电动智能小车毕业设计论文.doc
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1、摘 要STC89C51单片机是一款八位单片机,他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用STC89C51单片机来实现简易智能电动车设计,该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。本系统以设计题目的要求为目的,采用STC89C51单片机为控制核心,利用避障传感器检测道路上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,快慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间、里程和速度,自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单,可靠性能高。实验测试结果满足要求,本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。 采用的技术主要有:(1) 通过编程来控制小车的速度;(2) 传感器的有效应用;(3) 新型
2、显示芯片的采用.关键词 STC89C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车Design and create an intelligence electricity motive small carAbstract89C51 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 89C51 single chip computer. This de
3、sign combines with scientific research object. This system regards the request of the topic, adopting 89C51 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
4、 and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple, 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
5、 the engine;(2) Efficient application of the sensor;(3) The adoption of the new display chip. Keywords 89C51 single chip computer, light electricity detector, PWM speed adjusting, Electricity motive small car目 录第一章 前 言3第二章 系统功能描述及设计思路4一 系统功能描述4二 设计思路5第三章 硬件设计电路6一 80C51单片机硬件结构6二 最小应用系统设计7三 主控器9四 电机驱动
6、控制10五 寻迹传感器电路11六 避障传感器电路11七 显示电路12八 PWM输出控制电路12九 声光提示电路13十 电源电路14第四章 软件设计15一 软件流程15二 代码分析16第五章 小结31致 谢31参 考 文 献32附录A 程序清单33附录B 硬件原理图45第一章 前 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这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的,指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间,具有自动
7、寻迹、寻光、避障功能,可程控行驶速度、准确定位停车。根据题目的要求,确定如下方案:在现有玩具电动车的基础上,加装光电、红外线、避障传感器等电路,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。本设计采用MCS-51系列中的STC89C51单片机。以STC89C51为控制核心,利用超声波传感器检测道路上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,快慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间,自动寻迹和寻光功能。STC89C51
8、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。它是第四代单片机的代表。第四代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品。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/DPWMPCA(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STC89C51系列8C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总
9、线-CAN(Controller Area Network BUS).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。第二章系统功能描述及设计思路由于机械结构的不同,智能车有两种控制转向的方式,一种是采用四轮双电机结构,前面两个轮子用于控制转向,后面两个控制速度;另一种是采用三轮双电机结构
10、,前面采用一个万向轮,后面采用两台电动机分别控制两个轮子,利用两个轮子速度不同来实现转向。这里设计的简单智能小车采用的是第二种机械结构。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。一 系统功能描述如图1-1所示,设计制作一个智能小车,该小车能按照要求自行运动,按照虚线路径通过一个建筑物中曲折的道路,并完成规划的动作。设矩形建筑物有两个门A,B,门宽24cm,建筑物的墙壁是10cm高,2cm厚的矮墙,建筑物内无引导轨迹。具体功能如下:.要求智能小车从A门进入并开始自动计时,从B门出来,在行进过程中,能自动选择适当的路径,避开墙壁,找到通路,三分钟
11、之内到达B门; .到达B门,停5s,小车自动计时并数字显示AB段所用的时间,并声光报警; .自B门外,循环形引导轨迹BC前进(引导轨迹为2cm宽);.到达C点后,小车停止前进并停止计时,显示BC段所用的时间; B C 图1-1小车 A 二 设计思路在本次设计中,小车底盘选取的是三轮双电机结构,通过后轮电动机转速和转向的不同实现对小车方向的控制。左右两侧电动机控制采用电动机驱动芯片L298实现驱动,转速调节是通过单片机输出的PWM脉冲宽度方式进行调节。为了保证小车在建筑物内行进过程中不碰壁,因此选用一组光电开关实现障碍物的检测,当传感器检测到障碍物时进行及时避让和调整。另外,在小车离开建筑物时,
12、可以通过安装在小车底部的光电开关检测黑色循迹线,使得小车沿线运行。 第三章 硬件电路设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容:一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路。二是系统配置,既按照系统功能要求配置外围设备,如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等,要设计合适的接口电路。一 STC89C51单片机硬件结构STC89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上2。如果按功能划分,它由如下功能部件组成,即微处理器、数据存储
13、器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成,其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1 微处理器该单片机中有一个8位的微处理器,与通用的微处理器基本相同,同样包括了运算器和控制器两大部分,只是增加了面向控制的处理功能,不仅可处理数据,还可以进行位变量的处理。2 数据存储器片内为128个字节,片外最多可外扩至64k字节,用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等,所以称为数据存储器。3 程序存储器由于受集成度限制,片内只读存储器
14、一般容量较小,如果片内的只读存储器的容量不够,则需用扩展片外的只读存储器,片外最多可外扩至64k字节。4 中断系统具有5个中断源,2级中断优先权。5 定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器, 具有四种工作方式。6 串行口1个全双工的串行口,具有四种工作方式。可用来进行串行通讯,扩展并行I/O口,甚至与多个单片机相连构成多机系统,从而使单片机的功能更强且应用更广。7 P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。8 特殊功能寄存器共有21个,用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见,80C51单片机的
15、硬件结构具有功能部件种类全,功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器,它实际上是一个完整的1位微计算机,这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效;而8位机在数据采集,运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起,二者相辅相承,它是单片机技术上的一个突破,这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。二 最小应用系统设计STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电
16、路即可,如图3.1STC89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点:(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。图1-2 STC89C51单片机最小系统1、时钟电路STC89C51虽然有内部振荡电路,但要形成时钟,必须外部附加电路。STC89C51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡电路,在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件,内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式,即用外接晶体和电容组成的并联谐
17、振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求,但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响,CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值,但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中,振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。在设计印刷电路板时,晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装,以减少寄生电容,更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性,应采用NPO电容。2、复位电路STC89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复
18、位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1K。除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路见图3.2。时钟频率选用6MHZ时,C取22uF,Rs取200,RK取1K。图1-3 STC89C51复位电路如图1-4所示,智能电动车的系
19、统原理框图主要包括主控器,电动机驱动控制电路,避障红外传感器电路,寻线红外传感器电路,显示电路,时钟电路,报警电路和电源电路等部分构成。 电动机驱动控制显示电路避障红外传感器 主控器 时钟电路寻线红外传感器 报警电路 电源电路 图1-4 智能电动车的系统原理框图三 主控器本系统中主控器需要对双电机进行控制,因此需要使用PWM脉冲信号输出。AT89S51是一种低功耗,高性能CMOS 8位微控制器,三个定时器/计数器,具有8KB在系统可编程Flash存储器。主控器外围电路如图1-5所示。 图1-5 主控器外围电路图 四 电动机驱动控制L298是SGS公司(意法半导体公司)的一款H桥电动机驱动芯片。
20、该芯片内部有4通道逻辑驱动电路,具有两套H桥电路,可以方便地驱动两个直流电动机。电动机驱动控制电路如图1-6所示。 图1-6 电动机驱动控制电路图五 寻迹传感器电路寻迹传感器电路采用TCRC5000L型红外对管进行设计。该型号的传感器内部由一个高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成,具有体积小,结构紧猝,灵敏度高,工作性能稳定等特点,能够满足本次设计的要求。传感器的工作原理如下:红外发射管发出红外线,若红外光照射到白色的平面将存在反射光线,传感器会输出一个低电平信号:反之,若红外光照射到黑色的平面将无反射光线,传感器侧输出一个高电平信号。 寻迹传感器电路如图1-7所示,通过一个电压比
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