单片机控制的智能电动小车的设计01文档格式.docx

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1.2课题来源

随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快,智能度越来越高,应用范围也得到了极大的扩展。

在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。

智能电动小车系统以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科。

主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成[2]。

同时，当今机器人技术发展的如火如荼，其应用在国防等众多领域得到广泛开展。

神五、神六升天、无人飞船等等无不得益于机器人技术的迅速发展。

一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。

如日本每年都要举行诸如“NHK杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制作比赛，参加者多数为学生，目的在于通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神，同时也普及智能机器人的知识。

从某种意义上来说,机器人技术反映了一个国家综合技术实力的高低,而智能电动小车是机器人的雏形,它的控制系统的研制将有助于推动智能机器人控制系统的发展，同时为智能机器人的研制提供更有利的手段。

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。

全国电子竞赛和省内电子竞赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。

可见其研究意义很大。

本设计是结合科研项目而确定的设计类课题。

设计的智能电动小车能够实现在行驶中自动寻迹、探测预埋金属铁片、躲避障碍物、测量距离、实时显示时间，最后在光源的引导下到达目的地，停车。

1.3国内外现状

在国内外，智能化系统主要采用单片机作为控制核心。

因此，单片机的发展将有助于智能化技术的开发。

在本设计中,采用比较先进的AT89C51单片机为控制核心，它的功耗很低。

单片机技术发展至今，掌握最先进技术的仍然是国外的几大公司。

如Intel公司发展的MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8ｘC451、8ｘC452,还包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。

新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，可连接一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）﹑WDT（监视定时器）﹑高速I/O口、计数器的捕获/比较逻辑等。

这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为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公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线---CAN（ControllerAreaNetworkBUS）。

2方案设计与论证

2.1总体方案论证与比较

方案一、采用AT89C51单片机作为整机的控制单元。

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化控制[3]。

在本系统中，反射式红外光电传感器检测黑线，然后将信号传送到单片机系统进行处理，使小车沿轨道自主行走；

电感式接近开关电路代替金属传感器探测预埋在轨道下的金属铁片，并发出声光信息进行提示；

通过霍尔元件测量小车行驶里程；

采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路控制电机的转向，实现电动小车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；

采用LCD1602实时显示小车行驶的时间。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。

此方案的基本原理如图2.1所示。

图2.1 

智能车运行基本原理图框图

方案二、采用各类数字电路来组成电动小车的控制系统。

采用数字电路对外围探测轨迹信号，检测金属信号，避障信号，寻找光源信号分部进行处理。

但对输入输出都是模拟量的小装置，如果采用数字化方案，则要先用A/D转换器将模拟量转换为数字量，经过数字电路处理后，再经D/A转换器将数字量转换为模拟量。

这样必然带来高成本、电路复杂等缺点。

因此，本方案灵活性不高，效率低，不利于电动小车智能化的扩展。

同时，对各路信号处理也比较困难。

比较以上两种方案的优缺点，方案一简洁、灵活、可扩展性好，能达到设计要求，因此本设计采用方案一来实现。

2.2探测轨迹模块

在本设计中，要求电动小车沿着路面的黑色轨道行驶。

其探测路面黑线的基本原理：

光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。

利用这个原理，可以控制电动小车行走的路迹。

下面几种方案是根据本原理设计的。

方案一、采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。

由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差，所以放弃该方案。

方案二、利用光敏电阻组成光敏探测器。

光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。

当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。

因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。

将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。

但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。

方案三、采用反射式红外线光电传感器。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点[4]。

在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收管接收；

如果遇到黑线则红外光被吸收，电动小车上的接收管接收不到红外光。

单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定黑线的位置，从而控制小车的行走路线。

采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。

红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。

它的外围电路简单。

因此本方案易于实现，也比较可靠。

所以本设计采用方案三。

2.3检测金属铁片模块

方案一、采用探测线圈和探测仪构成的金属探测器。

此类金属探测器利用探测线圈产生的交变磁场在接近金属材料时产生微弱变化这一原理，将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的，但是该探测器的结构复杂。

因此不易采用。

方案二、采用根据电涡流原理自制的传感器。

该传感器取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成功率比较低，难以准确输出传感信息。

方案三、利用电感式接近开关代替金属探测器。

接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。

它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，可用于检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。

当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制。

其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的[5]。

因此用它作为小车的金属传感器，简单易行、准确且抗干扰性能优越。

综合考虑以上三种方案的优越性，本设计选择方案三。

2.4避障模块

考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物后，可寻找到最佳的位置和方向。

否则，如果范围太大，则可能产生对障碍物的判断失误；

范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。

根据上述要求，提出以下方案。

方案一、采用激光传感器探测障碍物。

该传感器能非常准确地测出障碍物的存在，但价格高，处理复杂，不符合该设计的要求。

方案二、采用超声波传感器探测障碍物。

超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车的方向，以控制小车准确地绕过障碍物，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制。

这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。

同时，超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面[6]。

智能电动小车应以准确、智能见优，因此采用方案二。

2.5寻找光源模块

方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。

若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出光源的方位。

该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。

方案二、利用由光敏电阻组成的光控开关电路。

利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路，检测光源。

光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光电管，它是基于半导体内光电效应工作的。

当无光照射时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。

当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。

光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定，因此在自动化技术中得到了广泛的应用【7】。

综合考虑到上述方案的优缺点，本设计采用方案二。

2.6显示模块

方案一、采用LED数码管显示。

在系统中要用到多只LED数码管进行动态显示即可达到要求。

其优点是价格便宜，寿命长。

缺点是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路设计繁锁，且占用空间。

方案二、采用LCD1602液晶显示器。

LCD广泛应用于微型计算机控制系统中。

与LED相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉价的特点，且有良好的人机界面，直观，显示效果漂亮。

目前已广泛应用在各种显示领域。

另外，LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中，LCD已成为一种占主导地位的显示器件【8】。

因此，本设计采用方案二。

2.7测量里程模块

方案一、通过测试得出小车平均速度v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积t*v作为驶过的里程。

但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点。

故不予采用。

方案二、采用开关式霍尔元件。

在车轮上安装小磁钢，将霍尔开关器件安装在固定轴上。

当车轮转动时,磁钢也跟着转动,霍尔元件感应到磁场的变化时,就会产生通断效果,使单片机的输入端产生高低电平的变化,从而使其计数小车车轮转的圈数,假设为N,并设车轮的周长为L,通过S=N*L,就可以计算出小车在一段时间内的里程。

霍尔元件由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，被广泛用于电流、磁场、位移、压力等物理量的测量。

同时，霍尔元件具有体积小，频率响应宽度大，动态特性好，抗干扰能力强，对外围电路要求简单，使用寿命长，价格低廉等特点，安装也较为方便【7】。

只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。

方案三、采用透射式光电开关。

在齿轮箱中安装透射式光电开关，测出变速齿轮的每秒转速，用变速比和车轮周长计算出线速度，积分求行驶里程。

但在齿轮箱中使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响传动机构的机械动作。

通过比较上述方案的优缺点，综合多方面因素决定选用方案二。

2.8电动机驱动模块

方案一、使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。

方案二、采用继电器控制电机。

采用继电器对电机的开或关进行控制。

通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高【1】。

方案三、采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路。

通过PWM脉宽调制的方法,实现对小车速度的控制。

这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等优点，是一种广泛采用的调速技术。

H型全桥式电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。

这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。

为了电路设计简单，采用电机专用驱动芯片L298N，其驱动电流大，瞬时电流最高可达2A，为电机驱动专门设计，工作稳定可靠。

完全满足设计要求[9]。

综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。

3硬件电路设计

单片机（SCM）是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）的简称。

它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。

随着SCM在技术上、体系上不断扩展其控制功能，国际上已经采用MCU（MicroControllerUnit）代替单片机的名词。

它的最大优点是体积小，可放在仪表内部。

但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。

目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。

近年来，AT89C51在我国非常流行，它最大的特点是内部有可以多次重复编程的闪烁ROM,并且闪烁ROM可以直接用编程器来擦写（电擦写），使用起来比较方便【10】。

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，既要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，又要设计合适的接口电路。

本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。

其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，来控制小车行走，同时将相关数据送显示单元动态显示。

在本系统中，AT89C51单片机的P1口用于LCD1602显示，P2.0、P2.1口用于电动机的PWM驱动控制，P0.3、P0.4口用于探测轨迹，P0.5口用于探测障碍物，P0.0、P0.1口用于寻找光源。

P0.6用于LED提示，P0.7用于蜂鸣器报警，P3.2外部中断0用于检测金属铁片，P3.3外部中断1用于计数脉冲，从而达到测量里程的目的。

3.1AT89C51单片机硬件结构

AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMOS单片机，片内有一个4KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC—51兼容。

片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。

因此，AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域[11]。

3.1.1主要特性

（1）与MCS-51产品指令系统兼容

（2）4K字节可编程闪烁存储器

（3）寿命：

1000写/擦循环

（4）数据保留时间：

10年

（5）全静态工作：

0Hz-24Hz

（6）三级程序存储器锁定

（7）128*8位内部RAM

（8）32可编程I/O线

（9）两个16位定时器/计数器

（10）6个中断源

（11）可编程串行通道

（12）低功耗的闲置和掉电模式

（13）片内振荡器和时钟电路

另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到零并提供两种软件的省电方式-空闲方式和掉电方式。

在空闲方式中，CPU停止工作。

在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下次硬件复位为止。

3.1.2管脚说明

VCC（40）：

供电电压，其工作电压为5V。

GND（20）：

接地。

P0端口（P0.0-P0.7）：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1端口（P1.0-P1.7）：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2端口（P2.0-P2.7）：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3端口（P3.0-P3.7）：

P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示。

表3.1P3端口引脚兼用功能表

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

复位RST（9）：

复位输入。

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。

复位后P3.0-P3.7口均置1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。

当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。

复位操作不会对内部RAM有所影响。

ALE/

（30）：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（29）：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次

有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号将不出现。

EA/VPP（31）：

当

保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，

将内部锁定为RESET；

端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1（19）：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2（18）：

来自反向振荡器的输出。

其引脚图如图3.1所示。

图3.1AT89C51引脚图

3.1.3振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.1.2芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.1.5AT89C51最小系统

AT89C51最小系统接线如图3.2所示，在XTAL1、XTAL2端接上晶振及两个谐振电容，在RESET端接上相应的电阻、电容，如需要按键复位，加上按键即可组成一个最小系统，按要求通电后，系统就可以工作了。

图3.2AT89C51最小系统

3.2探测轨迹电路

轨迹探测电路根据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。

如图3.4所示。

红外发光二极管发