AT89S52单片机智能小车.doc

摘要 本设计以AT89S52单片机为控制核心，小车具有循迹检测、电机驱动、测时、速、里程等主要功能。首先，两个电机分别单独控制左右两个车轮，通过调节两个电机的转速及转动时间，达到小车正常行驶及转向的目的。车头左侧的三个红外光电传感器通过对路况的检测反馈给单片机，控制小车行走路线，防止超出边界线。使用槽式光电传感器测速度与里程。车头右侧的一个红外光电传感器通过对路况的检测反馈给单片机，控制小车停车。关键字：控制；检测；反馈；STC89C52单片机；超车；AbstractThis design with AT89S52 SCM as control core, car has a mark on testing, motor drive, measured, speed, mileage, etc main function. First of all, two motor control separately left wheel, adjust the two motor speed and turning time, reach the small car moving and turned to the purpose. On the left of the car three electrcal sensors through to the road test give feedback to the microcontroller, control the car walks route, prevent beyond boundary. Use groove photoelectric sensors to speed and mileage. On the right side of the car a electrcal sensors through to the road test give feedback to the single chip microcomputer, the control car parking.Key word: control; Detection; Feedback. AT89S52 SCM; 目录1 系统方案论证与比较11.1设计思路. 11.2控制芯片选择. 11.3程序设计思路. 2 2 各模块方案选择22.1 电源模块22.2 系统控制模块32.3 循迹模块32.4 电机驱动模块. 3 2.5 测速传感器模块. 3系统硬件设计43.1 电源设计43.2 驱动模块设计53.3 循迹设计53.4 最小系统模块设计.73.5 数码管显示模块设计.83.6 测速模块设计. 4 系统软件设计95 系统调试106 附录127参考文献181 系统方案论证与比较1.1 设计思路题目要求设计并制作一台竞速智能小车，在不越出轨道的前提下，以尽可能快的速度，在如下图的赛道上行驶一圈，跑完一圈后自动停止在出发点，显示行驶时间、里程、平均速度以及越出轨道的次数。该小车使用步进电机实现行驶功能，通过光电对管循迹模块实现自动转弯与停止功能，使用LED数码管显示行驶时间与越出轨道的次数。1.2 控制芯片选择方案一：小车使用一片STC89C52单片机作为控制核心，控制小车全程行驶，包括循迹，小车调速，计时与计速等功能。方案二：小车使用一片AT89S52单片机作为主控芯片，本团队更熟练使用该型号单片机。经分析以上两种方案，采用方案二。1.3程序设计思路方案一：程序通过使用定时器，在固定时段执行转弯或停车程序，实现转弯与停车功能。此程序虽然较为简洁，但难于控制，易发生冲出赛道等情况。方案二：小车通过使用循迹模块，在转角处自动识别黑线，进入转弯或停车程序，实现转弯与停车功能。此程序虽然较为复杂，但易于控制，不易发生冲出赛道等情况。2 各模块方案选择2.1 电源模块方案一：将五节1.5V普通电池串联为整个系统供电，这种方法获取电源方便，且电源输出电流能力较大。但电池放电受到自身影响大，若长时间使用，电池输出的电流会逐渐减小，不能较长时间为小车提供稳定的电流，导致电机速度较慢，不符合实际要求。方案二：使用二节3.7V18650锂电池为整个系统供电，电压可达到7.4V，其中通过稳压芯片7805获取5V直流电源为单片机供电，5V电源为电机供电以获得较高速度，该电源输出电流能力较大，而且能较长时间为小车提供稳定的电流，使系统运行稳定，使用更环保，符合实际要求。鉴于以上分析，选择方案二。2.2系统控制模块 选择AT89S52单片机进行系统的控制。该单片机运行稳定，保密性强，支持在线下载，使用USB接口下载更方便，AT89S52是我们比较熟悉的一种常用的单片机，指令系统和STC89C52兼容，价格便宜，较容易购买。2.3 循迹模块采用反射式红外传感器作为循迹检测主要器件，利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。由于黑白物体反射系数的不同，通过调节使光敏三极管就只能接收到白色物体反射回来的光束。而对于黑色物体由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接收到反射光。利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。将循迹检测系统放在车前左右两侧，当检测到黑色边界线时，在红外反射管处得到低电平信号，在经过反相器74LS14后，能更加灵敏和精准输出高电平信号，单片机得到高电平信号后控制小车向相反方向行进。 2.4电机驱动模块 方案一：采用分立元件三极管组成的H桥PWM调速电路，用于实现对直流电机速度和方向的控制。由于采用分立元件组成电动机逻辑驱动，故易造成驱动电路稳定性差的问题，且性价比高，不符合节能低功耗的要求。方案二：电动机驱动电路主要由双桥电动机驱动芯片L298和多个整流二极管组成，专用驱动芯片内部的压降一般较低，在驱动电路上功耗低，驱动电路相对简单，且一片L298可驱动两个电机，既满足单独控制左右轮行驶的要求又能保护直流电机。鉴于以上分析，故采用方案二。2.5 测速传感器模块方案一： 光电测速传感器原理是传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数，从而测出旋转体旋转速度。灵敏度较高，但容易受外界光源影响。方案二： 测速发电机原理是将旋转机械能转化成电信号，适合于测量速度较高的旋转物体的速度。采用电磁感应的原理。但市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适用于模型车，并且要将侧速发电机安装到电动车上需要对电动车模型进行较大改动，由于其质量较重，可能会严重影响电动车的机动性能，除非自制。优点是测速准确、稳定、快速，可以直接由AD 转换器读入单片机测得当前速度值。方案三： 霍尔传感器其工作原理是：利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL电平兼容。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M 旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。方案选择论证：综合小车运动环境和重量轻的要求，我们使用了光电传感器来进行速度检测。3系统硬件设计如图3.1所示，系统主要包括电源设计、循迹检测设计、超声波避障设计、电机驱动设计、无线通信设计等。图3.1系统总框图3.1 电源设计由于小车运动时负载大，需要驱动力较大，且在运动时需要较大的稳定电流输出，以保证较长时间的行驶，故将性能较好的1865锂电池通过稳压芯片7805，以获得稳定的5V电压输出。如图3.1.1所示，电池电源通过7805的IN口，经OUT口输出，图中C1，C2，C3为滤波作用，同时分出的5V又可接电机以获得较大速度，在保证系统工作正常的同时使小车较快行驶。图3.1.1电源原理图3.2 驱动模块设计电机的左右轮分别由两个独立的电机驱动，通过控制两个电机正转时间的不同，实现小车的前进和左右的方向选择。应用L298N进行电机驱动，如图3.2.1所示，IN1和IN2控制小车左轮并且通过ENA控制占空比，这样能控制小车的左轮驱动能力。IN3和IN4控制小车右轮并且通过ENB控制占空比来控制小车右轮的驱动能力，以达到调节速度的要求。输出端OUT1和OUT2接左轮，OUT3和OUT4接右轮，前进时，两轮驱动能力相同，左转时，右轮比左轮驱动力强，右转时，同理。而二极管的引入能够起到保护电机的作用。图3.2.1 电机驱动原理图3.3 循迹设计循迹采用反射式光电传感器，反射式光电传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检查方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收。经处理之后，通过数字传感器接口返回微控制器，微控制器可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。如图3.3.1所示，当遇到黑线时，图中三极管8050导通，反相器输入口处检测到低电平，经反相器后变为高电平，供单片机识别，同时指示灯被点亮，图中滑动变阻器，可方便改变光电传感器的输入电流，从而改变灵敏度，图中0.1uF电容，可减少电路中“毛刺”，以增加电路的抗干扰能力。图3.3.1 小车循迹电路3.4最小系统模块设计图3.4.1最小系统模块设计3.5数码管显示模块设计图3.5.1数码管显示模块设计3.6测速模块设计传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数，从而测出旋转体旋转速度。图3.6.1 测速模块设计4 系统软件设计系统软件设计如图4.1所示，分为电源设计、循迹检测设计、电机驱动设计。图4.1 系统软件总框图进入循迹模式时，如图4.2所示，启动小车后，小车前进，当最左侧循迹模块检测到黑线时，小车左转，否则继续前进；左转后当左侧右边二个循迹模块检测到黑线时，小车前进，否则小车继续左转；前进后当小车左侧第三个循迹模块检测到黑线时，小车右转图4.2 循迹检测模式5 系统调试1循迹模块测试，循迹过程中 不能及时准确的判别黑线，常随机将跑道上的某些点误判为黑线，导致小车路线错误。经排查，由于自己铺设的跑道不够平整，导致红外光电传感器会受到影响，调试过程中，通过改变与接收管相关的电阻阻值的大小来改变接收能力，调试过后小车循迹正常。3.整体调试后，得出电池电量低于4.5V时，会导致系统工作不稳定，传感器工作不正常，故需经常更换电池,只有小车电机在7.4V供电时，速度相对稳定，并且可以及时准确的循迹。4.经测试，小车绕圈一周的时间平均为15s，虽由于小车自身性能，走直线时会偏向一侧，但可通过循迹模块纠偏，系统相对稳定，行驶较平稳。5. 测试结果记录第一圈第二圈第三圈平均时间（s）15.015.015.015.0越出轨道次数（次）0000袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肃芅