基于单片机的多功能智能小车设计.docx

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基于单片机的多功能智能小车设计

学科代码：

学号：

XXXXXXXXX

XXXX大学（本科）

毕业论文

题目：

基于单片机的多功能智能小车设计

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姓名：

指导教师：

完成时间：

20年月日

、

基于单片机的多功能智能小车设计

摘要：

近几年，我国经济的迅速的增长使得小车的销售量逐渐升高，2016年，我国新能源汽车的销售达到了51.7万辆，销售率同比增长了20.5%。

汽车数量的日益增多使得交通拥挤的现象越来越严重，因此，交通事故的发生的频率也在逐渐的增多。

为了提高小车运行的安全，本文提出了一种基于单片机的多功能智能型小车的设计。

本文以STC89C51的单片机为核心，设计了一款多功能的智能小车，由于STC89C51的单片机在市场上受到了消费者普遍的好评，利用它进行智能小车的设计，既满足了大众的需求，又提高了小车设计的性能。

同时，本文还结合了直流电机L298N型号的驱动芯片、E18-D80NK红外避障传感器、TCRT5000红外反射式接近开关传感器对智能小车的整体进行了构架。

关键词：

单片机；多功能；智能小车；设计

Abstract

Inrecentyears,China'srapideconomicgrowthmakesthecarsalesgraduallyincreased,in2016,China'snewenergyvehiclesalesreached517,000,salesrateincreasedby20.5%.Theincreasingnumberofcarsmakestrafficcongestionmoreandmoreserious,sothefrequencyoftrafficaccidentsisgraduallyincreasing.Inordertoimprovethesafetyofcaroperation,thispaperpresentsamulti-functionalintelligentcarbasedonsingle-chipdesign.

Inthispaper,STC89C51single-chipasthecore,designedamulti-functionalsmartcar,asSTC89C51microcontrollerinthemarketbyconsumersgenerallypraise,useitforintelligentcardesign,bothtomeettheneedsofthepublic,butalsoimproveTheperformanceofthecardesign.Atthesametime,thisarticlealsocombinestheDCmotorL298Nmodeldriverchip,E18-D80NKinfraredobstacleavoidancesensor,TCRT5000infraredreflectorproximityswitchsensorontheoverallstructureofthesmartcar.

KeyWords:

Single-chip；multi-function；intelligentcar；design

引言

当前，关于智能化小车的设计越来越成为当前学者们关注的热点问题，对于智能小车的设计，采用的方法也越来对多样，利用单片机的程序设计的智能小车也是其中的一种。

单片机的技术的使用提升了小车的性能，帮助小车减少了阻碍，并将小车在运行过程中所遇到的危险降低到了最下化。

因此，本文应用了现代化的思维，利用STC89C51的单片机对智能小车进行设计。

不同型号的单片机的优点和缺点也各不相同，本文选择了在市场上广泛得到认同的STC89C51的单片机对智能小车的程序进行了总体的设计，主要满足了大众的需求。

1方案选型

1.1车体设计

本次设计采用了两轮驱动式的车体。

两轮驱动的优势就是充分的利用了两个电机来驱动；两个轮子，这种做法主要是满足了小车动力能够得到均匀的分配。

在小车遇到滑动的紧急时刻时，能够降低小车滑动的力度。

另外，使用四轮驱动对小车安全性的提升更加的明显。

两者同时都可以根据路面的行驶的状态通过发动机传输将按钮分布在轮子上，提高小车行驶的性能。

两轮驱动比四轮驱动容易，驱动元件的分布较为密集。

1.2电机驱动选择

小车在行驶的过程中，必须要使用轮子来实现驱动，由于小车在行进的过程中每个轮子的转速是不一样的。

为了区分每个轮子在转弯时的速度，因此，就需求利用电机的驱动模块对电机进行驱动。

直流电机的优势在于它能够反复的承受冲击，驱动过程也只是需要合适的直流电压驱动就可以了。

直流电机解决了小车在转弯的过程中遇到的急速转弯与反复转动时遇到的问题。

由于直流电压的转速围较广，转速实现方便，因而只需要合适的电压就能实现其转动。

它是不需要精确的计算与全圈数的限制的。

为了实现电机的驱动，就需要借助单片的I/O来实现，I/O使用两的增加也增加了设计的难度。

选择直流电机能够降低难度。

直流电机的驱动模式呈现了“H”型的驱动，它的组成是由四个晶体管和一个电机组成。

在组成的结构中，四个晶体管组成的形式恰好呈现了一个“H”的形状，接上了“+”、“-”电压后，就能成功的实现驱动。

在使用的过程中，使用单独的元器件来实现“H”型电路非常的有难度。

为了实现“H”型的桥式电路可以使用市面上的封装的芯片。

因此在设计电路时需要考虑芯片的工作围，控制电路实际所需要的信号。

图1-1H桥式驱动电路

驱动模块采用了专用的芯片L298N作为本次智能小车设计的电机驱动的芯片，型号L298N芯片具有的优势体现在它是一个具有高压大电流的全桥驱动芯片，它响应频率较高，它能够控制两个直流电机。

图1.2是L298N的引脚图和输入输出关系表。

图1-2L298N外部引脚

表1-1L298N输入输出关系

ENA

IN1

IN2

电机运行情况

H

H

L

正转

H

L

H

反转

H

IN2

IN1

快速停止

L

X

X

停止

L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可实现两个直流电机的PWM调速控制。

图1-3L298N电机驱动电路

1.3PWM调速技术

利用PWM技术来实现硬件的调试的方式有两种，一种是硬件的调制法，另外一种就是生成法。

硬件生成的方法主要是利用波形的调制的信号将需要传递的信息用波形来改变。

由于在三角比较容易实现系统控制，利用参数进行调节也比较容易。

由于复杂的信号是不同的正弦信号叠加而成。

利用正弦波的信号来实现PWM波的调制，利用这种信号产生信号会更加的容易，利用PWM进行波形的变幻时只需要在软件的程序中进行简单的修改就能实现系统的控制。

由于硬件调制法电路是属于模拟电路，其结构比较复杂，而且在实现电路设计和搭建时，相比较起来不方便，难以实现精确的控制。

而软件生成法就比较简单，只要在控制程序里加上PWM调制就可以。

因此，我采用软件生成法来实现PWM波形。

1.4循迹模块技术

小车前进的过程中，我们要将小车的行驶的灵敏性考虑其中。

因为只有保证了小车的较强的灵敏性才能对小车行驶的路径进行较好的探索。

循迹模块的采用可以通过采用发光的红外线二级管来照明，例如利用光电流的形式将红外线连接在电路上，对产生的信号的通电系统进行利用，使用这一模块的优势在于，光电信号会随着光的变化而产生变化。

它受到光强的作用比较明显，本次设计的智能小车就充分的考虑了小车成本、实用性能等相关的因素，通过多方的考虑本次设计采用了红外线对管进行循迹。

红外线管的优势在于它能够将信号转化为光电信号，具体的示意图如（1-4所示），它是利用光敏的器件和光电的变换装置来实现的，主要是利用光信息源、红外线光信息源对间接辐射一定的光能，它将携带信息光能量传输给红外线对管接收之后就利用红外线对其进行作用，并且要有规律的光源进行模拟出，通过输出模拟后将输出的信息转化为数字化的对应的符号。

图1-3红外光电传感器工作原理

1.5避障模块技术

在系统设计的过程中，我们需要设计出小车自动探寻和搜索障碍物的功能，这样才能保证小车在行进的过程中能够自动的规避障碍物。

并且在选择规避障碍物的过程中有两种选择模式，一种是使用红外线避让的模式，一种是利用超声波避让的模式。

红外线的光电指定性较强，由于红外线指定性强，因此，在传播的过程中，它的介质传播较远，便于小车的近距离的测量和障碍物的探测。

利用红外线探测是解决小车成功避让的主要方式，由于红线线是通过利用空气来实现传播的，以此，小车在碰到障碍物时就会自动的返回，这是利用红外线接受的原理让小车在遇到障碍物时就能自动探测障碍物的距离。

小车在遇到障碍物时能利用超声波的传感器作用。

超声波测量障碍物具有速度反映灵敏的特点。

但是成本的相对应较高，因此本文选择相对于成本较低一点，电路设计稍微简单一点的红外线避让技术。

1.6控制系统模块

对于智能小车控制模块的设计，我们采用了STC公司生产的型号为STC89C51的单片机。

为了保证小车的整个运行的安全，就需对各个系统的数据的模块进行处理，尤其是在选择驱动电机时，就需要利用单片机技术来实现I/O口来输出控制信号，以此来实现小车的前进、后退、转弯的功能。

由于小车在行驶的过程中接收很多的信号，例如循迹信号、超声波信号等。

控制系统的设计是保证小车成功躲避障碍物的主要手段。

图1-551单片机引脚图

1.7电源选择

本次设计采用了额定电压为9V单片机系统，9V的驱系统能够让小车平稳的行驶，并且在小车行驶的过程中不会因为电压过高而不被烧坏。

9V电压能够保证驱动之需的同时，还能提高元器件的使用频率。

2总体方案设计

2.1设计任务描述

本章主要简要地介绍系统总体方案的选定和总体设计的思路，在后面章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。

设计任务描述：

巩固已学的理论知识，能够深入理解单片机的基本原理、硬件组成和工作过程，了解单片机的系统组成及相关模块的配合，正确设计的各个单元电路，合理编程使小车按预先模式行驶。

2.2总体设计

小车的整体系统是以51单片机为CPU，通过红外对管来进行黑线检测循迹行走，通过超声波探测器进行障碍物感知，进行避障功能实现，通过驱动模块来实现电机的驱动，从而达到小车的运动。

2.3需求分析

设计一种智能小车，借助于TCRT5000红外反射式接近开关传感器及E18-D80NK红外避障传感器，并通过STC89C51单片机对小车进行实时控制，首先在预定的模式下运动不能超出轨道有障碍的情况下实施避障减速在有障碍且在超车区的情况下实施超车。

这样循环下去。

2.4总体方案

系统的采用AT的8位微控制器STC89C51单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。

在选定智能车系统采用E18-D80NK红外避障传感器-TCRT5000红外反射式接近开关循迹方案后，路径信号经STC89C51的I/O口输入处理后，用于小车运动控制决策，由P0口输出电机控制信号。

根据系统方案的设计，系统应包括以下模块：

STC89C51主控模块、路径检测模块、电源模块、电机驱动模块、E18-D80NK红外避障传感器、TCRT5000红外反射式接近开关传模块、辅助调试模块等。

STC89C51主控模块，作为整个智能车的“大脑”，红外避障和接近开关传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机完成对智能车的控制。

电机驱动模块，驱动直流电机完成智能车的前进停止转向等功能。

红外避障模块，探测有无障碍物，接近开关探测路面状况。

3硬件电路设计

3.1电源电路设计

在小车的电源系统，采用9V直流供电，为了防止在误操作时接入过高的电流使整个电路烧毁，一般会在电路中接入防击穿电容。

图3-19V电源模块图

3.2驱动电路设计

图3-2驱动电路框架图

在驱动电路部分设计时，我们要考虑的是驱动芯片的选择，一般是在L298N和L293D这两款芯片中选择。

对于L298N芯片，是使用的15脚直插式封装模式，具有四通道驱动逻辑电路，可以很方便的驱动两个电机。

而且它的工作电压以及单通道输出电流都比较高，一般可达到46V和2AL293D在功能上和L298N基本一样，但是它的工作电压和通道电流都相比于L298N要小，其采用的是直插式16脚SOIC-20封装模式。

所以，在应用时，一般使用L298N而不采用L293D，从经济方面来考虑，L298N也更具有优势。

L298N输出电压的方式有两种，一种是直接通过电源的调节来进行电压输出；另一种就是直接使用单片机上的输入输出口提供电压信号。

该驱动芯片可驱动2路直流电机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，控制方式及直流电机状态表如下所示。

如果PWM直流电机的速度控制，需要设置IN1和IN2，确定电机的旋转方向，并使输出PWM脉冲，可以实现转速控制。

请注意，当使能信号是0，电动机自由停止状态；若使能ENA信号为1，并且IN1和IN2都为00或11时，电机处于制动状态。

表2-1L298N驱动状态表

ENA

INI

IN2

直流电机状态

0

X

X

停止

1

0

0

制动

1

0

1

正转

1

1

0

反转

1

1

1

制动

3.3循迹避障部分电路

图3-3循迹模块框架

在进行小车循迹电路设计时，我们要考虑到当红外对管检测到黑线以后，如何进行下一步操作。

首先将红外对管接收的光信号转化为电流信号，再将模拟电流信号转化为数字信号。

红外线探测障碍物并绕过障碍物模块是利用红外线发射器向某一方向红外线，红外线在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，红外线接收器收到反射光经相应的电路进行处理，以测定障碍物的方位及距离，并向下车发送控制信号以使小车绕过障碍物。

3.4主控电路设计

小车的主控电路是以51单片机作为控制芯片，结合复位电路、晶振电路来控制整个系统的运行。

在电路中，我们一般使用的晶振位12MHz，这样的话，单片机的每一个机器周期为1uS，这样在利用单片机时钟进行计时时，比较方便。

图3-4最小单片机系统

4程序设计

4.1主程序设计概述

在小车整体设计过程中，不仅有着大量的硬件电路设计，更多的是对于系统软件的分析设计。

因为在硬件电路搭建完以后，只有通过软件程序的控制，才可以让小车按照设想的运行路径进行行驶，达到所需要的功能。

由于小车整体功能比较多，如果在最开始程序设计时就进行整体设计的话，无疑会对整个设计工作带来困难，而且在设计完成后进行运行调试时，也会造成困难。

因此，我在设计程序时，采用了模块化设计，即先对每一个部分子功能模块进行设计，在验证各个功能程序的完整性以及正确性以后，再把各个子程序组合成一个完整的程序。

4.2主程序流程图

图4-1系统程序流程图

4.3驱动程序流程图

图4-2驱动程序流程图

4.4循迹程序流程图

图4-3循迹程序流程图

4.5避障程序流程图

图4-4避障程序流程图

5制作安装与调试

5.1小车的安装

在小车各个部分的电路焊接完成后，我们就开始对小车进行整体组装。

利用购买的高强度塑料制成的模型作为小车的车体，然后分别将各模块按照功能安装固定好。

红外循迹模块固定在车体底部，因为其作用是来检测地面黑线存在，而且其工作距离也有一定限制，所以不能放在离地面太高的地方。

超声波探测模块则应该置于小车正前方，其目的主要是用来发现前方障碍物，其安装高度要合适。

对于驱动模块和最小单片机系统，安装在小车正中间，因为其要与各模块之间进行连接。

供电电源则放在小车车尾，这样有利于小车整体重量的均匀分布，也可以在进行充电时，更加方便拆装。

5.2小车运动模式调试

对小车的左右转弯进行调试时，可以在程序里给定每个电机引脚信号，看小车的转动是否满足所设定的方向。

通过调试可知，小车的运动方向与初始设置相同，能够实现。

为了便于明确知道小车电机转向的控制信号，表3给出了每个I/O的控制信号，通过对其进行不同的改变，可以选择在不同情况下电机的各种运动状态，从而得到小车行驶的数据。

5.3小车循迹调试

小车的循迹是通过五路红外对管实现，当左侧检测到有黑线时，左侧LED指示灯会亮，当右侧指示灯亮时，那么小车检测到的黑线在右侧（图25），如果当小车在黑线中间是中间指示灯会亮，这时候，小车就会循着黑线一直行进。

在进行循迹测试时，黑线的宽度对我们循迹成功也有一定的影响，因此，我还进行了黑线宽度的测试，其结果如表4：

5.4小车避障调试

在进行小车避障调试时，当把障碍物放置在小车的行驶路线上时，如果被检测到，那么小车会在安全距离旋转180度进行避障处理。

5.3小车的功能

通过对小车的各项功能进行测试，可以发现，在合适的工作条件下，小车基本可以达到设计要求。

因此，本设计完成了预先的设计任务，实现了所有功能。

小车可以进行循迹功能，检测到黑线以后，会沿着黑线进行行进。

可以进行避障功能，在检测到障碍物以后，小车会原地旋转180度进行避障处理，然后继续行驶。

结论

这次设计的智能小车系统基本达到了预期目标，实现了既定的功能。

在设计中主要克服两大难题，其一，较为复杂的电路焊接和检测。

进一步提高了焊接技术和检查电路等实际操作能力。

其二，软件设计中程序的编写是重中之重，实际编写各个模块的编写并不是太难，难就难在各个部分的兼容性，尤其是检测并计数，通过这次实践掌握了一些程序编写的技巧和拼凑几个程序时的几个要点。

总之，这次系统设计使我更深入的了解了51系统单片机的工作原理，提高了对其的运用能力。

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