基于AT89C52的智能小车设计.doc

1、长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 1 页 装 订 线 第一章 绪论 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。全国电子大赛和省内电子大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。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目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应该能够速度，具有自动寻迹、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。 根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线，实现对电动车的速度、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片 机进行处理，然后

2、由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计 采用 AT80C51 单片机。以 AT80C52 为控制核心，利用 红外线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 自动寻迹。 80C52 是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。 新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。 本设计就采用了比较 先进的 80C52 为控制核心， 80C52 采用 CHOMS 工艺，功耗很低。该设计

3、具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进 单片机的发展趋势 行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。 单片机在目前的形势下，表现出几大趋势 : * 可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。 * 所集成的部件越来越多 ;NS(美国国家半导体 )公司的单片机已把梧音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是 在于单片集成电路，而不袄于其功能了 ;如果从功能上讲它可以讲是万用机，原因是其内部已集成上各种应用电路。 *功耗越来越低。 *和模拟电路结合越来越多。 随着半导体

4、工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现 :单片机与微机系统之何的距离越来越小，甚至难以辨认。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 2 页 装 订 线 第二章 系统方案论证与选择 2.1系统总体方案设计论证 本系统基本框图 2-1所示 ： 图 2-1 系统基本框图 在设计车体框架时，我们有两套起始方案，自己制作和直接购买玩具电动车。 方案一：自己设计制作车架 自己制作小车底盘，用两个直流减速电机作为主动轮，利用两电机的转速差完成直行、左转、右转、左后转、右后转、倒车等动作。减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要

5、求。而且自己制作小车框架，可以根据电路板及传感器安装需求设计空间，使得车体美观紧凑。但自己制作小车设计制作周期较长，且费用较高，因而我们放弃这一方案。 方案二：购买玩 具电动车 ， 玩具电动车价格低廉，有完整的驱动、传动和控制单元，其中传动装置是我们所需的，缩短了开发周期。但玩具电动车采用普通直流电机驱动，带负载能力差，调速方面对程序要求较高。同时，玩具电动车转向依靠前轮电机带动前轮转向完成，精度低 。 考虑到利用玩具电动小车做车架开发周期短，可留够充分的时间用于系统调试，且硬件上的不足我们有信心用优良的算法来弥补，故我们选择方案二。 2.2 系统各个模块论证 左轮电机 右轮电机 红外对管寻迹

6、电路 电机驱动电 路 避障电路 AT89C52 蜂鸣器 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 3 页 装 订 线 2.2.1 控制器模块的选择与论证（ 单片机 的 选择 ） 方案一：采用凌阳公司的 16 位单片机，它是 16 位控制器，具有体积 小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。 方案二：采用 AT89C52 单片机作为主控制器。 AT89C52 是一个超低功耗，和标准 51 系列单片机

7、相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持 ISP 在线编程，片内含 8k 空间的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读存储器，具有 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个 I/O 口， 2 个 16 位可编程定时计数器。其指令系统和传统的 8051 系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度， 电路设计简单、价格低廉， 在后来的实验中我们发现， AT89C52 精确度和运算速度也都完全符合我们系统的要求。 综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二使用 AT89C52单片机为我们整个系统的控制核心。 2.2.2 寻 线模块 的选择与 论证 小车 沿着

8、黑 色 路 线运动，且不能偏离 该 轨迹 ， 可以利用传感器来感知轨迹 。 方案一：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。 方案二：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，在小车行驶过程中不断红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若

9、接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。 单片机就是通过接收到的高低电平为 依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。 经测试，此种方法简单可靠。 经反复对比后，采用方案二 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 4 页 装 订 线 2.2.3 控制电机模块 的选择与 论证 方案一 ：利用步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和方向的偏转，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。但是步进电机在与机械配合的小车改装上难度极大，非短时间所能完成。该方案实现较困难。 方案二 ：用玩具小

10、车上自带的双直流电机，只需对后轮电机进行简单改造，加上一个齿轮减速装置即可， 两电机分别负责小汽车的驱动和转向的功能，依据外围红外反射传感器所采集到的信息可以补足直流电机定位不准的缺点，同时红外反射传感器的使用还能实现比较准确的寻迹行驶，用较好的控制算法及特色硬件来提高小车的整体性能，可具有很高的性能 /价格比。 经比较验证，显然方案一的机械结构也短时间内难以满足题目的要求，而方案二本身是与小车相兼容的，性能也比较好，采用方案二。 2.2.4 电机驱动模块 的选择与 论证 方案一：采用传统的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

11、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。 方案二：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 .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。 方案三：采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片。 L298N 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由 L298N 结合单片机可实现对小车速度的精确 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

12、载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。 因此决定采用 L298N 控制直流电机。 2.2.5避障模块的选择与论证 方案一：用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。 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 。 此我们考虑其它长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 5 页 装 订 线 的方案。 方案 二：用漫反射式光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据光线发射

13、头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。但是这种电路在户外容易受阳光的影响。因此放弃此方案。 方案三： 采用红外线避障，利用单片机来产生 38KHz 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 采用数字接受器件 HS0038 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， 考虑到本系统只需要检测障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案

14、三。 2.2.6 电源选择 与论证 方案一：所有器件采用单一电源 (5 节五号电池 )。这样供电比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能会造成单片机系统掉电，使之不能完成预定行程。 方案二：双电源供电。电动机驱动电源采用 5 节五号电池，单片机及其外围电路电源采用 5V 钮扣电池供电，两路电源完全分开，这样做虽然可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提 高了系统稳定性。但是不如单电源方便灵活。 方案三 采用 9V 蓄电池为直流电机供电，我们利用 lm7805 这块芯片将 12V 的锂电池降压、稳压到 5V，为外围芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以

15、及稳定的电压输出性能， 这种接法 比较简单，但小车的电路功耗过大会导致后轮电机动力不足 我们选择方案 二 2.3 智能小车最终方案 经过反复的探讨和论证我们最终确定智能救援小车的如下最终方案： 1 采用 AT89C52 单片机作为整个电路的控制核心。 2 直接使用电池组提供基准电源。 3 采用直流减速电机作为小车系统的驱动电机。 4.使 用电机专用驱动芯片 L293N作为直流减速电机的驱动芯片。、 5.采用红外探测法进行循迹。 6采用红外发射管和 HS0038 接受管组成避障电路。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 6 页 装 订 线 第三章 系统的硬件设计与实现 3.1

16、微控制器电路的设计与原理 微控制器电路是整个智能救援小车系统的核心控制部分，它负责对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分硬件电路进行调整。本设计制作的智能小车系统以 AT89C52 单片机最小系统电路为整个系统的控制电路，通过各种传感器电路，采集各种传感器信息，以发出各种控制信号命令，来完成相应的操作 .AT89C52 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用 AT89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图 3-1 AT89C52 单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应

17、用特点： 有可供用户使用的大量 I/O 口线。 内部存储器容量有限。 应用系统开发具有特殊性。 Y?C R Y S T A LC?C A PC?C A PE A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728

18、P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U?8 0 3 1R?8 . 2 kC?1 u fV C C图 3-1单片机 最小系统 电路原理图 1、时钟电路 STC89C52 虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。 STC89C52单片机的时钟 产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在 XTAL1、 XTAL2 引脚长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 7 页 装 订 线 上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路

19、。振荡晶体可在 1.2MHZ 到 12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响， CX1、 CX2 可在 20pF 到 100pF 之间取值，但在 60pF 到70pF 时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择 6MHZ,电容选择65pF。 在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用 NPO 电容。 2、复位电路 AT89C52 的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的

20、 S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ 时 C 取 22uF,R 取 1K。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现的。按键手动复位电路见图 3.2。时钟频率选用 6MHZ 时， C 取22uF,Rs 取

21、200， RK 取 1K。 E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U?8 9 c 5 2R?8 .2 kC?1 u fV C

22、 CR?R E S 2S?S W - P B长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 8 页 装 订 线 图 3-2 AT89C52复位电路 3.2 直流电机 PWM调速控制 直流电动机转速 n=(U-IR)/K 其中 U 为电枢端电压， I为电枢 电流， R 为电枢电路总电阻， 为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进

23、步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中 PWM(脉宽调制 )便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。 PWM 调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期 内接通和断开的时间比 (占空比 )来改变直流电机电枢上电压的 “占空比“，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用 PWM 技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，且设占空比为 D=t T，则电机的平

24、均速度 Vd 为： Vd=VmaxD 由公式可知，当改变占空比 D=t T 时，就可以得到不同的电机平均速度 Vd，从而 达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比 D 并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。 在直流电机驱动控制电路中， PWM 信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动 H 桥下臂 MOSFET 的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机 PWM 调速。 当用单片机 I/O 口输出 PWM 信号时，可采用以下三种方法： 利用软件延时。当高电平延时时间到时，对 I/O 口电平取反变成低电平，然

25、后再延时；当低电平延时到时，再对 I/O 口电平取反，如此循环就可得到 PWM 信号。 利用定时器。控制方法相同，只是在这里利用单片机定时器来定时进行高低电长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 9 页 装 订 线 平的翻转，而不用软件延时。 利用单片机自带的 PWM 控制器。 STC12 系列单片机自身带有 PWM 控制器， STC89系列单片机无此功能，其他很多型号的单片机也带有 PWM 控制器，如 PIC 单片机，、AVR 单片机等 本实验用的 AT89c52 并没有 PWM 控制器，所以采用定时器产生 PWM 信号。 3.3 电机驱动原理电路 3.3.1 H 桥功率驱动原

26、理 直流电机驱动使用最广泛的就是 H 型全桥式电路，这种驱动电路方便地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。 H 桥功率驱动原理图如图 2所示。 H型全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩波状态。 S1、 S2 为一组， S3、 S4为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。当 S1、 S2导通时， S3、S4关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当 S3、 S4导通时， S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。 实际控制中，需要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在 S1、 S2导通且 S3、

27、S4关断到 S1、 S2 关断且 S3、 S4 导通这两种状态间 转换。这种情况理论上要求两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间，绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时间，这个校正过程既可通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可通过软件实现。 图 2-2-1 中 4 只开关管为续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。当电机处于制动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通 过续流二极管

28、流通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁 . 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 33 页 第 10 页 装 订 线 D3D1D4D2MS1 S2S3S4V C C图 3-3 H桥电路 3.3.2 L298 简介 本设计中采用的电机专用驱动芯片 L293n。 L293n是欧洲著名的 SGS公司的产品，为单块集成电路、高电压、高电流、四通道驱动。设计用来接收 DTL 或者 TTL 逻辑电平，驱动感性负载 (比如继电器，直流电机 )，和开关电源晶体管。内部包含 4 通道逻辑驱动电路 （ 图 2.2 L298N 内部结构图） 。其额定工作电流为 1A，最大可达 1.5A，Vss 电压最小 4.5V，最大可达 36V。 ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 电机运行情况 1 1 0 正转 1 0 1 反转 0 X X 停止 表 3-1输入引脚和输出引脚的逻辑关系 电机驱动模块主要功能是将主控芯片发出的信号通过 L298n电机控制芯片转化为小车实际的动作。 L298n 芯片有两个电源引脚 VDD 引脚和 VCC 引脚。 VDD 引脚接 +9V 电源用来给电机供电， VCC 引脚接 +5V 电源用来给芯片供电，并作为逻辑高电平标准。