1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 电动小车控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 智能是现在社会发展的趋势，它可以按照预先设计好的模式在特殊的环境里可以工作，给人们带来很多的方便。 本设计为基于 C51 系列单 片机的电动小车控制系统， 本设计主要体现在智能，可以给智能家电提供参考意义，整个小车平台主要以 STC89C52 单片机为控制核心，采用超声波 检测 、红外传感器 检测 ，结合脉冲发射电路、接收电路和相应的控制电路，实现小车自动循迹，智能避障等功能， 用数码管 显示小车与障碍物的距离。 关键词： 智能
2、 小车 ；超声波； 红外传感器；单片机 Abstract Smart is now the trend of social development, it can be pre-designed pattern in accordance with the special environment to work, to bring a lot of convenience.The design is based on C51 MCU control system for electric car， This design is mainly reflected in intelligence,
3、 can provide reference for smart appliances, the car platform mainly STC89C52 microcontroller as the control center， ultrasonic sensor, infrared sensor, combined with pulse transmitter circuit, receiver circuit and the corresponding control circuit,Achieve automatic car tracking, intelligent feature
4、s such as obstacle avoidance, with digital display the distance between car and obstacles。 Key words: avoidance of intelligent; ultrasonic sensors; infrared sensor； mcu 目 录1 绪论 . 4 1.1 研究背景和意义 . 4 1.2 小车智能控制的研究现状 . 4 2 控制系统需求分析 . 6 2.1 小车智能控 制的功能简述 . 6 2.2 电动小车常用的控制方法 . 6 2.2.1 小车驱动方法介绍及选择 . 6 2.2.2
5、 小车循迹方法介绍及选择 . 6 2.2.3 小车避障方法介绍及选择 . 6 3 MCS-51 单片机简述 . 8 3.1 MCS-51 单片机的基本结构 . 8 3.2 MCS-51 单片机的特点 . 11 3.3 MCS-51 单片机的应用 . 12 4 系统硬件设计 . 14 4.1 控制系统组成 . 14 4.2 电源稳压模块设计 . 14 4.3 电机驱动模块设计 . 15 4.4 循迹控制模块设计 . 16 4.4.1 利用光电传感器实现循迹的基本原理 . 17 4.4.2 循迹模块的硬件设计 . 17 4.5 避障控制模块设计 . 18 4.5.1 利用超声波传感器的基本原理 .
6、 19 4.5.2 避障模块的硬件设计 . 19 5 系统软件设计 . 21 5.1 主程序设计 . 21 5.2 循迹模块程序设计 . 22 5.3 障碍检测模块程序设计 . 23 5.4 驱动模块程序设计 . 24 6 总结 . 25 参考文献 . 26 附录 1 源程序清单 . 27 附录 2 实验总原理图 . 40 1 绪 论 1.1 研究背景和意义 自第一台工业机器人诞生以来 ,机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。从普通的玩具机器人到工业控制机器人，从能够模拟人的行为的机器人到可以进行太空探测的机器人，可以预见今后的智能机器人的应用将更加广泛。机器人智能化水
7、平的提高大大增进了劳动效率 ,减轻了人的劳动强度 ,提高了产品质量 ,改善了劳动环境 ,减少了能源和材料消耗 ,保证了安全等。 智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达 到的或者更高的目标，本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论方案，分析方法与特色与创新点等可以为自动运输机器人，采矿勘探机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。 1.2 小车智能控制的研究现状 智能小车，即轮式机
8、器人，可以理解为机器人的一种特例，比机器人的智能化程度稍微低了一点。而众所周知的机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活领域应用的不断扩大，给人们 的生产生活产生了巨大的影响。智能小车与遥控小车不同，遥控小车需要操作人员控制其转向、启动停止和前进后退，智能小车，则可以通过单片机控制来实现其对行驶方向、启动、停止以及速度的控制，无需人工干预。操作人员可以通过修改智能小车的控制程序来改变它的行驶方式。智能小车是一个集环境感知，动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。他集中运用了计算机、传感器、通信、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
9、现在的智能小车基本功能可以有自动循迹功能、避障功能、趋光行驶功能、金属探测功能，另外还有一 些扩展功能有声音控制、语音播报、测温、无线遥控、测速及里程、测量路面坡度。 1.3 主要研究内容 本课题主要设计一个多功能电动小车系统，掌握电动小车系统的组成，并应用 C51 系列单片机设计一个电动小车系统的自动控制方案。 主要研究内容如下： 1 了解和研究电动小车中常用的小功率直流电机的驱动方案； 2 研究实现小车自动寻迹和智能避障的方案； 3 分析基于 C51 单片机 的电机控制解决方案，确定系统设计中需要用到STC89C52 的内部结构、通用 I/O 数目等参数； 4 系统的整体硬件结构设计 (包
10、括芯片规划和外围电路设计 )； 5 设计电机 驱动模块电路、寻迹和避障功能实现模块电路，并绘制原理图； 6 应用 C 语言编写系统应用程序，进行硬件电路的调试 。 2 控制系统需求分析 2.1 小车智能控制的功能简述 本智能小车采用 STC89C52 单片机为小车的控制核心，通过外围电路将多种传感器的信号传到单片机分析处理，用单片机来控制 LN298N 芯片来驱动直流 电机 ，使小车 按照黑线 前进，并绕过 小车周围 障碍物，到达指定地点。用 数码管来显示小车的行驶状态及显示 小车 到障碍物 的 距离。 2.2 电动小车常用的控制方法 2.2.1 小车驱动方法介绍及选择 本系统为智能电动车，对
11、 于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。 一种方案是 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精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。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。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。 另一种方案 采用直流电机。直流 电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。 因此能够 较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案 1。 2.2.2 小车循迹方法介
12、绍及选择 循迹方式 总体分为三类 : 红外发射 /接收管检测方式、 CCD /CMOS 摄像头检测方式、红外和摄像头混合方式。 相比之下 红外发射 /接收管检测 比较简单且基本能实现所需要的功能 ,本设计 使用这一检测方式 实现 循迹功能。 即利用光电传感器对电动车的位置、行车状态进行测量。 2.2.3 小车避障方法介绍及选择 避障 总体分为 两 类 ： 红外发射 /接收管检测方式 、超声波 发射 /接收管检测方式 。 超声波传感器测距有以下优点 : 纵向分辨率较高 ； 可识别透明、 半透明及漫反射差的物体 ； 可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中 ； 基于超声波传感器的感测系统易
13、于实现小型化和集成化 。 超声波传感器最常用的测距方法是回波探测法 。 但超声波传感器都存在测量盲区 ， 测量盲区是由于超声波传感器的串扰、控制器控制性能、超声波传感器性能等多重因素引起 , 因此超声波传感器无法检测近距离障碍物 。 红外测距其优点是无盲区、测量精度高、反应速度快、方向性强 , 但其缺点是受环境影响较大、探测距离较近 。综合分析，本设计采用超声波 发射 /接收管检测方式 2。 3 MCS-51 单片机简 述 3.1 MCS-51单片机的基本结构 MCS-51系列单片机是 Inter公司于 20世纪 80年代初推出的系列 8位单片机，经过 30 多年的发展目前已发展到十多种产品，
14、属于这类的单片机有很多种包括51 子系列和 52子系列。 8051 单片机是 MCS-51 系列单片机的典型产品 3。 图 3-1 8051 单片机内部结构框 如图 3-1所示， MCS-51 单片机主要由 CUP，片内存储器， 4 个 I/O口，串行口，定时 /计数器，中断系统，振荡器等功能部件组成 4。 1.MCS-51 单片机 微处理器 CPU MCS-51 微处理器有运算器和控制器组成。运算器 ：由算术逻辑单元 ALU、累加器 ACC、 B寄存器、两个暂存寄存器、程序状态寄存器组成 PSW ； 8 位，可以进行算术云算（加，减，乘，除，乘除运算与寄存器 B 有关）、逻辑运算及移位运算等
15、。控制器：由指令寄存器 IR 、指令译码器 ID 、定时及控制逻辑电路、程序计数器 PC 组成，使单片机的运行控制中心。 PC 的结构与功能： 16 位的程序寄存器，控制程序的执行。 IR ， ID 的功能。 2.MCS-51 单片机 的片内存储器 MCS-51 单片机片内部 储存器有程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM.ROM空间大小为 4KB ，地址为 0000H-0FFFH （使用时）， RAM 空间大小为 128B ，地址为 00H-7FH。 我们应把数据存储器和程序存储器严格分开，存储器有内外之分，其地址空间存取指令和控制信号均有区别。 64KB 程序存储器 (ROM)，包括片内
16、 ROM 和片外的 ROM，地址为 0000HFFFFH 是连续的，在 ROM 中空间用 MOVC 指令实现只读功能操作，用 PSEN 非信号选通读片外 ROM。 64KB 外部数据存储器 (片外 RAM)，其地址空间为 0000HFFFFH。片外 RAM 空间用MOVX 指令实现读写功能操作。 256B(包括特殊功能寄存器 )内部数据存储器 (称片内 RAM)，其地址空间为 00HFFH。 3.MCS-51 单片机 定时器 / 计数器 MCS-51 单片机 内部的有 2 个 16 位的定时器 /计数器，以实现定时或计数功能。 4.MCS-51 单片机 中断控制系统 MCS-51 单片机 内部有 5 个中断源，其中两个外部中断、两个定时 /计数器中断、 1 个串行口中断。中断优先级分为高、低两级。 5.MCS-51 单片机 串行口
