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单片机控制智能小车的设计
单片机控制智能小车的设计
河南农业大学 本科生毕业论文 题 目单片机控制智能小车的设计学 院 理学院 专业班级 电子信息科学与技术1班学生姓名 指导教师 撰写日期:
2013年5月16日 单片机控制智能小车的设计 摘要 面对诸多恶劣的工作环境如灭火、救援等,为了有效的避免人员伤亡,就需要采用智能小车去现场来完成相应的任务。
因此研究和开发智能小车引导控制系统具有十分重要的意义。
本设计中,采用STC89C52单片机为控制核心,利用超声波传感器检测道路上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,利用红外对管TCRT5000检测黑线,并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向,从而实现自动循迹避障的功能。
其中小车驱动L298N驱动电路完成,速度单片机输出的PWM波控制。
采用1602LCD实时显示小车行进方向与环境温度。
整个系统的电路结构简单,可靠性能高。
关键词:
智能小车;单片机;超声波模块;液晶显示模块;电机驱动模块 Singlechipmicrocomputercontrolintelligentcars Abstract Facingalotofharshworkingenvironmentsuchasextinguishingafireorrescuing。
Weneedtouseasmartcargotothescenetocompletesometasksinordertoeffectivelyavoidcasualties.Soitishasveryimportantsignificancetoresearchanddevelopsmartcartoleadcontrolsystem.ThisdesignadoptedaSCMofASTC89C52asthecoreofcontrolpart,ultrasonicsensordetectingtheobstaclesontheroadandcontrollingthesmartcarautomaticavoidtheobstacles,infraredtubeofTCRT5000detectingtheblacklines.Meanwhile,STC89C52asthecontrolSCMwhichcontrolsthesmartcar’svelocityandchangingthedirectionsforachievingthefunctionofautomaticavoidingobstaclebytraces.Atthesametime,drivecircuitofL298NcontrolsthedriveandthewavewhichoutputbySCMcontrolsthevelocity.1602LCDcompletesdisplayingsmartcar’srunningtimeandtraveldirection.Thewholesystemisverysimpleinthecircuitpartandveryhighreliability. Keywords:
smartcar;SCM;ultrasonicsensor;LED;motordrive 河南农业大学理学院本科毕业论文 目录 1.引言.............................................................................................................................................32.整体方案设计.............................................................................................................................4整体方案设计的思路............................................................................................................4总体设计框图........................................................................................................................43方案论证.......................................................................................................................................5单片机选择............................................................................................................................5电机的选择............................................................................................................................5检测黑线模块........................................................................................................................5障碍物检测模块....................................................................................................................6显示模块................................................................................................................................6温度测量................................................................................................................................64系统硬件电路设计.......................................................................................................................8电源模块的设计....................................................................................................................8单片机最小系统的设计........................................................................................................8电机驱动模块........................................................................................................................9H桥驱动电路的内部原理解析......................................................................................9使能控制和方向逻辑...................................................................................................11恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N............................................................................12直流电机PWM调速控制............................................................................................13循迹模块..............................................................................................................................15避障模块..............................................................................................................................16超声波发射电路设计.................................................................................................16超声波接收电路设计.................................................................................................17测温模块..............................................................................................................................19显示模块..............................................................................................................................21总体设计与原理图..............................................................................................................23 1 河南农业大学理学院本科毕业论文 5系统软件设计.............................................................................................................................24总程序流程图......................................................................................................................24显示模块的流程图..............................................................................................................25直流电机驱动模块的流程图..............................................................................................286.结论与展望...............................................................................................................................30致谢............................................................................................................................................49
河南农业大学理学院本科毕业论文 1.引言 当今世界,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。
传感器技术和自动控制技术正在飞速发展,机械、电气和电子信息已经不再明显分家,自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要,“智能”这个词也已经成为了热门词汇。
现在国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平,特别是日本,比如日本本田制作的机器人,其仿人双足行走已经做得十分逼真,而且具有一定的学习能力,还据说其智商已达到6岁儿童的水平。
作为机械行业的代表产品—汽车,其与电子信息产业的融合速度也显著提高,呈现出两个明显的特点:
一是电子装置占汽车整车的价值量比例逐步提高,汽车将以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展,汽车电子产业也很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点;二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展,使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。
面对诸多恶劣的工作环境如灭火、救援等,为了有效的避免人员伤亡,就需要采用智能小车去现场来完成相应的任务。
因此研究和开发智能小车引导控制系统具有十分重要的意义。
本设计采用STC89C52单片机。
以STC89C52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。
并可以通过红外光电对管TCRT5000实现自动寻迹。
基于STC89C52单片机根据实际设计制作智能小车,实现智能控制,达到设计目标。
3 河南农业大学理学院本科毕业论文 2.整体方案设计 整体方案设计的思路 利用红外检测模块和超声波模块控制检测到的信号来控制单片机,从而让小车进行前进、后退、左转和右转几个动作,进而实现小车的循迹避障功能,并用温度传感器DS18B20检测的温度,另外单片机控制LCD1602显示温度与小车行进方向。
总体设计框图 电源模块 按键循迹模块避障模块 STC89C52单片机电机驱动模块显示模块 测温模块图整体方案的方框图 4 河南农业大学理学院本科毕业论文 3方案论证 单片机选择 采用STC89C52单片机,该单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。
其完全可以满足本设计对小车功能的要求,并且价格便宜;所以本设计最终选用AT89C52单片机作为其控制芯片。
电机的选择 方案一:
步进电机驱动 步进电机具有快速启动能力,如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就 能使电机立即启动或反转。
另外步进电机转换精度高,且正反转控制灵活。
方案二:
直流电机驱动 直流电机调速范围广,且易于平滑调节。
过载、启动、制动转矩大。
易于控制,可靠性高。
调速时的能量损耗较小。
过载能力强能承受频繁的冲击负载,可实现频繁地无极快速启动、制动和反转。
于普通电机更易于购买,价格便宜,且电路相对简单,所以采用直流电机驱动。
检测黑线模块 方案一:
采用光敏传感器 地面的黑色和白色反射程度不同,此判断传感器是否在黑线上方。
但于其他光源影响,效果不会很好方案二:
采用红外一体式发射接收器 红外一体式发射接收器于感应的是红外光,常见光对它的干扰较小,是在小车、机器 人等制作中广泛采用的一种方式。
红外一体式发射接收器检测黑线的原理为,于黑色吸光,当红外发射管发出的光照射在上面后反射的部分就较小,接收管接收到的红外线也就较少,表现为电阻比较大,通过外接的电路就可以读出检测的状态,同理当照射在白色表面时发射的红外线就比较多,表现为接收管的电阻就比较小。
5 河南农业大学理学院本科毕业论文 相比之下方案二检测时要更准确可靠,所以本设计采用红外一体式发射接收器。
障碍物检测模块 采用超声波探测,因为超声波频率高、波长短、定向性好,而且振幅小能量集中,能适应在不同的被测介质界面上,大部分能量反射,因而,超声波特别适合与测量距离。
对于本设计而言,采用超声波测出障碍物的位置,通过适当的调整很容易使小车绕过障碍物。
超声波车辆检测器是根据声波的传播和反射原理,通过对发射波和反射波的时差测量实现位移测量的设备。
超声波车辆检测器的工作原理是:
超声波发生器发射一束超声波,然后接收从车辆或墙壁的反射波,根据反射波返回时间的差别,来判断有无车辆通过。
于探头与地面的距离是一定的,所以探头发出超声波并接收反射波的时间也是固定的。
当有车辆通过时,于车辆本身的高度,使探头接收到反射波的时间缩短,就表明有车辆通过或存在。
如图2所示:
图 若超声波探头距地面高度为H,车辆高度为h,声速为v,发自探头超声波脉冲的反射波从路面和车辆返回时间分别为t和t’,则:
t=2H/v () t’=2(H-h)/v () 可见时间t’与车辆高度h存在函数关系。
根据这个特点,超声波车辆检测器即可以检测车辆的存在和通过。
显示模块 本设计主要显示环境温度与小车行进方向,LCD1602足以满足要求。
温度测量 方案1:
采用热敏电阻 用热敏电阻等测温元件测出电压,再转换成对应的温度。
需要比较多的外部元件支持,且硬件电路复杂,制作成本相对较高。
方案2:
用DS18B20直接测温。
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传 感器,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
而且其应用电路非常简单。
经比较,我们选择方案2。
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河南农业大学理学院本科毕业论文 4系统硬件电路设计 电源模块的设计 电源是整个系统稳定工作的前提,因此必须有一个合理的电源设计,单片机必须与大电 流器件分开供电,避免大电流器件对单片机造成干扰,影响单片机的稳定运行。
本设计中在J1处接入9V电池,经两个L7805稳压芯片后为产生两路稳定的5V电压,其中一路为单片机供电,另一路为功率较大的模块如电机模块、循迹模块、避障模块等供电。
图电源模块原理图 单片机最小系统的设计 单片机是控制中心,单片机最小系统的合理设计是本设计平稳运行的前提,所谓最小系 统,就是能够保证单片机运行的最精简的硬件设计。
单片机最小系统电路如图:
8 河南农业大学理学院本科毕业论文 图单片机最小系统原理图 图中的51单片机最小系统以下几个部分组成:
1.晶振电路,单片机要想工作必须有一个外部的时钟源,这个时钟源外部晶振产生,具 体电路为图中的Y1、C2、C3。
2.复位电路,在复位脚加高电平2个机器周期可使单片机复位。
单片 机在启动时都需要复位,以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作。
本系统采用的手动复位:
按钮按下,复位脚得到VCC的高电平,单片机复位,按钮松开后,单片机开始工作。
电机驱动模块 驱动方式为两电机四驱,差速转向,其优点是转向性能好,能实现原地360°转向,且 在循迹行走的时候能比较稳定的行驶。
于单片机的驱动能力不足,无法驱动像电机这样的大功率外部器件,因此必须外加驱动电路。
电机常用的驱动芯片很多,为了电路设计简单,采用电机专用驱动芯片L298,其驱动电流大,瞬时电流最高可达2A,为电机驱动专门设计。
驱动模块的核心实际上是H桥驱动电路组成的L298芯片。
H桥驱动电路的内部原理解析 图中所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的 9 河南农业大学理学院本科毕业论文 形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠。
如图所示,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。
图H桥驱动电路 要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。
例如,如图所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动。
图H桥电路驱动电机顺时针转动 图所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况,电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动。
10 河南农业大学理学院本科毕业论文 图H桥驱动电机逆时针转动 使能控制和方向逻辑 驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值,甚至烧坏三极管。
基于上述原因,在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
图所示就是基于这种考虑的改进电路,它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。
4个与门同一个“使能”导通信号相接,这样,用这一个信号就能控制整个电路的开关。
而2个非门通过提供一种方向输入,可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
图具有使能控制和方向逻辑的H
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