基于單片機的簡易智能電動小車設計畢業(yè)設計

目錄第一部分設計任務與調(diào)研 1第二部分設計說明 2第三部分設計成果 8第四部分結束語 26第五部分致謝 27第六部分參考文獻 28AT89C51L1602顯示聲光指示復位電路直流電機復位電路圖2-1系統(tǒng)原理圖2.智能車方案選擇2.1電機驅動方案方案1：采用繼電器對電機得開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行調(diào)試，此方案優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、易損壞、壽命較短，可靠性不高。因此放棄此方案。方案2：采用專用芯片L298作為電機驅動芯片。L298是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，一片L298可以控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端，能夠控制電機的轉向和速度，用該芯片作為小車的電機驅動能夠很好的控制小車，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。因此我選擇此方案。2.2直流調(diào)速方案方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。串電阻調(diào)速能簡單的實現(xiàn)要求，但是不穩(wěn)定，在電動車行走時產(chǎn)生大的功耗，影響其他芯片的工作，故放棄此方案。方案二：靜止可控整流器，簡稱V-M系統(tǒng)。V-M系統(tǒng)是當今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設備。方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關狀態(tài)。當晶閘管被觸發(fā)導通時，電源電壓加到電動機上，當晶閘管關斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），簡稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。（2）同樣由于開關頻率高，若與快速響應的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強。（3）由于電力電子器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上綜合比較，以及本設計中受控電機的容量和直流電機調(diào)速的發(fā)展方向，本設計采用了PWM方式進行調(diào)速，脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)。2.3檢測放大器方案方案一：使用普通單級比例放大電路。其特點是結構簡單、調(diào)試方便、價格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差動放大電路。選擇優(yōu)質元件構成比例放大電路，雖然可以達到一定的精度，但有時仍不能滿足某些特殊要求。例如，在測量本設計中的光電檢測信號時需要把檢測過來的電平信號放大并濾除干擾，而且要求對共模干擾信號具有相當強的抑制能力。這種情況下須采用差動放大電路，并應設法減小溫漂。但在實際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運算放大器輸出飽和；為獲得單片機能識別的TTL電平卻又無法抑制共模干擾。方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小，例如將一個信號電壓U1和一個參考電壓Ur進行比較，在U1>Ur和U1<Ur兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個不同的電平，即高電平和低電平。而U1變化經(jīng)過Ur時，比較器的輸出將從一個電壓跳變到另一個電平。比較器有各種不同的類型。對它的要求是：鑒別要準確，反應要靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強，還應有一定的保護措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。比較器的特點：（1）工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。放大、運算電路為了實現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿足一定的精度要求，這些電路中的運放均引入了深度負反饋；而為了提高比較器的反應速度和靈敏度，它所采用的運放不但沒有引入負反饋，有時甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運算電路是不同的。（2）非線性。由于比較器中運放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個輸入端之間的電位差與開環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過最大輸出電壓，使其內(nèi)部某些管子進入飽和區(qū)或截止區(qū)，因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關系，即在放大、運算等電路中常用的計算方法對于比較器不再適用。（3）開關特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當與一個受輸入信號控制的開關，當輸入電壓經(jīng)過閾值時開關動作，使輸出從一個電平跳變到另一個電平。由于比較器的輸入信號是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的過渡電路。由于比較器的上述特點，在分析時既不能像對待放大電路那樣去計算放大倍數(shù)，也不能像分析運算電路那樣去求解輸出與輸入的函數(shù)關系，而應當著重抓住比較器的輸出從一個電平跳變到另一個電平的臨界條件所對應的輸入電壓值（閾值）來分析輸入量與輸出量之間的關系。如果在比較器的輸入端加理想階躍信號，那么在理想情況下比較器的輸出也應當是理想的階躍電壓，而且沒有延遲。但實際集成運放的最大轉換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿毜臅r間稱為響應時間。響應時間越短，響應速度越快。減小比較器響應時間的主要方法有：（1）盡可能使輸入信號接近理想情況，使它在閾值附近的變化接近理想階躍且幅度足夠大。（2）選用集成電壓比較器。（3）如果選用集成運放構成比較器，為了提高響應速度可以加限幅措施，以避免集成運放內(nèi)部的管子會進入深飽和區(qū)。具體的措施多為在集成運放的兩個輸入端并聯(lián)二極管。2.4避障方案方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。方案二：采用紅外線避障，利用單片機來產(chǎn)生38KHz信號對紅外線發(fā)射管進行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調(diào)，輸出TTL電平。此方案雖價格比較便宜，但外界對紅外信號有一定的干擾。

方案三：集成F&G公司的DR-100N光電開光，工作距離合適，穩(wěn)定，受外界環(huán)境影響小，結構簡單，故采用此方案。2.5尋光方案方案一：在小車前面裝上幾個光電開關，通過不同方向射來的光使光電開關工作，從而對小車行駛方向進行控制，根據(jù)光電開關特性，只有當光達到一定強度時才能夠導通，因此帶有一定的局限性。方案二：在小車前面裝上參數(shù)一致的光敏電阻，再通過比較電路轉換成數(shù)字量送入單片機，單片機再對讀入的數(shù)據(jù)進行處理，對外圍進操作。對方案一、二進行比較，方案二硬件稍為復雜，但能夠對不同強度的光進行采集以及比較，操作靈活，所以采用方案二。2.6停車方案方案一：利用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進行接收。當車子到達終點的時候，發(fā)射管檢測到黑線，電路電平發(fā)生變化，再輸入單片機處理，控制車子停車。此方案需要車子后退一段距離，而且之前的黑線也回對其造成一定得影響。方案二：一個連接有光敏電阻的比較電路，當靠近車庫的時候，光敏電阻達到一定得變化，從而輸出電平變化，再經(jīng)單片機控制小車停。此方案穩(wěn)定性高，故采用。2.7行車距離檢測方案方案一：由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高，可靠性強故采用紅外光電碼盤測速方案。紅外測距儀由測距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測長輪的周長為記數(shù)的單位，最好取有效值為單一的數(shù)值，精度根據(jù)電動車控制的需要確定。測距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準確一些。遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。遮光盤在凹槽中轉動時，缺口進入凹槽時，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測距輪每轉一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經(jīng)過整形器后送入計數(shù)器或直接送入單片機中。測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉動時，光柵也隨之轉動，同時安裝在光柵一側的紅外發(fā)光二極管點亮，在光柵的另一側設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號。將該信號傳輸?shù)?9S51單片機的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)，根據(jù)預先實測的數(shù)據(jù)換算關系即可計算出電動機車的行車距離。方案二：采用霍爾傳感器測距與測速，使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片的表面的磁感應強度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應強度。每次車輪轉動一周探頭和磁片垂直一次，霍爾傳感器將檢測到的信號傳遞給單片機，單片機將小車轉動的次數(shù)記錄下來，小車車輪的周長測試后寫入單片機程序后，小車行駛的距離就等于轉動的次數(shù)與周長的乘積，因單片機有計數(shù)功能，故可測試小車開始運動到停止時的時間間隔，由此可以知道小車的行駛速度。綜上所述，由于霍爾傳感器原理簡單易行，經(jīng)濟實惠，設計要求的精度不高，采用霍爾傳感器既簡化電路結構又能達到設計要求，故采用了霍爾傳感器作為測距裝置。2.8聲音提示方案方案一：采用DS1420可分段錄放音模塊，能夠給人以直觀的提示，但DS1420錄放音模塊價格比較高，也可以采用此方案來處理。方案二：采用蜂鳴器，在一定程度上能滿足要求，而且易于實現(xiàn)，成本也不高，故采用方案二。

2.9顯示部分方案方案一：采用LED七段數(shù)碼管，驅動電路比較復雜，占用單片機資源較多，不容易調(diào)試。方案二：采用LCD顯示，用單片機可實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)，容易驅動，故采用LCD顯示。

第三部分設計成果根據(jù)設計的要求，確定如下方案：設計符合能自動循跡行走、能自動躲避前方障礙物等要求的小車，將控制程序編寫正確，KEil軟件軟件進行編程，設計部分為七個獨立的部分，這樣能將低設計的復雜性，避免出現(xiàn)錯誤，整體的條理更為清晰，分別為電源模塊、單片機最小系統(tǒng)、循跡模塊、尋光模塊、避障模塊、聲光報警模塊、電機驅動模塊。1.電源模塊系統(tǒng)電路采用L7805和L7812三端穩(wěn)壓管對電源進行穩(wěn)壓，輸出的5V給芯片和紅外提供電壓，12V為電機、TL-Q5MCL和DR-100N提供足夠電壓。如圖3-2所示，L7805與L7812的接法一樣，輸入電壓與地、輸出電壓與地分別接電容濾波和去耦。電源電路圖如圖3-1所示。圖3-1電源電路圖2.單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)由單片機，時鐘電路，復位電路，電源構成。是智能小車的大腦。小車的智能反應，由其指揮。本電路單片機為AT89S52，晶振頻率為11.0592MHZ。最小系統(tǒng)電路如圖3-2所示。圖3-2單片機最小系統(tǒng)3.尋跡模塊本電路利用TCRT5000對兩厘米寬的軌道循跡，小車底部裝有5個TCRT5000，由于黑色物體和白色物體反射系數(shù)不同，調(diào)節(jié)紅外對管和被測物體之間的距離使光敏三極管只能接收到白色物體反射回來的光束。此時接收管關斷相當于一個很大電阻，因此3端輸入為高電平，所以電路輸出高電平，反之在白紙上方時，接收管接收光源導致接收管導通，電阻極小，相當于3端與地相連，即3端輸入低電平，因此電路輸出低電平。由此可根據(jù)高低電平控制小車做出智能反應，使其循跡。其中LM324起放大信號作用，可調(diào)電阻可改變探測垂直距離。尋跡程序流程圖如圖3-3所示。尋跡程序電路圖如圖3-4所示。（1）尋跡程序流程圖開始開始初始化設定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設置定時器及中斷工作方式查詢尋跡傳感器狀態(tài)左傳感器有效右傳感器有效左右傳感器都有效左右傳感器都無效左轉向右轉向小車停止工作結束圖3-循跡程序流程圖（2）尋跡程序電路圖圖3-4尋跡程序電路圖4.尋光模塊光敏電阻在光照條件阻值會迅速變小，與光照成反比，而在黑暗條件下電阻值很大。黑暗條件下光敏電阻阻值很大，相當于放大器反向輸入端和電源正極相連，所以輸出低電平，此時LED燈點亮；當遇到光時，光敏電阻變得極小，相當于放大器反向輸入端接地，所以放大器輸出高電平，此時LED燈滅。所以為了創(chuàng)造出黑暗條件光敏電阻需用紙筒包裹起來，根據(jù)各電阻感應到光的情況而使小車做出智能反應，達到設計要求。尋光程序流程圖如圖3-5所示。尋光程序電路圖如圖3-6所示。（1）尋光程序流程圖進入尋光程序檢測到光源Switch判斷左邊遇光左轉進入尋光程序檢測到光源Switch判斷左邊遇光左轉中間遇光直行光前進右邊遇光右轉光源最大YNYN前進停止NYN（2）尋光程序電路圖圖3-6尋光程序電路圖5.避障模塊本設計避障模塊由紅外對管做探測頭，紅外對管由發(fā)射管（發(fā)射紅外線）和接收管（功能與光敏接收管相似只是不受可見光的干擾，屬于光敏二極管，只對紅外線有反應，接收紅外線時電阻變小，反之電阻很大）。當遇到障礙物時，紅外接收管接收到反射回來的紅外線，接收管電阻變得很小，相當于放大器同向輸入端和地導通，因此放大器輸出為低電平，LED燈點亮。當無障礙物時，接收不到紅外線，接收管電阻很大，相當于放大器同向輸入端和電源正極相連，所以放大器輸出高電平LED燈滅。避障程序流程圖如圖3-7所示，避障程序電路圖3-8所示。（1）避障程序流程圖是是開始是設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設置定時器及中斷工作方式查詢超聲波傳感器的狀態(tài)是否有障礙？小車轉向行駛否初始化是否有障礙？結束否圖避障程序流程圖（2）避障程序電路圖圖3-8避障程序電路圖6.聲光報警系統(tǒng)電路分析：電阻R1起限流作用，防止電流過大燒壞二極管，圖中蜂鳴器為有源蜂鳴器，只需通電蜂鳴器就會鳴叫，三極管起放大電流的作用。設計電路如圖3-9所示。圖3-9聲光報警系統(tǒng)7.電機驅動模塊本設計采用L298驅動電機（L298包含四通道邏輯驅動電路內(nèi)含2個H橋的高電壓大電流雙橋式驅動器），OUT1，OUT2分別與小車的一個電機的正負極相連；OUT3，OUT4分別與小車的另一個電機的正負極相連；L298的IN1、IN2、IN3、IN4分別與單片機P00～P03連接，通過單片機編程控制電機的轉向：IN1=0IN2=1IN3=0IN4=1，兩電機分別正轉；IN1=1IN2=0IN3=1IN4=0，兩電機反轉。ENA,ENB為控制使能端，控制電機停轉：高電平正轉，低電平停轉，通過簡單的延時函數(shù)，不斷賦高低電平可以簡單的調(diào)速。通過控制兩電機的轉速可控制小車轉彎，通過IN輸入端可控制小車前進或后退。電機驅動電路如圖3-10所示。L298真值表如表3-1所示。圖3-10

電機驅動電路表3-1L298真值表L298真值表ENAIN1IN2電機運行情況HHH正轉HHL反轉HH(L)H(L)快速停轉LXX不轉8.程序清單#include

<reg52.h>

#define

uchar

unsigned

char

#define

uint

unsigned

int

/***********************

控制使能端調(diào)速************************/

sbit

en1=P1^4;

sbit

en2=P1^5;

/***********************

電機輸入控制端************************/

sbit

in1=P1^0;

sbit

in2=P1^1;

sbit

in3=P1^2;

sbit

in4=P1^3;

/***********************

報警控制端************************/

sbit

P16=P1^6;

//光警報sbit

P17=P1^7;

//聲音警報uchar

temp3,temp0,temp2;

uint

t;

直走左拐右拐后退停止尋光調(diào)試避障調(diào)試循跡調(diào)試初始化函數(shù){

P1=0X7F;

P2=0XFF;

P0=0XFF;

en1=0;

en2=0;

P3=0XFF;

/*******************************

定時器初始化********************************/

設臵定時器0為工作方式1

裝初值TL0=(65536-46080)%256;

開總中斷開定時器0中斷啟動定時器0

}

延時調(diào)速函數(shù){

for(x=z;x>0;x--);

}

主函數(shù){

{

P16=1;

//燈滅P17=0;

//聲音關if(t<2400)

{

P16=1;

//燈滅

P17=0;

//聲音關if(P3!=0XF8)

{

尋光調(diào)試}

else

{

{避障調(diào)試}

else

{

循跡調(diào)試}

}

}

else

}

}

void

dmot()

直進走程序{

en1=1;

en2=1;

in1=0;

in2=1;

in3=0;

in4=1;

delay(150);en1=0;

en2=0;

delay(150);

}

前左拐{(diào)

en1=1;

en2=0;

in1=0;

in2=1;

in3=0;

in4=1;

delay(300);

en1=0;

en2=0;

delay(300);

}

前右拐{(diào)

en1=0;

en2=1;

in1=0;

in2=1;

in3=0;

in4=1;

delay(300);

en1=0;

en2=0;

delay(300);

}

后退{

en1=1;

en2=1;

in1=1;

in2=0;

in3=1;

in4=0;

delay(300);

en1=0;

en2=0;

delay(300);

}

停{

en1=0;

en2=0;

}

尋光調(diào)試{

{

case

0xf9:rmot();break;

case

0xfb:rmot();break;

case

0xfc:lmot();break;

case

0xfe:lmot();break;

case

0xff:smot();break;

}

}

避障調(diào)試{

燈亮

警報temp2=P2;

switch(temp2)

{

case

0xfb:rmot();break;

case

0xfe:lmot();break;

case

0xf9:rmot();break;

case

0xfc:lmot();break;

case

0xfd:lmot();break;

case

0xf8:tmot();break;

case

0xfa:tmot();break;

}

}

循跡調(diào)試{

temp0=P0;

switch(temp0)

{

case

0xe0:dmot();break;

case

0xe4:dmot();break;

case

0xe8:lmot();break;

case

0xec:lmot();break;

case

0xf0:lmot();break;case

0xf8:lmot();break;

case

0xe6:rmot();break;

case

0xe2:rmot();break;

case

0xe1:rmot();break;

case

0xe3:rmot();break;

case

0xfc:lmot();break;

case

0xe7:rmot();break;

case

0xfe:lmot();break;

case

0xef:rmot();break;

case

0xee:tmot();break;

}

}

void

exter0()

interrupt

1

{

TH0=(65536-46080)/256;

TL0=(65536-46080)%256;

t++;

}

第四部分結束語本文對智能小車路徑識別技術的研究是通過實驗小車來實現(xiàn)的,分別是在硬件和軟件兩個方面對各功能模塊進行設計。由于采用了模塊化設計思想,本系統(tǒng)有良好的擴展性和可升級性。采用單片機作為控制處理核心,它具有編程易于控制、靈活自由、擴展容易、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點。本文控制系統(tǒng)以STC89S52單片機為核心,硬件設計包括基于紅外線傳感器路徑的獲取、執(zhí)行機構及直流電機驅動電路設計。軟件設計則包括道路軌跡信息的判斷,電機的驅動算法,PWM波的生成。通過這些設