簡易智能電動車控制系統(tǒng)設(shè)計

1、簡易智能電動車控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要AT89S52單片機是一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評?，F(xiàn)在，單片機已廣泛地應(yīng)用在智能儀器儀表、機電設(shè)備過程控制、自動檢測、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個方面。隨著單片機的發(fā)展以及它在各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，它將滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。本設(shè)計的理論設(shè)計方案、調(diào)試方法、測試數(shù)據(jù)分析方法及設(shè)計中的特色與創(chuàng)新.點等對自動運輸機器人、家用清潔機器人、滅火機器人等自主及半自主機器人的設(shè)計與實現(xiàn)有一定的參考意義。本文介紹了基于AT89S52單片機，利用紅外傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小車的自動避障，用PMW調(diào)速方式控制車子快慢

2、速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄和顯示時間、里程和速度，自動尋跡、檢測鐵片、發(fā)出聲光信息和尋光功能。整個系統(tǒng)的電路邏輯結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高，實現(xiàn)功能強大。本文著重介紹了該系統(tǒng)的組成、硬件配置、軟件設(shè)計、工作原理、功能以及技術(shù)性能。本設(shè)計的特色就在于它利用AT89S52作為中心芯片對外部進行控制，在外部信號采集后經(jīng)LM324電壓比較器后能夠給單片機輸入穩(wěn)定的高低電平，在小車行駛動力采用L293芯片具有足夠的驅(qū)動力，選LCD1602做為顯示器增加了本設(shè)計的顯示功能，改變了傳統(tǒng)的LED顯示信息量小的局限性。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機 電動小車 PMW調(diào)速 紅外傳感器 自動避障 LM324 L2

3、93 LCD1602目 錄1 前言.11.1 本論文的主要工作.11.2 預(yù)期目標(biāo).22 系統(tǒng)設(shè)計可行性分析.22.1 總體方案.22.2 電源模塊方案.22.3 智能車驅(qū)動方案.32.4 直流調(diào)速方案.32.5 檢測放大器方案.42.6 檢測黑線方案.62.7 檢測鐵片方案.62.8 避障方案.62.9 尋光方案.62.10 停車方案.72.11 行車距離檢測方案72.12 聲音提示方案82.13 顯示部分82.14 系統(tǒng)工作原理82.15 本章小結(jié)93 系統(tǒng)硬件電路.93.1 電源電路.93.2 驅(qū)動電路.103.3 檢測電路.113.3.1 黑線檢測.113.3.2 鐵片檢測.113.3

4、.3 障礙物檢測.123.4 單片機最小電路.123.5 聲光電路.133.6 顯示電路.133.7 系統(tǒng)總電路圖.163.7 本章小結(jié).174 系統(tǒng)軟件電路.174.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計說明.174.2 軟件流程圖.174.3 本章小結(jié).295 硬件電路的制作與調(diào)試.305.1 電路板的制作.305.1.1 電路圖的繪制.305.1.2 制作電路板.305.2 電路板的焊接.315.2.1 手工焊錫要點.315.2.2 焊錫操作要領(lǐng).315.3 電路的調(diào)試.315.3.1 測試方法與儀器.315.3.2 電源模塊調(diào)試.325.3.3 單片機模塊調(diào)試.325.3.4 檢測模塊調(diào)試.325.4 本章

5、小結(jié).346 結(jié)論.34致謝.35參考文獻.36英文摘要.37附錄成績評定表1 前言隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究，可見其研究意義很大。新一代單片機為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎(chǔ)。 單片機的應(yīng)用在于實現(xiàn)計算機控制。而在線控制應(yīng)用方面，由于計算機身處系統(tǒng)之中，因此對計算機有體積小、功耗小、成本低以及控制功能強等要求，對這些要求真可謂是非單片機莫屬了。現(xiàn)在單片機的應(yīng)用日益廣泛深入，諸如在智能儀器儀表、家用電器和軍事設(shè)備的智能化以及實時過程控制等

6、方面，單片機都扮演著越來越重要的角色，具有廣闊的應(yīng)用前景。從上述可以看出，單片機應(yīng)用的意義絕不限于它的功能，以及所帶來的經(jīng)濟效益上。更重要的意義在于單片機的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能使用單片機通過軟件方法實現(xiàn)了，這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。這標(biāo)志著一種全新概念的建立。綜觀近三十年的發(fā)展過程，單片機正朝多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容方向發(fā)展。預(yù)計其今后的發(fā)展趨勢有以下幾個方面： （1）微控制器的CPU核仍以CISC為主，但向RI

7、SC演化 （2）提升指令執(zhí)行速度 （3）集成大容量片上FLASH存儲器，實現(xiàn)ISP、IAP （4）普遍使用混合信號(數(shù)字-模擬相混合)集成技術(shù) （5）增加可聯(lián)網(wǎng)的外設(shè)接口 （6）追求低電壓、低功耗、低價位、LPG(少腿芯片)本設(shè)計就采用了比較先進的AT80S52為控制核心，AT80S52采用CHOMS工藝，功耗很低。該設(shè)計具有實際意義，可以應(yīng)用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應(yīng)用到了紅外傳感器進行檢測。所以本設(shè)計與實際相結(jié)合，現(xiàn)實意義很強。1.1 本論文的主要工作在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝紅外線傳感器、霍爾傳感器及金屬探測器，實

8、現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。1.2 預(yù)期目標(biāo)根據(jù)設(shè)計目的，選出合適的芯片和設(shè)計方案，實現(xiàn)設(shè)計的智能電動小車能夠顯示時間、速度、里程，具有自動尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車。2 系統(tǒng)設(shè)計可行性分析 2.1 總體方案方案一：采用各類數(shù)字電路來組成小車的控制系統(tǒng)，對外圍避障信號，黑帶檢測信號，鐵片檢測信號，各路趨光信號進行處理。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴展，對各路信號處理比較困難。 方案二：采用AT89S52單片機來作為整機的控制單元。紅外線探頭

9、采用市面上通用的發(fā)射管與及接收。鐵片檢測采用電感式接近開關(guān)TL-Q5MCL檢測，黑帶采用紅外線發(fā)射管對光源信號采集，再經(jīng)過LM324轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送到單片機系統(tǒng)處理。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設(shè)計要求，因此采用方案二來實現(xiàn)。2.2 電源模塊方案由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。方案一：采用10節(jié)1.5V干電池供電，電壓達到15V，經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片

10、供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。方案二：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V經(jīng)過7812的電壓變換后給電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復(fù)利用，因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價格過于昂貴，使用鋰電池會大大超出我們的預(yù)算，因此，我們放棄了這種方案。方案三：采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我

11、們的車體設(shè)計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。2.3 智能車驅(qū)動方案方案一：采用分立元件組成的平式驅(qū)動電路，這種電路可以由單片機直接對其進行操作，但由于分立元件占用的空間比較大，還要配上兩個繼電器，考慮到小車的空間問題，此方案不夠理想。 方案二：采用市面易購的電機驅(qū)動芯片L293D，該芯片是利用TTL電平進行控制，對電機的操作方便，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)操作，很方便單片機的操作，亦能滿足直流減速電機的要求。2.4 直流調(diào)速方案方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。串電阻調(diào)速能簡單的實現(xiàn)要求，但是不穩(wěn)定，在電動車行走時產(chǎn)生大的功耗，影響其他芯片的工

12、作，故放棄此方案。方案二：靜止可控整流器，簡稱V-M系統(tǒng)。V-M系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二

13、極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。（2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強。（3）由于電力電子器件只工

14、作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計中受控電機的容量和直流電機調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計采用了PWM方式進行調(diào)速，脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)。 2.5 檢測放大器方案：方案一：使用普通單級比例放大電路。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、價格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差動放大電路。選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路，雖然可以達到一定的精度，但有時仍不能滿足某些特殊要求。例如，在測量本設(shè)計中的光電檢測信號時需要把檢測過來的電平信號放大并濾除干擾，而且要求對共模干擾信號具有相當(dāng)強的抑制能力。這種情況下須采用差動放大電

15、路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。但在實際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運算放大器輸出飽和；為獲得單片機能識別的TTL電平卻又無法抑制共模干擾。方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小，例如將一個信號電壓U1和一個參考電壓Ur進行比較，在U1Ur和U1U2時輸出高電平，當(dāng)U17GWgwXXXX1000(1)(8HXhxXXXX1001(2)9IYiyXXXX1010(3):GZjzXXXX1011(4)+;KkXXXX1100(5)NnXXXX1111(8)/?O一o3.7 系統(tǒng)總電路圖圖 15 系統(tǒng)總電路圖3.8 本章小結(jié)本章對上一章所選的方案進行硬件電路的設(shè)計，選擇好相

16、應(yīng)的器件，有時器件選好了，可是有些很難購買得到，就改用其他易購買得到的器件代替，比如原來想購買的紅外集成傳感器，由于市場找不到相應(yīng)的傳感器，就選用另外一種光電開關(guān)代替。查找每個器件的用法，對每個方案畫好原理圖。4 系統(tǒng)軟件電路4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計說明在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計在微機控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以

17、便控制。為了完成上述任務(wù)，在進行軟件設(shè)計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設(shè)計方法叫模塊程序設(shè)計法。模塊程序設(shè)計法的主要優(yōu)點是： （1）單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調(diào)試； （2）模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務(wù)在不同條件下調(diào)用； （3）模塊程序允許設(shè)計者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計者提供方便。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序定時子程序、避障子程序中斷子程序顯示子程序調(diào)速子程序構(gòu)成。一個單片機的控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和可靠性在很大程度上決定于軟件，本系統(tǒng)軟件采用C語言編程，移植性好，可適應(yīng)不同核心的

18、單片機采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個功能模塊對于整體的設(shè)計都是非常重要的。4.2 軟件流程圖（1） 鐵片流程圖及程序如下：圖 16 鐵片流程圖 鐵片程序： void iron_1() /檢測鐵片 uchar temp; last =iron.num; if(P32=0) delay_ms(10);if(P32=0)while(P32=0) ; iron.num+;if(last=0)&(iron.num=1)for(temp=0;temp=2) iron.num=0; iron.iron_stop_flag=1; else if(iron.num2) iron.iron_stop_flag=0; if(ir