毕业设计（论文）-基于单片机的多功能探测小车的设计.doc

编号： 毕业设计说明书题 目： 基于单片机的多功能探测 小车的设计 学 院： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 工程师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2013年6月5日 第 2 页 共 2 页摘 要本设计是一种基于单片机控制的简易自动循迹小车系统，其研究意义涵盖了工业、生活、勘探以及人类关注的探月工程。设计旨在设计出一款可以自主按照人类预设的轨迹行走（或者完全自主行走）并完成指定任务的小车。系统采用at89s52单片机作为小车的控制核心；采用反射式光电开关（tcrt5000）作为黑线检测，从而将检测到的黑线信号反馈给单片机，使单片机控制l298n进而控制直流电机，使其按照预定的工作模式控制小车在各区域按预定的速度行驶；铁片检测采用电感式接近开关（lj18a3-8-z/bx）检测，是利用其内部的磁性；采用对射式光电开关（wych208）配合码盘作为小车行驶路程的检测，码盘装在车轮的轴上只留一个小孔、车轮每转一周输出一个脉冲反馈给单片机；采用反射式光电开关（博光e18-d80nk）作为前方障碍物及旁边障碍物的检测；采用红外接收管作为火源的检测；采用4位led共阳数码管实时显示小车的路程；软件部分采用了c语言进行编程。本设计结构简单，基本上实现了自动寻黑线，过程中具有火源检测及灭火功能，障碍物检测及放下硬币作为过路费功能，金属检测功能，路程测量功能。智能作为现代的新发明，是以后的发展方向。不需要人为的管理且使用较为简单，具有一定的应用价值。关键词：单片机；传感器；l298n驱动；数码管abstractthe design is a simple automatic vehicle tracking system based on single-chip microcomputer control, the significance of the research covers industrial, life, exploration and human concern in lunar exploration project. the design is to design a paragraph can be independent in accordance with the walking human preset trajectory (or walk) and finish the task given the car.the system uses at89s52 microcontroller as the control core car; the reflection type photoelectric switch (tcrt5000) as the black line detection, the detected signal feedback to the microcontroller which, the scm control l298n and control of dc motor which according to a predetermined operation mode control car in each region according to the predetermined speed; iron was detected by inductance the proximity switch (lj18a3-8-z/bx) is the use of magnetic detection, its internal; the photoelectric switch (wych208) detection with encoder as the car driving away, the encoder is arranged on the wheel shaft leaving only a small hole, the wheel every round of a pulse feedback to the microcontroller; uses the reflection type photoelectric open (bo e18-d80nk) as test material and the next obstacle obstacles ahead; the infrared receiving tube for the fire detection; use 4 bit led nixietube real time display car journey; the part of the software adopts c language programming.the design has simple structure, basically can automatically find the black line, in the course of a fire detection and suppression function, obstacle detection and put the coins as tolls, metal detection, distance measurement function. the new smart as a modern invention, is the future development direction, without the need of human management, an embodiment of intelligent vehicle is one of the. is simple, has a certain application value.keywords: single chip microcomputer; sensor; l298n digital tube driver; 第 2 页 共2页目 录引言11 设计内容和意义21.1 设计要求21.1.1基本要求21.1.2创新特色21.1.3方案步骤21.2 系统设计思路22 系统的硬件方案32.1 主要模块设计方案论证与比较32.1.1主控制单元的选择32.1.2黑线检测传感器的方案选择32.1.3电动机方案选择42.1.4显示器的选择42.1.5电动机驱动方案选择52.1.6路程检测方案选择52.1.7检测道路两旁的障碍物52.2 总体方案设计63 系统检测模块设计63.1 模块设计方案63.1.1黑线寻迹行控制电路63.1.2路程检测模块73.1.3障碍物检测模块83.1.4金属检测模块83.1.5火源的检测模块84 系统其它硬件模块设计及硬件介绍94.1 模块设计方案94.1.1单片机的介绍94.1.2显示电路的硬件设计124.1.3电机驱动模块124.1.4机械系统144.1.5报警显示模块144.1.6驱动风扇灭火模块154.1.7停车放下硬币模块164.2 硬件资源介绍164.2.1tcrt5000的介绍164.2.2lj18a3-8-z/bx（电感式接近开关）介绍174.2.3槽型光电开关的介绍184.2.4红外线及接收管的介绍194.2.5四位数码管的介绍204.2.6lm7805三端稳压介绍224.3 pcb板制作和印制225 软件的设计与调试245.1 软件的简介245.1.1编译软件245.1.2下载软件245.2 程序及流程图设计255.2.1主程序流程图及程序255.2.2循迹模块流程图275.2.3循迹拐向判断275.2.4检测火源流程图及程序285.2.5检测路程流程图及程序285.2.6检测障碍物流程图285.2.7检测金属流程图296 系统测试与分析296.1 系统测试仪器296.2 系统测试步骤297 总结30谢 辞33参考文献34附 录35 第 40 页 共 49 页引言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。智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门流行的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。本设计就是在这样的背景下提出的，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实时显示里程，具有自动寻迹、避障功能、丢硬币、检火、灭火、检测金属、准确定位停车、报警等功能。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块在一个特定的环境里自动的运行，无需人为的管理，便可以完成预期所要达到的或更高的目标。智能机器人正在代替人们完成这些任务，凡不宜有人直接承担的任务，均可由智能机器人代替，可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段，人类无法介入等特殊情况下的任务，智能小车就是其中的一个体现。如果将以上技术引用到现实生活中，可以使我们的未来生活变得更加智能。智能运输系统（intelligent transportation systems，its）。它是在关键基础理论模型研究的前提下，把先进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地综合运用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输管理系统。它利用无线通讯专网低频段以低成本实现了公交企业运营数据的实时采集、快速传输，自行开发研制了无线通讯系统车载智能终端设备及控制系统，使公交企业能够充分利用无线通讯系统采集和传输的车辆运营数据进行车辆调度和车辆运营管理，且具有数据和话音双重传输功能。具有用户容量大、网络范围覆盖广、调度信息响应速度快、全自动语音报站自动化、信息发布广泛、出行者信息服务智能化、设备自动维护智能化的特点。本次设计系统采用at89s52单片机作为小车的控制核心；采用反射式光电开关（tcrt5000）作为黑线检测，能根据所设定的黑线行走，4个led发光二极管作为左右拐直走的拐向显示，并能记录下所走的路程，进一步估量所用电池的剩余量；用电感式接近开关（lj18a3-8-z/bx）检测铁片，可以应用到一些金属检测的场合；用对射式光电开关（wych208）配合码盘作为小车行驶路程的检测等部分硬件设计，通过查找资料，和实际相结合基本上实现了自动寻黑线，过程中具有火源检测及灭火功能，障碍物检测及放下硬币作为过路费功能，金属检测功能，路程测量功能。最终顺利完成了本次设计要求的多功探测小车。1 设计内容和意义1.1 设计要求1.1.1基本要求1、以单片机作为主控制单元，小车能根据所设定的黑线行驶；2、能用led发光二极管作为小车左右拐及直走指示；1.1.2创新特色1、具有测量路程并利用led数码管或lcd1602液晶屏显示；2、当小车遇到障碍物时能自动停车发出报警，并能准确放一块硬币在黑线上作为过路费，当障碍物消除后，小车又能正常行驶；3、在行驶的过程中遇到火源，能停车并起动风扇吹灭火源；4、当小车走完路线后能自动停车在最终点，并发出声光报警；5、具有金属探测功能（选做）。1.1.3方案步骤根据任务书上的要求进行综合分析，总设计方案分为以下几个步骤：1、根据探测小车功能，选用合理元器件并画出总体原理图。2、制作pcb版。3、硬件电路的焊接及调试。4、画出各个程序流程图的各模块。5、根据流程图编写出各模块的程序。6、硬件软件的综合调试及程序烧制。1.2 系统设计思路基于单片机的智能探测小车是能实现根据黑线循迹、及在过程中所设定的相关作业。1、以单片机作为主控制单元接收各传感器的采集回来的信号然后再去控制小车相关作业；2、采用光电耦合器4n25作为黑线检测，根据黑线可吸收红外线来判断是否检到了黑线，进而转到相关的拐向，采用反射式光电开关作为避障检测该开关也是利用红外的原理，若检测到障碍物则反馈一个信号回来，使得cpu判断是否要小车停下来。采用红外接收管检测火源，这个的原理与检障碍物的原理相同。采用接近开关作为金属探测，此传感器内部装有磁性器件，对检到金属则会有相关的动作。采用u形光电开关配合码盘作为路程检测；3、利用led数码管或液晶屏显示所走的路程，用蜂鸣器作为报警提示；4、采用led发光二极管作为左右拐向及前走的方向指示。2 系统的硬件方案2.1 主要模块设计方案论证与比较2.1.1主控制单元的选择在选择主控制单时，要考虑到我们所选的是否能够做为主控系统来对整个系统进行控制，还要考虑到器件的价格、现有资源和对器件的掌握程度，控制器模块来进行选择。方案一：选用一片cpld（如epm7128lc84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。cpld具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用vhdl语言进行编写开发。但cpld在控制上较单片机有较大的劣势。同时，cpld的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，mcu就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简i/o口和程序存储器的小体积单片机，d/a、a/d功能也不必选用。根据这些分析，我选定了at89s52单片机作为本设计的主控装置，52单片机具有功能强大的位操作指令，i/o口均可按位寻址，程序空间多达8k，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是52单片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用a89s52单片机的资源。综合以上分析，采用at89s52单片机为主控系统。我们做的很多产品都是在51的基础上完成，对51系列的单片机相对来说较为熟悉。所以选择的芯片都是我们熟知的，以上两种单片机编程都是通用的。2.1.2黑线检测传感器的方案选择探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和地板对光的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断是否检测到黑线，可实现的方案有以下几种：方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，电路如图2.1所示。该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高亮度发光二极管降低一定的干扰，但这有增加额外的功率损耗。方案二：采用红外线对管，利用其中的红外管发射出光，而另一只则负责接，由于白纸的黑线和白纸的反射系数不一样，白纸则反射回来，而黑线则被吸收了。这个再由外围电路对信号进行检测，同时接到单片机口，由单片来检测识别，控制小车的行驶。当对着黑线时，则单片机的i/o口一直检测到高电平，而白纸则为低电平。这样一来检测反映灵敏，外围电路也很简单。电路如图2.2所示。比较以上两种方案，方案二占有很大的优势，这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，所以选择方案二。图2.1 方案一电路 图2.2 方案二电路2.1.3电动机方案选择在选择单片机动力驱动常用的外围器件电动机时，相关的引脚，工作电源电压，与其他器件是否匹配，性价比等都要进行相关的考虑选择。方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。方案二：采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源。2.1.4显示器的选择在选择显示时，我们要考虑到我们所选的显示器首先要能完成显示我们所要求测量路程的功能。其次是显示电路是否简单合适，工作电源电压，与其他器件是否匹配，编程是否简便等都要进行相关的考虑选择。方案一：采用1602lcd液晶屏显示。采用lcd显示，用单片机可实现显示数据，另外，液晶显示有环保，低功耗，寿命长，美观，不产生电磁辐射污染等优点。不过其体积大，质量重。显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵。方案二：采用led数码管显示。采用led七段数码管，可以完成显示测量路程的功能，采用经典电路译码和驱动，电路结构简单，并且可以实现单片机i/o口的并用，显示效果直观，明亮，调试容易。并且经济耐用故采用led数码管显示。综合比较二者的优缺点，本设计最终采用4位共阳的数码管作为显示器。2.1.5电动机驱动方案选择方案一：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。方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅降低效率，而且实现很困难。方案三：采用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，加速能力强，采用由达林顿管组成的h型桥式电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，h型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的pwm调速技术。现有很多此种芯片，我选用了l298n。大大的降低了电路的复杂性。还能使电路工作稳定有效。2.1.6路程检测方案选择方案一：采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。方案二：采用光电码盘进行检测。旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接受元件接受。用计数器对接受到的信号进行计数。用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。制作起来也简单。以上两种都是比较可行的转速测量方案，码盘制作在比赛中也得到了相当广泛的采用，且制作简单。因而选择方案二。2.1.7检测道路两旁的障碍物方案一：采用超声波传感器，如果传感器接受到反射的超声波，则通知单片机两旁有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。但该电路复杂，而且易受干扰，稳定性不是很好。方案二：采用反射式光电传感器，这个电路结构十分简单，当遇到障碍物时，则反馈回一个较高电平，从而驱动外围指示电路，灵敏度也良好，特别是加大一定电压时，效果明显，所以最终采用了这个方案。2.2 总体方案设计根据系统功能的要求和系统构成的需要来设计小车行驶驱动，经过以上各部分的方案论证与比较，综合考虑，我们选择出比较合适的总体方案。选用了at89s52作为cpu控制器，tcr5000作为黑线检测的器件，led数码管作为显示器件，直流电机配合l298n作为驱动器。这个只在完成基本的寻线功能而以，其它功能在以下的硬件设计方案中提出。总体的系统框图如图2.3所示。图2.3 系统框图3 系统检测模块设计数据采集、处理和转换部分包括：黑线检测采用tcr5000传感器、路程检测采用对射式光电开关、障碍物检测采用反射式光电开关、铁片检测采用电感式接近开关lj18a3-8-z/bx、火源的检测采用红外接收管组成。3.1 模块设计方案3.1.1黑线寻迹行控制电路如下图3.1所示为四个红外线对管及一些外围元件构成的红外线对管检测电路，用来检测黑线。红外对管内部有两个“眼睛”，一个用来发射红外线，另一个则接收反射回来的红外线（当红外线遇到黑线则被吸收，三极管集电极输出高电平，遇到白纸则反射回来，三极管集电极输出低电平）。其输出端通过排线接到单片机io口，把信号送到单片机里面，由单片机进行识别处理。单片机再输出控制l298的信号，通过l298来驱动两个电机的速度进而可以实现直走，左拐，右拐等动作。四个都检测到黑线则停下来，因为在终点站作了一条横黑线，长度跟车宽那么长就可以了，左一或左二传感器检测到黑都要向左拐，右一或右二传感器检测到黑都要向右拐，剩下的任何情况都属于向前走。具体请看程序。图3.1 黑线检测电路3.1.2路程检测模块1、图3.3所示的u1是u型的光电开关，而在真实测量路程的过程中，码盘是放在u型中的，码盘只留一个隙，码盘的隙每转到发射管与接收管的正对面时，会间产生一个脉冲再经过q1三极管（9013）的变换送到单片机的i/o，再由单片机控制数码管显示。2、图3.2所示为其实物图 图3.2 光电开关实物 图3.3 光电开关电路3.1.3障碍物检测模块图3.4中的con3是反射式光电开关，该电路接法简单，检测灵敏，除了两根电源、地线外剩下的一根是数据线，它一直处于发射红外线的状态，一旦检测到障碍物后会反射一个信号回来，直接送到单片机的i/o口，由单片机进行识别处理。再控制小车实现相应的动作。图3.5所示为反射式光电开关的实物图。内部包有三根细线，分别是，vcc，gnd，data。 图3.4 反射式光电开关电路 图3.5 反射式光电开关实物3.1.4金属检测模块图3.6中con3是电感式接近开关（lj18a3-8-z/bx），该电路接法简单，检测灵敏，除了两根电源、地线外剩下的一根是数据线。内部电路图，包括振荡器、开关电路及放大输出电路，一旦检测到金属障碍物后会反射一个信号回来，直接送到单片机的i/o口，由单片机进行识别处理。再控制小车实现相应的动作。图3.7中为电感式接近开关（lj18a3-8-z/bx）实物图。内部包有三根细线，分别是，vcc，gnd，data。 图3.6 电感式接近开关设计电路 图3.7 电感式接近开关实物3.1.5火源的检测模块图3.8中的q1为红外接收管（黑红）。火源的检测主要是采用红外接收管，因为红外接收管一旦检测到对面的火源红有明显的变化时，其内阻会大大的降低，如果采用光敏电阻的话，容易受外界的影响。当检测到火源后，lm358的2脚变成高电平，进而输出一个低电平，d4发光二极管会点亮表示已经检测到火源，需要起动风扇来灭火，该信号到单片机，cpu处理后，起动风扇灭掉火源。lm358内具有两个动放，可以当做比较器使用。就可以做成两路火源检测，加大火源检测的面积，这样更容易检测到火源，能保证准确无误的检测并灭火。图中3.9为红外接收管的实物图。用的是两个引脚的红外接收管，在检测火源里用黑色胶布来包着红外接收管的表面，只留前方。这样才能正确检测，不受影响。 图3.8 红外接收管电路 图3.9 红外接收管实物4 系统其它硬件模块设计及硬件介绍系统其它硬件部分包括单片机控制部分，数码显示，电机驱动，机械，报警显示，驱动风扇灭火、停车放下硬币等部分。4.1 模块设计方案4.1.1单片机的介绍1、at89s52主要特性如下：增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：5.5v3.3v（5v单片机）；工作频率范围：040mhz，实际工作频率可达48mhz；用户应用程序空间为8k字节；片上集成512字节ram；通用i/o口（32个），复位后为：p1/p2/p3/p0是准双向口/弱上拉，p0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为i/o口用时，需加上拉电阻；具有eeprom功能；具有看门狗功能；共3个定时器/计数器。即定时器t0、t1、t2；外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，power down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；通用异步串行口（uart），还可用定时器软件实现多个uart；2、at89s52芯片的引脚说明：vcc（40引脚）：电源电压vss（20引脚）：接地p0端口（p0.0p0.7，3932引脚）：p0口是一个漏极开路的8位双向i/o口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个ttl负载，对端口p0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，p0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，p0口内部上拉电阻有效。在flash rom编程时，p0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。并要外接上拉电阻。p1端口（p1.0p1.7，18引脚）：p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口。p1的输出缓冲器可驱动4个ttl输入。对端口写入1时，通过上拉电阻把端口拉到高电位，可用作输入口。p1.0和p1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（p1.0/t2）和定时器/计数器2的触发输入p1.1/t2ex）。p2端口（p2.0p2.7，2128引脚）：p2口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o端口。p2的输出缓冲器可以驱动4个ttl输入。对端口写入1时，通过上拉电阻把端口拉到高电平，可用作输入口。在对flash rom编程和程序校验期间，p2也接收高位地址和一些控制信号。p3端口（p3.0p3.7，1017引脚）：p3是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o端口。p3的输出缓冲器可驱动4个ttl输入。对端口写入1时，通过上拉电阻把端口拉到高电位，可用作输入口。在对flash rom编程或程序校验时，p3还接收一些控制信号。p3口除作为一般i/o口外，还有其他一些复用功能，p3.0作为串行输入口rxd；p3.1作为串行输出口txd；p3.2作为外部中断int0；p3.3作为外部中断1int1；p3.4作为定时器0的外部输入t0；3.5作为定时器1的外部输入t1；p3.6作为外部数据存储器写选通wd；p3.7作为外部数据存储器读选通rd。rst复位键（9脚）：当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。xtal1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。xtal2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。psen（29脚）：单片机对片外rom操作时，外部程序存储器选通信号。ale/prog （30脚）：地址锁存器地址锁存控制信号（ale）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（prog）也用作编程输入脉冲。ea（31脚）：访问外部程序存储器控制信号。高电平时取片内程序，低电平时则取片外程序。3、单片机最小系统图及其作为主控电路的接口电路图最小系统图作为单片机工作的基础包括了（时钟电路、复位电路）等。主控电路中p1口控制led段码，p3口控制led位码，p2口用于l298芯片的控制，及而p0口则是作各传感器及报警接口。如图4.1所示。图4.1 单片机最小系统4、时钟电路单片机的时钟电路由单片机的晶振谐振器xtal1与xtal2管脚外接的一只晶振和两只起振电容电路组成，晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。本系统采用12mhz晶振，电容选22pf或30pf均可。5、复位电路复位电路是使单片机或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路和上电复位以重新启动。在本电路中用的是高电平复位，通常在单片机的复位引脚rst上连接一个电容到vcc，再连接一个电阻到地，由此形成一个rc充电回路保证单片机在上电时rst脚上有足够时间的高电平进行复位,最后回归到低电平进入正常工作状态。本设计中采用上电复位和按键复位都有效。上电复位要求接通电源之后，单片机自动实现复位。开机瞬间rst引脚获得高电平，随着电容的充电，rst引脚的高电平将逐渐下降。rst引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。另为在单片机运行期间还可以通过按键完成复位工作。本设计除了硬件上的复位电路，在软件的编程过程中，也注意置上电复位，来防止系统进入死循环。4.1.2显示电路的硬件设计如下图4.2所示，此模块电路主要由四个9012pnp型的三极管驱动一个四位的数码管来来显示。数码管的a、b、c、d、e、f、g、dp等八个段码端口均接到单片机的io口，由单片机编程的方法去控制所要显示的数字。数码管的com1、com2、com3、com4等四个位码的控制端接到9012的集电极，而9012的基极接到单片机的io口，由单片机控制。当9012的基极输出低电平时，使9012导通，从而驱动数码管，最终达到以单片机控制数码管的位码。用单片机的去控制由哪个位显示。在这里我们采用动态扫描的方法，使每一个位都显示指定的模块所要显示的结果。图4.3中为4位共阳数码管实物图。 图4.2 显示电路设计 图4.3 数码管实物4.1.3电机驱动模块1、电机驱动一般采用h桥式驱动电路，l298n内部集成了h桥式驱动电路，从而可以采用l298n电路来驱动电机。通过单片机给予l298n电路pwm信号来控制小车的速度，起停。其引脚图如图4.4所示，驱动原理图如图4.5所示。图4.4 l298n引脚2、将两个直流电机的四个引脚端分别接到l298的四个输出端即可，具体接法如图4.5所示而ena、enb、in1、in2、in3、in4分别连到单片机的p20p26。图4.5 l298n电机驱动控制电路模块3、l298n是恒压恒流双h桥集成电机芯片，可同时控制两个电机，且输出电流可达到2a。l298的ena（第6引脚）、enb（第11引脚）分别和单片机的io口相连，作为调制信号。sense a，sense b为电流反馈引脚。电机控制方向引脚如下表所列。表4.1 l298控制引脚使能逻辑关系ea（b）in1（3）in2（4）电机运转情况hhl正转lll停止hlh反转4.1.4机械系统本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，可选用三轮和四轮式，假设用四轮车，控制方面没有那么容易，而且拐弯没有那么灵活，决定用三轮车。驱动部分：采用玩具小车原有的驱动电机，由l298n双通道马达驱动模块驱动前面两个马达，其力矩完全可以达到模拟效果。电池的安装：将电池放置在车体后面，使得前面与后面达到一个平衡状态，降低车体重心，也可以减少电池与电机之间的相互干扰，提高稳定性。同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。电源模块：采用2支3.7v锂电池（如图4.6）给电机供电，用三支电池则在7805上的压降会有好几伏。这样芯片会发热的得很严重。所以2节刚好，电池的容量4200mah足够了。再用7805稳压芯片对电池电压进行降压给单片机。采用一套电源可减少小车的负重。电压转换电路如图4.6所示。 图4.6 电源电路及所用的电池 4.1.5报警显示模块在单片机应用的设计上，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警。本设计采用蜂鸣器作为报警器，从而实现相关报警功能。图中还接了发光二极管来做显示，达到了一个i/o口两用的功能。其设计电路如图4.7所示，将蜂鸣器的正极接三极管+5v，负极8550的发射极，8550的基极串联一个1k欧的电阻再接到单片机的p2.6口，当p2.6为高电平时，8550无法导通，蜂鸣器不鸣，发光二极管也不亮，当p2.6为低电平时，8550导通，蜂鸣器报警，发光二极管也起了显示作用，使得更加醒目。图4.7 报警显示电路4.1.6驱动风扇灭火模块风扇灭火电路设计其实也很简单，主要是用单片机的i/o口来控制q2三极管（9012）b极，当检测到火源时，使cpu使b极为低电平，使三极管导通，继电器的线圈得电后，导通形成回路，使开关（k2）由关闭到打导通状态，即由12跳到13。假如风扇的电源也用5v的话，j1就直接到5v，如果觉得风力不够，可以将j1接到电池电压。j4是风扇上电机的两个引脚，得电后，自然可以实现灭火操作。本作品只使用了三个电机，两个驱动轮子行走，一个驱动风扇灭火。买风扇时，注意买两叶/三叶的那种，上面直接配有直流电机。就可以省了许多麻烦，不要买电脑主机里面的那种，那样的风扇出来的风力很小，灭火很困难。 图4.8 风扇控制电路及风扇4.1.7停车放下硬币模块图4.8 丢硬币电路停车放下硬币电路，原先考虑用机器手来完成，但是相对来说比较复杂。此电路的设计看起来就很简单了。不过简单之余也费了不少功夫。主要有以下三个原因：1、当用刀打开断电器时，发现里面的线很小，有次不小心将连到线圈引脚的一根给弄断了。2、一开始并不知道多大的继电器才能吸引住硬币，所以试了好几个。以为是电压的关系但是增大到电池电压也无济于事。在这里买大个一点的继电器。这样形成的磁力才会强。3、这点是最麻烦的，其实打开继电器的外壳见的第一面磁性并不是最强的，引脚的那一面才是磁性最强的一面。由于第一次做这个东西，浪费了不少时间。其实工作过程如下：cpu控制三极管导通或截止，使得继电器线圈有电流流过，进而形成磁场，把硬币放在继电器上就可以吸住。当检测到障碍物后就可以关闭三极管，线圈不得电，磁场失去，硬币也就吸不住，自然掉下来，这部分的电路是放在车底的。4.2 硬件资源介绍4.2.1tcrt5000的介绍（1）tcrt5000光电传感器模块是基于tcrt5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。tcrt5000具有结构紧凑，发光光源和探测器排列在同一方向，以感知对象的存在。红外线工作波长为950毫米。工作时由蓝色发射管发射红外线，红外线由遮挡物反射回来被接收管接收。接收反射光线后的接收管呈导通状态，与一电阻串联即可组成一个由发射管控制的分压电路，由此可实现对遮挡物反射光线强度的检测。我们经常利用这一特性去实现颜色识别，如黑白线。其实物及内部结构如图4.9所示。 图4.9 光电传感器实物及内部结构（2）应用场合：电度表脉冲数据采样、传真机碎纸机纸张检测、障碍检测、黑白线检测（3）基本参数：外形尺寸：长32mm37mm；宽7.5mm；厚5mm工作电压：dc3v5.5v，推荐工作电压5v检测距离：1mm8mm适用，焦点距离为2.5mm4.2.2lj18a3-8-z/bx（电感式接近开关）介绍型号：lj18a3-8-z/bx品名：电感式接近开关外形：直径18毫米圆柱体检测距离：8毫米（mm）检测物体：金属/铁工作电压：直流6-36vdc以内输出方式：npn三线常开输出电流：300毫安（ma)外壳材料：金属/铜功能用途：lj系列接近开关（又称无触点行程开关）的作用是在接近金属时就动作，广泛应用于机床及其他设备的控制之用。本作品接近开关为高频振荡型如图4.10，它以无接触、无压力、无火花，迅速地发出检测信号，用以驱动继电器或逻辑门，它具有灵敏度高，频率响应快，重复定位精度高，瞬变过程短，输出功率大，抗干扰性能好，工作稳定性可靠，使用寿命长等优点，开关内充以树脂，使其全封闭，具有耐振、耐腐蚀及防水等特点。图4.10 电感式接近开关工作原理：接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路、放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而吸收了振荡的能量,使振荡幅度减弱以至于停振，使接近开关达到反转，由整形放大器换成二进制的开关电信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。目标离传感器越近，线圈内的阻尼就越大，阻尼越大,传感器振荡器的电流就越小.电感式接近开关的电流损耗,随着与金属目标距离的减小而减小。三根线的接法：棕色的是接电源的正极，蓝色的是接电源的负极，黑色的是接负载（信号输出）。常开型（no）和常闭型（nc）的区别：一、常开（no）是平常状态下信号输出线为断开状态，无信号输出，当感应到物体时才闭合，输出信号。二、常闭（nc）是平常状态下信号输出线为闭合状态，持续信号输出，当感应到物体时才断开，关闭信号。4.2.3槽型光电开关的介绍u型光电开关也称槽型对射式光电开关如图4.11所示，是一款红外线感应光电产品，由红外线发射管和红外线接收管组合而成。图4.11 槽型对射式光电开关发射器和接收器于一体的光电传感器，其发射器和接收器分别位于u型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过u型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关信号。槽式光电开关比较安全可靠，适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体，并且可以调节灵敏度。当有被检测物体经过时，将u型光电开关红外线发射器发射的红外线接收器并不能收到，于是光电开关就产生了开关信号。而槽宽则就决定了感应接收型号的强弱与接收信号的距离，以光为媒体，由发光体与受光体间的红外光进行接收与转换。u型光电开关与其他接近开关一样，都是由于没有机械运动，所以能对高速运动的物体进行检测。镜头容易受有机尘土等的影响镜头免受污染后，光会散射或被遮光，所以在有活水蒸汽、尘土等较多的环境下使用的场合，需施加适当的保护装置。受环境强光的影响几乎不受一般照明光的影响，但像太阳光那样的强光直接照射受光体时，会造成误动作或损坏。u型光电开关的特点反应时间快，抗干扰能力强，可直接与逻辑电路和光电耦器连接。高分辨率，灵敏度高，无铅，产品符合rohs标准u型光电开关在电子设备上也应用的非常广泛。图4.12 槽型对射式光电开关应用主要应用于烟雾报警器、传真机、小家电、照相机、投币机、扫描仪、光碟机、dsc（数位相机）等产品。u型光电开关的正向电压：1.2-1.5v反向电流：10a峰值波长：940nm可视角度：集电极暗电流：100a存储的最高温度：100存储的最低温度：-40。4.2.4红外线及接收管的介绍简介与说明：红外线接收管是在led行业中命名的，是专门用来接收红外线发射管发出的红外线光线的。一般情况下都是与红外线发射管成套运用在产品设备当中。特征与原理：红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的pn结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，pn结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且pn结的结深很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入pn结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对（简称：光生载流子）。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。分类：红外线接收管有两种，一种是光电二极管，另一种是光电三极管。光电二极管就是将光信号转化为电信号，光电三极管在将光信号转化为电信号的同时，也把电流放大了。因此，光电三极管也分为两种，分别是npn型和pnp型。作用：红外接收管的作用是进行光电转换，在光控、红外线遥控、光探测、光纤通信、光电耦合等方面有广泛的应用。如何选择红外线接收管：红外线最重要的参数就是光电信号的放大倍率，一般的有1000-1300 1300-1800 1800-2500，这些对灵敏度有决定作用。红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。红外线：在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。4.2.5四位数码管的介绍四位数码管 是一种半