1、0唐山师范学院本科毕业论文题 目 基于单片机的智能小车的设计学 生 *指导教师 * 副教授 年 级 2008 级专 业 电子信息科学与技术系 别 物理系唐山师范学院物理系2012 年 5 月1郑重声明本人的毕业论文是在老师的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文作者（签名）： 年 月 日2目录摘要 .3第一章 引言 .3第二章 方案说明 .32.1、方案论证 .32.2、总体设计方案概述 .4第三章 硬件电路设计 .53.1、主控电路 .53.1.1、L7
2、805 稳压器 .53.1.2、MAX232 芯片简介 .63.2、八路红外传感器模块 .63.2.1、LM324 简介 .63.2.2、74HC14D 简介 .63.3、L298N 电机驱动模块 .73.3.1、L298N 简介 .83.4、机械部分 .9第四章 软件系统设计 .94.1、程序流程图 .94.2、程序设计方案 .9参考文献 .12第五章 结束语 .12致谢 .12附录 1.13附录 2.13外文页 .203基于单片机的智能小车的设计摘要 本文介绍了基于 STC89C52 单片机的智能小车的设计与实现。小车主要能够识别黑线并检测障碍物从而实现在固定跑道内行驶并且可自动避障。小车
3、以 STC89C52 单片机控制器；采用八路红外传感器及其处理模块实现对黑线及障碍物的检测；通过单片机产生 PWM 波并通过 L298N 来对小车的方向和速度进行控制。关键字 STC89C52 单片机 红外传感器 PWM L298N第一章 引言社会的发展，科技的进步，使得人们对生活中的很多事物都提出了更高的要求，就像人们自己走累了便想到了坐车，所以马车出现了；而马车已经满足不了人们对速度的追求的时候，便又发明了汽车，所以科技创新是基于人们的需要而出现的；那么到了现在这个普通汽车已经很普遍的掌控在人们手中的时候，一个新的概念便被提了出来，它就是智能车。其实，智能车研究最早都是在一些科技发达的国家
4、进行的，所以比较早接触智能车领域的一些国家已经对智能车辆进入了深入、系统、大规模的研究阶段 1。我国智能车的研究起步较晚，所以很多还集中在某个单项技术的研究上，不过对于智能车技术的探索却如雨后春笋；各种智能车大赛层出不穷，各高校及研究机构也纷纷加入智能车的研究行列 2。本设计就是根据前人在智能小车的设计的基础上对其进行的又一次全新的探索。本车的设计充分考虑了成本与性能综合，它以 STC89C52 单片机为核心，采用了大扭力的四驱小车底盘，使小车具有充足的动力；除此外小车安装了八路红外传感器用来检测黑线和障碍物，所以小车具有较好的反应速度与检测精度。第二章 方案说明2.1、方案论证（1）控制系统
5、4方案一：采用 MC9S12DG128 单片机，该单片机以运算速度很快的 CPU12 内核为核心的单片机，经过锁相环后，时钟频率可达到 40MHz，内部 Flash 高至 128KB，拥有 2 组各 8 路 10 位 A/D、16 路 I/O 口，有功能强大的8 位 PWM 输出共 8 路，以及 8 路 16 位增强型定时器（ECT） ，相比 STC89C52 单片机它编程更加简单，反应速度快；但是成本较高且短时间内不易掌握。方案二：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
6、 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 4KB EEPROM，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 3 。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STC89C52 单片机作为其控制芯片。（2）避障与寻线传感器方案一：采用 US-100 超声波测距模块，该模块可实现 2cm4.5m 的非接触测距功能，拥有 2.45.5
7、V 的宽电压输入范围，静态工作电流 2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有 GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠且方向性好但其近距离反射时干扰较大。方案二：采用八路红外对管及处理模块，该模块可工作在 3.3 到 5V 电压下检测距离在 1-6 厘米，采用多圈式电阻调节检测距离，且尺寸较小可方便的搭载在小车上，同时其平均价格要比 US-100 要低；其八路的传感器可分别用作测距与检测黑线；综合上述考虑，本设计采用八路红外对管作为其避障与寻线传感器。 2.2、总体设计方案概述本设计以 STC89C52 单片机系统为控制中心，通过八路红外传感器模块中的两路传感器检测障碍
8、物，四路传感器检测黑线，检测障碍物的两路传感器分别分布在车头的两端，使其能够检测车前较大范围内的障碍物，尽量减小检测盲区；检测黑线的四路传感器分别分布在小车的四角，从而能够保证小车在跑道内行驶。传感器在接通电源后会不断的发送和接收红外线，接收到的信号经过 LM324 进行放大然后由 74HC14D 施密特触发STC89C52 单片机系统八路红外传感器L298N电机控制模块电机图 1 总体设计框图 5器转换成数字信号输出，而当单片机检测到需要转向的传感器信号时，单片机通过改变 PWM 波的占空比来调整小车两侧的电机转速，从而使其两侧轮产生速度差，以实现小车的转向。避障：在小车行驶过程中，若左侧传
9、感器检测到障碍物而右侧传感器未检测到，则小车首先后退之后向右转；同理，若右侧检测到而左侧未检测到，小车先后退之后左转；如果左右均检测到默认小车先后退之后右转。检测黑线：安装在小车四角的红外传感器负责检测黑线，由于小车是向前行驶所以最先驶出黑线的应该是小车的前端，当左前端传感器检测到黑线时，向单片机发送信号，小车右转；当右前端传感器检测到黑线时，小车左转；当左后端检测到黑线而左前端未检测到时小车先右转再左转，当右后端检测到黑线而左前端未检测到时先左转后右转，当前端两传感器同时检测到黑线时小车先后退之后左转。控制逻辑见 表 1表 1检测检测物检测到 未检测到障碍物 0 1黑线 1 0PWM：脉冲宽
10、度调制(PWM)，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，此处我们主要通过单片机输出 PWM 波同时通过调节其占空比来实现对小车的控制。第三章 硬件电路设计3.1、主控电路本模块主要是采集信号并进行分析，同时输出 PWM 波控制电机速度，从而控制小车前进转弯等动作。其中，此处采用 STC89C52 单片机作为主控芯片，由 912V 直流电通过 78M05 稳压芯片后进行供电；单片机读写口连接了 MAX232 芯片，并焊接了串口接口，使其能够直接使用 USB 转串口线下载程序；除此之外，单片机引脚全部通过排针引出，使得此电路连接其他模块更加方便。复位及时钟
11、电路分别见图 2 和图 3，单片机引脚电路见附录 1 63.1.1、L7805 稳压器L7805 是我们最常用到的稳压芯片，本设计中采用 7 节 5 号干电池进行供电，电容 C2、C3 对输入到 L7805前的直流电进行滤波，之后输入到 L7805，经其稳压后输出 5V 直流电，给单片机供电。如图 43.1.2、MAX232 芯片简介MAX232 芯片是美信（MAXIM）公司专门为 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v 单电源供电；TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入，转换成 RS-232 数据后从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DB9 插头；DB9 插
12、头的RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输入到单片机的 RXD、TXD 口；此处MAX232 主要在下载程序时对由串口发出来的信号进行转换。其电路如图 53.2、八路红外传感器模块红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质，所以我们可以利用红外对管对黑线及障碍物进行检测；此模块拥有两个 LM324 放大器和两个 74HC14D，当红外线在不同颜色物体上的反射光被接收管接收到时会产生不同幅度的电压，经由模块的 LM324 芯片进行信号放大，之后输入到 74HC14D 进行高低电平的转换。小车在行驶过程中红外管不断地向外发射红
13、外线，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被接收管接收，模块输出低电平；如果遇到黑线则红外线被吸收，接收管接收不到信号，此时模块输出高电平；单片机通过程序控制不断检测模块输出引脚的高低电平从而实现信号的检测。小车的避障原理与此类似，当红外管不断发出红外线，图 2 复位电路 图 3 时钟电路图 4 稳压电路7而在距小车前方 6cm 无障碍物时，红外线不发生反射，此时接收管接收不到反射光，模块输出低电平；当小车前方 6cm 内有障碍物时，红外管发出的红外线将会被反射回来，接收管接受到反射光，模块输出高电平。3.2.1、LM324 简介LM324 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算
14、放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。3.2.2、74HC14D 简介74HC14D 是 6 路施密特触发器件，内含 6 个独立的出发倒相器，在正逻辑中它们执行波形整形和倒相功能；它也是 5V 电源供电且不需要外围元件。3.3、L298N 电机驱动模块该模块采用了 L298N 双 H 桥直流电机驱动芯片，驱动电机部分 VIN 采用+9V 直流电源供电，同时模块上安装了 L78M05 稳压器对 vin 的输入进行稳压，逻辑部分 VCC
15、 采用+5V 供电，小车运行时通过单片机向该模块1、2、3、4 脚输入控制信息来控制小车电机的转速。其电路如图 6 、7、8 图 5 TTL 转换电路图 6 电机控制电路783.3.1 、L298N 简介L298N 内部包含 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。输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS，VSS 可接 457 V 电压。4 脚 VS 接电源电压，VS 电压范围 VIH 为2546 V。输出电流可达 2 A，可驱动电感性负
16、载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流图 7 稳压电路图 8 接口电路9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。控制逻辑见表 28输入 PWM 信号改变脉宽可调速电机 旋转方式控制端IN1控制端 IN2控制端 IN3控制端 IN4调速端 A 调速端 B正转 1 0 / / 1 /反转 0 1 / / 1 /M1停止 0 0 / / 1 /正转 / / 1 0 / 1反转 / / 0 1 / 1M2停止 0 0 / / / 13.4、机械部分小车采用了四个直流电机为其提供动力，这使其具有较大动力，可以在较大的坡道上行驶；同时，小车的四轮底盘设计，使得小车的直线行驶性能较强，不会出现方向跑偏的现象，同时转向时的方向感较好；小车的电路部分均用铜柱及螺丝固定在底盘上，使其具有很好的稳定性；除此之外，在接线方面，各模块之间均采用杜邦线进行连接，主控板上焊接了单片机插座，这些为小车提供了充足的再开发空间。第四章 软件系统设计4.1、程序流程图如图 9 开始设置初始值启动电机避障停止YNYN避线检测到障碍物？检测到黑线？
