基于8051的智能小車設(shè)計(jì)

1、 測(cè)控電路課程設(shè)計(jì) 測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)題目名稱： 智能循跡小車 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 成績(jī)：評(píng)語：指導(dǎo)老師簽名： 日期： 測(cè)控電路課 程 設(shè) 計(jì) 課程設(shè)計(jì)名稱： 智能循跡小車 專 業(yè) 班 級(jí) ： 學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 號(hào) ： 指 導(dǎo) 教 師 ： 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 課程設(shè)計(jì)時(shí)間： 同 組 人 員： 張恒 麻豪杰 目錄引言4一，設(shè)計(jì)目的5二，設(shè)計(jì)任務(wù)和要求5三，整體方案設(shè)計(jì)63.1 車體設(shè)計(jì)63.2 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)63.3 循跡模塊設(shè)計(jì)63.4 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)73.5 電源模塊設(shè)計(jì)7四，整體電路分析84.1 循跡小車硬件框圖84.2 單片機(jī)部分84.3 紅外傳感器循跡模塊1

2、04.4 穩(wěn)壓以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊12五，系統(tǒng)運(yùn)行流程圖14六，單片機(jī)內(nèi)部程序15七，設(shè)計(jì)總結(jié)19參考文獻(xiàn)20引言隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，其與電子信息產(chǎn)業(yè)的融合速度也顯著提高，汽車開始向電子化、多媒體化和智能化方向發(fā)展，使其不僅作為一種代步工具、同時(shí)能具有交通、娛樂、辦公和通訊等多種功能。關(guān)于汽車的研究尤其是智能汽車的研究越來越受人關(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。智能小車作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，它可以按照預(yù)先人為設(shè)定的程序自動(dòng)的運(yùn)作，無需管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等等的用途。智能小車能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速

3、度、里程、具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障功能、可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車，遠(yuǎn)程傳輸圖像等功能。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，為了適應(yīng)機(jī)電一體化的發(fā)展在汽車智能化方向的發(fā)展要求，提出簡(jiǎn)易的基于51單片機(jī)的智能循跡小車的構(gòu)想，目的在于：通過獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作一輛具有簡(jiǎn)單智能化的簡(jiǎn)易小車，獲得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)的能力，并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車應(yīng)該能夠具有自動(dòng)尋跡，按照設(shè)定好的路線行駛等功能。關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化 51單片機(jī) 智能小車一，設(shè)計(jì)目的通過實(shí)際動(dòng)手操作實(shí)踐來鍛煉自己的動(dòng)手能力，從而更好地掌握測(cè)控電路這本書上面所學(xué)到的知識(shí)。測(cè)控電路是測(cè)控技術(shù)與儀器教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中十分重要的一步

4、。通過測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)，利用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，與所學(xué)習(xí)的單片機(jī)原理接口與技術(shù)以及傳感器原理與應(yīng)用課程里面的知識(shí)相結(jié)合，從電路設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)，原理分析，電路元器件選擇等各方面來掌握相關(guān)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)，培養(yǎng)自己綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的實(shí)際動(dòng)手能力，從而學(xué)以致用。二，設(shè)計(jì)任務(wù)和要求任務(wù)：設(shè)計(jì)可以按照設(shè)定的路線自動(dòng)循跡行駛的基于51單片機(jī)的智能小車要求：通過在51單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定好的程序，使得其控制小車以及外部傳感器進(jìn)行掃描，從外界獲取所設(shè)定路線的相關(guān)信息，從而控制小車按照所設(shè)定的路線進(jìn)行行駛，達(dá)到循跡行駛功能。三，整體方案設(shè)計(jì)3.1 車體設(shè)計(jì)對(duì)于循跡智能小車來說，外部車體不需要多余的功能，

5、能夠?qū)崿F(xiàn)平面范圍內(nèi)的自由移動(dòng)或者按照設(shè)定好的路線行駛即可，故選擇一般的玩具車作為智能小車的車體即可3.2 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，由于單片機(jī)控制模塊所要完成的工作就是對(duì)外部傳感器所送進(jìn)來的信號(hào)進(jìn)行分析，之后來做出相應(yīng)的“動(dòng)作”從而達(dá)到循跡行駛的功能，即單片機(jī)所要處理的程序并不復(fù)雜，故可以選用51單片機(jī)來作為整個(gè)小車的控制模塊。89C51單片機(jī)芯片的強(qiáng)大的位操作功能應(yīng)付這項(xiàng)工作綽綽有余。3.3 循跡模塊設(shè)計(jì)方案(一)：通過光敏電阻來檢測(cè)外圍跑道。光敏電阻能夠檢測(cè)外界光線的強(qiáng)弱，外界光線越強(qiáng)光敏電阻的阻值越小，外界光線越弱阻值越大，當(dāng)紅色LED光投射到白色區(qū)域和黑色跑道時(shí)因?yàn)榉垂饴实牟煌?，?/p>

6、敏電阻的阻值會(huì)發(fā)生明顯區(qū)別，便于后續(xù)電路進(jìn)行控制。方案（二）：通過紅外傳感器來檢測(cè)外圍跑道。利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射率的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)循跡電路。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收產(chǎn)生控制信號(hào)；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)此時(shí)無控制信號(hào)。方案選擇：對(duì)于方案（一），在實(shí)際過程中并不理想，受到小車在行駛過程中穩(wěn)定性的影響容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的測(cè)量信號(hào)從而使小車偏離設(shè)定的路線，易受路面介質(zhì)以及光線的影響。方案（二）相對(duì)于方案（一）則顯得更加可靠，在安裝位置適當(dāng)?shù)那闆r下，可以有效地識(shí)別所設(shè)定的路線。

7、故循跡模塊選擇紅外傳感器來檢測(cè)外圍跑道。3.4 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)循跡小車的驅(qū)動(dòng)模塊選擇的是恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N。 L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。

8、輸出電流可達(dá)25A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)3.5 電源模塊設(shè)計(jì)用6節(jié)充電鎳氫電池（電壓1.2V）串聯(lián)成7.2V的電池組，直接為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電。采用L7805穩(wěn)壓元件將7.2V電壓降壓到5V為控制模塊和循跡模塊供電。四，整體電路分析4.1 循跡小車硬件框圖該循跡小車主要的硬件組成部分為外部車體，內(nèi)部單片機(jī)控制電路，紅外循跡傳感器模塊處理電路以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，電源模塊等相關(guān)部分組成。系統(tǒng)框圖如圖4.1所示。圖4.1 循跡小車系統(tǒng)框圖4.2 單片

9、機(jī)部分在本設(shè)計(jì)中，智能循跡小車采用的是AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。單片機(jī)最小系統(tǒng)原

10、理圖如圖4.2所示。圖4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.3 紅外傳感器循跡模塊無論是一體式還是分離式，其檢測(cè)原理都相同，由于黑色吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管照射在黑色物體上時(shí)反射回來的光就較少，接收管接收到的紅外光就較少，表現(xiàn)為電阻大，通過外接電路就可以讀出檢測(cè)的狀態(tài)；同理，當(dāng)照射在白色表面時(shí)發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻較小，此時(shí)通過外接電路就可以讀出另外一種狀態(tài)，如用電平的高低來描述上面兩種現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)高低電平之分，也就是會(huì)出現(xiàn)所謂的0和1兩種狀態(tài)，此時(shí)再將此送到單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)就可以判斷是黑白路面，進(jìn)而完成相應(yīng)的功能，如循跡、避障等。上面介紹了紅外光電管檢測(cè)黑線的基本原理，但光只有紅外發(fā)

11、射和接收管不行，必須加外部電路才能實(shí)現(xiàn)功能，這里使用到了LM339。LM339為內(nèi)部集成了四路比較器的集成電路。因?yàn)閮?nèi)部的四個(gè)比較電路完全相同，這里僅以一路比較電路進(jìn)行舉例。如圖4所示為單路比較器組成的紅外檢測(cè)電路圖，比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同輸入端，用“+”號(hào)表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“”表示。用作比較兩個(gè)電路時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓作參考電壓（也叫門限電壓），另一端則直接接需要比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“”端電壓時(shí)，輸出正電源電壓，當(dāng)“”端電壓高于“+”端電壓時(shí)，輸出負(fù)電源電壓（注意，此處所說的正電源電壓和負(fù)電源電壓是指接比較正負(fù)極的電壓）原理

12、圖如圖4.3所示。圖4.3 紅外傳感器原理圖4.4 穩(wěn)壓以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H型橋式電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)。在本設(shè)計(jì)中選用了L298N。 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁

13、的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。圖4.4.1 H橋式電路圖4.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖五，系統(tǒng)運(yùn)行流程圖當(dāng)循跡小車開始運(yùn)行時(shí)，外部傳感器開始掃描外圍跑道，將掃描到的相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)之后送入單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)所設(shè)定程序?qū)λ蛠淼男畔⑦M(jìn)行判斷從而操縱車輪做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)循跡的功能。流程圖如圖5.1所示是否檢測(cè)到黑線？ 開始 左轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 前進(jìn)左還是右？否 是右左 結(jié)束圖5.1 整體流程圖六，單片機(jī)內(nèi)部程序#include<reg51.h>#define uint unsigned int#define uch

14、ar unsigned charsbit qz0=P14; /前輪左電機(jī)控制口（使能端）sbit qz1=P10; /電機(jī)控制1sbit qz2=P11; /電機(jī)控制2sbit qy0=P15; /前輪右電機(jī)控制口（使能端）sbit qy1=P12; /電機(jī)控制1sbit qy2=P13; /電機(jī)控制2sbit hz0=P24; /后輪左電機(jī)控制口（使能端）sbit hz1=P20; /電機(jī)控制1sbit hz2=P21; /電機(jī)控制2sbit hy0=P25; /后輪右電機(jī)控制口（使能端）sbit hy1=P22; /電機(jī)控制1sbit hy2=P23; /電機(jī)控制2sbit hw1=P30

15、;/紅外傳感1sbit hw2=P31;/紅外傳感2sbit hw3=P32;/紅外傳感3sbit hw4=P33;/紅外傳感4uchar s; /*前輪電機(jī)控制函數(shù)*/void go_qz()/前左電機(jī)前進(jìn)qz0=1;qz1=1;qz2=0;void back_qz()/前左電機(jī)后退qz0=1;qz1=0;qz2=1;void go_qy()/前右電機(jī)前進(jìn)qy0=1;qy1=1;qy2=0;void back_qy()/前右電機(jī)后退qy0=1;qy1=0;qy2=1;/*前輪電機(jī)控制函數(shù)*/void go_hz()/后左電機(jī)前進(jìn)hz0=1;hz1=1;hz2=0;void back_hz()

16、/后左電機(jī)后退hz0=1;hz1=0;hz2=1;void go_hy()/后右電機(jī)前進(jìn)hy0=1;hy1=1;hy2=0;void back_hy()/后右電機(jī)后退hy0=1;hy1=0;hy2=1;/*循跡小車運(yùn)動(dòng)函數(shù)*/void advance()/前進(jìn)go_qz();go_qy();go_hz();go_hy();void left_turn()/左轉(zhuǎn)back_qz(); /左側(cè)輪子后退back_hz();go_qy(); /右輪子前進(jìn)go_hy();void right_turn()/右轉(zhuǎn)go_qz(); /左側(cè)輪子前進(jìn)go_hz();back_qy(); /右輪子后退back_hy

17、();/*延時(shí)函數(shù)*/void delayms(uint xms)uint i,j; for(i=xms;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-);/*循跡小車紅外檢測(cè)函數(shù)*/void hw_scan()/紅外檢測(cè)if(hw2=1&&hw3=1)/直線s=1;if(hw2=1&&hw3=0)/偏左s=2;if(hw2=0&&hw3=1)/偏右s=3;if(hw2=0&&hw3=0)/壓線 s=4; /*循跡小車主函數(shù)*/void main()/主函數(shù)hw_scan();if(s=1)/直線advance();

18、/前進(jìn)delayms(5);if(s=2)/偏左right_turn();/右轉(zhuǎn)delayms(5);if(s=3)/偏右left_turn();/左轉(zhuǎn)delayms(5);if(s=4)left_turn();/左轉(zhuǎn)delayms(5);right_turn();/右轉(zhuǎn)delayms(10);七，設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)歷過這為期兩周的測(cè)控電路的課程設(shè)計(jì)，使我收獲了不少東西，在設(shè)計(jì)過程中深刻地體會(huì)到了理論與實(shí)踐的差距。測(cè)控電路里面不少內(nèi)容都牽扯到了模擬電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，而這些知識(shí)雖然早已學(xué)過，但是在真正用的時(shí)候卻感覺和沒學(xué)過沒什么兩樣。這就是書本理論與動(dòng)手實(shí)踐之間的差距。作為一名理工科學(xué)生，僅僅學(xué)習(xí)課本知識(shí)去完成一個(gè)考試是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，