基于单片机的智能小车毕业设计.doc

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1、长春工程学院毕业设计（论文） 基于单片机的智能小车毕业设计 目 录 1 引言 1 2 总体方案设计 2 3 硬件设计 3 3.1 硬件各单元方案设计与选择 3 3.2 单元电路设计 6 3.3 特殊元件介绍 12 4 软件设计 17 4.1 主程序流程图 17 4.2 传感器信息处理子程序 18 5 预期结果和创新成果 19 6 总结 20 参考文献 22 谢 辞 23 附录 25 1 1 引言 随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车

2、这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究[1]。可见其研究意义很大。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题,主要实现小车的自动寻迹功能。 本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。以80C51为控制核心，控制小车实现自动寻迹。80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。 第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATME

3、L等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA(可编程计数器阵列)﹑WDT(监视定时器)﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(Controller Area Network BUS)

4、[2]。新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。 本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。 2 总体方案设计 系统结构图如图2-1所示： 图2-1 系统结构图 通过对设计题目的分析，分析小车要实现既定功能所需要的模块。首先考虑所用的电机型号，是用直流电机还是步进电机，由于直流

5、电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，故选择用直流电机。 把小车直线行进时分成三种状态，当前面传感器检测到白线时，小车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。当检测到有一个传感器偏出白线时，小车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。当检测到有两个电机偏出时，小车处于较大的偏离状态，这时把一个电机的速度调至极低，另一电机全速运行，从而在较短时间内完成路线的调整。 利用电机驱动模块L298驱动直流电机，使用红外发射管和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

6、测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。 把电平信号反馈给单片机，单片机MCS-51根据反馈的信号，通过所编写的程序，判断出小车行驶的状态，通过单片机的引脚输出相应的控制信号，控制直流电机的驱动芯片L298，这样才能调整直流电机的转速，使其调整到最佳状态。 3 硬件设计 3.1 硬件各单元方案设计与选择 从设计的要求看，系统的完成是分模块设计的，在进行方案比较论证时，也是对各个模块进行方案论证，本课题设计的系统有车体设计、控制器模块、电源模块、稳压模块、寻迹传感器模块、电机模块、电机驱动模块七部分，基于此，只对这七部分的方案选择进行

7、说明。 3.1.1 车体设计 方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般来说，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。 方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。 在安装时要保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构

8、。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。 综上考虑，我选择了方案2。 3.1.2 控制器模块 方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展[3]。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。 方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有

9、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[2]。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机同时处理其它任务的速度和能力降低。 方案3：采用MCS-51系列中的80C51单片机作为主控制器。80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很低[5]。 综上考虑，我选择了方案3。 3.1.3 电源模块 由于本系统需要电池供电，我考虑了如

10、下几种方案为系统供电： 方案1： 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。但由于干电池电量有限，使用大量的干电池会给系统调试带来很大的不便。 方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联得到12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给直流电机供电，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。锂电池的电量比较足，并且可以充电和重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算[8]。 方案3：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电

11、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，但我们可以在车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低[10]。 综上考虑，我选择了方案3。 3.1.4 稳压模块 方案1： 采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但由于7809和7805压降过大，使得7809和7805消耗的功率过大，会导致7809和7805发热量过大[4]。 方案2：采用两片7812将电压稳压至12V

12、后给直流电机供电，然后采用2576将电压稳压至5V。2576的输出电流最大可到3A，完全满足系统要求。 综上考虑，我选择了方案2。 3.1.5 寻迹传感器模块 方案1：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。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱[5]。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。 方案2：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。此器件虽性能优良

13、但成本较高[7]。 方案3：用红外发射管和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低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。 综上考虑各种方案的实用性与灵敏性，我选择了方案3。 3.1.6 电机模块 本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。 方案1：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。

14、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[6]。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。 方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。 我们所选用的直流电机减速比为1：74，减速后电机的转速为100r/min。我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到： V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s 能够较好的满足系统的要求，因此我

15、们选择了方案2。 3.1.7 电机驱动模块 方案1：针对步进电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。 方案2：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它的相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良[9]。 综上考虑，我选择了方案2。 3.1.8 最终方案 经过反复论证，我最终确定了如下方案： （1）自己手工制作车体。 （2）采用MCS-51单片机作为主控制器。

16、 （3）用蓄电池经7812稳压后为直流电机供电，将12V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。 （4）用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。 （5）采用直流减速电机作为电动车驱动轮的驱动电机。 （6）L298N作为直流电机的驱动芯片。 3.2 单元电路设计 3.2.1 光电传感器电路 我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如图3-1和图3-2所示： 图3-1 光电传感器电路 图3.1所示电路中，R1起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的二极管V2导通，R2的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，二极管集电极输出低电平。 当没有光反射回来时，光电对管中的二极管V2不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。 VT1在该电路中起到滤波整形的作用。 经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。 但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因为光敏二极管V2和三极管VT1导通时的导通电流较大。 因此我们考