基于單片機的智能玩具電動車.doc

目 錄 第1節(jié) 引 言21.1 智能玩具電動車概述2第2節(jié) 方案設(shè)計與論證32.1 直流調(diào)速系統(tǒng)32.2 檢測系統(tǒng)42.3 顯示電路92.4 系統(tǒng)原理圖9第3節(jié) 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計10 3.1 80c51單片機硬件結(jié)構(gòu)103.2 最小應用系統(tǒng)設(shè)計113.3 前向通道設(shè)計123.4 后向通道設(shè)計153.5 顯示電路設(shè)計17第4節(jié) 軟件設(shè)計214.1 主程序設(shè)計214.2 顯示子程序設(shè)計254.3 避障子程序設(shè)計264.4 軟件抗干擾技術(shù)274.5 “看門狗”技術(shù)294.6 可編程邏輯器件30第5節(jié) 測試數(shù)據(jù)、測試結(jié)果分析總結(jié)32第6節(jié) 結(jié)束語33參考文獻34附錄a 程序清單35附錄b 硬件原理圖43基于單片機的智能玩具電動車數(shù)理與信息工程學院 第1節(jié) 引 言 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設(shè)計就是在這樣的背景下提出的。本設(shè)計的智能電動小車能夠?qū)崟r顯示時間、速度、里程，具有自動尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準確定位停車。根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器及金屬探測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動小汽車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。本設(shè)計采用mcs-51系列中的80c51單片機。以80c51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。80c51是一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。它是第三代單片機的代表。 本設(shè)計就采用了比較先進的80c51為控制核心，80c51采用choms工藝，功耗很低。該設(shè)計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設(shè)計與實際相結(jié)合，現(xiàn)實意義很強。1.1 智能玩具電動車概述 本系統(tǒng)以設(shè)計題目的要求為目的，采用80c51單片機為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。 采用的技術(shù)主要有：、通過編程來控制小車的速度；、傳感器的有效應用；、新型顯示芯片的采用。 第2節(jié) 方案設(shè)計與論證2.1直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。方案二：靜止可控整流器。簡稱v-m系統(tǒng)。方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以g-m系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術(shù)落后，因此擱置不用。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?qū)щ娦?，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(shè)備。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(guān)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(guān)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（pulse width modulation），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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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(shè)計采用了h型單極型可逆pwm變換器進行調(diào)速。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱pwm變換器。脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。為順利實現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設(shè)計采用了可逆pwm變換器。可逆pwm變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有h型、t型等類型。我們在設(shè)計中采用了常用的雙極式h型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。2.2 檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)主要實現(xiàn)光電檢測，即利用各種傳感器對電動車的避障、位置、行車狀態(tài)進行測量。1行車起始、終點及光線檢測：本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始、終點（2cm寬的黑線），玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應起始的記數(shù)開始和終點的停車的需要。利用超聲波傳感器檢測障礙。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線，當感受到光線照射時，其c-e間的阻值下降，檢測電路輸出高電平，經(jīng)lm393電壓比較器和74ls14施密特觸發(fā)器整形后送單片機控制。本系統(tǒng)共設(shè)計兩個光電三極管，分別放置在電動車車頭的左、右兩個方向，用來控制電動車的行走方向，當左側(cè)光電管受到光照時，單片機控制轉(zhuǎn)向電機向左轉(zhuǎn)；當右側(cè)光電管受到光照時，單片機控制轉(zhuǎn)向電機向右轉(zhuǎn)；當左、右兩側(cè)光電管都受到光照時，單片機控制直行。(見圖2-1 電動車的方向檢測電路(a)。行車方向檢測電路（見圖2-2 電動車的方向檢測電路(b)）采用反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導通，發(fā)出一個電平跳變信號。此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經(jīng)過黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送80c51單片機處理，判斷執(zhí)行哪一種預先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。前進時，驅(qū)動輪直流電機正轉(zhuǎn),進入減速區(qū)時,由單片機控制進行pwm變頻調(diào)速,通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比,實現(xiàn)調(diào)速。最后經(jīng)反接制動實現(xiàn)停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設(shè)置有兩組開關(guān)，一組常閉，另一組常開。圖2-1 電動車的方向檢測電路(a)圖2-2 電動車的方向檢測電路(b)電橋一端接電源，另一端接了一個三極管。三極管導通時，電橋通過三極管接地，電機電樞中有電流通過；三極管截止時，電橋浮空，電機電樞中沒有電流通過。系統(tǒng)通過電橋的輸出端為轉(zhuǎn)向電機供電。通過對繼電器開閉的控制即可控制電機的開斷和轉(zhuǎn)速方向進而達到控制玩具車前行與倒車的目的，實現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)的糾偏功能。（如圖2-3 前行與倒車控制電路）所示。圖2-3前行與倒車控制電路檢測放大器方案：方案一：使用普通單級比例放大電路。其特點是結(jié)構(gòu)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(zhì)元件構(gòu)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(shè)計中的光電檢測信號時需要把檢測過來