毕业设计（论文）-小型单片机智能控制系统的设计.doc

jiu jiang university 毕 业 论 文（设 计）题 目 小型单片机智能控制系统的设计院 系 电子工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 年 级 二 指导教师 二零零六年五月 小型单片机智能控制系统的设计摘 要本系统按要求制作了一个简易智能电动车，它能实现的功能是：从起跑线出发，沿引导线到达 b 点。在此期间检测到铺设在白纸下的薄铁片，并同时发出声光指示信息，实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。电动车到达 b 点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达 c 点，能够检测 c 点下正方形薄铁片，并在 c 点处停车 5 秒，停车期间发出断续的声光信息。之后继续行驶，在光源的引导下，利用超声传感器传来的信号通过障碍区进入停车区并到达车库。最后，电动车完成上述任务后能够立即停车，全程行驶时间小于 90 秒。并附加其他功能 。另外系统中传感器电路额外加入了单片机便于 89c51单片机在之后的运行中检测四周电路，减小89c51负担。 软件方面：利用传感器在检测到某物体时输出信号发生特定变化这种规律，让单片机只对此类信号有所反应，大大减少了处理数据，算法，从而加快了系统的反应速度。 关键词 智能控制 89c51单片机 模拟量 单片机最小系统目 录前言1第一章设计思路与原理方框图21.1 方案比较、选择与论证41.2 系统总体结构设计及说明4第二章 系统的硬件设计52.1 电源部分52.2 单片机最小系统62.3 金属探测电路62.4显示电路7第三章 系统的软件设计83.1系统总图83.2系统软件功能设计、理论分析和计算、各程序框图93.3软硬件分别调试、联合调试9第四章 测试仪器与测试试验及测试数据104.1测试仪器与测试试验方法104.2测试数据及测试结果分析计算10第五章 总结10第六章 附录116.1操作说明116.2元器件清单116.3部分程序清单11参考文献12致谢12前 言自从1976年问世以来，单片机获得了巨大的发展。现在比较流行的单片机是美国intel的mcs51/96以及motorola的mc系列，zilog的z8系列，同时还有更多新型的、功能更强的单片机不断出现。单片机的主要目的是为了应用，以下的一些例子就可以看出其广泛的应用。应用于工业的测控是单片机的主要功能之一。单片机有丰富的i/o线，较大部分的这样的单片机都应用在汽车工业，使得汽车在局部的处理中拥有更多的智能。在汽车的局部处理中，单片机加上传感器，再辅以固定的算法，就能够在驾驶员不知不觉的情况下对车况进行调整。另外，随着单片机性能的增强，单片机也同样广泛应用在计算机网络和通信技术中。单片机已经无处不在，与我们生活更加相关并渗透入生活的方方面面。单片机的特点是小，也就是其集成的特性，其内部的结构是普通的计算机系统的简化。在增加一些外围电路之后，就能成为一个完整的系统。比如，我们常用的一类电子秤，内部就安装了一块单片机，再加上传感器、显示器和一些附加电路，就形成了一个应用系统。所以单片机的可扩展性是相当好的。又比如k85这样的电脑中频电疗仪，能够从病人身上获取数据，然后根据现有的算法从几种治疗处方中选择，而在每一种处方中还能够根据病人的病情而改变中频和波形及输出电流强度。这样可以看出单片机本身也具有和普通计算机类似的强大的处理，可以增加复杂的算法，获得很强的数据处理能力。单片机也可以应用在电脑缝纫机上，这样单片机可以替代很多机械部分，还能提供很多老式的缝纫机无法实现的图案。所以单片机在工业中的应用，极大地提高了工业设备的智能化，提高了处理能力和处理效率，而且无需占用很大的空间和复杂的设备。单片机已经为我们方便生产和生活发挥了巨大的作用，在未来的社会主义工业化的建设中，单片机无疑会发挥更大的作用的。第一章 设计思路与原理方框图1.1 方案比较、选择与论证根据题目要求，有两种解决方案。1.1.1、精确定时法 ：这种方案主导思想是在对电动车直线、转弯行驶速度以及行程的准确把握基础上利用单片机定时来使电动车顺利通过直道区、弯到区、障碍区并且最终到达车库。缺点 ：供电电压不稳定，易导致小车车速不稳定，则距离不好控制；另外路线固定不变，不能应对意外事件，而且想要准确跑完全程对于电动车的起始位置、直线行进参数、转弯半径进行精密测量和计算，智能化差。1.1.2、传感器引导法 ：这种方法核心是单片机通过对传感器信号检测来控制制动电机和电机转向的动作，智能化大大增强， 可以用下图形象的表示出来：我们把任务分为了直道 + 弯道区、障碍区和停车区，划分依据是：三个部分所用到的感应器不同，实现方法也存在差别。直道 + 弯道区主要用黑白检测光电传感器和金属探测接近开关。障碍区则是用到了超声波传感器。（带显示）停车区考虑车库放置了光源，因此选择了光电传感器引导小车进入车库。比起前一种方案来说，这种方案应用面更广，也更接近实用化，智能化。重要的是单片机可以通过对感应器信号的检测来控制电机运作，从而大大提高了运行过程中的实时性，准确性、使得电动车能够轻松的完成整个过程。综上所述，本系统设计选用方案 2 。 1.2 系统总体结构设计及说明该系统实现了电动车的自动行驶、躲避障碍物、探测金属、计数、报警、光电引导功能、测量距离、数码显示、电机控制等功能。单片机检测出来感应器输出信号从而输出控制信号，控制电机工作，在直道区，考虑引导线是黑颜色，不宜反光，决定利用这一特性选用反射式光电传感器，当其输出信号照射到黑色引导线上是输出一个非常微弱的低电平。这个过程是一个负跳变的过程通过对此信号高低电平的检测就可以使电动车沿着直道区和弯道区的引导线行进。当地下有金属时，金属探测器发出一个高电平，用单片机进行检测。沿引导线到达 c 点，将从金属探测接近开关发送来的信号作为一个外部终端信号处理，执行停车并发出断续的声光信号，同时进行 5 秒定时计数工作。在车头安装有超声传感电路对障碍物进行检测。（有效距离 30 厘米）光电传感器接收部分用于采集光信号，通过比较输出信号向车库行驶。（始终朝在输出信号最强的方向行驶） 以上就是完成这个题目的大体思路和方法。图一 系统总体结构框图第二章 系统的硬件设计根据系统要求，硬件电路包括 :电源部分，单片机最小系统、超声波测距电路、金属探测电路、光电传感器、黑白探测传感器、 电机控制电路、显示电路。电动车整体图示如下：图二 电动车整体图2.1 电源部分随着微电子技术的不断进步，系统电源的设计在单片机应用系统设计中显得越来越重要，它对单片机系统是否正常工作起着至关重要的作用。由于电动车本身为六节 1.5v电池供电,根据系统要求，选择7805稳压管将直流9v电压转成5v输出。7805直流稳压电路图如下： 图三 7805直流稳压电路图电动机和金属感器部分用原有的 9v电压信号，其他电路、传感器都为5v电压供电。 2.2 单片机最小系统利用单片机最小系统实验电路板完成传感器与电动机的连接和控制。 单片机选用89c51，其内部有4k字节的flash rom，电路设计简单。具体为89c51的18、19脚接6mhz，40脚输入信号为5伏，20脚接地，ea脚接高电平。电路图如下：图四 单片机最小系统电路图2.3 金属探测电路由电路图可以得出，当有金属被其探测到时，输出端输出一个高电平，即发生一个正向跳变，将这个正向跳变信号用单片机检测出来，借此控制电动机产生相应的动作。以下时金属接近开关外驱动电路：图五 金属探测电路图2.4显示电路在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。静态显示占用单片机资源小。可以提供单独锁存的 i/o接口电路很多，这里我们组选择最常用的的串并转换电路74ls164。 利用单片机串行发送接收端口，外接4片74ls164作为4位led显示器的静态显示接口，把89c51的rxd作为数据输出线，txd作为移位时钟脉冲。74ls164为ttl单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。电路图如下：图六 显示电路图第三章 系统的软件设计3.1系统总图3.2系统软件功能设计、理论分析和计算、各程序框图根据方案设定的三个部分重点解决问题，可以将单片机大量工作集中在信号检测和精确定时计数上。 具体实现方法：因为这是一个对实时性要求很高的系统，所以大量数据信号都要在尽量短的时间内完成。 具体思路如下：利用单片机查寻法编程，不断的检测外部传感器信号，并及时输出显示。编程关键实时输出。除了传感器本身延时外，还与优化程序程度和电机控制度有关。图七 系统软件程序框图3.3软硬件分别调试、联合调试3.3.1阶段调试：我们按照前面的方案同样将调试分为了 3 个阶段：第一阶段：首先是直道区 + 弯道区的调试 通过两边固定的光电传感器对引导线检测来实现电动车沿着引导线到达指定的地点。 根据题目要求，在行进线路上需要检测金属片，因此，我们又加上了金属接近开关用于实现这个要求。 利用原来作过的静态显示电路板和试验用过的子程序，我们将显示功能又加在了系统当中。 第二阶段：障碍区的调试 在障碍区主要解决的问题是如何躲避障碍物，我们根据题目在车头安装了一个超声波发送接收模块，当检测到有障碍物时进行转向。 第三阶段：停车区的调试 检测光电接收器的输出信号，来寻找光信号最强的方向。3.3.2联合调试：在分步调试全部通过的基础上，我们开始了整个系统的协调调试，协调金属传感器、黑白光电传感器、超声波传感器、光电传感器的配合工作。第四章 测试仪器与测试试验及测试数据4.1测试仪器与测试试验方法开发、实验及测试仪器 实验：显示电路实验、电机长时间运行试验、模拟场地试运行试验、超声波发射接收以及测距试验、光电接收试验、电机控制试验 测试仪器 ：示波器，多功能稳压电源，电压表，秒表。4.2测试数据及测试结果分析计算全程行进时间： 24s（误差 2s ）、行进距离：11.2m （误差 3050cm ）、传感器工作电压：金属接近开关 9v 、光电传感器 5v 、超声波传感 5v 、黑白光电传感器 5v 、传感器输出信号：金属接近开关 4.8v 、光电传感器 4.78v 、超声波传感 5.0v 、黑白光电传感器 5v 。第五章 总结在软件和硬件上运用了一些巧妙方法：硬件方面：超声传感器电路部分额外加入了单片机扩展了此模块功能，并且是的输出信号有规律可循，便于 89c51 单片机 在之后的运行中检测四周电路，减小 89c51 负担，同时大大提高了电动车载应对障碍物时候的反应时间。软件方面：因为传感器在检测到某物体时，输出信号会发生特定变化，利用这种变化规律，让单片机只对此类规律的信号有所反应，大大减少了处理数据，算法，从而加快了系统的反应速度，大量使用类似于 jb/jnb 命令对相应端口进行查询，并且简化程序代码，避免使用繁琐复杂的终端控制，确保系统的高精确度。另外，整个运行过程中通过采用等分时端口查询思想，只要分时足够小，电动车就会对外界因素有充足的反映空间，即达到了接近实时的信号检测处理效果，又可通过最终等分时数目准确计算出行驶距离，一举两得。 第六章 附录6.1操作说明该系统实现了电动车的自动行驶、躲避障碍物、探测金属、计数、报警、光电引导功能、测量距离、数码显示、电机控制等功能。 1） 启动时将彻底的电源开关拨至“ on ”位置，此时电源接通。 2）供电部分是 6 节 1.5v 五号电池，供电电压 9v 。 3）调整电动车底部前端的微调器，可调节电动车的直线行驶性能。（“ r ” 是右， “ l ”是左） 4）使用完毕请把车身的开关至“ off ”。 5）长期不使用时，请取出车底及遥控器的电池，另行保管6.2元器件清单at89c51 ， 74ls04 ， s9014 ， s9013 ，蜂鸣器，超声波传感器，光电传感器，金属探测传感器， uln2803 ，电阻、电容若干，发光管。6.3部分程序清单参 考 文 献1、mcs51系列单片机及其应用 孙育才 东南大学出版社 2、电动机的单片机控制 王晓明 北京航空航天大学出版社 3、单片机应用系统设计 何立民 北京航空航天大学出版社 4、流行单片机使用子程序机应用实例 杨振江 杜铁军 李群 西安电子科技大学出版社 致 谢在大学的这些日子，本人得到院领导和专业老师对我的帮助，尤其是最后一个学期里，张波老师给我的谆谆教诲。在学院我学会了常用芯片的工作原理以及电路的设计，控制电路的设计等等，使自己多年来所学的理论知识和实践做到有机的组合，进一步深化巩固自己的理论知识。同时也让我深深体味到