毕业论文-基于单片机的玩具车控制系统设计.doc

毕业设计（论文）基于单片机的玩具车控制系统设计（硬件电路）摘 要随着社会生产和科学的发展，单片机技术的飞速发展，计算机控制与电子技术的融合为电子设备智能化开辟了广阔前景，智能化玩具的研究越来越受到社会各界的广泛重视。开发模块化，功能强，价格低的智能玩具小车，已成为全国电子技能比赛的热点，而且智能玩具车在国内和国外都有着巨大的市场。可编程玩具小车将会给玩具市场注入新的活力。本设计主要完成玩具车控制系统硬件电路设计，控制系统的硬件电路部分主要包括控制器、红外通讯电路、电机驱动电路、键盘电路、led显示电路、232通讯电路等，直流电机作为小车的驱动电机。单片机是整个小车控制系统的核心，控制所有模块，本系统采用at89c51单片机，它有着体积小、功效低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。采用l298n芯片同时驱动两台直流电机，使系统的控制电路简洁，且可靠性高。该设计系统中采用脉冲宽度调制技术（pwm）实现对直流电动机的准确与灵活调速。电机驱动利用软件产生不同占空比的pwm波来控制直流电机的转向和转速。设计中采用软件生成pwm驱动方式，解决了驱动电流的的不可控性问题。采用led显示，其特点是亮度大，视觉效果好。通过软件编程控制小车实现左转、右转、前进、后退、加速、减速和车灯闪烁等功能。 关 键 词：玩具车，单片机，pwm，红外通讯，电机 the control system design of the toy car based on mcu (hardware circuit )abstractwith the development of social production and science, the rapid development of microcomputer technology, the integration of computer control and electronic technology has broadened prospects for electronic equipment. the study of smart toys is getting more and more extensive attention of society. developing of the smart toy car of modular, functional, the lowest price has become a hot e-skills competition, and the smart toy cars have a huge market at home and abroad. programmable toy car will inject new vitality into the toys market. the design completed hardware design of toy car control system, and the control system hardware consists of the major controller, infrared communication circuit, motor drive circuit, the keyboard circuitry, led display circuit and 232 communication circuit. dc motor is selected as the car driving motor. scm is the core of the car control system to control all the modules. this system uses the at89c51 microcontroller and it has significant advantages of small size, low efficiency, and strong function, high cost performance, easy-to promote the application. using l298n chip drive two dc motors at the same time makes the system control circuit more simplicity and high reliability. the design of the system uses pulse width modulation (pwm) to achieve the accuracy of the dc motor speed and flexibility. to control dc motor steering and speed, motor drive uses the software to get different duty cycle of the pwm wave. pwm drive mode, the method solve the non-controllable issues of drive current. with led display, it is characterized by high brightness and visual effect good. this system can achieve car turning left, turning right, forward, backward, speed up, slow down and lights flashing functions through software programming. key words：toy car, mcu, pwm, infrared communication, motor 目 录前 言1第1章 玩具车控制系统设计21.1 控制方案比较21.1.1采用红外遥控控制21.1.2采用车身自带按键控制31.2控制系统设计31.2.1控制系统硬件电路整体规划31.2.2单片机的选择41.2.3时钟电路71.2.4复位电路81.2.5电源电路9第2章 电机驱动电路112.1电机的选择112.1.1交流电机112.1.2步进电机112.1.3直流电机132.2功率驱动电路的选择14第3章 硬件电路设计173.1键盘电路设计173.1.1 键盘工作原理173.1.2 键盘接口电路183.2 led显示电路设计183.2.1 led显示器的结构与原理193.2.2 led显示器接口电路20第4章 通信电路设计224.1 rs232通讯电路设计224.2红外通讯电路设计224.2.1 红外通讯技术简介224.2.2 红外发射和接收电路23第5章 电路设计软件protel 99se简介255.1 protel 99se内容介绍255.2 protel 99se的使用25结 论27参考文献28致谢29- v -前 言当今社会，科学技术日新月异，时代前进的步伐越来越快。计算机控制与电子技术的融合为电子设备智能化开辟了广阔前景，智能化玩具的研究越来越受到社会各界的广泛重视。近年来，智能水平不断提高，并迅速地改变了人们的生活方式。目前，开发模块化，功能强，价格低的智能玩具小车，已成为全国电子技能比赛的热点，而且智能玩具车在国内和国外都有着巨大的市场。在全球市场上，智能玩具领域，几乎被美国、日本等国垄断，我国智能玩具是一个即将兴起的领域，可编程玩具小车将会给玩具市场注入新的活力。玩具小车随着传感技术、计算机科学、人工智能及其它相关学科的迅速发展，正向着智能化的方向发展。智能化玩具车控制系统包括了计算机、控制技术、传感技术、机械和人工智能等多方面的知识，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，是典型的机电一体化产品，是机电一体化专业学生开展综合知识训练的最佳平台。通过开展智能化玩具车的制作活动，能够全面培养我们的动手能力、创造能力、团队合作能力和进取精神。目前，玩具小车的控制方式有：基于单片机的，基于光学传感器的，语音控制的等。本设计主要完成玩具车控制系统硬件电路设计，控制系统的硬件电路部分主要包括控制器、红外通讯电路、电机驱动电路、键盘电路、led显示电路等，直流电机作为小车的驱动电机。电机驱动利用软件产生不同占空比的pwm波来控制直流电机的转向和转速。设计中采用软件生成pwm驱动方式，解决了驱动电流的的不可控性问题。单片机是整个小车系统的核心，控制所有模块，本系统采用at89c51单片机。通过软件编程控制小车实现左转、右转、前进、后退、加速、减速和车灯闪烁等功能。第1章 玩具车控制系统设计1.1 控制方案比较1.1.1采用红外遥控控制红外通讯指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数据传输方式。红外通讯的基本原理是发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲信号，再通过红外发射管发射红外信号。由于红外线遥控器具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因此，很多小型装置上纷纷采用红外线遥控。红外通讯以红外线作为通讯载体，通过红外光在空中的传播来传输数据，它由红外发射器和红外接收器来完成。在发射端，发送的数据信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中。在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换，解调译码后恢复出原信号。玩具小车可通过遥控器自身携带的一些按键，通过编程使玩具车完成加减速、转向、前进、后退、灯光等遥控任务。该方法能实现玩具车的远距离控制，方便快捷，并准确的满足使用者的要求。红外通讯技术的特点如下：它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据收发。红外通讯技术的缺点如下：通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断；目前广泛使用的sir标准通讯速率较低；功能单一，扩展性差。1.1.2采用车身自带按键控制键盘由六个独立按钮（s1、s2、s3、s4、s5、s6）组成，分别和单片机的p2口（p2.5、p2.4、p2.3、p2.2、p2.1、p2.0）相连。它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。一般单片机系统中采用非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。这种控制方法不需用红外技术，控制方法简单，容易实现。只需要在车身上佩带按键，按键以一定的电路与单片机相连，通过编程即可实现小车的左转、右转、前进、后退、加速、减速和车灯闪烁等功能。1.2控制系统设计1.2.1控制系统硬件电路整体规划控制系统的作用是能根据设计程序控制小车按我们的意愿行驶，控制系统硬件设计框图如图1-1所示。232通讯电路电机驱动电路（l298n）led显示模块直流电机2at89c51键盘/遥控器直流电机1led显示灯图1-1控制系统硬件设计框图该控制系统以at89c51单片机为核心，通过键盘或遥控器实现小车的左转、右转、前进、后退、加速、减速和车灯闪烁等功能。232通讯电路是连接小车电路板和计算机的桥梁，通过它把程序下载到电路板上，通过程序控制小车的运动。led显示模块显示小车加速、减速的过程。led显示灯完成车灯闪烁功能，当小车左转时左车灯闪烁，当小车右转时右车灯闪烁。电机驱动电路主要有直流电机驱动芯片l298n组成，通过编程对输入端输入高低电平的变化，来控制直流电机的正反转，从而实现小车前进、后退，左转、右转的功能。1.2.2单片机的选择目前，单片机已广泛应用到国民经济建设和日常生活的许多领域，成为测控技术现代化必不可少的重要工具。在自动化装置、智能化仪器仪表、过程控制和家用电器等许多领域得到日益广泛的应用，因此将单片机应用于玩具小车的控制系统是一种较好的选择。at89c51是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(perom) 和128 bytes的随机存取存储器(ram)，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(cpu)和flash存储单元，功能强大。mcs-51单片机的引脚如图1-2。 图1-2 mcs-51单片机引脚图主要性能参数：与mcs-51产品指令系统完全兼容4k字节可重擦写flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0hz-24mhz三级加密程序存储器128x8字节内部ram32个可编程i/o口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行uart通道低功耗空闲和掉电模式at89c51提供以下标准功能：4k字节flash闪速存储器，32字节内部ram，32个i/o口线，两个16位定时/计数器，一个全双工串行通讯口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时/计数器，串行通讯口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。引脚功能说明vcc：电源电压gnd：地p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个ttl逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分别转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在flash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。p1口：p1口是一个带内部上拉电阻8位双向i/o口，p1的输出缓冲级可驱动4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 flash编程和程序校验期间，p1口接收8位地址。p2口：p2口是一个带内部上拉电阻8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部数据存储器或16位地址的外部数据存储器时，p2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，p2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（sfr）区中r2寄存器的内容），在整个访问期间不变。flash编程或校验时，p2亦接收高位地址和其他控制信号。p3口：p3口是一组带内部上拉电阻的8位双向i/o口。p3口输出缓冲级可驱动4个ttl逻辑门电路。对p3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表1-1 p3口的第二功能端口引脚第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2/int0（外中断0）p3.3/int1（外中断1)p3.4t0（定时/计数器0外部输入）p3.5t1（定时/计数器1外部输入)p3.6/wr(外部数据存储器写选通)p3.7/rd(外部数据存储器读选通）p3口还接收一些用于 flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。rst：复位输入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ale/（/prog）：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ale 仍以时钟振荡频率的 l/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ale 脉冲。对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的 8eh 单元的 do 位置位，可禁止 ale 操作。该位置位后，只有一条 movx 和 movc 指令 ale 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，设置 ale 无效。/psen：程序储存允许（/psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89c51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的psen信号不出现。/ea/vpp：外部访问允许。欲使 cpu 仅访问外部程序存储器（地址为 0000hffffh），/ea 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 lb1 被编程，复位时内部会锁存/ea 端状态。 如 ea 端为高电平（接 vcc 端），cpu 则执行内部程序存储器中的指令。flash 存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp。xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。1.2.3时钟电路at89c5l中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1 和 xtal2 分别是该放大器的输入端和输出端。在xtal1和 xtal2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图1-3。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容使用 5 pf -30pf。图1-3内部时钟电路1.2.4复位电路单片机在启动时都需要复位，以使cpu及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从rst引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果rst引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则cpu就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。本设计的电路采用手动按钮复位。1、手动按钮复位 图1-4手动按钮复位电路手动按钮复位需要人为在复位输入端rst上加入高电平（图1-4）。一般采用的办法是在rst端和正电源vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则vcc的+5v电平就会直接加到rst端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。2、上电复位at89c51的上电复位电路如图1-5所示，只要在rst复位输入引脚上接一电容至vcc端，下接一个电阻到地即可。对于cmos型单片机，由于在rst端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1f。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给rst端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即rst端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，rst端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10mhz，起振时间为1ms；晶振频率为1mhz，起振时间则为10ms。在图1-5的复位电路中，当vcc掉电时，必然会使rst端电压迅速下降到0v以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器pc将得不到一个合适的初值，因此，cpu可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。图1-5上电复位电路1.2.5电源电路如图1-6所示电路为输出电压+5v的稳压电源。它由整流二极管d1，滤波电容c1、c2，防止自激电容c3和一只固定式三端稳压器(lm7805)极为简捷方便地搭成的。发光二极管ds1显示通电状态，通电时发光。220v交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过整流二极管d1和滤波电容c1的整流和滤波，在固定式三端稳压器lm7805的vin和gnd两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过lm7805的稳压和c2的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为ttl电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其稳压精度高、外围电路简单、容易设计和制作、体积小、重量轻、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。图1-6电源电路第2章 电机驱动电路2.1电机的选择电机是将电能转换成机械能的一种机器。它是驱动小车运动必不可少的一种器件。电机有交流电机、步进电机、直流电机等。2.1.1交流电机交流电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。交流电动机由定子和转子组成，并且定子和转子是采用同一电源，所以定子和转子中电流的方向变化总是同步的，即线圈中的电流方向变了，同时电磁铁中的电流方向也变，根据左手定则，线圈所受磁力方向不变，线圈能继续转下去。交流电动机的特点：1、结构简单，单机容量大； 2、转速高而且耐高压； 3、维护容易，运行可靠，物廉价美； 4、对环境的适应性强； 5、应用范围广。交流电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。2.1.2步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为不连续的机械运动的机电装置。当施加适当的电脉冲指令时，电机转子轴或外转子将会以不连续的步进增量旋转。步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常适合单片机控制，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的无累积误差，精度高。 步进电机的优缺点：优点： 1、步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性； 2 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；3、由于每步的精度在 3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4、步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速； 5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本； 7、低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载；8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。 缺点：1、步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施； 2、难以运转到较高的转速；3、步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源；开环控制：步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。这种控制避免了使用昂贵的传感器以及象光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道转子的位置。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。 2.1.3直流电机直流电机的结构包括定子和转子两部分，定子和转子之间有空气隙分开。定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机，它的组成部分有主磁极、换向极、机座、端盖和轴承等，电刷也用电刷座固定在定子上。转子的作用是产生感应电势或产生机械转矩以实现能量的转换，它的组成部分有电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇等。直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于长期以来交流电动机的调速问题未能得到满意的解决，在此之前，直流电动机具有交流电动机所不能比拟的良好的启动性能和调速性能。到目前为止，虽然交流电动机的调速问题已将解决，但是在速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。直流电机的调速采用调压调速。改变电枢电压可以对直流电动机进行速度控制，调压的方法很多，其中应用最广泛的是脉宽调制(pwm)调速的方法。 所谓脉宽调制(pwm)，就是使功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率与加在晶体管上的输入电压保持恒定，根据控制信号的大小来改变每一周期内“接通”和“断开”的时间长短，即改变“接通”脉宽，使晶体管输出到电动机电枢上电压的占空比改变，从而改变电动机电枢上的平均电压，完成电动机转速的控制。 pwm的优点有： 1、避开与机械的共振。由于pwm调速系统开关工作频率高（约为2khz），远高于转子所能跟随的频率，避开了机械共振区。 2、电枢电流脉冲小。pwm调速系统的开关工作频率高，仅靠电枢绕组本身的电感滤波即可获得脉动很小的电枢电流，因此低速工作非常平滑、稳定，调速可达1：10000或更高。3、动态特性好。pwm调速系统反应速度很快，具有很宽的频带。它具有极快的定位速度和很高的定位精度，抗负载扰动的能力强。4、pwm的另一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。 pwm调速系统的主要缺点是不能承载高的过载电流，功率还不能做的很大，故在小功率的驱动装置中，大多采用性能优异的pwm调速系统。总结：由于小车的功率不大，直流电机的调速简单且容易实现，pwm调速易于实现，因此本设计采用两个直流电机分别驱动小车的前轮和后轮，用pwm调速。2.2功率驱动电路的选择在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑以下几点：功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的h桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现pwm（脉冲宽度调制）调速。性能：对于pwm调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。1、输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。2、效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（h桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。3、对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。4、对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。5、可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。小车电机的驱动系统的性能在很大程度上决定了小车的整体运行性能，在小车电动机的选择上，我们选用性价比高、控制简单的直流电机。直流电机的驱动方法很多，本设计采用集成桥式电机专用驱动芯片l298n。这一设计方案可令系统的控制电路简洁，且可靠性高。l298n是st公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46v；输出电流大，瞬间峰值电流可达3a，持续工作电流为2a；额定功率25w；转速可调，抗干扰能力强，具有过电压和过电流保护；可单独控制两台直流电机，pwm脉宽平滑调速，可实现正反转。内含两个h桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。图2-4是其引脚图。图2-4 l298n芯片引脚图表2-1 l298n控制电机表电机旋转方式控制端in1控制端in2控制端in3控制端in4输入pwm信号改变脉宽可调速调速端a调速端bm1正转高低/高/反转低高/高/停止低低/高/m2正转/高低/高反转/低高/高停止低低/高驱动的两台直流电机，分别为m1和m2。引脚a，b可用于输入pwm脉宽调制信号对电机进行调速控制。实现电机正反转就更容易了，输入信号端in1接高电平输入端in2接低电平，电机m1正转。（如果信号端in1接低电平， in2接高电平，电机m1反转。）控制另一台电机是同样的方式，输入信号端in3接高电平，输入端in4接低电平，电机m2正转。（反之则反转），pwm信号端a控制m1调速，pwm信号端b控制m2调速。可参考表2-1。用l298n驱动电机的电路如图2-5。图2-5 l298n驱动电路总结：本设计采用驱动芯片l298n驱动两台电机。控制端in1、in2、in3、in4分别与p1口的p1.1、p1.2、p1.3、p1.4相连。通过程序控制电机m1、m2的正反转。out1、out2接电机m1，out3、out4接电机m2。pwm信号端ena、enb分别接单片机的p3.4、p3.5口，控制电机m1、m2的速度。第3章 硬件电路设计3.1键盘电路设计键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。键盘按其结构形式可分为编码式键盘和非编码式键盘。一般单片机系统中采用非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。3.1.1 键盘工作原理组成键盘的按钮有触点式和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触点组成的。如下图3-1。 图3-1键盘结构图 图3-2 输入端波形当开关s未被按下时，输入为高电平，s闭合后，输入为低电平。由于按钮是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动动，输入端的波形如图3-2所示。这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，则是完全能感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长”的时间了。为使cpu能正确地读出输入口的状态，对每一次按钮只作一次响应，就必须考虑如何去除抖动，常用的去抖动的办法有两种：硬件办法和软件办法。单片机中常用软件法，因此，对于硬件办法我们不介绍。软件法其实很简单，就是在单片机获得输入口为低的信息后，不是立即认定s已被按下，而是延时10毫秒或更长一些时间后再次检测输入口，如果仍为低，说明s的确按下了，这实际上是避开了按钮按下时的抖动时间。而在检测到按钮释放后，再延时5-10个毫秒，消除后沿的抖动，然后再对键值处理。不过一般情况下，我们常常不对按钮释放的后沿进行处理，实践证明，也能满足要求。3.1.2 键盘接口电路键盘与单片机的连接如图3-3。图3-3 键盘的连接将每个按钮的一端接到单片机的i/o口，另一端接地，这是最简单的办法，如图3-3所示是电路板上按钮的接法，六个按钮s1、s2、s3、s4、s5、s6分别接到p2.5、p2.4、p2.3、p2.2、p2.1、p2.0口上。 各键功能如下： s1：当s1按下时小车左转；s2：当s2按下时小车右转；s3：当s3按下时小车加速行驶；s4：当s4按下时小车减速行驶；s5：当按s5键时小车前进； s6：当按s6键时小车后退；3.2 led显示电路设计led显示器，是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏。 led显示器集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体，以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等优点，成为最具优势的新一代显示媒体，目前，led显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。小车上的显示器用来显示加减速的脉冲数。3.2.1 led显示器的结构与原理led显示器有七条发光二极管组成显示字段，有的还带有一个小数点dp。将七段发光二极管阴极连在一起，称为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。共阳接法是将led的所有阳极并联后接到+5v上，当某一字段的阴极为0时，对应的字段就点亮。如图3-4所示。 共阳极 共阴极 符号和引脚图3-4 7段数码led显示器点亮led显示器有静态和动态两种方式。所谓静态显示，就是显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种方式，每一显示位都需要一个八位输出口控制，占用的硬件较多，一般仅用于显示器位数较少的场合。 所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。显示位的亮度既跟导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。动态显示器因其硬件成本较低，多数显示时常常采用。为了显示字符，要为led显示器提供显示段码，组成一个“8”字形的7段，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供led显示器的显示段码为1个字节。各段码位的对应关系如表3-1。表3-1 led显示器各段码位段码位d7d6d5d4d3d2d1d0显示位dpgfedcba用led显示器显示十六进制数的显示段码，如表3-2。表3-2 led显示器的显示段码字型共阳极段码共阴极段码字型共阳极段码共阴极段码0c0h3fh880h7fh1f9h06h990h6fh2a4h5bha88h77h3b0h4fhb83h7ch499h66hcc6h39h592h6dhda1h5eh682h7dhe86h79h7f9h07hf84h71h3.2.2 led显示器接口电路 图3-5 led显示器接口电路图3-5为led显示器接口电路，p0口作为段数据口，接led显示器的各段，输出相应位的显示数据的段数据，使某一位显示出一个字符。p1口作为扫描口，接显示器的公共极，选择显示器。依次改变p1口输出的高电平及p0口输出对应的段数据，显示器就显示出相应的字符。 第4章 通信电路设计4.1 rs232通讯电路设计本设计采用rs232通讯电路，如图4-1。该电路采用max202芯片把ttl电平转换成rs-232电平格式，可以用于单片机与微机通信，以及单片机与单片机之间的通信，并提供了一个db9的接口，为单片机与其他具有rs232接口的通信端口。图4-1 rs232通讯电路该电路用于电路板单片机与计算机的连接，用于下载程序。4.2红外通讯电路设计4.2.1 红外通讯技术简介红外数据通讯指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数据传输方式。一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75至25之间。红外数据协会成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之间。红外通讯的最大特点在于它替代了设备与设备之间传统的线缆连接，进而摆脱了不同平台设备连接时对于特制接口的要求，使得跨平台设备间的数据交换简单到只需彼此相对。红外通讯技术的特点如下：1、它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；2、通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据收发；3、主要用来取代点对点的线缆连接；红外通讯系统结构图如图4-2。串行信号红外编码解码器红外接收器红外发射器红外信号红红 图4-2红外通讯系统结构图4.2.2 红外发射和接收电路红外发射电路如图4-3所示。图4-3 红外发射电路红外发射的基本原理是发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲信号，再通过红外发射管发射红外信号。按键输入小车左转、右转、前进、后退、加速、减速等信号，使红外发射管发出一定的脉冲信号，控制小车做相应的运动。p0口作为段数据口，接led显示器的各段，输出相应位的显示数据的段数据，使某一位显示出一个字符。p1口作为扫描口，接显示器的公共极。显示红外发射管发出脉冲的个数。红外接收电路如图4-4所示，红外接收头有三个管脚，一个接地，一个接电源，另一个接信号端，即接单片机的p3.3口。当它接收到遥控器的发射信号后，通过单片机控制两台电机的运动，从而控制小车的运动。图4-4 红外接收电路 第5章 电路设计软件protel 99se简介5.1 protel 99se内容介绍protel99 se共分5个模块，分别是原理图设计、pcb设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、pld设计。protel99 se的特点是把设计文件全部储存在唯一的设计数据库中，打开文件只要在左侧窗口导航树中单击所要编辑的文件名，或者双击右边文件夹中的图标即可。关闭文件，可以用鼠标右键，选择close。也可以用ctrl+f4来关闭。5.2 protel 99se的使用首先，打开protel 99se，进入主界面, 新建一个工程文件，点击filenew，新建一个文件。进入选择新建文件类型，主要是选择新建原理图还是新建pcb文件。如果选择原理图，双击进入原理图绘图界面，左侧是元件选择框，包括所加的库，下面就是所选库的元件列表，选中元件后点击place图5-1 原理图就可放置元件到原理图中。放置过程中，按空格键可改变元件的角度，放置好了元件，下一步就是连线了，点击place-wire即可连线。全部连好线后就完成了原理图的绘制，如图5-1所示。然后，进行电气规则检查，点击tools-erc,再点击ok即可。原理图要画准确，封装要填正确，元件标号不要重复。如果原理图中有错误，会有红色的“*”标注在原理图中。下一步就是创