基于89C51单片机的智能小车设计.docx
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基于89C51单片机的智能小车设计
轻工职业技术学院
单片机实训报告
题目:
基于STC89C52的智能小车设计
姓名:
加象
学号:
专业:
电子信息工程技术
指导教师:
何伶俐
日期:
2021-01-06
信息工程系电信教研室
引言
随科学技术的进步,智能化和自动化技术越来越普及,也广泛应用于机器人玩具制造领域,使智能机器人越来越多样化。
智能机器人是一个多种高新技术的集成体,它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识,涉及到当今许多前沿领域的技术。
而随着社会的不断开展,智能设备的不断出现,无线遥控的运用也越来越广泛。
无线遥控器由于控制距离远,抗干扰性强,已越来越多的出现在生活的各个方面。
本文使用了一款通用的无线遥控电路,基于STC89C52作为控制核心,采用专用编码解码电路,由于其体积小、功能强大,因此可非常方便的移植到遥控机器人、遥控小车上等,并实现远距离控制。
在早期,遥控小车并不少见,但大多产品制造简单,实现的功能少,往往只有一些简单的功能,例如左转右转,前进后退等,大多采用红外控制,外加一些复杂的电路组合而成。
遥控小车的使用者针对的是小孩子,但笨重的设备和昂贵的价格往往让许多小孩的甜美梦想落空。
在现在,用单片机进展无线遥控小车的方案,利用较少的外设实现了根本的功能。
其较强的抗干扰性使得该遥控器具有很好的通用性其功能也日趋完善。
其中包括防撞防爆系统和根本的方向控制,另外在行进中可以尽享柔美的音乐,看美丽的灯光随音律而闪烁,让孩子玩得更开心!
此外,电路的简化,材料的减少使得价格也降低了不少,真的是物美价廉,可以为孩子的童年再添一些笑语。
一整体方案设计
1.1整体方案设计的思路
利用红外线传感器发射和接收信号模块来控制单片机,让单片机翻译传输指令,从而实现相应的功能。
具体的过程如下:
四路红外传感器,每一路发射一个信号,检测接收到的信号,假设出现高电平,那么说明该方向前方有障碍物,那么单片机控制电机正转和反转,从而实现绕开障碍物继续前行。
同时还增加一个无线发射和无线接收模块控制单片机,让单片机翻译传输指令,从而实现相应的功能。
无线发射模块发出指令,无线接收模块接收信号后,传递给单片机,单片机翻译接收到信号后,传输给驱动电路驱动电机旋转,从而实现让小车的前进、后退、左转和右转。
1.2整体方案的流程图
基于单片机STC89C52整体设计的智能小车,根据原来设计的思路上画出了相对应的流程路,由于是整体构造图,就只是画出了大致的构造流程,而细节将在后面做出介绍。
图1整体方案的流程图
二智能小车系统概况
2.1恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N
L298是SGS公司的产品,比拟常见的是15脚Multiwatt封装的L298N,部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单,使用比拟方便。
L298N可承受标准TTL逻辑电平信号VSS,VSS可接4.5~7V电压。
4脚VS接电源电压,VS电压围VIH为+2.5~46V。
输出电流可达2.5A,可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机,OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机,本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5,7,10,12脚接输入控制电平,控制电机的正反转。
EnA,EnB连接控制使能端,控制电机的停转。
表1是L298N功能逻辑图。
In3,In4的逻辑图与表1一样。
由表1可知EnA为低电平时,输入电平对电机控制起作用,当EnA为高电平,输入电平为一高一低,电机正或反转。
同为低电平电机停顿,同为高电平电机刹停。
等。
图2单片机利用L298控制电机的原理图
15脚是输出电流反应引脚,其它与L298一样。
在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。
上图是其与51单片机连接的电路图
2.2直流电机简介
2.2.1直流电机的应用
电动机简称电机,是使机械能与电能相互转换的机械,直流电机把直流电能变为机械能。
作为机电执行元部件,直流电机部有一个闭合的主磁路。
主磁通在主磁路中流动,同时与两个电路交联,其中一个电路是用以产生磁通的,称为激磁电路;另一个电路是用来传递功率的,称为功率回路或电驱回路。
现行的直流电机都是旋转电驱式,也就是说,激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子,带换向单元的电驱绕组和电驱铁芯结合构成直流电机的转子。
直流电机有以下4方面的优点:
1)调速围广,且易于平滑调节。
2)过载、启动、制动转矩大。
3)易于控制,可靠性高。
4)调速时的能量损耗较小。
所以,在调速要求高的场所,如轧钢机、轮船推进器、电机、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织、拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面,直流电机均得到广泛的应用。
2.2.2直流电机的根本工作原理
直流电机工作原理:
当电刷A,B接在电压为U的直流电源上时,假设电刷A是正电位,B是负电位,在N极围的导体ab中的电流是从a流向b,在S极围的导体cd中的电流是从c流向d。
载流导体在磁场中要受到电磁力的作用,因此ab与cd两导体都受到电磁力的作用。
根据磁场方向和导体中的电流方向,利用电机左手定那么判断,ab边受力的方向是向左的,而cd边那么是向右的。
由于磁场是均匀的,导体中流过的又是一样的电流,所以ab边和cd边所受电磁力的大小相等。
这样,线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针转动。
当线圈转到磁极的中性面上时,线圈中的电流等于零,电磁力等于零,但是由于惯性的作用,线圈继续转动。
线圈转过半周之后,虽然ab与cd的位置调换了,ab边转到S极围,cd边转到N极围,但是由于换向片和电刷的作用,转到N极下的cd边中电流方向也变了,是从d流向c,在s极下的ab边中的电流那么是从b流向a。
因此电磁力的方向仍然不变,线圈仍然受力按逆时针方向转动。
可见,分别处在N,S极围的导体中电流方向总是不变的,因此线圈两个边的受力方向也不变,这样线圈就可以按照受力方向不停地旋转,通过齿轮或皮带等机构的传动,便可以带动其他机械工作。
从以上分析可以看到,要使线圈按照一定的方向旋转,关键问题是当导体从一个磁极围转到另一个异性磁极围时〔也就是导体经过中性面后〕,导体中电流的方向也要同时改变,换向器和电刷就是完成这一任务的装置。
在直流电机中,换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。
可见,换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键部件。
当然,在实际的直流电机中,不只有一个线圈,而是有许多线圈结实地嵌在转子铁芯槽中,当导体过电流在磁场中因受力而转动时,就带动整个转子旋转,这就是直流电机的根本工作原理。
2.2.3直流电机的参数
转矩-电机得以旋转的力矩,单位为㎏•m或N•m。
转矩系数-电机所产生转矩的比例系数,一般表示每安培电驱电流所产生的转矩大小。
摩擦转矩-电刷、轴承、换向单元等因摩擦而引起的转矩损失。
启动转矩-电机启动时所产生的旋转力矩。
转速-电机旋转的速度,工程单位为r/min,即转每分。
在国际单位制中为rad/s,即弧度每秒。
电枢电阻-电枢部的电阻,在有刷电机里一般包括电刷与换向器之间的接触电阻,由于电阻中流过电流时会发热,因此总希望电枢电阻尽量小。
电枢电感-因为电枢绕组由金属线圈构成,必然存在电感,从改善电机运行性能的角度来说,电枢电感越小越好。
电气时间常数-电枢电流从零开场到达稳定值的63.2%时所经历的时间。
测定电气时间常数时,电机应处于堵转的状态并施加阶跃性质的驱动电压。
工程上,常常利用电动机转子的转动惯量J、电枢电阻Ra、电机反电动势系数Ke和转矩系数Kt求出机械时间常数:
…1-1
转动惯量-具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质。
反电动势系数-电机旋转时,电枢绕组部切割磁力线所感应的电动势相对于转速的比例系数,也称发电系数或感应电动势系数。
功率密度-电机每单位质量所能获得的输出功率值。
功率密度越大,电机的有效材料的利用率就越高。
转子-rotor;定子-stator;电枢-armature;励磁-excitation。
2.3显示模块的综合概括
显示模块包括:
LCD1602,温度传感器DS18B20,时钟芯片DS1302三个局部组成。
2.3.1LCD1602的简介
1602B可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符比照度调节和背光。
该模块也可以只用D4-D7作为四位数据分两次传送。
这样的话可以节省MCU的I/O口资源。
1602B引脚说明如下:
表2.3LCD液晶显示器各引脚功能及构造
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
双向数据口
3
VL
比照度调节
11
D4
双向数据口
4
RS
数据/命令选择
12
D5
双向数据口
5
R/W
读/写选择
13
D6
双向数据口
6
E
模块使能端
14
D7
双向数据口
7
D0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
D1
双向数据口
16
BLA
背光源正极
考前须知:
从该模块的正面看,引脚排列从右向左为:
15脚、16脚,然后才是1-14脚(线路板上已经标明):
VDD:
电源正极,4.5-5.5V,通常使用5V电压;
VL:
LCD比照度调节端,电压调节围为0-5V。
接电源的正极时比照度最弱,接地电源时比照度最高,但比照度过高时会产生“鬼影〞,因此通常使用一个10K的电位器来调整比照度,或者直接串接一个电阻到地;
RS:
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时,使RS为低电平;MCU要写入数据时,使RS为高电平;
R/W:
读写控制端。
R/W为高电平时,读取数据;R/W为低电平时,写入数据;
E:
LCD模块使能信号控制端。
写数据时,需要下降沿触发模块。
D0-D7:
8位数据总线,三态双向。
如果MCU的I/O口资源紧的话,该模块也可以只使用4位数据线D4-D7接口传送数据。
本充电器就是采用4位数据传送方式;
BLA:
LED背光正极。
需要背光时,BLA串接一个限流电阻接VDD,BLK接地,实测该模块的背光电流为50mA左右;
BLK:
LED背光地端。
三模块方案比拟与论证:
3.1电机模块的选择
方案1:
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以准确的定位,可以实现小车前进路程和位置的准确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点,步进电机的输出力矩较低,随转速的升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,其转速较低,不适用于小车等有一定速度要求的系统。
经综合比拟考虑,我们放弃了此方案。
方案2:
直流电机:
直流电机的控制方法比拟简单,只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来,电压越高那么电机转速越高。
对于直流电机的速度调节,可以采用改变电压的方法,也可采用PWM调速方法。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式,通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。
基于以上分析,我们选择了方案二,使用直流电机作为电动车的驱动电机。
3.2电机驱动模块的选择
方案1:
采用SM6135W电机遥控驱动模块。
SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。
能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能,但是其采用的是编码输入控制,而不是电平控制,这样在程序中实现比拟麻烦,而且该电机模块价格比拟高。
方案2:
采用电机驱动芯片L298N。
L298N为单块集成电路,高电压,高电流,四通
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- 基于 89 C51 单片机 智能 小车 设计