电气工程及其自动化毕业设计-基于单片机的智能电动小车设计

XXXIII前言20世纪，汽车逐渐走进千家万户，不仅为我们的日常出行提供极大的便利，还推动社会的进一步发展。另外，随着汽车工业的全面发展，也推动全球经济的可持续发展，甚至在一定程度上改变了世界经济发展的形式。但是对于传统汽车来说，虽然可以为我们的生活和出行提供便利，也在一定程度上对人们的身体健康造成负面影响，比如汽车尾气污染、噪音污染等。同时，尾气污染的问题已经引起全球人们的关注和重视。结合公安部门统计的相关数据得知，一直到2016年年底，我国汽车数量已经接近2亿辆。结合世界汽车组织的统计报告显示，2015年期间，全球范围内汽车销量多达8967.80万辆，直到今天，全球汽车数量已经超过10亿辆。如今，社会和经济呈现出前所未有的发展态势，人们的物质生活条件也得到显著提高，人们对于汽车有着日益迫切的需求，尾气污染的问题也会日益加剧，甚至会导致环境危机的出现，对人们的健康造成极大的负面影响。所以，我们要积极改善环境，紧跟社会发展的步伐，同时注重新型环保汽车的研究和开发，这也是未来发展的必然趋势。方案设计与论证系统主控芯片的选择方案一：主控芯片选择AT89C52芯片，通过主控芯片对传感器模块、电机驱动模块以及显示模块进行控制。这一方案硬件设计较为简略，使用到的端口数量较少，这样对信号传输中造成的干扰强度低。方案二：主控芯片选择AT89C52芯片，AT89C2051芯片作为从控芯片，通过两个单片机进行分工协作。与其他方案不同的是本方案需要多端口进行控制，通过传输协议或光电耦合器连接的芯片组，将模块进行细分不同单片机控制不同的模块，将电机驱动模块进行分离，使用与其他模块分离，使用从控芯片AT89C2051芯片进行控制，其他模块由主控芯片AT89C52芯片控制，以达到减少耦合干扰的目的。本设计选择方案一，主控芯片选择AT89C52芯片，通过主控芯片对传感器模块、电机驱动模块以及显示模块进行控制。本案兼具实用和易学习的特点，较为适合本阶段的设计。在设计中的端口数量的选定和分配中，初步设想为1个主控芯片AT89C52其中的4个端口，就能够完成设计中预想的智能电动小车的全部功能。从经济成本和时间规划来思考，也是方案一与本设计匹配度更高，1篇主控芯片的在硬件及软件设计中更为妥帖。电机驱动模块的选择方案一：H型的PWM电路可以实现电机正转、电机反转与电机转动速度变化的功能，选取由达林顿管构成本方案的电路。电路工作在占空比可调的开关状态，对直流电机的旋转速度能够精准控制。控制信号采取光耦合形式，这样可是实现单片机控制部分与电机的驱动部分划分两个单独的供电系统，每个模块选择不同的电源供电，这一做法使整体系统中的各个模块更加独立，使电路的驱动能力得到更好的优化。由达林顿管组成的H型PWM电路图如图2-1所示。图2-1采用达林顿管组成的H型PWM电路方案二：大功率达林顿管搭配微型继电器构成电机驱动电路，使用大功率达林顿管组成放大电路将驱动信号进行放大，使用继电器对电机正转与反转进行切换。大功率达林顿管结合微型继电器电机驱动电路如图2-2所示。图2-2大功率达林顿管结合微型继电器电机驱动电路方案三：选取现有的专用电机驱动芯片实现对电机的控制，能够购买到的专用电机驱动芯片多种多样，这种芯片可以应用到很多设计中，它拥有抗干扰性强、操作简单且价格便宜等特点。在比对市面上能够采购到的电机驱动芯片的使用方法、实现的功能、成熟度等方面，最终选择L298N电机专用驱动芯片进行设计电机驱动电路。L298N电机驱动芯片如图2-3所示。图2-3L298N电机驱动芯片SGS公司主导并推出L298N产品，其中包含4通道逻辑驱动电路，二相以及四相电机都运用该驱动器，其中包含两个H桥高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准为TTL逻辑电平信号，对于46伏以及2安以下的电机具有良好的驱动效果。其实物及引脚图如图2-4所示：图2-4L298N芯片引脚图ENA属于芯片使能端，将IN1与IN2连接到单片机的控制端，将OUT1与OUT2连接到电机的位置。L298N芯片的逻辑功能如表2-1所示。表2-1L298N芯片逻辑功能介绍IN1IN2ENA电机状态XX0停止101顺时针011逆时针000停止110停止方案一的自行搭建H型PWM桥式驱动电路需要选择多种器件，还需要设计及定制PCB板，需要花费大量时间进行PCB板的设计和制作，同时焊接和调试的过程较为繁琐，还需要进行大量的软件编程，对编程语言的熟练运用的要求较高。方案二相较方案一选择的器件有所减少，但是仍具有设计及定制PCB板和焊接调试过程繁琐的特点，同时也对软件编程有更高的要求。方案三选择的L298N芯片在控制两个电机的正转与反转时仅需简单的编程即可实现，对于控制电机转速则利用PWM技术来实现。方案三拥有简单易上手、时间成本低、抗干扰能力强等优点，因此本设计选择方案三进行电机驱动模块的设计。黑线检测模块的选择方案一：通关光敏组件构成一个光发射电路一个接收电路，通过光接收电路的接收到光线强弱变化来判断是否到达黑线，光发射电路选择常见的光发光二极管构成，光接收电路选择光敏二极管构成。本方案利用到的原理是：光反射系数在材质不同的平面上数值不同，反射回的光线也有所不同，主控芯片通过传感器接收到不同光线产生不同的电流进行判断，判断其是否经过黑线。缺点是周围环境中的光线对结果有巨大影响。方案二：对方案一发光二极管进行更换，更换为红外发射器，光接收电路换成不调制的反射式红外光电传感器，该方案所具备的原理类似于方案一。方案三：运用方案二当中的光接收电路，将其转换为反射式红外光电传感器，是以脉冲调制为主，通过交流信号可以避免受到环境光源的影响，通过调节占空比，就可以实现对最大电流的有效调节。三个方案原理基本相似，方案一虽然拥有材料容易寻找，经济成本低的优点，但是外环境中的光对方案中的光敏二极管会产生极大的干扰，容易产生错误判断的情况。方案二和方案三均采用红外发射器作为光发射电路的重要组成部分，方案二的不调制的反射式红外光电传感器的检测精度相较于方案三中的脉冲调制的反射式红外光电传感器的较低，但是它也可实现本设计中地对路面黑线的检测，通过由红外发射管发射的经地面黑线反射至红外接收管的红外射线信号，可以完成对路面黑线的准确检测。对此，我们称之为：反射式红外光电传感器。以下是该传感器的具体图示：图2-5反射式红外光电传感器速度检测及显示模块的选择参数显示方案一：选取七段数码管作为参数显示，其特点是抗干扰性强，软件编程简单，重量较轻，但是在信息量大的情况下占用单片机端口多。根据方案二可以得知，选择LCD1602液晶显示器，可以同时显示两行字符，每行16个字符，其中ASCII字符集字库中包含128个字符，一次显示信息量大，且端口占用不多，易于控制。测速方案一：选取霍尔传感器进行测速，实现对霍尔器件和小车底盘的有效结合，在车轮内侧的位置安装小块的磁铁，小车在行驶的过程中，霍尔器件输出的电平值较高，等车轮内侧的磁铁接近霍尔元件时，就可以输出低电平，车轮每完成一周的转动，就会产生一个低电平脉冲，导致外部出现中断的现象，同时累计一次里程脉冲数。其缺点是小磁铁不便安装，且成本较高。测速方案二：选取槽型红外光电传感器测速，在小车轮轴上安装一个用于测速的锯齿状码盘，并用槽型红外光电传感器检测码盘的锯齿，记录红外光通断信号。本设计采用槽型光电传感器与LCD1602液晶显示器作为设计智能小车的测速模块和参数显示模块。智能小车需要显示路程，时间，车速等参数，信息量大，适合用液晶显示器。智能小车轮子若安装小磁铁，容易脱落，不好固定，所以测速模块选用槽型红外光电传感器配合测速码盘。槽型红外光电传感器如图2-6所示。LCD1602液晶显示器如图2-7所示。图2-6槽型红外光电传感器图2-7LCD1602液晶显示器硬件设计总体设计系统整体硬件的功能描述：由电源模块给所有用电器元件供电，通过主控芯片AT89C52控制电机驱动使小车实现前进和后退，同时启动黑线检测模块和速度检测及显示模块。通过黑线检测模块中的红外发射器和反射式红外光电传感器共同作用下，通过反射回的光进行判断，在小车不断地行驶过程中是否到达黑线，当检测到黑线时主控芯片通过内部预设的软件程序进行判断，控制电机驱动模块进行速度的变化与旋转方向的改变。通过速度检测及显示模块中的槽型红外光电传感器进行速度检测，将检测到的数据传输给主控芯片，主控芯片通过对速度数据的计算，获得出路程、车速；主控芯片通过控制LCD1602液晶显示器对路程，时间，车速等相关数据的显示。智能电动小车总体硬件设计图如图3-1所示。图3-1智能电动车总体硬件电路设计图电机及驱动模块、黑线检测模块、速度检测模块、参数显示模块接至单片机的数据口，系统引脚配置如图3-2所示：图3-2系统引脚配置图单片机最小系统设计所谓单片机，全称是单片微型计算机，是一种具有代表性的嵌入式微控制器，一般用MCU来代表单片机，早年间在工业控制领域得到广泛运用。和专用处理器相比起来，单片机的适用性更强，在嵌入式系统中得到有效运用，所以应用范围广泛。单片机内部的功能模块和电脑类似，包括内存、CPU以及存储器件等，但是区别是这些部件的性能要比电脑差很多，但是价格较为低廉，不超过10元就可以购买，以此作为控制电器足够了。当前使用的全自动滚筒洗衣机、VCD等，都可以看到单片机的存在。对于系统控制组件来说具有至关重要的作用。AT89C52单片机是由8位CPU、存储器、串并行I/O口、定时器/计数器、振荡器以及时钟系统等组成的，结合系统总线路就可以实现各个部分的紧密连接。单片机的结构较为简单，操作便利，同时具有良好的安全性和可靠性，可以连续工作10小时，运行速度快，功耗和电压都比较低，可以用于生产便携式产品。以下是AT89C52单片机各个引脚所具备的功能：在单片机的硬件电路中主要包括以下几个部分，分别是：单片机、时钟发生电路、P0口电压提升电阻等。其中，时钟发生电路可以满足单片机对于工作脉冲的需求，复位电路在运行时，则可以实现信号的有效复位，避免出现任何异常。下图3-2是该单片机最小系统的硬件设计图示，下图3-3是单片机最小电路的图示：图3-3单片机最小系统电路表3-1单片机引脚引脚功能20接地线40电源输入，接＋5V电源18片内振荡电路的输出端19片内振荡电路的输入端9复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。30地址锁存允许信号31程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。PO口8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7P1口8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P2口8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P3口8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7复位电路将一个电阻和一个电容连接到单片机的复位引脚RST上，只有当此引脚接收到有效的复位电平时才会复位，有效复位电平是指两个以上的机器周期的高电平。复位电路分为两种一种为上电复位，另一种为按键复位。上电复位时是当单片机接入电源时复位引脚RST接收到有效复位电平，将单片机进行复位操作，此种复位方式需要每次复位时重新接入电源，如此频繁的断开和接入电源会造成不必要的元器件使用寿命缩短的情况。按键复位的原理与上电复位的原理相同，硬件电路也极其相近，他是通过长按按键给单片机的复位引脚RST提供有效复位电平达到复位的目的，相较于上电复位此种复位方式无需多次断开与连接电源，可以延长元器件的使用寿命，同时更为人性化。因此本设计选择按键复位，复位电路图详见图3-4：图3-4复位电路时钟电路时钟电路在单片机最小系统中是必不可少的电路之一，时钟电路通过晶振为单片机提供准确的时钟频率，晶振是晶体振荡器的简称。晶振是一种被动元器件，只需通电就会自主工作，通电后晶振会产生稳定的高低电平，使单片机稳定工作。时钟电路图详见图3-5：图3-5时钟电路电机驱动模块电路本设计的电机选择自带减速器的直流电机，此类型的电机拥有大扭矩、负载能力优秀、可实现按比例降速的优点。通过主控芯片给L298N电机驱动芯片发布指令，L298N电机驱动芯片通过不同引脚获得不同的高低电平形成不同组合，电机驱动芯片在通过IN1、IN2和ENA接收到的电平转换为控制电机转动的信号，通过OUT1和OUT2来控制电机转动，可实现控制小车前进、后退、遇到黑线减速等操作。电机驱动模块硬件电路如图3-6所示。图3-6电机驱动模块硬件电路黑线检测模块电路本设计将红外发光管和反射式红外光电传感器等元器件，安装在支架的相同侧。通过红外发光管发射到地面的红外光，反射式红外光电传感器接收到地面反射回的红外光使传感器导通，主控芯片对反射式红外光电传感器传输回的状态来分析是否遇到黑线。为解决光电传感发出的信号不稳定的普遍现象，本设计选用LM324电压放大器对反射式红外光电传感器所发出的波形进行整形。LM324集成块内部装有四个独立的电压放大器，该电压放大器的特点是：(1)内部频率补偿(2)直流电压增益高(约100dB)(3)源电压范围宽：单电源(3—32V),电源(±1.5—±16V)(4)功耗电流，适合于电池供电(5)输入失调电压和失调电流(6)模输入电压范围宽，包括接地(7)模输入电压范围宽，等于电源电压范围(8)出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)LM324引脚图如图3-7所示：图3-7LM324引脚图黑线检测模块硬件电路图如图3-8所示。图3-8黑线检测模块硬件电路图软件设计主程序模块本设计的主程序中使用到四个中断，分别是：电机PWM控制中断、转速检测中断、黑线检测中断、时间中断。在设计各中断优先级顺序时经历了多次调试和实验的失败最终确定顺序，优先级顺序由低到高分别是：电机PWM控制中断（内部定时器1）、转速检测中断（外部中断1）、时间中断（内部定时器0）、黑线检测中断（外部中断0）。当主控芯片AT89C52通电后将所需调用的参数、程序、中断等进行初始化，通过显示模块把时间、路程、速度等信息转化成LCD1602能够读懂的信号，将信号传输给显示模块；通过黑线检测模块对电机驱动模块进行控制，每次遇到黑线时都会调用黑线检测中断程序，通过遇到黑线次数的不同给电机驱动模块发布不同的指令，以达到电机正转、反转、停止；通过测速模块获得当前小车的速度，把速度数据发送给显示模块进行显示。主程序流程图如图4-1所示：图4-1主程序模块流程图电机驱动模块电机驱动需要配合黑线检测模块共同运行，通过判断黑线记录参数（line）给驱动模块发布不同的指令，本设计中涉及的12条黑线如图4-2所示。图4-2电机驱动部分黑线划分图通过调节电机PWM控制中断（内部定时器1）产生一定频率的脉冲波形来改变电机转动的速度，可以实现检测到第一根黑线时控制电机正转使小车前进和清零路程和时间；检测到五根黑线时控制电机反转使小车后退；检测到十二根线时小车停止转动。电机驱动模块控制流程图如图4-3所示：图4-3电机驱动模块控制流程图黑线检测模块通过黑线检测模块检测到一次黑线时系统调用一次黑线检测中断（外部中断0），每当检测到一次黑线时，预设的黑线记录参数（line）就加一，将参数传输给电机驱动模块，为电机驱动模块提供基础的判断参数。黑线检测模块流程图如图4-4所示：图4-4黑线检测模块流程图测速及显示模块当外部中断口P3.3检测到有下降沿时，测速脉冲数（distance）自加一。通过内部程序对测速脉冲数进行计算，通过速度数据和时间数据计算出路程数据，将速度数据、时间数据、路程数据通过编码编程LCD1602能够读取的信号，最终实现LCD1602显示相应数据。测速及显示模块流程图如图4-5所示：图4-5测速及显示模块流程图制作安装与调试本设计利用PROTEUS软件对整个系统做仿真。PROTEUS软件从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。由于PROTEUS软件中没有槽型光电传感器和反射式光电传感器，所以在设计中只能根据两种传感器的原理，用矩形波代替槽型光电传感器所感应的电机转速信号，用点动开关产生的通断信号代替反射式传感器的测线信号。在仿真过程中，当按下开关后，电机开始正转，当检测到第三条黑线时，电机减速前进运转；当检测到第四条线时，电机高速前进运转；当检测到第五条线时，电机输入倒转信号进行刹车；当检测到第六条线时，电机停止10秒后自行倒退；当检测到第9条线时，电机减速倒退行驶；当检测到第十条线时，电机高速倒退行驶；当检测到第十一条线时，电机输入正转信号进行刹车；当检测到第十二条线时，电机停转。小车运行过程中，利用定时器与计数器记录行驶时间，行驶速度等。小车停止后，LCD1602液晶显示器显示小车行驶里程，行驶时间，电机转动圈数，以及遇到的黑线数。小车黑线设置如图5-1所示。图5-1小车黑线设置图PROTEUS软件仿真结果如图5-2所示。(a)快速前进(b)低速前进(c)高速后退(d)低速后退(e)参数显示图5-2PROTEUS软件仿真结果图在硬件电路安装调试阶段，基本实现了上述仿真中可以达到的状态，其电路测试实物如图5-3所示。图5-3系统硬件电路测试图结论在电动汽车发展领域涉及多个方面的技术，比如电子技术、信息技术、新能源技术等，整体科技含量较高，另外，通过电机驱动的方式就可以实现智能控制和汽车联网技术，避免人为操作出现任何失误，大大提高汽车运行的安全性和稳定性。随着电动汽车的产业化发展，不仅可以实现对高科技技术的运用，还可以对传统产业进行改进和优化，打破工业信息化发展的制约和限制。所以积极发展智能电动技术，这是当前发展的趋势，更能实现产业的信息化发展。本文在研究的过程中，是以单片机AT89C52芯片为核心，充分结合光电检测以及传感器技术，促进小车各项功能的顺利实现，包括黑线检测、转速检测以及参数显示等，从而完成本课题的研究任务。在进行系统设计的同时，硬件线路相对简单，软件编程也较为方便快捷，此次设计当中还需要不断改进和完善，比如光耦合器在运用的过程中，可以实现对光电的有