基于AT89C51单片机的汽车入库门控装置设计.docx

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基于AT89C51单片机的汽车入库门控装置设计

摘要…………………………………………………………………………………………………3

英文摘要……………………………………………………………………………………………3

第1章引言…………………………………………………………………………..…………4

1.1选题背景.........................................................................................................................4

1.2研究意义………………………………………………………………………………….4

1.3本设计的主要特色……………………………………………………………………...4

第2章汽车入库门控装置的设计方案…………………………………………………..5

2.1总体设计方案选择……………………………………………………………………..5

2.2各模块方案的选择与论证……………………………………………………………6

2.2.1电机模块的选择与论证………………………………………………………….6

2.2.2电机驱动模块方案的选择与论证……………………………………………...6

2.2.3避障模块方案的选择与论证……………………………………………………7

2.2.4光源检测方案的选择与论证……………………………………………………7

2.2.5.电源模块方案的选择与论证：

………………………………………………..8

第3章相关硬件资料介绍………………………………………………………………….9

3.1单片机AT89C51简介…………………………………………………………………...9

3.2单片机AT89C2051简介……………………………………………………………….11

第四章汽车入库门控装置的硬件设计…………………………………………………..13

4．1系统硬件的基本组成部分…………………………………………………………..13

4.2主要单元电路的设计………………………………………………………………..14

4.2.1小车电机驱动电路……………………………………………………………...14

4.2.2拦栅电机控制电路……………………………………………………………...15

4.2.3避障模块…………………………………………………………………………16

4.2.4光源检测模块……………………………………………………………………18

4.2.5电源供电模块……………………………………………………………………18

4.2.6最小系统…………………………………………………………………………..19

第五章汽车入库门控装置的软件设计…………………………………………………..21

5.1单片机的选择………………………………………………………………………….21

5.2软件设计流程框图………………………………………………………………….21

第六章系统调试与分析…………………………………………………………………...22

6.1使用的仪器仪表………………………………………………………………….22

6.2系统调试………………………………………………………………………………..22

6.2.1系统总体调试及分析………………………………………………………….22

6.2.2各个模块电路调试及分析…………………………………………………….22

6.2.2.1小车直流电机驱动模块：

………………………………………………22

6.2.2.2趋光模块…………………………………………………………………….23

6.2.2.3拦栅控制模块………………………………………………………………23

第七章总结……………………………………………………………………………………24

参考文献………………………………………………………………………………………...24

汽车入库门控装置

摘要：

设计利用AT89C51控制为核心、利用红外传感器寻库，光线为引导。

其功能有自动寻找车库，避障，在汽车到达车库门前时，自动打开车库门，报警等功能。

汽车主要由两个直流电机控制左右车轮，用PWM波分别控制电机转动速度，实现左转、右转和前进。

用各种传感器采集信号，经单片机处理后，完成各种功能。

其中利用光敏三极管对光源进行检测，引导汽车到达车库门口；通过检测障碍，发射开门信号，启动电机开启车库门，汽车停止运动，等待车库门完全开启，再利用接近开关判断汽车是否到达库。

报警电路用蜂鸣器报警。

本设计采用单片机对各信号进行处理和控制，提高了汽车的智能化程度，但是如果用光电池检测光源，效果可能会更好。

关键字:

单片机红外传感器光敏三极管接近开关电机

Theautomobilegoesintothestorage

&Gateddevice

Abstract:

Inthisdesign,thecontrollercenterofthisdollyisbasedonAT89C51.Itusestheinfraredsensortoseekthestorehouseandthelightguidance.Itsfunctionhastheautomaticallyseekthegarage,evadesbonds,whentheautomobilearrivedthegarage,thegaragegatewillautomaticallyopenandreporttothepolice.soonthesefunction.Theautomobilemainlycontrolsthewheelbytwodirectcurrentmachines.SeparatelycontrolstheelectricalmachineryrotationspeedwiththePWMwave,andrealizationthecounteroftheautomobileturnleft,turnrightandadvance.Itusedeachkindofsensorgatheringsignal,aftermonolithicintegratedcircuitprocessing,completeseachkindoffunction.Itusedphotosensitivetriodecarriesontheexaminationtothephotosource,guidestheautomobiletoarrivethegarageentrance;Throughtheexaminationbarrier,launchesthegatesignal,startstheelectricalmachinerytoopenthegaragegate,theautomobilestopsthemovement,waitedforthegaragegatecompletelyopens,Againusestheapproachingswitchjudgementautomobilewhetherarrivesthestorehouse.Thealarmcircuitreportstothepolicewiththebuzzer.

Keywords:

MCUInfraredsensorPhotosensitivetriodeapproachswitchcapacitycontrolmotor

第一章引言

1.1选题背景

汽车的发展日益复杂，汽车的发展周期的要求也越来越短，在新型汽车进行批量生产前，可能时刻要更改设计方案，一味更改汽车部件已经不能够满足时代要求，可自由编程微处理器的引入使汽车发展具有更大的灵活性。

汽车驾驶自动化的发展趋势据奔驰汽车研究所使用模拟系统进行的调查结果，有85%的用户希望轿车具有自动巡航的功能，有80%的用户希望轿车具有自动道路跟踪功能，有95%的用户希望轿车具有自动起步、自动停车的功能，有80%的用户希望轿车具有高速公路自动驾驶的功能。

可见自动停车占的比例最高。

本设计就是利用了单片机AT89S52作为控制核心、红外传感寻库，光线引导，制作了一个汽车自动寻找到车库，在汽车到达车库门前时，自动打开车库门，在准确入库后，利用装在车上的接近开关接收信号通过单片机处理后，使小车自动停车。

本系统可以应用到家庭自备车上，自动将汽车挺入车库内，既节省时间，又可以保障家用车的安全。

1.2研究意义

电子控制技术与信息技术引入汽车，对汽车电子技术的发展起到了里程碑的促进作用,电子控制系统已经由局部控制发展到了整车系统控制,以及信息化、智能化、交通控制网络化、汽车信息化、智能化是当今汽车研究的重点,已经成为衡量各国汽车工业发展水平的重要标志。

本设计的意义也是比较远大的，就安全而言，汽车自动入库一方面替代了汽车驾驶的大部分基本操作，使得驾驶员有更多的时间去思考、反应甚至是修正其自身；另一方面，在自动入库系统控制下的车辆其运行轨迹更加精确。

1.3本设计的主要特色：

（1）高效的H型PWM电路，提高电源的利用率。

（2）控制电路电源和电动机电源隔离，信号通过光电耦合器传输。

（3）红外检测路面，软件纠错，免受路面杂质干扰。

（4）优化软件算法，智能化的自动控制，反应迅速。

第2章汽车入库门控装置的设计方案

2.1总体设计方案选择

方案一：

采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，黑带检测信号，铁片检测信号，各路趋光信号进行处理。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。

方案二：

用继电器来控制电机的停与转，但是转速不可调。

用红外传感器实现寻轨运动，红外传感器发出了红外光，经反射后，接收到不同强度的光线，传感器输出的信号不同，将信号送入A/D转换电路后送入单片机，控制小车的左传、右转。

用接近开关检测金属，送单片机处理，判断是否停止。

所有采集的信息都是传给单片机处理，再作出相应的判断，完成要求。

本方案采用红外避障检测车库的入口需要运行到离车库很近的地方时，才能检测到障碍，降低了智能化程度。

图2-1方案二原理框图

方案三：

采用单片机AT89S52控制[2]，直流电机控制汽车运动。

利用光源检测电路，检测车库所在地，并对其不断检测，引导汽车到达车库门口，用红外对管检测是否到达车库门口，用步进电机控制卷闸门，汽车进入车库后，通过装在车上的接近开关接收装在车库中的磁性物质经单片机处理后将小车自动停车。

这种方案应用面更广，也更接近实用化，智能化。

重要的是单片机可以通过对感应器信号的检测来控制电机运作，从而大大提高了运行过程中的实时性，准确性、使得电动车能够轻松的完成整个过程。

综合上述三个方案，比较以上三种方案的优缺点，方案三的系统比较灵活，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，能很好地满足题目的要求。

所以本次设计采用方案三。

2.2各模块方案的选择与论证

2．2.1电机模块的选择与论证

方案一：

采用直流电机[16]控制汽车运动和卷闸门运动，在控制卷闸门运动时，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无数快速启动、制动和反转。

但由于存在机械触点，直流电机容易产生燥声，而且单独使用时不能完成位置控制，需要配以传感器才能控制定位。

方案二：

采用直流电机控制汽车运动和步进电机控制卷闸门运动，在控制汽车运动时，直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。

在控制卷闸门时，步进电机不需通过传感器就可以直接进行精确定位，且可以通过调节脉冲周期，能够以任何速度转动，定矩运动较精确，而且运转速度教慢，刚好达到了预期的要求。

因此综合上面两个方案，本设计选择方案二。

2.2.2电机驱动模块方案的选择与论证

方案一：

采用继电器对电动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。

这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应速度慢，机械结构易损坏，寿命短，可靠性差。

方案二：

小车行走电路采用两对互补型晶体管8550（PNP）型和8050型（NPN）接成桥式电路。

用AT89C51软件编程来控制各晶体管导通，分别对应电机的正转与反转，同时为了达到效果我们将控制电路电源和电动机电源隔离开来，在桥式电路之前加了光电耦合器（U5BTP521-2），该电路的优点是电路简单，通过单片机的软件控制互补型晶体管的导通与截止，方便的调整电动机的运动状态。

缺点是当两个输入端都为高电平时，驱动电路的三极管同时导通，容易烧坏晶体管。

方案三：

（1）车库拦栅控制部分采用集成电路L298N和二极管IN5408组成的电路来作为驱动，其原理如同方案二，同样利用晶体管的导通与截止来驱动电机的转动。

L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信，因此对步进机来说，可以非常好的对其驱动。

（2）采用驱动步进机专用芯片ULN2003A，该芯片电路简单，容易控制，但驱动力比较大。

在本次设计中的小车行走电路，由于继电器对设计中的种种限制，所以采用方案二中的8050和8550组成的桥电路。

对车库拦栅控制部分，由于电机能够自如提起放下拦栅（重量比较重），又由于没能找到达林顿管ULN2003A，因此我们采用驱动力比较大的L298N来驱动，因此采用方案三

（1）。

2.2.3避障模块方案的选择与论证

方案一：

采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。

方案二：

采用红外线避障，电路中带有集成锁相环路解码器LM567或使用LM393。

当红外发射管检测到障碍物时，LM567输出端输出低电平，否则输出高电平，并将信号传给单片机来控制小车避障和前行的动作。

利用单片机来产生的信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出TTL电平。

外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜。

红外线发射接受电路原理图如下图2-2所示。

2-2红外线发射接受电路原理图

外界对红外信号的干扰比较小，性价比高。

调试时主要是调制发射频率为接收头能接收的频率，采用单片机程序解决。

发射信号强弱的调节，由可调精密电阻调节。

因此选择方案二中红外对管电路比较合理。

2.2.4光源检测方案的选择与论证

方案一：

利用光敏电阻组成的电路。

当光敏电阻检测到光源时，光敏电阻对是否接受到光源时会产生高低不同的信号脉冲，这样将信号传给单片机从而控制小车向光源行使到达车库。

方案二：

利用红外发射、接收器组成的电路，具有可大幅度减少外界干扰，灵敏度高，信噪比强等优点,但是，电路复杂、调试难度大。

另外，电动车进入车库后，要求小汽车能够立即停车，通过红外发射、接收器检测车库障碍物，然后通过单片机动作使电动车立即刹车。

但容易车身压线，不符合题目要求。

因此，不采用此方案。

基于上述理论分析，我们选择方案一。

2.2.5.电源模块方案的选择与论证：

方案一：

采用双电源供电。

用两个电源分别给控制系统和电机系统供电，将两个系统完全隔离，利用光电耦合器传输信号，将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，这样就提高了系统的稳定性。

方案二：

用单电源给电机系统供电，但是控制系统对电流需求量大，因为电机启动瞬间电流会很大，会造成控制系统电压不稳，干扰较大，严重时可能造成单片机系统掉电。

综上所述，我们采用方案一且用5节1.5V的干电磁组成7.5V的电源或使用蓄电池给电机系统供电，用1节9V的干电磁与7805组成输出恒为5V的电源给控制系统供电。

第3章相关硬件资料介绍

3.1单片机AT89C51简介

AT89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，拥有8KB的可编程的闪存（Flashprogrammableanderasablereadonlymemory）。

它提供下列标准特征：

8K字节的闪速存储器，56字节的RAM,32条I/O线,3个16位定时器/计数器,一个六中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口,片上震荡器和时钟电路。

引脚说明：

·VCC：

电源电压

·GND:

地

·P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。

当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。

当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。

在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。

程序校验时需要外接上拉电阻。

·P1口：

P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。

当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。

当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。

另外，P1.0和P1.1还可以作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX）,如表1所示。

P1口在程序编写和校验期间同时接收低8位地址。

表3-1

端口号

功能特性

P1.0

T2（外部计数器输入到定时/计数器2）时钟输出

P1.1

T2EX（定时/计数器2捕获/重装载触发和方向控制）

·P2口：

P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。

当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。

作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。

P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX＠DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。

在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。

当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX＠R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。

当Flash编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。

·P3口：

P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。

当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。

作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。

P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表2所示。

此外，P3口还用于接收一些用于控制Flash编程和校验的控制信号。

表3-2P3口的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0）

P3.5

T1（定时器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器都选通）

·RST:

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

·ALE/

:

当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。

当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（

）。

一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。

但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

如有必要，通过向SFR的8EH单元输入0能使ALE停止工作。

该位置位后只有在MOVX和MOVC指令下ALE才能工作。

此外，在该引脚被微弱拉高时，如果单片机在执行外部程序模式时，应设置ALE无效位不起作用。

·

/VPP:

外部访问允许。

为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，

必须同GND相连接。

需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。

当执行内部编程指令时，

应该接到VCC端。

当处于Flash编程时，该引脚接12V的编程允许电压VPP,当12V的编程电压是允许的情况下。

·XTAL1：

振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。

·XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。

3.2单片机AT89C2051简介

AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。

同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。

省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。

主要功能特性：

·兼容MCS51指令系统

·2k可反复擦写（>1000次）FlashROM

·15个双向I/O口

·6个中断源

·两个16位可编程定时/计数器

·2.7-6.V的宽工作电压范围

·时钟频率0-24MHz

·128x8bit内部RAM

·两个外部中断源

·两个串行中断

·可直接驱动LED

·两级加密位

·低功耗睡眠功能

·内置一个模拟比较放大器

·可编程UARL通道

·软件设置睡眠和唤醒功能

第四章汽车入库门控装置的硬件设计

4．1系统硬件的基本组成部分

本系统由单片机作为小车的控制核心，利用红外传感器检测障碍物信号、光电二极管检测到的车库光信号将其转换为可被控制器辨认的电信号，控制器根据这些电信号进行逻辑判断，控制电机转动,实现小车自动寻找车库以及自动入库停车。

主要分为汽车入库系统与门控装置系统。

有如下几个部分电路组成：

单片机控制电路，小车电机驱动电路，障碍物检测电路，电源部分,单片机最小系统，拦栅电机控制，等几个部分。

总体系统原理框图如下图4-1，4-2所示。

图4-1汽车入库系统框图

其中传感器流程图如图4-1-1

图4-1-1传感器流程图

4-2门控装置系统框图

4．2主要单元电路的设计

4.2.1小车电机驱动电路

此部分是整个小车的大脑，是整个小车运行的核心部件，起