同的電壓值, 輸入到 LM393 比較, 兩個訊號相截, 會產生相同頻率的方波這些方波有相同的電壓, 但會因為輸入給 DAC 08 的不同位元, 而有不同的工作週期這些不同工作週期的方波的平均功率, 傳給馬達後, 會有不同轉速的出現

39 5.5 DC MOTOR DC MOTOR 電路圖 +12V +5V R1 10K Q MG1 + DC MOTOR A - D1 DIODE4001 Port R2 1K Q 圖 5.6 DC Motor 電路圖 DC Motor 電路說明此次我們選用的馬達為 DC Motor, 在全速運轉下, 需要 +12V,15mA, 電流量還算小, 因此不必選用大電流用的電晶體控制馬達的訊號由 LM393 生成後, 因為電流量無法供應 DC Motor 作動, 所以使用 9013 先放大一次電流, 之後再使用 1815 再放大一次電流二極體是為了防止馬達再斷電後產生的瞬間反電動勢, 用來保護馬達用

40 第六章結論在製作這次專題的過程中, 我們遭遇到大大小小許多問題, 我們做的步驟首先是先做感測器的部分, 我們按照參考書籍上接了光感測器的電路, 發覺我們光感測器的輸出電壓始終沒有辦法達到我們想要的理想值, 漁市我們便接了一個 OP 來放大感測器的輸出電壓, 這樣 74Ls14 便可以正常地做出整型反向的數位信號而我們接著是做 PWM 的實驗, 我們首先遇到的問題是我們用來模擬 8051 訊號的指撥開關一直沒有作用, 經檢查之後, 才發覺我們原來沒有在指撥開關那邊加上提升電阻, 導致沒有辦法正常作用我們加上了提升電阻之後, 經由 LM393 和三角波產生器所產生的波型去做比較之後,PWM 電路終於順利完成接下來我們遇到的問題即是在我們在洗出電路板之後, 發現了我們的光感測電路板的部分似乎電路方面出了問題, 於是我們便再做了一片洞洞板來補齊光感測的部分我們在正式將光感測器 PWM 電路以及 8051 電路組合完成後, 我們發覺每每只要將光感測器電路板所產生的信號輸出至 8051 後, 我們所做的穩壓 IC 便沒有辦法提供穩定的 5V 的電壓, 經過多次測試後, 在我們把電池在串接加大電壓後, 便可以正常了我們在實際上測試自走車的時候, 發現我們的初速度太快了, 導致常常跑出軌道, 於是我們便把程式內容馬達的初速給調低, 這樣便有效的改善了出軌的問題, 但是由於我們光感測器只有三個, 並不夠多, 所以再遇到角度比較大的轉彎的時候, 還是有出軌的疑慮

41 總而言之, 我們在這次的專題中, 雖然表面上只有幾組主要的電路, 但是實際上我們所學到的絕對不止這些, 而這些真的是沒有真的去動手做是很難發現的, 我們還學會了去用畫電路的程式 Protel 來用電腦來畫出我們想要的電路總之, 我們再做了這次專題之後, 使我們知道, 許多事情, 真的要實際去動手去做, 光是書本上的理論值, 還是不夠的, 還要有實際上去動手做的精神, 這樣除了會發現許多書本上面沒有辦法發現的問題及和知識, 在實際上做出成功之後, 所獲得的成就, 也是書本上得不到的

42 參考文獻 [1] 鄧錦城編著,8051 單晶片專題製作, 宏友圖書開發股份有限公司, 1999 [2] 鄧錦城編著,8051 單晶片實作寶典, 益眾資訊有限公司,1999 [3] 鍾富昭編著,8051/8052 與週邊 IC 元件控制原理分析及產品實務設計, 富茂資訊研習中心 [4] 劉銘忠林琮烈編著, 單晶片原理與 I/O 應用, 儒林圖書公司,1997 [5] 林世昌林純民編著, 微電腦控制, 允成科技有限公司,1994 [6] 游金湖編著, 感測器應用電路 101, 建興出版社,1992 [7] 吳一農編著, 單晶片 8051 實務, 松崗電腦圖書資料股份有限公司 [8] 徐照夫編著, 感測器應用電路, 文笙書局,1995 [9] 羅煥茂編著, 感測器, 電子技術出版社,1995 [10] 黑傑克編著,Protel Schematic 99 電路設計快易通 [11] 陳文耀編著, 電動機控制工程, 復文書局,1995 [12] 謝澄漢編著,8051 單晶片原理與實習, 宏友圖書公司,

43 附錄自走車程式 1 ORG 0H 2 JMP MAIN 3 ORG 50H 4 MAIN: 5 MOV P1,# B 6 MOV P2,# B 7 MOV R5,#100 8 CALL DELAY 9 START: 10 MOV A,P0 11 MOV P2,A 12 ANL A,#7 13 CJNE A,#0,RIGHT1 ; MOV P1,# B 15 JMP START 16 RIGHT1: 17 CJNE A,#1,LEFT1 ; MOV P1,# B 19 JMP START 20 LEFT1: 21 CJNE A,#4,RIGHT2 ; MOV P1,# B 23 JMP START

44 24 RIGHT2: 25 CJNE A,#3,LEFT2 ; MOV P1,# B 27 JMP START 28 LEFT2: 29 CJNE A,#6,STOP ; MOV P1,# B 31 JMP START 32 STOP: 33 CJNE A,#7,START ; MOV P1,# B 35 JMP START 36 DELAY: 37 MOV R6,# $1 39 MOV R7,# DJNZ R7,$ 41 DJNZ R6,$1 42 DJNZ R5,DELAY 43 RET 44 END

45 程式說明 : 1~3 行 : 為程式一開始的宣告 5~6 行 : 將 P1 和 P2 的輸出皆為行 : 將 8051 的 P0 偵測到的值丟到暫存器 A 11 行 : 將暫存器 A 的值輸出至 P2 12 行 : 取出暫存器 A 的最後三個位元 13 行 : 將暫存器 A 的值和 0 去比較, 若不相同則跳躍至 RIGHT1 14 行 :P1 輸出前兩位元無作用, 後六位元為左馬達和又馬達的驅動 15 行 : 跳至 START 17 行 : 將暫存器 A 的值和 1 去比較, 若不相同則跳躍至 LEFT1 18 行 :P1 輸出行 : 跳至 START 21 行 : 將暫存器 A 的值和 4 去比較, 若不相同則跳躍至 RIGHT2 22 行 :P1 輸出行 : 跳至 START 25 行 : LEFT2 26 行 :P1 輸出行 : 跳至 START 29 行 : STOP 30 行 :P1 輸出行 : 跳至 START 33 行 : 將暫存器 A 的值和 7 去比較, 若不相同則跳躍至 START

46 34 行 : 將 P1 輸出行 : 跳至 START 36~42 行 :DELAY 副程式

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逢甲大學論車 Auto Vehicle 立老磊年老立老了見老了不料利了識更了力量! i 車. 車利 89c51 來流. 令. 車 8051 類車利車 ii Abstract The goal of this thesis is to design a small auto vehicle by using IC as its control center. Our auto