畢業(yè)設(shè)計（論文）_基于單片機(jī)的智能循跡小車設(shè)計

1、摘 要80C51單片機(jī)是一款八位單片機(jī)，他的易用性和多功能性受到了廣闊使用者的好評。這里介紹的是如何用80C51單片機(jī)來實現(xiàn)長春工業(yè)大學(xué)的畢業(yè)設(shè)計，該設(shè)計是結(jié)合科研工程而確定的設(shè)計類課題。本系統(tǒng)以設(shè)計題目的要求為目的，采用80C51單片機(jī)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。實驗測試結(jié)果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計方法及測試結(jié)果分析。采用的技術(shù)主要有：1通過編程來控制小車的速度；2傳感器的有效應(yīng)用；3新型顯示芯片的采用。關(guān)鍵詞 ：80C

2、51單片機(jī)；光電檢測器；PWM調(diào)速；電動小車。ABSTRACT80C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. This article introduces the CCUT graduation design with the 80C51 single chip computer. This design combines with scientific research object. This system regards the request

3、of the topic, adopting 80C51 for controlling core, super sonic sensor for test the hinder. It can run in a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is si

4、mple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze.The adoption of technique as:(1)Reduce the speed by program the engine；(2)Efficient application of the sensor;(3)The adoption of the new di

5、splay chip.Key words:80C51 single chip computer; light electricitydetector;PWM speed adjusting;Electricity motive small car.目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263419658 1 緒 論 PAGEREF _Toc263419658 h 3 HYPERLINK l _Toc263419659 1.1 本課題研究的背景和意義 PAGEREF _Toc263419659 h 3 HYPERLINK l _Toc263419660 1.2

6、智能循跡小車設(shè)計原理 PAGEREF _Toc263419660 h 5 HYPERLINK l _Toc263419661 2 方案設(shè)計與論證 PAGEREF _Toc263419661 h 5 HYPERLINK l _Toc263419662 2.1 直流調(diào)速系統(tǒng) PAGEREF _Toc263419662 h 5 HYPERLINK l _Toc263419663 2.2 檢測系統(tǒng) PAGEREF _Toc263419663 h 6 HYPERLINK l _Toc263419664 3 智能尋跡小車模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc263419664 h 10 HYPERLINK l

7、 _Toc263419665 3.1 總體方案 PAGEREF _Toc263419665 h 10 HYPERLINK l _Toc263419666 3.2 傳感檢測單元 PAGEREF _Toc263419666 h 11 HYPERLINK l _Toc263419667 3.2.1 小車循跡原理 PAGEREF _Toc263419667 h 11 HYPERLINK l _Toc263419668 3.2.2 傳感器的選擇及檢測電路設(shè)計 PAGEREF _Toc263419668 h 11 HYPERLINK l _Toc263419669 3.2.3 傳感器的安裝 PAGEREF

8、 _Toc263419669 h 12 HYPERLINK l _Toc263419670 3.3 軟件控制單元 PAGEREF _Toc263419670 h 13 HYPERLINK l _Toc263419671 3.3.1 單片機(jī)選型及程序流程 PAGEREF _Toc263419671 h 13 HYPERLINK l _Toc263419672 3.3.2 車速的控制 PAGEREF _Toc263419672 h 13 HYPERLINK l _Toc263419673 3.3.3 電機(jī)驅(qū)動單元 PAGEREF _Toc263419673 h 14 HYPERLINK l _To

9、c263419674 蜂鳴器電路設(shè)計 PAGEREF _Toc263419674 h 15 HYPERLINK l _Toc263419675 穩(wěn)壓電源設(shè)計 PAGEREF _Toc263419675 h 15 HYPERLINK l _Toc263419676 4 系統(tǒng)功能測試 PAGEREF _Toc263419676 h 15 HYPERLINK l _Toc263419677 PAGEREF _Toc263419677 h 15 HYPERLINK l _Toc263419678 PAGEREF _Toc263419678 h 15 HYPERLINK l _Toc263419679

10、5 結(jié)束語 PAGEREF _Toc263419679 h 17 HYPERLINK l _Toc263419680 致 謝 PAGEREF _Toc263419680 h 18 HYPERLINK l _Toc263419681 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc263419681 h 19 HYPERLINK l _Toc263419682 附 錄 PAGEREF _Toc263419682 h 20 HYPERLINK l _Toc263419683 1 相關(guān)芯片介紹 PAGEREF _Toc263419683 h 20 HYPERLINK l _Toc263419684 1.1 單片機(jī)

11、概述 PAGEREF _Toc263419684 h 20 HYPERLINK l _Toc263419685 1.2 LM339芯片介紹 PAGEREF _Toc263419685 h 24 HYPERLINK l _Toc263419686 1.3 L298N芯片介紹 PAGEREF _Toc263419686 h 27 HYPERLINK l _Toc263419687 1.4 7805芯片介紹 PAGEREF _Toc263419687 h 28 HYPERLINK l _Toc263419688 2 小車控制程序源代碼C PAGEREF _Toc263419688 h 301 緒 論

12、1.1 本課題研究的背景和意義隨著汽車工業(yè)的迅速開展，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，指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準(zhǔn)備。此題目是結(jié)合科研工程而確定的設(shè)計類課題。設(shè)計的智能電動小車應(yīng)該能夠?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(zhǔn)確定位停車。根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的根底上，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(yùn)行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單

13、片機(jī)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(yùn)動狀態(tài)進(jìn)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(jī)。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(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣闊使用者的好評。它是第三代單片機(jī)的代表。第三代單片機(jī)包括了Intel公司開展MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,還包括了Ph

14、ilipsSiemensADMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色與80C51兼容的單片機(jī)。新一代的單片機(jī)的最主要的技術(shù)特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任，將一些外部接口功能單元如A/DPWMPCA(可編程計數(shù)器陣列)WDT(監(jiān)視定時器)高速I/O口計數(shù)器的捕獲/比擬邏輯等。這一代單片機(jī)中，在總線方面最重要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機(jī)80C51系列8C592單片機(jī)引入了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線-C

15、AN(Controller Area Network BUS).新一代單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展與配置打下了良好的根底。 本設(shè)計就采用了比擬先進(jìn)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(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的開展前景；在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測。所以本設(shè)計與實際相結(jié)合，現(xiàn)實意義很強(qiáng)。1.2 智能循跡小車設(shè)計原理這里的循跡是指小車在黑色地板上循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體外表具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛

16、過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線那么紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。1自動尋跡小車從平安區(qū)域啟動。2小車按指定路線運(yùn)行，自動區(qū)分直線軌道和彎路軌道，在指定彎路處拐彎，實現(xiàn)靈活前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、倒退等功能，在軌道上劃出設(shè)定的地圖。2 方案設(shè)計與論證根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的根底上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處

17、理，然后由單片機(jī)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(yùn)動狀態(tài)進(jìn)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。2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)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(jī)拖動直流電動機(jī)實現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵磁電流的方向那么輸出電壓的極性和電動機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備

18、多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。且技術(shù)落后，因此擱置不用。V-M系統(tǒng)是當(dāng)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(diǎn)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(yùn)行造成困難。它的另一個缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)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根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(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流

19、，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(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：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(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)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(jī)的損耗和發(fā)熱都比擬小。2同樣由于開關(guān)頻率高，假設(shè)與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。3由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損

20、耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上綜合比擬，以及本設(shè)計中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的開展方向，本設(shè)計采用了H型單極型可逆PWM變換器進(jìn)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(jī)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?？赡鍼WM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(jìn)行測量。1行車起始、終點(diǎn)及光線檢測

21、：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(diǎn)2cm寬的黑線，玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開始和終點(diǎn)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(dāng)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電壓比擬器和74LS14施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)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(dāng)左側(cè)光電管受到光照時，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右兩側(cè)光電管都受到光照時，單片機(jī)控制直行。見圖2.1 電動車

22、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(qiáng)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(dǎo)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(jī)處理，判斷執(zhí)行。哪一種預(yù)先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。前

23、進(jìn)時，驅(qū)動輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn),進(jìn)入減速區(qū)時,由單片機(jī)控制進(jìn)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)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、價格低廉。但是也存在著許多缺乏。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，雖然可以到達(dá)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

24、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(dāng)強(qiáng)的抑制能力。這種情況下須采用差動放大電路，并應(yīng)設(shè)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(yùn)算放大器輸出飽和；為獲得單片機(jī)能識別的TTL電平卻又無法抑制共模干擾。方案三：電壓比擬器方案。電壓比擬器的功能是比擬兩個電壓的大小，例如將一個信號電壓Ui和一個參考電壓Ur進(jìn)行比擬，在UiUr和Ui15k-200-V/mV灌電流LsinkVi(-)616-mA輸出漏電流IOLEVi(-)=0V,Vi(+)=1V,VO=5V-nA1.3 L298N芯片介紹L298是SGS公司的產(chǎn)品，比擬常見的是15腳Multiwatt封裝的L

25、298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)25 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。其引腳圖如圖3所示。圖3 L298N引腳圖L298N

26、的管腳分布及其功能描述見表4所示。表4 L298N管腳及其功能PowerSoName Function1;152;19Sense A;Sense BBetween this pin and ground is connected the sense resistor to control the current of the load.2;34;5Out1;Out2Outputs of the Bridge A;the current that flows through the load connected between thsese two pins is monitored at pi

27、n 1.46VsSuppy Voltage for the Power Output Stages.Anon-inductive 100nF capacitor must be connected between this pin and ground. 5;77;9Input1;input2TTL Compatible inputs of the Bridge A6;118;14EnableA;enableBTTL Compatible inputs of the L state disable the bridge A (enable A)and/or the bridge B(enabl

28、e B)81,10,11,20GND Ground912VSS Suppy Voltage for the Logic Blocks A100nF capactor must be connected between this pin and ground.10;1213;15Input3;input4 t TTL Compatible inputs of the Bridge B13;1416;17Out3;Out4Outputs of the Bridge B.The current that flows through the load connected between thses t

29、wo pins is monitored at pin 15.-3;18N,CNot connected1.4 7805芯片介紹X78XX系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為TO-220。它有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常的廣泛，每種類型由于內(nèi)部電流限制，以及過熱保護(hù)和平安工作區(qū)的保護(hù)，使它根本上不會損壞，如果能夠提供足夠的散熱片，他們就能夠提供大于1.5A的輸出電流，雖然是按照固定電壓值來設(shè)計的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷?，就能獲得各種不同的電壓和電流。特點(diǎn)：最大輸出電流為1.5A。輸出電壓為5V；6V；8V；9V；10V；12V；15V；18V；24V。熱過載保護(hù)。短路保護(hù)。輸出晶體管

30、平安工作區(qū)保護(hù)。7805的內(nèi)部框架如圖4所示。圖4 7805內(nèi)部框架圖7805芯片的極限參數(shù)見表5所示。表5 極限參數(shù)Ta=25參數(shù)符號數(shù)值單位輸入電壓(Vo=5V to 18V) (Vo=24V)Vi3540VV結(jié)到空氣熱阻RJA65/W結(jié)到殼熱阻RJC5/W工作溫度Topr0+125貯存溫度Tstg-65+150X7805的電參數(shù)如下表6所示。表6 X7805電參數(shù)除特別說明，0Tj125參數(shù)符號測試條件最小值典型值最大值單位輸出電壓VoTj=255.2.V5.0mAlo1.0A，Po15WVi=7.5V to 20VV線性調(diào)整率VoTj=25，Vi=7.5V to 25V100mVTj=

31、25，Vi=8V to 12V50mV負(fù)載調(diào)整率Vo9100mVTj=25，lo=250mA to 750mA450mV靜態(tài)電流IQTj=258mV靜態(tài)電流變化率IQLo=5mA to 1.0 AmVVi=8V to 25VmV輸出電壓溫漂Vo/TLo=5mAMv/輸出噪音電壓VNf=10Hz to 100kHz,Ta=2542uV文波抑制比RRf=120Hz,Vi=8V to 18V6273dB輸入輸出電壓差VoLo=1.0A,Tj=252V輸出阻抗RoF=1kHz15m短路電流IscVi=35V,Ta=25230mA峰值電流IpkTj=25A2 小車控制程序源代碼C#include reg51.htypedef unsigned int uint;typedef unsigned char uchar;sbit p1_0 = P10; /紅外檢測sbit p1_1