自动往返电动小汽车设计论文

1、自动往返电动小汽车Auto Return Electromotive Car摘 要根据本次全国大学生电子设计C题的要求，我们采用ATMEL公司DIP-40封装AT89C51单片机和光电检测器设计一辆自动往返变速电动小汽车。本设计采用一个光电检测器来检测路面标记，由单片机进行判断，并作出相应的控制；一个光电检测器用来扫描车子轮子，并由单片机记下轮子的转数，再换算为行驶的距离在数码管上显示；同时在开始行驶的时候就开始计时，并在数码管上显示出来，直到小车返回到出发点停止计时，数码管显示数值不再跳变。保持小车平衡的平衡检测电路可直接控制小车的行驶方向。本设计主要采用单片机控制小车，并显示一些参数数据；

2、硬件设计、软件编译通过测试，整机总体测试完全通过。本设计中由于跑道是由多张白纸连接成的，光电检测器检测路面上的黑色条纹时，偶而会把连接处检测为黑色条纹。 AbstractWe apply AT89C51 Microprocessor and photodetector to design an electromotive car which can return and change speed automatically.This design uses two photodetectors: One detect the route mark which is judged and con

3、trolled by Microprocessor; the other scan the rolls of the wheel, the number or which id kept by microprocessor and conversed to the travel distance displaying in LED. It begans to count time when the car begans to travel. And strop counting when the car return the starting line.The hardware of this

4、 design has passed the test completely while the software has compiled successfully. The combination test of software and hardware has also passed although the photodetector occasionally mistake the link line as the black line because the track is connected by several white paper.关键字： 电动小汽车、单片机、脉宽调制

5、、光电检测Keywords: Electromotive Car, Photoelectric detector, Microprocessor, 89C51, PWM1 方案比拟根据自动往返小车的题目设计的要求，提出以下设计方案:1.1 单片机部1.1.1 方案一见图1所示此方案采用最新的PLD可编程逻辑器件技术，单片机的绝大多数扩展电路均可以一片PLD芯片来替换，可大大降低电路的焊接工作在本次比赛设计没有充分表达出它的优势，为比赛赢得珍贵的时间。最重要的是更改电路极为方便。但PLD只能代替一些数字逻辑器件，而不能替代模拟电子元件和单片机，以及单片机某些扩展芯片如8279。图1 PLD设计方

6、案Fig1. PLD Design Scheme PLD芯片在此主要是用来译码和驱动数码管见图2。图2 PLD芯片内部电路图Fig2. PLD Chip Inner Circuit Figure1.1.2 方案二如图3所示图3 单片机设计方案Fig3. Microprocessor Design Scheme本方案与方案一所不同之处：采用传统的数码管驱动电路，但用到了通用可编程键盘、显示器接口芯片8279，它能完成键盘输入和显示控制两种功能目前我们仅使用它的显示控制功能。但要使用到其它芯片，造成电路内部接口繁琐，中间连线比拟多，抗干扰能力相对来说要差一点。1.1.3 方案比拟与结论考虑到以上两

7、个方案各自的优缺点，采用方案二以后功能扩展较为方便；而采用方案一对以后的电路更改较为方便，但在这次比赛设计中却不能很好得发挥其自身所特有优势。因考虑到以后功能扩展，而PLD又不可替代8279，固我们采用方案一来设计此题。1.2 光电检测元件红外线探测器从工作原理上，可分为两类，一类是热探测器，另一类是光子探测器又称光电探测器。1.2.1 方案一采用热探测器热探测器是利用所接收到的红外辐射后，会引起温度的变化，温度的变化引起电信号输出，且输出的电信号与温度的变化成比例，温度变化是因为吸收热辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择。1.2.2 方案二采用光电探测

8、器光电探测器接收红外辐射后，由于红外光子直接把材料的束缚态电子激发成传导电子，由此引起电信号输出，信号大小与所吸收的光子数成比例。且这些红外光子的能量的大小即红外光还必须满足一定的波长范围，必须满足一定的要求，才能激发束缚电子，起激发作用。1.2.3 方案比拟与结论以上两个方案它们的工作原理不同。但比拟其特性，再与我们设计电路中的工作环境与工作条件，选择使用光电探测器比热探测器在抗干扰能力上要好。因为热探测器对其吸收的红外辐射波长没有选择性，受外界环境的影响比拟大；而光电探测器吸收的光子必须满足一定的波长，否那么不能被吸收，所以受外界影响比拟小，抗干扰能力比拟强。固选择方案二，即采用光电探测器

9、。1.3 稳压电源+5V由于本次设计中用来驱动小车的电源为9V，而单片机工作电源为5V，所以需要稳压，这里有两种方案。1.3.1方案一见图4用固定式三端稳压器,例如7805系列稳压器输出固定的正电压5V,输入端接电容C1可以进一步滤除纹波,输出端接电容C2能改变负载的瞬态影响,使电路稳定工作C1、C2最好采用漏电流小的钽电容。如果采用电解电容，那么电容要比图中数值增加10倍。图4 固定式三端稳压器Fig4. Fixed Three-terminal voltage regulator1.3.2 方案二见图5虽然7805三端集成稳压管内部有过流、过热和平安区的保护电路，但其输出仍有可能发生过压的

10、危险。因此本电路加了过压保护电路，该电路由稳压管VD3、电阻R3和晶闸管VS组成。另外由于7805的最大输出电流为1.5A，可以通过在7805的1脚与VT1的基极相连，7805的2脚与VT1的集电极相连，这样就可输出1.6A2A的电流。如需更大的电流，可再并联几个大功率三极管。图5 可扩流过压保护5V稳压电源Fig5. 5V Voltage regular Power With Excess Current and Voltage Protection1.3.3 方案比拟与结论基于本设计中只是使用到5V电源，所以不必考虑再去调节它的稳压值，再加上第二种方案所用元件较多，性能价格比就不高，因此我

11、们采用了第一种方案。2 设计与论证根据设计要求，要根据路面上的黑线来判断小车的行驶情况。需光电探测器对路面进行数据采集，并且还需用单片机来判断数据和计数、计时。但对于小车的左右转弯可直接由一个单独电路来实现，不需单片机来控制。总体设计方案框图见图6图6 总体设计框图Fig6. Whole Design Diagram3 电路图及有关设计文件3.1 硬件设计3.1.1 单片机及显示电路本设计采用ATMEL公司的以50/52作为内核与Flash技术相结合的DIP-40封装AT89C51单片机、NEC公司的8279键盘、显示器接口芯片，以及3-8线译码器74LS138和两片八总线收发器74LS245

12、。电路原理图见图789C51片内自带有4KB的Flash程序存储器和128B的RAM，并可在系统编程。EA/Vpp端在寻址片内4KB Flash程序存储器000HFFFH时，必须接到Vcc，因我们采用的是其片内程序存储器，固31脚EA/Vpp必须接高电平。74LS138的E1、E24、5脚须接地，E36脚接电源。否那么Y0Y7输出都为高电平。8279的A0缓冲器地址21脚接89C51的P2.021脚。当A0=1时，CPU对其写入命令字或读出状态字当，A0=0时，写入字节或读出字节均为数据。CS片选22脚接89C51的P2.527脚，当为低电平时，8279被选中，允许CPU对其进行读、写操作，否

13、那么被禁止。CLK系统时钟输入端3脚接89C51的ALE/PROG30脚输出地址锁存允许ALE脉冲，用于8279内部定时，以产生其工作所需时序。3.1.2 固定式三端稳压器原理图见图4使用7805稳压器把9V直流电源稳定在5V，输入端接电容C1可滤除纹波,输出端接电容C2可以减轻负载的瞬态影响,使电路更稳定工作。3.1.3 光电检测电路因为要对小车行驶经过的固定地点进行判断，并做出相应的动作。必须将小车经过固定地点时标记转换成电信号。考虑到小车是在白色路轨上行驶，固定地点有黑色标记，我们可以采用光电检测对管来检测是否到达黑色标志处。同时，还必须检测跑道两侧，适当的调整前轮，以防撞墙，电路原理图

14、如下列图8所示。一体化红外发射接收IRT中的发射二极管导通，发出红外光线，经反射物体反射到接收管上，使接收管的集电极与发射极间电阻变小，输入端电位变低，输出端为高电平，三极管导通C极为低电平，再经斯密特反相器后为高电输入到89C51单片机的INT0口。当红外光线照射到黑色条纹时，反射到IRT中的接收管上的光量减少，接收管的集电极与发射极间电阻变大，三极管截止，固三极管的C极为高电平，再经反相器后输入到单片机的信号为低电平。在三极管的B极和E极接一个0.1Uf的电容，减少电路中的“毛刺，以减轻电路的干扰。图8 光电检测电路Fig8. Photodetect Circuit3.1.4 电机驱动电路

15、因为要求小车前进后退，加速、减速，并且由单片机控制，所以要求设计的驱动电路时可控制电机的正反转。设计的电路如图9所示。图中的六个三极管是这个电路的关键，这六个三极管的导通与否关系到电机的停和正反转。由于这个电路是由单片机控制，所以与单片机的接口相接时，必须用光偶隔开。另外考虑到单片机的输入输出口驱动能力很差，所以在进光偶之前，加两个斯密特反向器，来增加其驱动灵敏度。假设P1.0输出高，接到的是电路的左边输入，输出低，接到的是电路的右边输入。这时，左边光偶导通，右边的不通，U1、U4、U5导通，另外几个截止电机正转，前进。反过来的话，P为低，为高，反转，后退。图9 电机驱动电路Fig9. Ele

16、ctrical Machinery Driving Circuit3.2 软件设计3.2.1 小车行驶控制程序构思：根据题目要求要求，小车要能自动往返、减速和停车。检测信号由光电检测局部提供脉冲信号，单片机程序就是对脉冲信号的判断和处理。由于跑道分为A、B、C、D、E、F、G、H几个点。其中B、C、D、E、F、G有脉冲信号。以下按小车到达各点的顺序来说明单片机的动作。跑道顶视图如图10所示图10 跑道顶视图Fig10. Track Down-sight Figure正向行驶：B.小车进入跑道，全速行驶单片机P1.0口输出高电平，P1.1口输出低电平。P1.0口用来控制小车前进，P1.1口用来控

17、制小车返回，即用单片机给驱动电路提供信号，使电机反向与此同时，用存放器R7记录下到达的是第几根黑线，R7加一。C.R7加1，到达的是第二根黑线D.限速行驶，R7记录。进入限速区，任务要求低速行驶，由于小车行驶速度比拟快，如果到D点以后慢慢减速，由于惯性，小车的速度还是比拟快，达不到八秒的要求。考虑到小车可以倒车，所以可以用小车向后行驶的力把小车的速度降下来，即利用电机短时间反转，起到刹车的作用。具体实现方法：到达D区时，原来P为高电平，为低电平，要使小车速度下降，我们给一段为高、为低的脉冲，脉冲的宽度来决定刹车的时间。由于刹车的时间要根据实验来确定，所以脉冲的宽度由延时程序来控制，这样方便调试

18、。刹车后，在把P置1，置0，使车保持前进。但是这时要求低速行驶，所以不能总是给高电平给。要控制小车的速度，我们采取分时给电压的方法，即让单片机输出一个脉冲波，脉冲波的宽度用延时程序控制，这样可以轻松实现降速，到达八秒的要求，在调试中也有很大的便利之处。图11 小车行驶控制程序流程图Fig11. Control Procedure Diagram3.2.2 车往返时间与行驶距离程序小车的行驶时间可以用T0中断定时器来实现。用定时器定时秒，存放到某一单元进行记数，最后由数码管显示。(程序流程图见图12)关于测距离最好的方法就是用光电检测器测量轮子的圈数，然后把圈数和周长相乘得距离，送数码管显示。但

19、是由与光电检测在调试中出了很多问题，如果使用，可能会对程序有影响。因为光电检测得信号是送到T1口进行记数，无论是使用中断还是查询方式，都有可能对程序的其他中断产生影响。在调试中曾导致中断响应出错在比赛的短时间内可能无法调试成功。图12 计时及距离测试程序流程图Fig12. Test Procedure Diagram所以我们采用了一种简便的方法。因为跑道是固定的，而且有许多的黑色定位标志。每两个标志之间的距离是固定的。我们只要在检测到黑色标志的同时把某一存放器加上相应的距离。在送到显示管显示。虽然不能显示行走过程中每一点的距离，但是在每一段时间显示距离变化已经能够满足显示全程距离的要求。4 测试方法与仪器4.1 测试所用仪器：UT52数字万用表、模拟万用表、示波器、稳压电源、秒表、频率发生器、DAIS-52.196P仿真器42系统指标测试4.2.1 5V稳压电源的测试：用可调稳压电源给稳压电路供电，用万用表测输出两端的电压。4.2.2 光电检测局部测试：红外发射管的电流在520mA之间，