基于STC89C52单片机的智能小车设计系统.doc

基于stc89c52单片机的智能小车设计系统目录摘要3第一章 设计任务41.1设计要求.4 1.2小车循迹路线.4第二章 系统方案选择52.1车体设计.52.2控制器模块.62.3电源和稳压模块.62.4寻迹传感器模块.62.5电机模块.62.6电机驱动模块.7第三章 硬件电路原理83.1微控制器电路的设计与原理.83.2直流电机驱动模块.83.2.1直流电机的h桥控制方案.83.2.2l298n芯片的结构与功能93.2.3电机驱动芯片l298n的典型接法.103.3电动小车寻迹原理.103.3.1红外探测法简介.103.3.2寻迹具体方案介绍.103.4智能小车的硬件连接.113.4.1概况.113.4.2总体结构图.113.5智能小车的发挥部分.11第四章 智能小车的软件设计13第五章 结束语及参考文件.165.1结束语.165.2参考文件.17附录：设计所需电子器件表18摘要随科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。而智能电动车正是智能机器人的一种，具有不可估量的实际意义。本课题为具有较强动手能力与设计基础的大学毕业生准备。通过此课题使学生受到较全面的电子应用系统设计和应用研究的工程训练。进一步培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和技能，提高分析与解决实际问题的能力和初步科学研究的能力。针对小车在行驶过程中的寻迹和过桥功能，设计了以北京民芯电子公司的mxt8051单片机为核心的控制电路，加以直流减速电机、光电传感器和电源电路以及其他电路构成。采用模块化的设计方案，通过红外发射管和接收管识别路径，利用pwm技术控制直流电机的前进速度和方向，寻迹由tcrt5000光电对管完成。软件采用c语言编程简单明确，并对设计的电路进行了理论分析和实际测试。结果表明，该智能小车具有很好的识别与检测的能力，具有定位精度、运行稳定可靠的寻迹功能。关键词：单片机 路径识别 pwm控制技术 直流电机 光电传感器第一章 设计任务1.1设计要求（1）自动寻迹小车从安全区域启动。（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退、过桥等功能，在轨道上划出设定的地图。（3）小车完成指定运行任务后，停止在终点位置上。1.2小车寻迹路线小车寻迹线路如图1所示：图1第二章.系统方案选择根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.1车体设计方案：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两边分别用两电机驱动的方案（即每个电机驱动一边的两个轮子）。即左边和右边的两个轮子分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯，并且使用金属结构车架，这种结构使得小车在前进时比较平稳。小车总体结构图如图2所示：图22.2 控制器模块方案：采用stc89c52单片机作为主控制器。stc89c52是一个低功耗，高性能的单片机，它具有体积小、驱动能力高、集成度高、32个i/o口，易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。2.3电源和稳压模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案：电池组供电，采用4节1.5v可充电式锂电池串联共6v给直流电机供电，然后将6v电压经7805再次降压、稳压后串联电阻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，重复利用，因此，这种方案比较可行，能够实现系统要求。2.4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。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。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案2：用tcrt5000型光电传感器。tcrt5000是一种反射型光电传感器，采用dip4封装，其具有如下特点：灵敏度高。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。综上考虑，我们选择了方案2。2.5电机模块驱动电机的选择对本系统的智能电动车来说十分重要。，由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了如下方案。方案：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，能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。2.6电机驱动模块方案：对于直流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。我们采用专用芯片l298n作为电机驱动芯片。l298n是专用驱动集成电路，属于h桥集成电路，与l293d的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2a，最高电流4a，最高工作电压50v，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，减速电机，伺服电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。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。第三章 硬件电路原理3.1微控制器电路的设计与原理微控制器电路是整个智能救援小车系统的核心控制部分，它负责对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分硬件电路进行调整。本设计制作的智能小车系统以mxt8051单片机最小系统电路为整个系统的控制电路，通过各种传感器电路，采集各种传感器信息，以发出各种控制信号命令，来完成相应的操作，单片机控制电路原理图如3所示：图3 单片机控制电路原理图3.2直流电机驱动模块3.2.1直流电机采用h桥控制方案 如图4图4通过采用l298n芯片可以达到目的，整体控制方案如图5图5电机有两个分别作为左右轮的驱动，而通过两路pwm输出即可控制一个电机，故共需4路pwm输出。3.2.2 l298n芯片结构与功能 l298n内部结构如图6图6真值表如下当允许信号 enable 为高时 输出才随输入变化，否则为高阻态，所以焊接时，enable及vs均接vcc。具体控制过程为：1. 通过编程由控制芯片mxt8051经pwm发出驱动信号，pwm输出作为l298n的输入，经l298转换输出控制信号使电机转动，进而带动车轮转动，使小车前进后退。2. pwm输出信号的高低则可以控制直流电机转动的快慢，当占空比大时，转速高，占空比小时，转速低，所以当pwm输出占空比为0时可控制电机停止。3. 当左轮停止，右轮转时，小车右转。 当右轮停止，左轮转动时，小车左转。而两路pwm输出的正负顺序转换则可控制电机的正反转，进而控制小车的前进和后退。3.2.3电机驱动芯片l298n的典型接法电机驱动芯片的典型接法如图7所示：图73.3电动小车寻迹原理3.3.1 红外探测法简介红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。3.3.2 寻迹具体方案介绍这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走，采用tcrt5000型光电对管完成系统循迹任务，循迹电路是用以实现小车沿着场地的黑色弧形引导轨迹进行前进和位置校正的，且小车不能偏离该轨迹。本课题设计中采用自制的tcrt5000型光电对管完成系统循迹任务，传感器的数据线输出信号为开关量，可直接与单片机的i/o引脚相连接，硬件电路实现比较简单，其灵敏度可以通过调节多圈电位调。在循迹检测传感器设计中，我们在车体底盘的前端装有三个传感器，用来检测黑色轨迹，起到寻迹前进的作用。具体寻线电路如下图： 图8 红外循迹电路3.4 智能小车的硬件连接3.4.1 概况智能小车采用mxt8051开发板和一块通用板为基础，经焊接相关控制芯片而成，通过i/o口检测信号，输出pwm信号控制直流电机、前进、停止、左转、右转。检测信号则为三组红外发射和接收管，黑线时输出高电平，白线时输出低电平。3.4.2总体结构如图经上所述，我们的最终方案如下图所示： 3.5 智能小车的发挥部分本次设计小车除了可以智能循迹、过桥之外，还可以为小车加上避障，搬运等等功能。由于材料限制，在这里只画出原理图：图9 小车避障电路第四章 智能小车的软件设计经过测试，我们的智能小车程序如下：#includesbit p13=p13;/使能端sbit p14=p14;sbit p10=p10; /循迹口sbit p11=p11;sbit p12=p12;sbit p04=p04; /电机1左轮sbit p05=p05;sbit p06=p06; /电机2sbit p07=p07;unsigned int i=0,j=0;void main() p13=1；p14=1； while(1) p04=1;p05=1;p06=1; p07=1; tmod=0x01; ea=1; et0=1; if(p00=0&p01=1&p02=0) / 小车直走 定时0.002ms th0=0xff; /定时0.01ms tl0=0xfe; tr0=1; if(p00=0&p01=0&p02=1) /小车右转定时0.005ms th0=0xff; tl0=0xfb; tr0=1; if(p00=1&p01=0&p02=0) /小车左转定时0.005ms th0=0xff; tl0=0xfb; tr0=1; if(p00=1&p01=1&p02=1) /全部检测到黑线时 车停 th0=0xff; tl0=0xfb; tr0=1; xiong() interrupt 1 if(p00=0&p01=1&p02=0) /小车直线快走 定时0.002ms th0=0xff; tl0=0xfe;p04=0;/电机1左轮p05=1;p06=1; /电机2 右转p07=0; if(p00=0&p01=0&p02=1) /小车右转定时0.005ms th0=0xff; tl0=0xfb;p04=1;/电机1 左轮p05=1; p06=1; /电机2p07=0;i=1; if(p00=0&p01=0&p02=0&i=1) / 特别 th0=0xff; tl0=0xfb; p04=1; p05=1; p06=1; p07=0; j=0; if(p00=1&p01=0&p02=0) /小车左转定时0.005ms th0=0xff; tl0=0xfb; p04=0;/电机1 p05=1; p06=1; /电机2 p07=1; j=1; if(p00=0&p01=0&p02=0&j=1) / 特别 th0=0xff; tl0=0xfb; p04=0; p05=1; p06=1; p07=1; i=0; if(p00=1&p01=1&p02=1) /全部检测到黑线时 车停 th0=0xff; tl0=0xfb; p04=1; p05=1; p06=1; p07=1;第五章 结束语及参考文件7.1 结束语首先，感谢北京民芯电子设计竞赛组委会和协办单位给我这样一次珍贵的锻炼机会，通过努力，我完成了智能小车系统的设计与制作，本设计中的小车能完成了大赛自主命题的要求，同时也培养了我认真分析问题、独立解决问题的能力，巩固了我对所学理论的实际运用。还锻炼了我的动手实践能力，使我更有信心在电子行业中继续学习下去。经过我的寻迹小车在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。由于设计要求并不复杂，我们没有在电路中增加冗余的功能，但是我们保留了各种硬件接口和软件子程序接口，方便以后的扩展和进一步的开发。另外，我的车体底盘经过充分的论证和专业的设计，兼顾了美观、廉价、稳固、可靠等各方面的因素，具有较高的稳定性和推广意义。当然，由于我的知识能力和水平有限，有些地方还不是很完善，系统也存在一定的缺陷和不完善的地方，恳请各位前辈批评指正，以便我下一次做的更好。7.2 参考文件151系列单片机开发宝典 赵建领. 电子工业出版社 20072模拟电子技术基础简明教程. 杨素行. 高等教育出版社 20073数字电子技术基础简明教程. 余孟尝. 高等教育出版社 20064传感技术及其应用 谢文和. 高等教育出版社 2002 5c语言程序设计教程谭浩强. 高等教育出版社 2007 6集成电子线路设计手册宋家友. 福建科学技术出版社 2002 7全国大学生电子设计竞赛技能训练 黄智伟. 北京航空航天大学出版社 2008 8民芯电子mxt8051芯片数据手册附件：本次设计所需电子器件器件名称数量mxt80511l298n1lm3241tcrt50003直流减速电机2相关电阻（1k、10k等等）+小型电位器（20k）3相关电容（30pf、22uf等等）+万能实验板2发光二极管10稳压二极管5微型开关5三极管（npn、pnp）10晶振（11.0592m）1小车车架材料+相关排线+第一章 设计任务1.1设计要求（1）自动寻迹小车从安全区域启动。（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退、过桥等功能，在轨道上划出设定的地图。（3）小车完成指定运行任务后，停止在终点位置上。1.2小车寻迹路线小车寻迹线路如图1所示：图1第二章.系统方案选择根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.1车体设计方案：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两边分别用两电机驱动的方案（即每个电机驱动一边的两个轮子）。即左边和右边的两个轮子分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯，并且使用金属结构车架，这种结构使得小车在前进时比较平稳。小车总体结构图如图2所示：图22.2 控制器模块方案：采用stc89c52单片机作为主控制器。stc89c52是一个低功耗，高性能的单片机，它具有体积小、驱动能力高、集成度高、32个i/o口，易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。2.3电源和稳压模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案：电池组供电，采用4节1.5v可充电式锂电池串联共6v给直流电机供电，然后将6v电压经7805再次降压、稳压后串联电阻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，重复利用，因此，这种方案比较可行，能够实现系统要求。2.4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。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。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案2：用tcrt5000型光电传感器。tcrt5000是一种反射型光电传感器，采用dip4封装，其具有如下特点：灵敏度高。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。综上考虑，我们选择了方案2。2.5电机模块驱动电机的选择对本系统的智能电动车来说十分重要。，由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了如下方案。方案：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，能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。2.6电机驱动模块方案：对于直流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。我们采用专用芯片l298n作为电机驱动芯片。l298n是专用驱动集成电路，属于h桥集成电路，与l293d的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2a，最高电流4a，最高工作电压50v，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，减速电机，伺服电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。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。第三章 硬件电路原理3.1微控制器电路的设计与原理微控制器电路是整个智能救援小车系统的核心控制部分，它负责对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分硬件电路进行调整。本设计制作的智能小车系统以mxt8051单片机最小系统电路为整个系统的控制电路，通过各种传感器电路，采集各种传感器信息，以发出各种控制信号命令，来完成相应的操作，单片机控制电路原理图如3所示：图3 单片机控制电路原理图3.2直流电机驱动模块3.2.1直流电机采用h桥控制方案 如图4图4通过采用l298n芯片可以达到目的，整体控制方案如图5图5电机有两个分别作为左右轮的驱动，而通过两路pwm输出即可控制一个电机，故共需4路pwm输出。3.2.3 l298n芯片结构与功能 l298n内部结构如图6图6真值表如下当允许信号 enable 为高时 输出才随输入变化，否则为高阻态，所以焊接时，enable及vs均接vcc。具体控制过程为：4. 通过编程由控制芯片mxt8051经pwm发出驱动信号，pwm输出作为l298n的输入，经l298转换输出控制信号使电机转动，进而带动车轮转动，使小车前进后退。5. pwm输出信号的高低则可以控制直流电机转动的快慢，当占空比大时，转速高，占空比小时，转速低，所以当pwm输出占空比为0时可控制电机停止。6. 当左轮停止，右轮转时，小车右转。 当右轮停止，左轮转动时，小车左转。而两路pwm输出的正负顺序转换则可控制电机的正反转，进而控制小车的前进和后退。3.2.3电机驱动芯片l298n的典型接法电机驱动芯片的典型接法如图7所示：图73.3电动小车寻迹原理3.3.1 红外探测法简介红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。3.3.2 寻迹具体方案介绍这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走，采用tcrt5000型光电对管完成系统循迹任务，循迹电路是用以实现小车沿着场地的黑色弧形引导轨迹进行前进和位置校正的，且小车不能偏离该轨迹。本课题设计中采用自制的tcrt5000型光电对管完成系统循迹任务，传感器的数据线输出信号为开关量，可直接与单片机的i/o引脚相连接，硬件电路实现比较简单，其灵敏度可以通过调节多圈电位调。在循迹检测传感器设计中，我们在车体底盘的前端装有三个传感器，用来检测黑色轨迹，起到寻迹前进的作用。具体寻线电路如下图： 图8 红外循迹电路3.4 智能小车的硬件连接3.4.1 概况智能小车采用mxt8051开发板和一块通用板为基础，经焊接相关控制芯片而成，通过i/o口检测信号，输出pwm信号控制直流电机、前进、停止、左转、右转。检测信号则为三组红外发射和接收管，黑线时输出高电平，白线时输出低电平。3.4.2总体结构如图经上所述，我们的最终方案如下图所示： 3.5 智能小车的发挥部分本次设计小车除了可以智能循迹、过桥之外，还可以为小车加上避障，搬运等等功能。由于材料限制，在这里只画出原理图：图9 小车避障电路第五章 智能小车的软件设计经过测试，我们的智能小车程序如下：#includesbit p13=p13;/使能端sbit p14=p14;sbit p10=p10; /循迹口sbit p11=p11;sbit p12=p12;sbit p04=p04; /电机1左轮sbit p05=p05;sbit p06=p06; /电机2sbit p07=p07;unsigned int i=0,j=0;void main() p13=1；p14=1； while(1) p04=1;p05=1;p06=1; p07=1; tmod=0x01; ea=1; et0=1; if(p00=0&p01=1&p02=0) / 小车直走 定时0.002ms th0=0xff; /定时0.01ms tl0=0xfe; tr0=1; if(p00=0&p01=0&p02=1) /小车右转定时0.005ms th0=0xff; tl0=0xfb; tr0=1; if(p00=1&p01=0&p02=0) /小车左转定时0.005ms th0=0xff; tl0=0xfb; tr0=1; if(p00=1&p01=1&p02=1) /全部检测到黑线时 车停 th0=0xff; tl0=0xfb; tr0=1; xiong() interrupt 1 if(p00=0&p01=1&p02=0) /小车直线快走 定时0.002ms th0=0xff; tl0=0xfe;p04=0;/电机1左轮p05=1;p06=1; /电机2 右转p07=0; if(p00=0&p01=0&p02=1) /小车右转定时0.005ms th0=0xff; tl0=0xfb;p04=1;/电机1 左轮p05=1; p06=1; /电机2p07=0;i=1; if(p00=0&p01=0&p02=0&i=1) / 特别 th0=0xff; tl0=0xfb; p04=1; p05=1; p06=1; p07=0; j=0; if(p00=1&p01=0&p02=0) /小车左转定时0.005ms th0=0xff; tl0=