电动小车的自动控制系统设计.docx
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电动小车的自动控制系统设计.docx
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电动小车的自动控制系统设计
摘要
随着社会的发展和科技技术水平的提高,越来越多的机器逐渐的由手动经过半自动到现在的全自动一体化,计算机应用的领域越来越广了,单片机的应用也越来越普遍。
所以就要我们能更好的把握和应用所学的单片机方面的知识,能更好的把所学的知识与实践相结合。
能在社会上找到自己更好的位置。
尤其是现在的社会发展越来越快,汽车也和自行车一样开始普遍,事故也很多,通过这个实现可以为了以后在汽车安全方面作出贡献,有可以更多的避免事故发生,可以挽救更多的幸福的家庭。
80C52单片机是一款八位单片机。
本系统采用80C52单片机为控制核心,利用超声波传感器检测道路上的障碍,控制电动小车的自动避障,采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点,以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。
采用可逆PWM变换器,现电动小汽车的左转和右转。
采用“看门狗”技术不断监视程序循环运行时间,如果超过预定时间证明死循环,则返回从新运行。
整个系统的电路结构简单,可靠性能高。
关键词:
80C52单片机;光电检测器;PWM调速等
Abstract
Withdevelopmentofsocietyandscienceandtechnologyengineeringlevelrise,moreandmoremanymachinegraduallyunifyfromhandmovementprocesssemi-automaticfull-automatictonow,thecomputerapplicationsfieldismoreandmorebroad,monolithicmachineapplicationisalsomoreandmorecommon.Theknowledgebeingabletograspandapplywhatlearnsmonolithicmachineaspectmorewellthereforeonlywantingus,cancombinewhatislearnedknowledgepracticemorewelleachother.Canbefindingselfmuchbetterlocationsocially.
Especiallysocialdevelopmentnowismoreandmorequick,thebeginningofautomobilealsosameasbicycleiscommon,accidentalso,many,canmakecontributionforthehereafterinthefieldofautomobilesafetybythefactthatthiscomestrue,havebeingabletobemoreavoidinganaccidenthappening,cansavemorehappyfamily.
80C52monolithicmachineareoneeightplacesmonolithicmachine.Thissystemadopt80C52monolithicmachinetobetocontrolcore,makeuseofanultrasonicsensortocheckobstacleonroad,theautomationcontrollingtheelectrichandcart'savoidsmeetingablocker,adoptthereflectinginfraredrayphotoelectricitysensortobeusedforinitiation,destinationcheckingaroadsurface,toadapttotheinitiationmarknumberbeginningandthedestinationmotorstoppageneed.AdoptthereversiblePWMconverter,showstheelectriccar'stoturnleftandturnright.Adoptthe"dogtechnologyactingasdoorkeeper"toguardprocedurecycleruntimeunceasingly,provingthatcirculationfastifexceedingpredeterminedtime,comesbacktothenworkagain.Theentiresystematiccircuitstructureissimple,reliabilitycanhighly.
Keywords:
80C52monolithicmachine,photoelectricitydetectors,PWMspeedregulationetc.
1绪论
1.1选题的目的和意义
近年来随着社会的发展,随着计算机科学技术的日渐成熟和单片机技术的飞跃发展,单片机的应用领域越来越广,所以要熟练的把握和应用所学的知识,能在社会上找到自己更好的位置。
通过独立设计和制作用单片机实现的控制,培养学生独立思考和动手能力,把所学的理论知识更好的与实际想结合,加深了对所学知识的的理解,把书本知识变成自己的知识,能够熟练掌握单片机的硬件设计和软件编程。
本设计采用MCS-51系列中的80C52单片机。
以80C52为控制核心,利用超声波传感器检测道路上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,快慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间、里程和速度,自动寻迹和寻光功能。
1.2汇编语言简介
汇编语言(AssemblyLanguage)是面向机器的程序设计语言。
在汇编语合中,用助记符(Memoni)代替操作码,用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替地址妈。
这样用符号代替机器语盲的二进制码,就把机器语音变成了汇编语言。
于是汇编语言亦称为符号语言。
使用汇编语言编写的程序,机器个能直接识别,要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言,这种起翻译作用的程序叫汇编程序,汇编程序是系统软件中语言处理系统软件。
汇编语言把汇编程序翻译成机器语言的过程称为f汇编。
汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改,同时也具有机器语言执行速度快,占内存空间少等优点,但在编写复杂程序时具有明显的局限性,汇编语言依赖于具体的机型,不能通用,也不能在不同机型之间移植。
对于不同型号的计算机,有着不同的结构的汇编语言
汇编语言由于采用了助记符号来编写程序,比用机器语言的二进制代码编程要方便些,在一定程度上简化了编程过程。
汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代码,而且助记符与指令代码一一对应,基本保留了机器语言的灵活性。
使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性,得到质量较高的程序。
汇编语言是面向具体机型的,它离不开具体计算机的指令系统,因此,对于不同型号的计算机,有着不同的结构的汇编语言,而且,对于同一问题所编制的汇编语言程序在不同种类的计算机间是互不相通的。
汇编语言中由于使用了助记符号,用汇编语言编制的程序输入计算机,计算机不能象用机器语言编写的程序一样直接识别和执行,必须通过预先放入计算机的"汇编程序"的加工和翻译,才能变成能够被计算机识别和处理的二进制代码程序。
用汇编语言等非机器语言书写好的符号程序称为源程序,运行时汇编程序要将源程序翻译成目标程序。
目标程序是机器语言程序,它一经被安置在内存的预定位置上,就能被计算机的CPU处理和执行。
汇编语言像机器指令一样,是硬件操作的控制信息,因而仍然是面向机器的语言,使用起来还是比较繁琐费时,通用性也差。
但是,汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件,其目标程序占用内存空间少,运行速度快,有着高级语言不可替代的用途。
2总体设计
2.1设计总纲
在电动小车的基础上,加装光电检测器,实现对电动小车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动小车的智能控制。
这种方案能实现对电动小车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。
2.2调速系统
当晶闸管被触发导通时,电源电压加到电动机上,当晶闸管关断时,直流电源与电动机断开,电动机经二极管续流,两端电压接近于零。
脉冲宽度调制(PulseWidthModulation),简称PWM。
脉冲周期不变,只改变晶闸管的导通时间,即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器,简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现,但是驱动能力有限。
为顺利实现电动小汽车的前行与倒车,本设计采用了可逆PWM变换器。
可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。
我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器,它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。
2.3检测系统
检测系统主要实现光电检测,即利用各种传感器对电动小车的避障、位置、行车状态进行测量。
2.3.1行车起始、终点及光线检测:
本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点(2cm宽的黑线),电动小车底盘上沿黑线放置一套,以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。
利用超声波传感器检测障碍。
光线跟踪,采用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,检测电路输出高电平,经LM393电压比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。
本系统共设计两个光电三极管,分别放置在电动小车车头的左、右两个方向,用来控制电动小车的行走方向,当左侧光电管受到光照时,单片机控制转向电机向左转;当右侧光电管受到光照时,单片机控制转向电机向右转;当左、右两侧光电管都受到光照时,单片机控制直行。
见图2.1电动小车的方向检测电路(a)。
行车方向检测电路(见图2.2电动小车的方向检测电路(b))采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。
该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。
红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体,红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通,发出一个电平跳变信号。
此套红外光电传感器固定在底盘前沿,贴近地面。
正常行驶时,发射管发射红外光照射地面,光线经白纸反射后被接收管接收,输出高电平信号;电动小车经过黑线时,发射端发射的光线被黑线吸收,接收端接收不到反射光线,传感器输出低电平信号后送80C52单片机处理,判断执行哪一种预先编制的程序来控制电动小车的行驶状态。
前进时,驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。
最后经反接制动实现停车。
前行与倒车控制电路的核心是桥式电路和继电器。
电桥上设置有两组开关,一组常闭,另一组常开。
电桥一端接电源,另一端接了一个三极管。
三极管导通时,电桥通过三极管接地,电机电枢中有电流通过;三极管截止时,电桥浮空,电机电枢中没有电流通过。
系统通过电桥的输出端为转向电机供电。
通过对继电器开闭的控制即可控制电机的开断和转速方向进而达到控制电动小车前行与倒车的目的,实现随动控制系统的纠偏功能。
如图2.3前行与倒车控制电路所示。
图2.2电动小车的方向检测电路(b)
图2.1电动小车的方向检测电路(a)
图2.3前行与倒车控制电路
2.3.2车距检测
由于红外检测具有反应速度快、定位精度高,可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点,故采用红外光电码盘测速方案。
具体电路同图2.4行车距离检测电路所示:
图2.4行车距离检测电路
由于红外检测具有反应速度快、定位精度高,可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点,故采用红外光电码盘测速方案。
红外测距仪由测距轮,遮光盘,红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。
测长轮的周长为记数的单位,最好取有效值为单一的数值,精度根据电动小车控制的需要确定。
测距轮安装在车轮上,这样能使记数值准确一些。
遮光盘有一缺口,盘下方的凹形物为槽型光电耦合器,其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。
遮光盘在凹槽中转动时,缺口进入凹槽时,红外线可以通过,缺口离开凹槽红外线被阻挡。
由此可见,测距轮每转一周,红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。
为实现可逆记数功能,我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器,遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。
根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系,即可计算出电动小车的行驶方向(前进或后退)。
遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里,以避免外界光线的干扰,使电路不能正常工作。
测距原理:
将光栅安装在电机轴上,当电机转动时,光栅也随之转动,同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点亮,在光栅的另一侧设有红外三极管,用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。
由于光栅随电机高速转动,则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。
将该信号传输到80C52单片机的内部计数器计数,根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。
2.4LED电路
2.4.1设计思想
设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示器,并具有双重功能,在小车不行驶时其中一片显示年﹑月,另一片显示时﹑分;当小车行驶时,分别显示时间和行驶距离。
2.4.2led数码管驱动知识介绍
驱动LED的时候,应该分二种情况比如用共阳接法和共阴接法,共阳的时候LED正端接正电源,负端通过一个限流电阻接P口,这时不用接上拉电阻,只要这个限流电阻取合适就可以了发光管亮的时候电流就是从电源正——LED——限流电阻——P口,P口为低电位发光管灭的时候没有电流流过,P口为高电位或高阻状态共阴接法,LED负端接地,正端直接P口,这时候要接上拉电阻,这个上拉电阻是提供LED发光用的,发光管亮的时候电流是从电源正——上拉电阻——LED——地。
这时上拉电阻也是限流用的。
P口为高电位或高阻状态发光管暗的时候电流是从电源正——上拉电阻——P口,这时LED无电流流过,P口为低电位,限流电阻上流过电流全部从P口流入。
要从单片机的输出驱动能力开始讲起。
单片机输出驱动分为高电平驱动和低电平驱动两种方式,所谓高电平驱动,就是端口输出高电平时的驱动能力,所谓低电平驱动,就是端口输出低电平时的驱动能力,当单片机输出高电平时,其驱动能力实际上是靠端口的上拉电阻来驱动的,实际测试表明,51单片机的上拉电阻的阻值在330K左右,也就是说如果靠高电平驱动,本质上就是靠330K的上拉电阻来提供电流的,当然该电流是非常小的,小的甚至连发光二极管也难以点亮,如果要保证LED正常发光,必须要外接一个1K左右的上拉电阻,如果是一个led还好,要是10个、20个led的话,就要接10个、20个1K的上拉电阻,接电阻的本身是可以的,问题是接了上拉电阻以后,每当端口变为低电平0的时候,那么就有10个、20个上拉电阻被无用的导通,假设每个电阻的电流为5mA计算,20个电阻就是100mA,这将造成电源效率的严重下降,导致发热,纹波增大,以至于造成单片机工作不稳,因此很少有采用高电平直接驱动led的,高电平驱动led实际上就是共阴。
低电平驱动就不同了,端口为低电平0时,端口内部的开关管导通,可以驱动高达30多毫安的驱动电流,可以直接驱动led等负载,当端口为低电平0时,尽管内部的上拉电阻也是消耗电流的,但是由于内部的上拉电阻很大,有330K,因此消耗电流极小,基本上不会影响电源效率,不会造成无用功的大量消耗,因此51单片机是不能用高电平直接驱动led的,只能用地电平直接驱动led,即只能用共阳数码管,而不能直接用共阴数码管。
2.5系统原理图
简易智能电动小车采用80C52单片机进行智能控制。
开始由手动启动小车,并复位,当经过规定的起始黑线,由超声波传感器和红外光电传感器检测,通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速;系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测,由单片机控制实现;在电动小车进驶过程中,采用双极式H型PWM脉宽调制技术,以提高系统的静动态性能;采用动态共阴显示行驶时间和里程。
如图:
图2.5系统图
3硬件设计
3.1硬件设计简介
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容:
一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量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,既按照系统功能要求配置外围设备,如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等,要设计合适的接口电路。
3.280C52单片机介绍
80C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品,它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。
80C52内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
1微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器,与通用的微处理器基本相同,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,不仅可处理数据,还可以进行位变量的处理。
2数据存储器
片内为128个字节,片外最多可外扩至64k字节,用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等,所以称为数据存储器。
3程序存储器
由于受集成度限制,片内只读存储器一般容量较小,如果片内的只读存储器的容量不够,则需用扩展片外的只读存储器,片外最多可外扩至64k字节。
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
片内有2个16位的定时器/计数器,具有四种工作方式。
6串行口
1个全双工的串行口,具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯,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。
7P1口、P2口、P3口、P4口
为4个并行8位I/O口。
8特殊功能寄存器
共有21个,用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。
实际上是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。
由上可见,80C52单片机的硬件结构具有功能部件种类全,功能强等特点。
特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器,它实际上是一个完整的1位微计算机,这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。
1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效;而8位机在数据采集,运算处理方面有明显的长处。
MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起,二者相辅相承,它是单片机技术上的一个突破,这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。
它们都是通过片内单一总线连接而成,其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
此外,80C52还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
80C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。
主要特性:
标准MCS-51内核和指令系统
32个可编程双向I/O口
2个16位可编程定时/计数器
5个中断源
可编程全双工串行通信口
2层优先级中断结构
快速脉冲编程
PDIP和PLCC封装形式
4kB内部ROM(外部可扩展至64kB)
128x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)
时钟频率0-16MHz
5.0V工作电压
布尔处理器
电源空闲和掉电模式
2层程序加密位
兼容TTL和CMOS逻辑电平
3.3输入通道设计
单片机用与测控系统时,总要有与被测对象相联系的输入通道。
因此,输入通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。
在输入通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。
在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。
3.3.1输入通道的含义
当将单片机用作测﹑控系统时,系统中总要有被测信号输入通道,有计算机拾取必要的输入信息。
作为测试系统,对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务,对控制系统来说,对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。
对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件,这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量,如温度、压力、载荷、位移等,而计算机是一个数字电路系统。
因此,在输入通道中,传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。
对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态,它包括实时性与测量精度。
同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。
因此,单片机应用系统中的输入通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入,原始参数输入通道。
由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路,故也可称为传感器接口通道。
在单片机应用系统中,对信号输入、传感、变换应作广义理解,例如开关量的检测及信号输入,在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。
最简单的开关量输入通道就是一个具有TTL电平的状态开关,如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。
并不是所有单片机应用系统都有输入通道,例如时序控制系统,只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态;分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。
这些应用系统没有被测对象,故不需要输入通道。
3.3.2输入通道的设计
(1)传感器的比较
识别障碍的首要问题是传感器的选择,下面对几种传感器的优缺点进行说明(见表3.1)。
探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器,它是利用向目标发射超声波脉冲,计算其往返时间来判定距离的。
该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。
其优点是价格便宜,易于使用,且在10m以内能给出精确的测量。
不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外,还有以下问题。
首先因其只能在10m以内有效使用,所以并不适合ITS系统。
另外超声波传感器的工作原理基于声,即使可以使之测达100m远,但其更新频率为2Hz,而且还有可能在传输中受到它信号的干扰,所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。
传感器类型
优 点
缺 点
超声波
视觉
激光雷达
MMW雷达
价格合理,夜间不受影响。
易于多目标测量和分类,分辨率好。
价格相合理,夜间不受影响
不受灯光、天气影响。
测量范围小,对天气变化敏感。
不能直接测量距离,算法复杂,处理速度慢。
对水、灰尘、灯光敏感。
价格贵
表3.1传感器性能比较
视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。
其优点是尺寸小,价格合理,在一
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