智能公交小车系统的设计说明

1、 . . . 毕业论文（设计）题 目 智能公交小车系统（硬件部分）的设计与实现系 部 专 业 年级学生 学 号 指导教师 31 / 36智能公交小车系统（硬件部分）的设计与实现专业学生： 指导老师: 摘要80C51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。89c52rc是其加强版（由4K Flash RAM增大到8K），它拥有更大的片存储容量，广泛应用于入门单片机学习，在市场上几乎随处可见于学习型开发板。本设计就是基于单片机为控制核心的简单人工智能，用以实现小车寻迹、驻车等一系列动作：用寻迹模块检测道路上的黑线，传输信号给信号处理芯片，再将处理后的信号传入单片机，单片

2、机将控制信号传输给l298n用以驱动小车底盘上的直流电机，通过pwm脉冲宽度调节电机转速，从而实现对小车速度控制。并在所有传感器全检测到黑色线信号时小车停止5秒并响蜂鸣器以表示小车到站，5秒后继续寻迹行驶。整个电路结构简单，可靠性强，实验测试结果满足要求，易于实现，本文着重介绍该系统硬件设计与实现。关键词单片机 寻迹 传感器 L298N Intelligent Public Transport Vehicle System (hardware) design and implementationStudent： Instructor：Abstract80C51 SCM is a kind of

3、 8 bit SCM, Hisversatilityandease of use are achieve the majority of users praise.89c52rc is its enhanced（from4K Flash RAM add up to 8K）,It has a greater storage capacity on-chip,Introduction to microcontrollers are widely used in learning, and almost everywhere in the market development board in th

4、e learning. This project is based on SCM simple AI,tracing to achieve car, parking and a series of actions:By tracing module detects black line on the road,transmission signal to the signal processing chip,then process signal into single chip,MCU will take signal to L298Nfor drive DC motor car, and

5、pwm width pulse modulation to control car speed. When all thesensors are detected the black lines , the car will stop about 5 seconds and at the same time ringing the buzzer for expressedthe car arrive at bus stop,5 seconds latter the car continue to tracing driving again.All the circuit structure a

6、revery simple, reliable. All the test results are meet the requirements, easy to implement,this paper will introduce the hardware design and the implementation of its system.KeywordsSCM modulation TracingSensorsl298n 目 录前言11 方案设计与论证21.1 循迹检测系统21.2 电机驱动31.3 直流调速系统41.4 电源61.5 系统原理图62.硬件设计72.1 循迹电路设计72

7、.1.1 公交小车从起始到终点的循迹光电检测72.1.2 传感器的比较72.1.3 工作原理82.2 直流电机驱动设计112.3 pwm脉冲宽度调制132.3.1 脉宽调制原理142.3.2 逻辑延时142.4 89c51单片机硬件结构设计142.5 最小应用系统设计152.5.1 时钟电路162.5.2 复位电路172.6 电源设计172.7 到站表示183 测试数据、测试结果分析与结论193.1 测试方法与测试仪器193.2 电子系统调试193.3 测试方法203.4 测试数据与测试结果分析203.5 结构与总结20参考文献22附录硬件实物图23致31前言随着汽车工业的迅猛发展，有关于汽车

8、类的研究也就越来越受到广泛的关注。全国大学生电子设计竞赛每年都有类似的题目出现，智能小车在竞赛中也是必不可少的题目之一，全国各大高校都比较重视该类题目的学习与研究。由此可见，智能小车的重要性。智能公交车启停系统则是其扩展，可见其极具研究意义。本设计就是基于该设计而来，根据导师的指示，充分学习和研究智能公交车启停系统，有助于我们对所学的知识巩固和提高，本题目结合科研项目而进行设计开发。该项目可完成小车寻迹、停车（5秒，并以蜂鸣器报警来表示小车道站，5秒后继续向前行进）、可控小车速度、停止等。根据题目要求，我确定了如下方案：在购买的小车底盘的基础上加装寻迹模块（光电传感器）、pwm调制模块（控制电

9、机转速）、电源模块（L298n，给两个电机供电以与控制走停）、单片机最小系统，搭建所需的智能小车，使其达到所需功能动作，即实现小车寻迹、启停、报警、停止等一系列动作，最终达到公交车启停系统的设计和研发。该方案能对电机进行实时控制，以达到精准控制的目的，因其有控制灵活、可靠性高、方案易实现、成本低廉、可满足对系统的各种需求，被广泛应用。本设计采用MCS-51系列中的89C52RC单片机作为控制核心，利用光电传感器作为黑线寻迹，将采集的信号通过ADC转换后进行比较实现信号采集，再将信号传送给光电隔离后的L298N进行电机控制，pwm调制速度后以驱动小车；传感器检测都检测到黑线时作为小车到站，蜂鸣器

10、报警5秒。80C51是一款八位单片机（89C52RC也是属于该系列，不同的是片RAM多4k），它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如80C51GA/GB8C15280C51FA/FB8C452、8C451，还包括了PhilipsADMSiemensFujutsuHarria-MetraOKIATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色与80C51相兼容的系列单片机。新一代的单片机的最主要的特点是外部接口电路的扩展，用以实现Microcomputer的完善控制功能为己任，扩展一些外部接口功能

11、单元，如PWMA/DPCA(可编程计数器阵列)高速I/O口WDT(监视定时器)计数器的捕获/比较逻辑等。新一代单片机中，在总线方面最重要的进展是给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公司甚至还为这一代单片机80C51系列8C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线-CAN(Controller Area Network BUS) 7.新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为单片机系统的扩展与配置打下了良好硬件设计基础。本设计就是采用新一代80c51单片机作为控制核心，因其使用广泛、易得、成本低廉、可靠性高、功耗低等优点，被广泛应

12、用于入门极单品机的学习与研究。该设计具有广泛的现实性意义，可大量应用于探险、考古、排雷、医疗、地震灾后抢险等各个领域，极具发展前景，现代电子竞赛中已达到小车取物等功能，美国的智能小车已达到超智能型被广泛应用，达到降低死亡的作用。所以本设计是与实际相结合，具有很强的现实意义。1 方案设计与论证本设计名为：智能公交小车系统（硬件部分）的设计与实现。设计任务：设计并制作一智能公交小车系统。要求：该智能小车系统能按设定的速度稳定地在引导线上行驶。在设定的位置停止设置的时间，到达引导线末端自动停止前进。引导线黑色宽度2.5cm，每站停留时间5秒。根据题目要求，我确定了如下设计方案：在购买的小车底盘的基础

13、上加装寻迹模块（光电传感器）、pwm调制模块（控制电机转速）、电源模块（L298n，给两个电机供电以与控制走停）、单片机最小系统，搭建所需的智能小车，使其达到所需功能动作，即实现小车寻迹、启停、报警、停止等一系列动作，最终达到公交车启停系统（硬件部分）的设计和研发。该方案能实现对小车进行实时控制，控制灵活，精确度高，能满足系统所需的各种需求。传感器循迹单片机控制电机驱动车轮蜂鸣器图1-1智能公交小车系统框图1.1 循迹检测系统方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟据工作周围环境光线的变化而相应的发生变化。当光线照射到白纸上时，反射光线反射强烈；光线照射到黑线上面时，反射光线反射

14、较弱。因此光敏电阻探测在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化 (获得不同的电平)，以此作为判断，可以完成循迹工作。将阻值变化后经过比较器即可以输出高低电平，实现信号的采集。但是这种方案受光照影响很大，在工作区有可能受其它光线干扰，从而不能够稳定的工作。方案二：红外探测法。即利用红外线传感器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红外发射管发出红外光线，当发出的红外线照射到白色的平面后发生强烈的反射，若接收管能接收到反射回的光线则表示能检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。单片机就是通过接收到的电平高低为依据来确定循迹的位置和

15、小车的行走路线方案。对于发射和接收红外线的红外探头，这种探头可以自己制作或直接采用集成红外探头。经过测试，方案二简单可靠。经反复对比后，拟采用方案二。检测系统主要是以光电检测以实现智能公交小车循迹启停系统的循迹、驻车、报警、启停等动作的传感。图1-2 基于红外传感的tcrt5000TCRT500028传感器价格拥有价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛等优点，被广泛使用于传感场合。所以该系统中最终选择了TCRT5000反射式传感器作为红外光的发射和接收器件，TCRT5000采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。其检测距离较小，通过对其检测发现，最适

16、合的离地间隙为0.5cm时最合适，检测效果最好。1.2 电机驱动方案一：采用传统功率三极管作为功率放大器电路的输出来控制直流电机。线性型驱动电路的结构和原理都比较简单，成本低，加速能力强。但自身功率损耗较大，特别是在低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，电压也无法保持稳定。方案二：采用继电器对电动机进行控制,通过开关的切换实现对小车速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,但是其缺点是继电器的响应时间太慢,易损坏,寿命较短,可靠性并不高。方案三：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的驱动芯片，工作频率高，一片L298N可以同时分别控制两个直

17、流电机的正反转，而且还带控制使能端。使用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性高，性能优良，符合标准。并且由于L298N结合单片机可实现对小车速度的控制，被广泛应用于设计中。这种调速方式具有调速调整平滑、特性优良、过载能力大、调速围广、能承受频繁的负载冲击等特点外，还可以实现频繁的快速反转、制动、启动等优点。图1-3 继电器图1-4 L298N管脚分布因此通过比较，决定采用L298N作为控制直流电机。1.3 直流调速系统 方案一：串联电阻调速系统。 方案二：pwm脉冲宽度调制系统。 方案三：静止可控整流器（vm系统）。直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和直流电源连接，下端和直流电动机连

18、接，直流调速器将直流电转化成所要的输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。串联电阻调速是根据电阻分压实现控制电压的特点，但是电流的改变同时也会改变电压的输出，不易控制，所以应最先排除。图1-5 串联电阻调速晶闸管电动机调速系统（V-M系统）12，晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。晶闸管元件对于过电压、过电流以与过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选

19、择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。而且由于负载较小或回路电感电量较小从而使电动机枢纽断流，机械性能复杂。下图绘出了V-M系统完整的机械特性，其中包含了整流状态和逆变状态、连续区和断续区。由图可见，当电流连续时，特性比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得较高。图1-6 v-m系统全部机械特性脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator、简称PWM4、直流电机调速器就是调节直流电动机速度的设备, 由于直流电动机具有低转速大力矩的特点,是交流电动机无法取代的, 因此调节直流电动机速度的设备直流调速器,由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中

20、、灯具调光或直流电动机调速、HW-1020型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器、PWM调速器已经在:工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。与v-m系统相比，pwm有如下特点：1：pwm调速系统开关速度高，仅靠电动机电枢电感的滤波就可以获得脉宽很小的直流电流、电枢电流连续、稳速精度高、低速性能好、调速围宽，同时电机的损耗和发热都比较小。系统运行平稳，调速围较宽，可达1:10000左右，波形较v-m系统，在一样的平均电流下，电机的发热和损耗都较低。2：由于开关频率高，快速与电机相配合，系统可获得较宽的频带，快速响应好，有极强的

21、抗干扰能力。3：PWM系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网影响小，功率因数高，效率高。4：主电路所需的功率元件少，控制方便、线路简单。所以，本设计采用pwm4脉冲宽度调制来控制直流电机。脉冲宽度调制可通过单片机来控制继电器，但是其驱动能力有限。1.4 电源 方案一：用直流电源发生器。直流电源发生器被广泛使用于实验室，可以进行多种电压、电流的调节，适合于任何电子器件的测试与供电，但是本设计中的公交车需要行走，连线型供电无法保证其正常工作，故只作为备选。 方案二：使用多节1.5v干电池串联供电。此种方案理论可行，但是干电池无法保证工作持久，并且价格较贵，自

22、重也较大。 方案三：使用12v成品锂电池作为电源。锂电池具有容量大、工作稳定性高、可循环充放电、重量轻等特点，被广泛应用于手机等移动式设备之中。 通过方案的选择，最终选定方案三作为供电电源。 单片机的工作电压只有5v，故选定lm7805cv组成的电路处理12v电压后为单片机进行供电。1.5 系统原理图智能公交车启停系统采用at89c52rc芯片作为控制电路。手动启动以与复位单片机，当经过所画黑线时，由传感器检测黑线后通过比较器后将信号传输给单片机，单片机将信号接收到后根据预先设定的信号方式对L298N通过光电隔离后提供控制信号，通过pwm后驱动直流电机工作，实现循迹，驻车等功能；当5个传感器都

23、检测到黑线时，停在预设的“公交站”，同时停止供给L298N信号，实现电机停转动，此时打开蜂鸣器，使其工作5秒，最后继续循迹，完成智能公交车启停系统所作的一系列动作。系统原理图如下所示。AT89C52RC单片机蜂鸣器复位、晶振电路光电隔离电机驱动Pwn调制直流电机循迹电路图1-7 系统原理图2.硬件设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分容：一是系统扩展，即单片机部的功能单元，如RAMROMI/O口定时/记数器中断系统等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，即按照系统的功能要求配置外围设备，如键盘、鼠标、显示器打印机A/DD/A转换器

24、等，设计出合适的外围接口电路。2.1 循迹电路设计2.1.1 公交小车从起始到终点的循迹光电检测 单片机用测控系统时，循迹检测电路被视作系统设计的前向通道，对被测对象的状态、特征、所处环境进行检测与控制，在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、信号调节、抗干扰设计、通道结构、电源配置等一系列诸多问题，甚至还可能涉与到模拟信号的处理与设计。2.1.2 传感器的比较障碍的识别主要依靠传感器的选择，在要求的“道路”上行驶需要选择不同的传感器件，比如检测金属需要金属探测传感器、检测温度需用温度传感器等。本设计是传感循迹，所以需要选择循迹类的传感器。传感器类型优  点缺  点超

25、声波价格合理，夜间不受影响。测量围较小，对天气变化敏感。视觉易于多目标测量与分类，分辨率高。不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢，价格较高。激光雷达价格相对合理，夜间不受影响对水、灰尘、灯光敏感，不易实现。MMW雷达不受灯光、天气影响。价格较贵红外传感价格便宜，易实现，效果较好传感距离一般较短，不适合特殊场合。图2-1 传感器优缺点比较所以，通过比较，我们选择了红外传感器作为设计所需的传感器件，并且选择了红外传感器中的TCRT5000传感器作为本次设计的传感器件。2.1.3 工作原理智能小车在白色纸上贴有黑色胶布的“道路”上行驶，由于黑色和白色的反射系数不同的原理，可根据反射的强弱来判断循迹

26、，所以本设计应用该方案红外线探测法。本系统采用反射式光电传感器（TCRT5000）用于检测路面的黑线（2.5cm宽的黑线），小车底盘沿黑线放置一排传感器，用以检测起始的数据和到达站点的停车与报警的需要。光线跟踪，采用tcrt5000上的接收光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其c-e间的阻值下降，检测电路输出低电平，经LM324电压比较器比较信号后以信号的方式传送给单片机控制。 其工作原理如下图所示。图2-2 TCRT5000检测电路图如上图检测电路所示，当传感器检测到黑线时，3号引脚对应电平为低电平（低于5v），此时对比2号引脚的输入电平低，比较器输出2号引脚的信号，为逻辑低电

27、平，将信号传给单片机，单片机通过检测的信号控制小车的循迹方案；当没有检测到黑线时，此时3号引脚为高电平（5v），比2号引脚的电压高，比较器输出3号引脚的信号，为逻辑高电平，单片机控制小车的另一循迹方案。通过调节滑动变阻器R3来控制2号引脚的信号强弱，用以调节传感器的传感精度。图2-3 LM324管脚图图2-2中R1的作用是限制二极管的发射电流，发射管通过的电流和发射功率成正比，但受其极限输入正向电流50mA的影响，用R1=150欧（实际作品采用300欧的电阻）的电阻作为限流电阻,Vcc=5V作为电源电压，测试发现发射功率完全能满足检测需要；可变电阻R2是限制接收电路的电流，一方面保护接收红外管

28、，另一方面可调节检测电路的灵敏度。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号，所以在输出端增加了比较器，先将TCRT5000输出电压与3.3V电压（2引脚输入信号）进行比较后，再送给单片机处理和控制1。图2-4 LM324管脚连接图（其中的T1、T2、T3分别传感器输出管脚） 图2-5 LM324信号输出检测到白纸有接收到反射光LM324，2脚比较器反向端T1=0V，3脚比较器同向端=3V，同向端大于反向端则OUT1输出1；检测到黑线没接收到反射光时LM324，2脚比较器反向端T1=5V，3脚比较器同向端=3V，反向端大于同向端则OUT1输出0v。本设计共采用5个TCRT5000作为循迹信号的采集，

29、放置于小车地盘前，当最中间的传感器采集到黑线时说明小车正在笔直行走，当左一传感器检测到黑线时说明小车该右转，此时单片机控制信号给右轮电机驱动信号控制停止，给左轮信号工作，用以修正循迹；同理右一传感器检测到信号时，单片机控制左轮停止转动（即停止供电），控制右轮转动，实现左转。左二与右二传感器作为后备检测以防止小车速度过快时左一与右一无法检测，实现精确传感。 TCRT5000传感器价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了TCRT5000反射传感器作为红外光的发射和接收器件，TCRT5000采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。其检

30、测距离较小，通过对其检测发现，最适合的离地间隙为0.5cm时最合适，检测效果最好。循迹电路小车工作图：注：红外传感为0表示循迹检测到“黑线”，1表示检测到“白纸”。电机驱动引脚p1.1与p1.2控制电机1（左轮电机），p1.3与p1.4控制电机2（右轮电机）。其中1表示单片机输出高电平，0表示低电平，通过L298n实现电机的旋转或停转。红外传感器探头电机驱动引脚小车工作状态P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P1.1P1.2P1.3P1.4000000000小车停车110111010前进101110010左转111011000右转100000000小车到站图2-6 循迹模块工作时序图 2.

31、2 直流电机驱动设计在工业控制中，单片机总要对控制对象实现操作才具有控制意义，因此，对于这样的系统，总要有工作对象，即后向通道。后向通道是计算机实现控制运算并且将数据进行处理后，对控制对象进行输出信号的通道接口。根据单片机对信号的输出与对控制对象的控要求，后向通道有如下特点： 小信号输出，大功率控制。单片机自身带负载能力并不强，所以设计时必须合理设计，不能超过其负载，否则无常工作，如果需要对大功率电路进行控制时，需要对控制电路进行额外供电。 是一个通道。输出控制信号，作为状态反馈信号通过前向通道回到单片机。 接近控制系统，工作环境复杂多变，环境比较恶劣。单片机对大功率电路进行控制时，总是无法避

32、免回遭受到一定的信号干扰，在情况较为恶劣时，甚至无常工作！所以在设计时适当考虑信号隔离（光电隔离）是很重要的。所以根据对后向通道的了解，单片机进行控制时，后向通道必须解决如下问题： 功率驱动。在单片机无法驱动负载时必须为负载电路设计驱动电路以保证其正常工作。 干扰防治。基本的做法是采用光电隔离、信号隔离、功率开关实现零切换等措施。 数模转换。在一些特殊条件下还必须考虑数模切换等问题，用以保证系统的正常工作。单片机驱动信号很弱，在无其他负载的情况下也无法驱动电机，所以必须给其加装电机驱动单元，因此我们在平时使用时都必须加装驱动单元，用以提供更大的功率，从而控制与驱动直流电机工作。本设计采用驱动功

33、率较大的L298N来进行产品的设计。其电路图如下所示。 图2-7 基于l298n的直流电机驱动由图可知，L298N可以带负载驱动两个直流电机，当其使能端接高电平即可工作，也可使用单片机进行控制，极大的满足了复杂电路的设计需要。并且，L298N的驱动功率较大，能根据输入电压的大小而变化输出电压的大小，极大的满足了电机驱动，避免了驱动能力不够的问题。连接直流电机和单片机的连接不仅需要供电驱动模块，而且为了避免信号的干扰问题，我们选择了光电隔离器作为缓冲。图2-8 带光电隔离的L298N电机驱动电路2.3 pwm脉冲宽度调制本设计调速采用PWM脉冲宽度调速。为实现智能公交小汽的左转与右转，本设计采用

34、了可逆型PWM调速器。可逆型PWM调速器的主电路的结构类型有T型、H型等。我们在设计中采用了常用型双极式H型调速，它是由4个三极管（电力晶体管）与4个续流二极管组成的桥式电路。下图即双极式H型可逆PWM调速器的电路原理图。图2-9 双极式H型可逆PWM调速器电路原理图4个三极管（电力型）的基极驱动电压分为两组，其中VT1和VT4同时导通和关断，驱动电路中Ub1=Ub4；VT2与VT3同时动作时，其驱动电压Ub2=Ub3= -Ub1。双极式PWM变换器的优点如下：（1）可使电动机在四象限中运行。（2）电流一定且连续。（3）电机停止转动时有微振电流提供，能消除静摩擦。（4）低速平稳性好，调速围可达

35、20000。（5）低速时，每个晶体管三极管驱动脉冲仍然较宽，有利于保证晶体管的可靠导通性。2.3.1 脉宽调制原理脉宽调制器本身结构是一个由运算放大器与几组输入信号组成的电压比较器。加在运算放大器反相输入端上有三个输入信号，其中一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个则是控制电压信号，其极性大小可随时发生改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到脉宽可变、周期不变的调制输出电压。当运算放大器工作在开换状态时，有微弱信号输入即可使其输出电压达到饱和值；当输入电压极性发生改变时，输出电压值仅在正、负饱和值之间发生变化，整个过程就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换过程。只需改变控制端电压的

36、极性,就可改变PWM调速器输出的平均电压极性,从而改变电机的转速。如果锯齿波的线性度能够足够好的话,那么其输出脉冲的宽度则可与控制电压的大小成正比。2.3.2 逻辑延时可逆PWM调速器中,跨接在电源两端的上下两个晶体管三极管经常进行交替式工作模式。晶体管的关断过程中有一段电流下降时间和存储时间，总称之为关断时间，但在这段时间晶体管却并未完全关断；如果在此期间另一个晶体管发生导通，那么将造成上下两管导通，从而发生电源正负极短路现象，为避免发生这种情况，应当设置由RC电路构成的延时环节以保证电路不发生短路现象。由于设计时间、方案的难易程度等因素的影响，再通过对2.2与2.3中小车电机控制的比较，我

37、最终选定了以输入L298N电压的大小来控制电机转速（L298N的特性是在一定的电压围，输入电压与输出电压大小成正比。），从而实现对电机转速的控制，省略了pwm脉冲宽度调制硬件设计。2.4 89c51单片机硬件结构设计单片机是微型计算机的一个分支，在原理和结构上，微型计算机的许多技术与特点都被单片机继承下来。80C51单片机是将控制应用所必需的基本容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上；如果按照功能划分，其有如下组成：cpu（微处理器）、数据存储器（RAM）、程序存储器（Flash ROM）、中断系统、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、与特殊功能寄存器（SFR）、P1口、P2口、P3口、P4

38、口。它们都是通过单片机片总线连接而成，其基本结构依然是CPU加外围芯片的传统结构模式。但是对各种功能部件的控制却是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。1 微处理器At89c52rc单片机中有一个8位cpu，与通用的cpu基本一样，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。可同时处理地址与数据。2 数据存储器（RAM）片为128个字节，片外最多可外扩至64k字节。片128B的RAM以高速RAM形式集成在单片机，可加快单片机运行速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。3 程序存储器用以存储程序。At89c52rc片集成有8KB的Flash存储器，如果片的只读存储器的

39、容量不够，则需用扩展片外存储器，片外最多可外扩至64KB。4 中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。5 定时器/计数器片有2个16位的定时器/计数器(52子系列有3个16位的定时器/计数器)， 具有4种工作方式。6 串行口1个全双工的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，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口他们是4个8位并行I/O口。8 特殊功能寄存器共有21个，用于cpu对片的个功能的部件进行控制、管理、监视。实际上它们是片各个功能部件的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。映射

40、在RAM区的80H88H。2.5 最小应用系统设计At89c52rc部有8KB Flash RAM,芯片本身就是一个最小系统。在满足性能、功能的要求下，可采取此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。在用At89c52rc时，只需按键复位即可。由于At89c52rc部有程序存储器，所以系统本身省去了扩展外部存储器的工作。其应用特点：部存储器（Flash RAM）容量有限。有可供用户使用的大量I/O口。应用系统开发具有特殊性。图2-10 单片机最小系统2.5.1 时钟电路At89c52rc单片机各个功能部件运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊的一拍一拍的工作。因此，时钟频率直接影响单片机的运

41、行速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟设计有两种：一种是部时钟；另一种是外部时钟。本设计采用部时钟方式设计，信号输入芯片引脚xtal1，信号输出芯片引脚xtal2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。如下图所示：图2-11 晶振电路2.5.2 复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给at89c52rc的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使at89c52rc复位。复位时，pc初始化为0000H，使at89c52rc单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化外，当程序跑飞时也需要手动复位使R

42、ST高电平，摆脱“跑飞”进入“死锁”状态从新启动。另外，在复位有效期间（即复位引脚高电平），at89c52rc的ALE引脚和PSEN引脚均为高电平，且部RAM状态不受复位影响。图2-12 复位电路2.6 电源设计作为移动式循迹类设计（智能公交车启停系统），使用一般交流转换成的直流电是可行的，但是考虑到小车会进行循迹式移动，故采用移动电源更为可行。移动式电源包括由1.5v干电池串联成供电电源或锂电池组，经最终研究采用锂电池组作为供电电源不仅电压稳定而且可循环充放电，降低成本。可同时为L298n驱动电路与单片机供电。由于锂电池组电压较高，为12v，单片机只需+5v供电，故需用采用L7805cv组成

43、供电模块供电。其电原理图如下所示：图2-13 L7805CV组成的单片机供电模块2.7 到站表示由于本设计题目为智能公交车启停系统，故必须有小车到站，停止（大约5秒），由于单片机自身存很小，无法存储语音，如果外接Flash ROM进行语音报时不仅给设计带来了一定难度，而且也使设计成本有所提高，故采用蜂鸣器报警5秒以表示小车到达每个站点，在终点站以停车以表示。图2-14 蜂鸣器电路图为了清晰表示站点是公交站点还是终点站，故有如下真值表表示：注：红外传感为0表示循迹检测到“黑线”，1表示检测到“白纸”。红外传感器探头小车工作状态P2.0P2.1P2.2P2.3P2.400000小车到达终点站110

44、11前进10111左转11101右转10000小车公交站点图2-15 到站传感器工作时序3 测试数据、测试结果分析与结论在pcb设计完成后并焊接器件后，比不可少的是对pcb进行硬件调试，使其达到其应有的功能，并实现验证原理图的正误。3.1 测试方法与测试仪器测试仪器包括数字万用表、示波器、信号发生器、基于at89c52rc的单片机、直流稳压电源、恒温焊台、秒表等。3.2 电子系统调试电路安装完毕，不要急于插芯片，首先直接观察检查电路各部分是否正确、检查电源、底线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错，用万用表欧姆档测量电源到地之间的电阻（一般应大于数百欧），确认电源到地无短路后，再插入

45、芯片，务必注意芯片插接方向。通电检查。注意直流稳压电源的电流大小（一般大于1A可认为有不合理处），认真查看有无冒烟、异味等。分模块调试。对单个模块进行调试，这样易找出问题所在，从而为最终的连调做准备。系统联调。系统联调时应观察各功能模块连接后各级之间的信号关系，系统联调只需观察动态结果，检查系统的性能参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题与时采用相应的处理措施。其中有的方法有：信号跟踪法、对分法、电容器旁路法、开环测试法、对比法、替代法、静态、动态测试法等。3.3 测试方法示波器与信号发生器的作用是用于测试制作的稳压电源是否符合所需的电压以与测试传感器的工作电压等参数。

46、数字万用表的主要作用是用来测试各分立元件的电阻阻值、电压压降、漏电电流、导通/截止状态等参数。基于at89c52rc的单片机主要是用来实现控制，同时也是测试制作的单片机最小系统是否达标的重要设备，也是用来对单个模块检测的最佳设备。直流稳压电源的作用是在测试期间为各待测模块系统进行供电，并且搭配数字万用表可测试各个模块的工作电压与调试器件是否连接良好，具有极其重要的作用。秒表用于产品的小车到站测试，按照设计任务书的基本要求对制成的智能公交车启停系统进行到站停车时间进行测试。3.4 测试数据与测试结果分析 计时精度分析。 计时系统采用单片机延时记数，而未采用其他外围计数芯片，理论误差围较小，符合设

47、计要求。 循迹精度分析。 循迹系统采用了5路循迹，使其精度得到了一定的提升，中间的传感器始终在黑线上时，表面循迹准确；左右各两个传感器作为小车方向控制，实现小车转向功能。L298N作为电机驱动，为直流电机供电，电机轴与车轮轴之间采用了齿轮箱二级减速，变比256:1。车轮周长约215mm,理论上小车速度达到了所需的低速标准（达到10cm/s），符合设计原则。 定位精确度分析 本设计采用实际测量与软件补偿合二为一，共同定位，理论上实现定位精确度到误差<11mm。3.5 结构与总结经过历史近5个月的努力奋斗，从译文的选择与翻译，到点原理图的选择与设计，再到pcb的制作、元器件的焊接、功能模块的

48、调试，其中有苦也有乐，在这期间获得了不少的知识。即使是一个最小的电路器件模块，不是光设计好再将pcb制作后焊接好器件即可，在这之后还得进行不断的测试与调试，最终才能达到我们所需要的功能模块需求。通过在这期间的学习，使我知道焊接过后不是就完成设计了，而是要不断的进行检查，防止“虚焊”等问题；器件的选择也是重要环节，比如我在制作单片机基于L7805CV供电模块的设计时，将滤波电容的抗压值选择小了，始终无法得到应有的+5v电压，无论自己如何测试，最终通过同学的帮忙，找到了问题所在，最终选择高于供电电压的电解电容后得到了成功的供电模块！考虑二级管的正负极也是必不可少的步骤，在制作直流电机供电模块时，不仅要考虑二极管的正负极，而且要按照要求进行连接，我就发生了二极管反接从而导致电流过大（12v供电电流竟达到了3A！），不仅浪费电，而且无法驱动直流电机，最终无法达到设计标准！本设计采用单片机进行控制，自己在电子热设计、抗干扰设计、走线等上只是一个入门者，所以毕不可免的有一些电磁波干扰单片机正常控制。我们也可采用其它单片机如凌阳，CPLD、FPGA等，但是考虑到设计的成本问题，以与实现的难易问题等，最终我们选择了单片机作为控制核心，同样能达到标准，虽然在干扰上做得没市场上的产品好，但是在低频下次设计是可行的。参 考 文