单片机课程设计智能小车—硬件设计.doc

实 验 报 告课程名称 单片机课程设计 实验名称 智能小车硬件设计 专 业 通信工程 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2011年 12 月 12 日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 单片机课程设计 课 题 智能小车硬件设计 专业班级 学生姓名 学 号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2011 年 12 月 12 日任务完成日期 2011 年 12 月 26日设计课题六：基于51单片机的智能小车设计一、问题描述： 小车模型采用玩具小车，电机采用步进电机，以51单片机为核心的控制电路，控制小车前进、后退、加速、减速。采用红外传感器检测电路，实现小车在行驶中自动循迹的功能。二、功能要求：1、基本部分： 小车能做前进、后退、加速、减速等简单运动。2、发挥部分： 小车能在设计的线路上完成循迹功能。三、主要器件准备：51单片机最小系统板、电池、稳压电源模块、红外传感器、玩具小车、步进电机、电机驱动模块目录一、 课题的主要功能.3二、 功能模块的划分及工作原理.31、 硬件模块总体设计.32、 电源模块.43、 单片机系统模块.44、 电机驱动模块.55、 循迹模块.6三、 智能小车的制作流程.71、 元件的准备.72、 制作原理图.73、 制作PCB图.94、 制作电路板.105、 组装.116、 接线.14四、 硬件调试.14五、 总结.14六、 评分表.16一、课题的主要功能 本次课程设计要求结合51单片机原理及应用课程所学内容，完成智能小车的设计。通过智能小车的设计进一步掌握51单片机的原理及应用。通过软件设计和硬件设计最终使小车实现基本部分和发挥部分的功能。其中小车实现功能的基本部分包括小车能做前进、后退、加速、减速等简单的运动。发挥部分包括小车能在设计的线路上完成循迹功能。小车模型采用玩具小车，电机采用直流电机。核心控制电路为52单片机，采用模块化的设计方案，运用红外传感器检测电路，实现小车在行驶中自动循迹的功能。二、功能模块的划分及工作原理1、硬件模块总体设计 电路分为电源模块、单片机系统模块，电机驱动模块，循迹模块。智能小车设计的原理框图如下： 电 机电源模块供电电压转换后供电 控制电压单片机系统模块循迹模块电机驱动模 块 控 制 信 号输出信号工作原理：利用循迹模块中的红外发射接收对管检测路面上的轨迹，将轨迹信息发送给单片机系统模块；单片机系统模块采用模糊推理求出转向的角度和行走速度，对电机驱动模块发出相应的控制信号；电机驱动模块接到单片机系统的控制信号后对电机进行驱动，最终完成智能小车在设计线路上的自动循迹。2、电源模块本次设计中，单片机和直流电机要求的供电电压均为5V。而由6个1.2V干电池串联而组成的电源实际提供的电压为7.2V，超过需求电压，所以通过电压转换芯片将电压转换为5V的直流电压后再给单片机和电机供电，保证单片机和电机工作在安全电压之内。工作原理：由六节干电池串联组成电源，然后利用电压转换芯片7805进行电压转换，取得安全稳定电压。3、单片机系统模块 智能小车的核心控制电路为ATMEL公司生产的AT89C52单片机芯片。本次设计的单片机最小系统电路包括：电源电路、时钟电路、复位电路、按键和插针电路。其中各个部分的功能如下：电源电路：通过电压转换芯片后为单片机和电机提供5V稳定电压。时钟电路：由一个外接的11.0592MHz的石英晶振为单片机提供时钟信号。复位电路：在电压达到高电平时给单片机芯片发送一个复位信号。按键：各按键分别具有复位功能、前进后退控制功能、加速功能、减速功能、模式转换功能。插针：插针对外显示为单片机的接口。工作原理： 单片机系统模块是小车的核心电路。其上有电源转换芯片7805、AT89C52芯片、电源按键，复位按键，前进后退键、加速减速键、模式转换键等，这些功能的实现是通过单片机编程实现。循迹模块和电机驱动模快分别接到单片机的P1口和P2口，通过从循迹模块传输到单片机电平的变化来控制电机驱动进而控制小车进行各个行驶状态转化。对时钟电路而言，单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡。89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益的反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。由于采用内部方式时电路简单，所得时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式。在片外接晶体振荡器或陶瓷振荡器就构成了内部振荡方式。片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。对复位电路而言，为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位时靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个周期以上的高电平，即可起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出（0/1）端寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H，SBUF内置为不定值，其余寄存器全部清零，内部的状态不受复位的影响，在系统上电时的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动复位。本系统采用手动复位。4、 电机驱动模块电机有两种选取方案。它们是步进电机和直流电机。步进电机具有一个显著的特点是具有快速的启停能力，如果负荷不超过步进电机动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高正反转控制灵活。直流电机转动矩力大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。除此之外，直流电机具还有优良的调速特性，调速平滑，方便，调节范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无数快速启动、制动和反转。这些特性刚号满足课设中“小车能做前进、后退、加速、减速等简单运动”的要求应具有的特性。同时由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速齿轮组，可以产生较大扭力。采用左右两轮分别驱动，前万向轮转向的方案。左右轮分别用两个转速和力矩基本相同的直流电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。由此可以轻松实现小车不同角度的转弯。所以本次课设中我们采用了直流电机驱动。电机驱动芯片为L298，其驱动电流大，为电机驱动专门设计，工作稳定可靠。L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298，内部同样包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机。工作原理：驱动模块向内与电源直接相连，再连接到电源转换芯片，为电机和单片机提供电压。驱动模块的核心芯片是L298，通过单片机的I/O口输入改变芯片控制端的电平，即可对电机进行正反转，停止的操作。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号。L298的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机。IN1 、IN2、 IN3、 IN4引脚从单片机接输入电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 对于电机的调速，我们采用PWM调速的方法。PWM是脉冲宽度调制（Puse W idth Modulation），它是指将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。在PWM驱动控制系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和断开“时间的长短。如下图所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通断电的时间，即可让电机转速得到控制。其原理就是开关管在一个周期内的导通时间为t,周期为T，则电机两端的平均电压U=Vcc*(t/T)=aVcc。其中a=t/T（占空比），Vcc是电源电压。电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。在硬件电路的连接上，我们将单片机的P2.3P2.7口分别连接到L298的IN1IN4上，通过改变P2.3P2.7口上的高低电平变化以控制小车的前进方向，改变P2.3P2.7口上的高低电平的占空比以控制电机的转速。5、 循迹模块 循迹模块的电路板是双面电路板，其接在下方的是红外对管探头和芯片74LS14。上面是5个可变电阻和200欧的限流电阻、1K的分压电阻及施密特触发器的输出。工作原理：探头探测到发射光强的变化，从而引起可变电阻的变化，变化传到施密特触发器，改变输出电平，再传送到单片机，从而通过单片机控制小车的行驶。 为了保证小车沿黑线行驶，我们采用了5个红外管并列采集信号。之所以采用奇数个红外管，是因为这样无论小车向左右任一方向偏向行驶都可以进行控制其及时自动进行方向调节。小车怎样进行自动循迹呢？因为在小车行驶过程中，由于黑线具有吸收光线的作用其反射的光线较少，所以中间的红外管感应的光线较少，光敏电阻小，分得的电压小，为低电平。黑线两边的地面由于吸收光线较少的作用其反射的光线较多，黑线两边的红外管感应的光线较多，光敏电阻大，分得的电压大，为高电平。循迹模块中的斯密特触发器将当前采集到的一组电压值传递给单片机。一旦小车偏离路径，单片机接收到的电压值就会发生变化，进而单片机依据已编程序，调节两个电机，从而控制小车的行驶路径。进而完成小车的自动循迹功能。三、智能小车的制作流程1、 元件的准备智能小车的元件清单如下所示：寻迹模块：HD74LS14R（施密特触发器） 2个 ST188（红外管） 7个 W104（可变电阻） 7个 十芯有脚插座 3个驱动模块：L298芯片 1个单片机系统模块：89C52芯片 2个电源模块：干电池 6节7805 1个小物件：1N4007（二极管） 16个 LED 8个以上元件数均按备份形式列出，实际应用按需要取即可。2、 制作原理图各模块原理图如下：（1）单片机系统模块电路图（2）循迹模块电路图（3）电机驱动模块电路图3、制作PCB图根据原理图画出PCB图。各模块的PCB图如下所示：（1）单片机最小系统PCB图（2）探测模块PCB图4、 制电路板 将单片机系统模块和循迹电路模块制成电路板，电机驱动模块通过购买集成电路板获得，故不再制板。制版包括影印，蚀刻，打孔。制板在实验室完成。单片机系统模块电路板采用单面印制电路板；探测模块电路板是采用双面印制电路板。各模块电路板如下图所示：单片机系统模块电路板图：循迹模块电路板图：5、组装 制板后，组装小车。包括：两个电机，三个轮子，电源模块（见下图），单片机系统模块电路板，循迹模块电路板，电机驱动模块（见下图）。每个电机上应引出两条线，用来接电源驱动模块。供电电源是采用六节1.2V的干电池串联供电，电池的重量较大，故应装在车身中间以免使前轮或者后轮倾倒。循迹模块电路板应装在前面，这里我们是引出两条铝板以连接车子和电路板，用长螺钉固定。 单片机系统模块电路板是固定在电池后面的，这个板子较电机驱动模块大，为了不接触轮子，在板子没有印制线的空地方打了两个孔用来固定电路板。而电机驱动模块是固定在电源前面。这块电路板不宜再打孔，故用线固定着。万向轮如下图所示：电源模块如下所示：电机驱动模块如下图所示：组装完毕后小车整体模型图如下图所示：6、 接线 电源接口线是与驱动模块的输入线相连接，将单片机模块上的7805接线到驱动模块的输入，7805是电压转换芯片，将输入7.2V转换为5V，从而为单片机和电机提供电压。L298的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机。循迹模块的施密特触发器共用了5个，其输出y1y5和GND、Vcc分别接单片机P1口的P1.3P1.7和GND和Vcc。IN1 、IN2、 IN3、 IN4和ENA，ENB分别接单片机P2口的P2.0P2.5，GND和Vcc接单片机模块上的GND和Vcc。四、 硬件调试1、 将循迹电路中的10K电阻改为1K电阻因为该电阻主要用作保护电阻保护电路，1K已经足够保护电路，若取10K则阻值过大不利于与之相串联的64K的可变电阻的调节控制。2、 在装上斯密特触发器后发现其引脚电压没有按预想输出相应电压。经检查发现是双面电路板的印制过程中，电路的正反面印颠倒了。拆下该触发器将其按在电路板的另一面相应位置，该触发器的引脚电压正确。3、 在拆除斯密特触发器后发现接接Vcc的电路电平为低电平。经检查是在拆卸过程中导致Vcc和接地相连，去除两电路之间的锡线后，电压正常。五、 总结 本次课程设计要求我们采用玩具小车作为模型，自主设计电路，制作电路板，组装小车，调试软硬件，最终完成小车做前进、后退、加速、减速等简单运动的基本功能和在设计的线路上完成自动循迹的拓展功能。在设计的过程中我们小组的组员分工合作，密切配合，在智能小车临时讨论群里及时分享资料、思路并就设计的各个环节进行了激烈讨论。本次课程设计以小组为单位的分配任务方式，不同与以前的独立进行课设的分配任务理念。它有助于我们养成良好的团队意识和奉献精神，但同时也有一定的弊端，造成整个设计了解不够全面。这可能与小组内任务分配存在一定的关系。不过，我觉得以后的课程设计中这种任务分配方式还是可以适当的用一下的，它有利于我们将来参加工作后的任务完成。正所谓，术业有专攻，正是如此。在本次设计中我是负责硬件原材料的准备，配合组长进行原理图的制作以及制板。在原材料的准备阶段，我在图书馆翻阅了许多书籍，了解了智能小车硬件应具备的几个模块，包括单片机系统模块，循迹模块，电源模块和电机驱动模块。单片机系统模块我们直接采用89C52芯片即可。电源模块，考虑到小车的机动性能我选择了用干电池而没有用蓄电池。至于电机的选择，我仔细考虑了直流电机和步进电机的特征是否满足我们的任务要求选择了直流电机。至于循迹模块和电机驱动模块的选取，虽然我对这两个模块进行了一定的了解，但人不能确定准备何种元件，最终是在实验室参考历届的智能小车模型做出的元件选取。对于原理图的制作，我真的当了一把副手，在制作的过程中，我发现自己对一些方面的知识真的比较欠缺，因此也没提出多少有建设性的建议。在制板的过程中，我主要根据PCB图进行了循迹电路板的制作，因此对循迹电路的了解较其他模块要多一些。同时在制板的过程中，我了解了制板的大致流程。在制作循迹模块的电路板时，由于是双面板，虽然很小心还是出现了一些差错，导致我转孔的时候不得不小心翼翼，因为一不小心就会把铜盘给转没了。这次课设我们组经过不懈的努力完成了任务书要求的基本功能和拓展功能。但是还是存在一些有待改进的地方。比如驱动能力较弱，小车反应不够灵敏等。 通过这次课设，我了解了智能小车的制作流程，掌握了一些电路板制作的操作知识，加强了自己对单片机运用的能力，增加了对嵌入式设计的兴趣。同时，在课设中我也体会到团队合作的力量，从组员身上看到了许多值得自己学习有点。总之，这次课设使我受益良多。六、评分表课程设计评分表课程名称： 智能小车设计 项 目评 价设计方案的合理性与创造性设计与调试结果设计说明书的质量答辩陈述与回答问题情况课程设计周表现情况综合成绩 教师签名： 日 期：