毕业设计（论文）-基于单片机的智能小车设计.doc

毕业设计 论文 毕业设计 论文 基于单片机的智能小车设计 Design of the Smart Car Based on SCM 长长 春春 工工 程程 学学 院院 本 科 电气与信息学院 电子信息工程 副教授 2008 年 6 月 20 日 学生姓名 学历层次 所在院系 所学专业 指导教师 教师职称 完成时间 长春工程学院毕业设计 论文 摘 要 本寻迹小车是以自己制作的小车作为车的车架 80c51 单片机为控制核心 加以步进电机 光电传感器和电源电路以及其他电路构成 系统由 80c51 通过 IO 口控制小车的前进后退以及转向 在该系统中 由红外光电传感器实现路径识别 通过对小车速度的控制 使小车能按照任意给定的黑色引导线平稳地寻迹 实验 证明 系统能很好地满足寻迹小车对路径识别性能和抗干扰能力的要求 速度调 节响应时间快 稳态误差小 具有较好的动态性能 关键词 80c51 直流电机 光电传感器 自动寻迹小车 Abstract The smart car is aluminum alloy for the chassis 80c51 MCU as its core including stepper motor plus photoelectric sensors as well as other flame sensor and power circuit MCU controls the car turning back forward or running on the white line RPR220 reflective photo sensor seeks the trace Far infrared flame sensor tracks the flame In addition the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status The system transmits information through DF module The car s status will be transmitted to the Remote Console OCMJ4X8C LCD display and 2 keys for start control Keywords 80c51 DC motor Photo sensor Self Guiding Model Car 长春工程学院毕业设计 论文 I 目 录 1 引言 1 2 总体方案设计 2 3 硬件设计 3 3 1 硬件各单元方案设计与选择 3 3 2 单元电路设计 6 3 3 特殊元件介绍 12 4 软件设计 17 4 1 主程序流程图 17 4 2 传感器信息处理子程序 18 5 预期结果和创新成果 19 6 总结 20 参考文献 22 谢 辞 23 附录 25 长春工程学院毕业设计 论文 1 1 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 1 可 见其研究意义很大 本题目是结合科研项目而确定的设计类课题 主要实现小车的自动寻迹 功能 本设计采用 MCS 51 系列中的 80C51 单片机 以 80C51 为控制核心 控制小车实现自动 寻迹 80C51 是一款八位单片机 它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评 它是第 三代单片机的代表 第三代单片机包括了 Intel 公司发展 MCS 51 系列的新一代产品 如 8 C152 80C51FA FB 80C51GA GB 8 C451 8 C452 还包括了 Philips Siemens ADM Fujutsu OKI Harria Metra ATMEL 等公司以 80C51 为核心推出 的大量各具特色 与 80C51 兼容的单片机 新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接 口电路扩展 以实现 Microcomputer 完善的控制功能为己任 将一些外部接口功能单元如 A D PWM PCA 可编程计数器阵列 WDT 监视定时器 高速 I O 口 计数器的捕获 比较 逻辑等 这一代单片机中 在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线 为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式 Philips 公司还为这一代单片机 80C51 系列 8 C592 单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线 CAN Controller Area Network BUS 2 新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构 为系统的扩展与配置打 下了良好的基础 本设计就采用了比较先进的 80C51 为控制核心 80C51 采用 CHOMS 工艺 功耗很低 该 设计具有实际意义 可以应用于考古 机器人 医疗器械等许多方面 尤其是在足球机器人 研究方面具有很好的发展前景 在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测 所以本设计 与实际相结合 现实意义很强 长春工程学院毕业设计 论文 2 2 总体方案设计 系统结构图如图 2 1 所示 图 2 1 系统结构图 通过对设计题目的分析 分析小车要实现既定功能所需要的模块 首先考虑所用的电机 型号 是用直流电机还是步进电机 由于直流电机转动力矩大 体积小 重量轻 装配简单 使用方便 故选择用直流电机 把小车直线行进时分成三种状态 当前面传感器检测到白线时 小车在跑道的正上方 这时控制两电机同速度全速运行 当检测到有一个传感器偏出白线时 小车处于微偏状态 这时将一个电机速度调慢 另一电机速度调快 完成调整 当检测到有两个电机偏出时 小 车处于较大的偏离状态 这时把一个电机的速度调至极低 另一电机全速运行 从而在较短 时间内完成路线的调整 利用电机驱动模块 L298 驱动直流电机 使用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻 迹传感器 红外发射管发出红外线 当发出的红外线照射到白色的平面后反射 若红外接收 管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平 若接收不到发射管发出的光线则检 测出黑线继而输出高电平 把电平信号反馈给单片机 单片机 MCS 51 根据反馈的信号 通过所编写的程序 判断 出小车行驶的状态 通过单片机的引脚输出相应的控制信号 控制直流电机的驱动芯片 L298 这样才能调整直流电机的转速 使其调整到最佳状态 长春工程学院毕业设计 论文 3 3 硬件设计 3 1 硬件各单元方案设计与选择 从设计的要求看 系统的完成是分模块设计的 在进行方案比较论证时 也是对各个模 块进行方案论证 本课题设计的系统有车体设计 控制器模块 电源模块 稳压模块 寻迹 传感器模块 电机模块 电机驱动模块七部分 基于此 只对这七部分的方案选择进行说明 3 1 1 车体设计 方案 1 购买玩具电动车 购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮 电机及其驱动 电路 但是一般来说 玩具电动车具有如下缺点 首先 这种玩具电动车由于装配紧凑 使 得各种所需传感器的安装十分不方便 其次 玩具电动车的电机多为玩具直流电机 力矩小 空载转速快 负载性能差 不易调速 而且这种电动车一般都价格不菲 方案 2 自己制作电动车 经过反复考虑论证 我们制定了左右两轮分别驱动 后万向 轮转向的方案 即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动 车体尾 部装一个万向轮 在安装时要保证两个驱动电机同轴 当小车前进时 左右两驱动轮与后万向轮形成了三 点结构 这种结构使得小车在前进时比较平稳 可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱 动力不够的情况 为了防止小车重心的偏移 后万向轮起支撑作用 综上考虑 我选择了方案 2 3 1 2 控制器模块 方案 1 采用可编程逻辑器件 CPLD 作为控制器 CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能 规模大 密度高 体积小 稳定性高 IO 资源丰富 易于进行功能扩展 3 采用并行的输入 输出方式 提高了系统的处理速度 适合作为大规模控制系统的控制核心 但本系统不需要 复杂的逻辑功能 对数据的处理速度的要求也不是非常高 且从使用及经济的角度考虑我们 放弃了此方案 方案 2 采用凌阳公司的 16 位单片机 它是 16 位控制器 具有体积小 驱动能力高 集成度高 易扩展 可靠性高 功耗低 结构简单 中断处理能力强等特点 处理速度高 尤其适用于语音处理和识别等领域 2 但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时 由于其占 用的 CPU 资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低 长春工程学院毕业设计 论文 4 方案 3 采用 MCS 51 系列中的 80C51 单片机作为主控制器 80C51 是一款八位单片机 它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评 它是第三代单片机的代表 本设计就采用 了比较先进的 80C51 为控制核心 80C51 采用 CHOMS 工艺 功耗很低 5 综上考虑 我选择了方案 3 3 1 3 电源模块 由于本系统需要电池供电 我考虑了如下几种方案为系统供电 方案 1 采用 10 节 1 5V 干电池供电 电压达到 15V 经 7812 稳压后给支流电机供电 然后将 12V 电压再次降压 稳压后给单片机系统和其他芯片供电 但由于干电池电量有限 使用大量的干电池会给系统调试带来很大的不便 方案 2 采用 3 节 4 2V 可充电式锂电池串联得到 12 6V 给直流电机供电 经过 7812 的 电压变换后给直流电机供电 然后将 12V 电压再次降压 稳压后给单片机系统和其他芯片供 电 锂电池的电量比较足 并且可以充电和重复利用 因此 这种方案比较可行 但锂电池 的价格过于昂贵 使用锂电池会大大超出我们的预算 8 方案 3 采用 12V 蓄电池为直流电机供电 将 12V 电压降压 稳压后给单片机系统和其 他芯片供电 蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能 虽然蓄电池的体积 过于庞大 在小型电动车上使用极为不方便 但我们可以在车体设计时留出了足够的空间 并且蓄电池的价格比较低 10 综上考虑 我选择了方案 3 3 1 4 稳压模块 方案 1 采用两片 7812 将电压稳压至 12V 后给直流电机供电 然后采用一片 7809 将 电压稳定至 9V 最后经 7805 将电压稳至 5V 给单片机系统和其他芯片供电 但由于 7809 和 7805 压降过大 使得 7809 和 7805 消耗的功率过大 会导致 7809 和 7805 发热量过大 4 方案 2 采用两片 7812 将电压稳压至 12V 后给直流电机供电 然后采用 2576 将电压稳 压至 5V 2576 的输出电流最大可到 3A 完全满足系统要求 综上考虑 我选择了方案 2 3 1 5 寻迹传感器模块 方案 1 用光敏电阻组成光敏探测器 光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而 长春工程学院毕业设计 论文 5 变化 当光线照射到白线上面时 光线发射强烈 光线照射到黑线上面时 光线发射较弱 5 因此光敏电阻在白线和黑线上方时 阻值会发生明显的变化 将阻值的变化值经过比较器就 可以输出高低电平 方案 2 用 RPR220 型光电对管 RPR220 是一种一体化反射型光电探测器 其发射器是 一个砷化镓红外发光二极管 而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管 此器件虽性能优 良但成本较高 7 方案 3 用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器 红外发射管发出红外线 当发出的红外线照射到白色的平面后反射 若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白 线继而输出低电平 若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平 综上考虑各种方案的实用性与灵敏性 我选择了方案 3 3 1 6 电机模块 本系统为智能电动车 对于电动车来说 其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要 由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量 我们综合考虑了一下两种方案 方案 1 采用步进电机作为该系统的驱动电机 由于其转过的角度可以精确的定位 可 以实现小车前进路程和位置的精确定位 虽然采用步进电机有诸多优点 步进电机的输出力 矩较低 随转速的升高而下降 且在较高转速时会急剧下降 其转速较低 不适用于小车等 有一定速度要求的系统 6 经综合比较考虑 我们放弃了此方案 方案 2 采用直流减速电机 直流减速电机转动力矩大 体积小 重量轻 装配简单 使用方便 由于其内部由高速电动机提供原始动力 带动变速 减速 齿轮组 可以产生较 大扭力 我们所选用的直流电机减速比为 1 74 减速后电机的转速为 100r min 我们的车轮直 径为 6cm 因此我们的小车的最大速度可以达到 V 2 r v 2 3 14 0 03 100 60 0 314m s 能够较好的满足系统的要求 因此我们选择了方案 2 3 1 7 电机驱动模块 方案 1 针对步进电机用分立元件构成驱动电路 由分立元件构成电机驱动电路 结构 简单 价格低廉 在实际应用中应用广泛 但是这种电路工作性能不够稳定 方案 2 采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片 L298N 是一个具有高电压大电流的全 长春工程学院毕业设计 论文 6 桥驱动芯片 它的相应频率高 一片 L298N 可以分别控制两个直流电机 而且还带有控制使 能端 用该芯片作为电机驱动 操作方便 稳定性好 性能优良 9 综上考虑 我选择了方案 2 3 1 8 最终方案 经过反复论证 我最终确定了如下方案 1 自己手工制作车体 2 采用 MCS 51 单片机作为主控制器 3 用蓄电池经 7812 稳压后为直流电机供电 将 12V 电压经 2576 降压 稳压后为单 片机系统和其他芯片供电 4 用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器 5 采用直流减速电机作为电动车驱动轮的驱动电机 6 L298N 作为直流电机的驱动芯片 3 2 单元电路设计单元电路设计 3 2 1 光电传感器电路 我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路 电路原理图分别如图 3 1 和图 3 2 所 示 470 R1 10K R2 1K R4 20 R3 V1 VT1 VCC V2 1 2 3 JP1VCC 图 3 1 光电传感器电路 图 3 1 所示电路中 R1 起限流电阻的作用 当有光反射回来时 光电对管中的二极管 V2 导通 R2 的上端变为高电平 此时 VT1 饱和导通 二极管集电极输出低电平 当没有光反射回来时 光电对管中的二极管 V2 不导通 VT1 截至 其集电极输出高电平 VT1 在该电路中起到滤波整形的作用 经试验和示波器验证 该电路工作性能一般 输出还有杂散干扰波的成分 如果输出加 长春工程学院毕业设计 论文 7 施密特触发器就可以实现良好的输出波形 但是这种电路用电量比较大 给此种传感器调理电路供电的电池压降较快 究其原因 是因为光敏二极管 V2 和三极管 VT1 导通时的导通电流较大 因此我们考虑用比较器的方案 V1V2 5 1K R4 150 R1 5 1K R2 10K R3 VCC 2 3 4 1 8 U1A LM 393N 1 2 3 JP1VCC V3 图 3 2 光电传感器电路 在图 3 2 中 可调电阻 R3 可以调节比较器的门限电压 经示波器观察 输出波形相当规则 可以直接够单片机查询使用 而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小 因此我们选择此电路作为我们的传感 器检测与调理电路 3 2 2 最小系统电路 80C51 是片内有 ROM EPROM 的单片机 因此 这种芯片构成的最小系统简单 可靠 用 80C51 单片机构成最小应用系统时 只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可 如图 3 1 80C51 单片机最小系统所示 由于集成度的限制 最小应用系统只能用作一些小型的控制单 元 其应用特点 1 有可供用户使用的大量 I O 口线 2 内部存储器容量有限 3 应用系统开发具有特殊性 1 时钟电路 80C51 虽然有内部振荡电路 但要形成时钟 必须外部附加电路 80C51 单片机的时钟 产生方法有两种 内部时钟方式和外部时钟方式 本设计采用内部时钟方式 利用芯片内部的振荡电路 在 XTAL1 XTAL2 引脚上外接定 时元件 内部的振荡电路便产生自激振荡 本设计采用最常用的内部时钟方式 即用外接晶 长春工程学院毕业设计 论文 8 体和电容组成的并联谐振回路 振荡晶体可在 1 2MHZ 到 12MHZ 之间选择 电容值无严格要 求 但电容取值对振荡频率输出的稳定性 大小 振荡电路起振速度有少许影响 CX1 CX2 可在 20pF 到 100pF 之间取值 但在 60pF 到 70pF 时振荡器有较高的频率稳定性 所以本设 计中 振荡晶体选择 6MHZ 电容选择 65pF 9 在设计印刷电路板时 晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装 以减少寄生电容 更 好的保证振荡器稳定和可靠地工作 为了提高温度稳定性 应采用 NPO 电容 30pF C1 30pF C2 80C51 XTAL1 XTAL2 内内内内 XTAL2 XTAL1 VSS 80C51 内内内内 图 3 3 时钟电路 2 复位电路 80C51 的复位是由外部的复位电路来实现的 复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器用来 抑制噪声 在每个机器周期的 S5P2 斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次 然后才 能得到内部复位操作所需要的信号 11 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的 只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms 就可以实现自动上电复位 时钟频率用 6MHZ 时 C 取 22uF R 取 1K 除了上电复位外 有时还需要按键手动复位 本设计就是用的按键手动复位 按键手动 复位有电平方式和脉冲方式两种 其中电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现 的 按键手动复位电路见图 3 4 时钟频率选用 6MHZ 时 C 取 22uF Rs 取 200 RK取 1K 12 长春工程学院毕业设计 论文 9 Vcc RST VPD Vss 80C51 Vcc RST VPD Vss 80C51 1KR1 10K R2 1KR 22 F C2 22 F C1 22 F C RESET 5V 5V 图 3 4 复位电路 3 2 3 驱动控制电路 我们采用电机驱动芯片 L298N 作为电机驱动 驱动电路的设计如图 3 5 所示 D4 D2 D8 D6 D3 D1 D7 D5 A B 1 A B 2 VDD VDD OUT3 OUT4 GND VDD OUT1 OUT2 GND VDD GND OUT4 OUT3 IN4 IN3 EN B VC C GND IN2 EN A IN1 VDD OUT2 OUT1 GND IS EN A 1 OUT1 2 OUT2 3 VS S 4 IN1 5 EN A 6 IN2 7 GND 8 VS S 5V 9 IN3 10 EN B 11 IN4 12 OUT3 13 OUT4 14 IS EN B 15 U1 L298N 图 3 5 电机驱动控制电路 L298N 的 5 7 10 12 四个引脚接到单片机上 通过对单片机的编程就可以实现两个 直流电机的 PWM 调速以及正反转等功能 3 2 4 键盘电路 键盘中需要 0 9 几个数字键 在加上一个开始按钮和一个停止按钮 所以本设计采用 3 4 矩阵键盘电路来完成系统的设计要求 1 键盘电路工作原理 键盘电路一般由键盘接口电路 按钮及键盘扫描构成 由键盘按键输入数据 经单片机对键盘电路的扫描后 运行参数输入到单片机内 供单 长春工程学院毕业设计 论文 10 片机后续的运算和处理 键盘电路的基本工作原理是利用动片触点和静片触点的接触和断开来实现键盘按键两引 脚的通断 当按键按下时 按键内的复位弹簧被压缩 动片触点与静片触点相连 键盘的两 个引脚被接通 当键盘松开后 复位弹簧将动片弹开 使动片触点与静片接触点脱离接触 键盘两个引脚断开 13 本设计中使键盘接口 80C51 单片机的 p1 口相连 当没有按键被按下时 由于上拉电阻 的作用 所以将按键上拉为高电平 每当有按键按下时 对应引脚接地 相应按键两个引脚 连通接地 变为低电平 主控模块中的键盘电路是采用 3 4 矩阵式键盘输入 由行线和列线组成 按键位于行 列的交叉点上 P1 口低三位为行号 高四位为列号 矩阵式键盘按键的位置由行号和列号唯 一决定 行线通过上拉电阻接到 5V 上 平时无按键按下时 行线处于高电平状态 当有按 键按下时 行线电平状态由与此电平相连的列线电平决定 列线电平为高 行线电平则为高 列线电平为低 行线电平则为低 上述内容为判断按键是否被按下的关键所在 2 键盘扫描工作原理 键盘扫描方式我采用的是列扫描 现将列扫描工作原理进行阐述 80C51 的 P1 口作为键盘接口电路 其中 P1 0 P1 2 作为行线 P1 3 P1 6 作为列线 行 线接上拉电阻 P1 3 P1 6 四条列扫描线轮流输出低电平 然后读 P1 0 P1 2 如果没有按键 被按下 则 P1 0 P1 2 均为高电平 当其中有某一按键按下时 相应的 P1 0 P1 2 中某一引脚 就会变为低电平 如 P1 3 P1 6 输入为 1110 时 P1 0 P1 2 输出为 110 时 则 P1 2 引脚输 出为低电平 作为输入引脚的 P1 6 口为低电平 那么就是 P1 2 行线和 P1 6 列线的交叉点对 应的按键被按下了 14 3 键盘按键编码 键盘电路的按钮个数不止一个 对不同电路结构键盘电路 确定键值方法有很多 可以 采用行列对应的二进制值作为键值 如上段中 P1 2 和 P1 6 交叉点对应的按键值为 1110 110 这种编码方式获得的键值分散性大 所以一般采用按顺序对键盘进行编码 即 将按键行列对应的二进制码作为扫描码 通过查表再转换成键值 键盘任意按键的扫描码 3 行号 列号 设计的键盘电路如图 3 6 所示 长春工程学院毕业设计 论文 11 S1 0 S2 1 S3 2 S4 3 S8 7 S7 6 S6 5 S5 4 S9 8 S10 9 S11 Up S12 9 1K9 1K9 1K VCC P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 图 3 6 键盘电路 3 2 5 电源电路 电源管理单元是系统硬件设计中的一个重要组成单元 本系统采用 7 2V 2000mAh Ni Cd 蓄电池供电 为满足系统各单元正常工作的需要 系统将电压值分 为 5V 6 5V 和 7 2V 三个档 三个电压档的具体实现及其功能如下 采用稳压管芯片 L7805CV 将电源电压稳压到 5V 稳压电路如图 3 7 所示 给单片机系 统电路 路径识别的光电传感器电路和驱动芯片 L298N 电路供电 将电源电压 7 2V 经过一个二极管降至 6 5V 左右后给舵机供电 将电源电压 7 2V 直接供给直流驱动电机 Vout 3 Vin 1 GND 2 U2 7805 100pF C6 0 1uF C9 0 1uF C7 100pF C8 VCC 图 3 7 稳压电源电路 3 3 特殊元件介绍 3 3 1 光电传感器 14 光电传感器由于反应速度快 能实现非接触测量 而且精度高 分辨力高 可靠性好 加之半导体光敏器件具有体积小 重量轻 功耗低 便于集成等优点 因而广泛应用于军事 长春工程学院毕业设计 论文 12 宇航 通信 检测与工业自动化控制等多种领域中 当前 世界上光电传感领域的发展可分 为两大方向 原理性研究与应用开发 随着光电技术的日趋成熟 对光电传感器实用化的开 发成为整个领域发展的热点和关键 光电传感器又称光传感器 是将光信号转换为电信号的一种传感器 敏感波长在可见光 0 38 0 76um 附近 包括红外线 0 76 1000um 和紫外线波长 0 005 0 4um 常见的光电 传感器有光电管 光敏电阻 光敏晶体管 光电祸合器 颜色传感器 红外光传感器 紫外 线传感器 光纤传感器和CCD图像传感器 光电传感器一般由光源 光学通路和光电元件3 部分组成 其基本原理是以光电效应为 基础 把被测量的变化转换成光信号的变化 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信 号 光电效应是指用光照射某一物体 可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个 物体上 此时光子能量就传递给电子 并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸 收 电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化 从而使受光照射的物体产生相应的电 效应 通常把光电效应分为3 类 1 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外 光电效应 如光电管 光电倍增管等 2 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称 为内光电效应 如光敏电阻 光敏晶体管等 3 在光线作用下 物体产生一定方向电动 势的现象称为光生伏特效应 如光电池等 光电传感器通常采取的方法是红外探测法 红外探测法 即利用红外线在不同颜色的物 体表面具有不同的反射性质的特点 在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光 当红外光 遇到白色纸质地板时发生漫反射 反射光被装在小车上的接收管接收 如果遇到黑线则红外 光被吸收 小车上的接收管接收不到红外光 单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来 确定黑线的位置和小车的行走路线 红外探测器探测距离有限 一般最大不应超过 3cm 光电传感器的应用 应用概述 用光电元件作敏感元件的光电传感器 其种类繁多 用途广泛 按光电传感器的输出量 性质可分为两类 1 把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器 可用来 测量光的强度以及物体的温度 透光能力 位移及表面状态等物理量 例如 测量光强的照 度计 光电高温计 光电比色计和浊度计 预防火灾的光电报警器 构成检查被加工零件的 直径 长度 椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器 其敏感元件均用光电元件 半导 长春工程学院毕业设计 论文 13 体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用 在军事上更有它重要的地位 例如用硫 化铅敏电阻可做成红外夜视仪 红外线照相仪及红外线导航系统等 2 把被测量转换成 继续变化的光电流 利用光电元件在受光照或无光照射时 有 或 无 电信号输出的特性制 成的各种光电自动装置 光电元件用作开关式光电转换元件 例如电子计算机的光电输入器 开关式温度调节装置及转速测量数字式光电测速仪等 光电传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量 如光强 光照度 辐射测温 气体 成分分析等也可用来检测能转换成光电量变化的其它非电量 如零件直径 表面粗糙度 应 变 位移 振动 速度 加速度 以及物体形状 工作状态的识别等 光电传感器具有非接 触 响应快 性能可靠等特点 因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用 应用举例 1 测量工件表面的缺陷 2 测量转速 3 光电式数字转速表 3 3 2 主控制器 80C51 单片机 15 80C51 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电 路芯片上 2 如果按功能划分 它由如下功能部件组成 即微处理器 数据存储器 程序存 储器 并行 I O 口 串行口 定时器 计数器 中断系统及特殊功能寄存器 它们都是通过 片内单一总线连接而成 其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式 但对各种功 能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式 1 微处理器 该单片机中有一个 8 位的微处理器 与通用的微处理器基本相同 同样包括了运算器和 控制器两大部分 只是增加了面向控制的处理功能 不仅可处理数据 还可以进行位变量的 处理 2 数据存储器 片内为 128 个字节 片外最多可外扩至 64k 字节 用来存储程序在运行期间的工作变量 运算的中间结果 数据暂存和缓冲 标志位等 所以称为数据存储器 3 程序存储器 长春工程学院毕业设计 论文 14 由于受集成度限制 片内只读存储器一般容量较小 如果片内的只读存储器的容量不够 则需用扩展片外的只读存储器 片外最多可外扩至 64k 字节 4 中断系统 具有 5 个中断源 2 级中断优先权 5 定时器 计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 计数器 具有四种工作方式 6 串行口 1 个全双工的串行口 具有四种工作方式 可用来进行串行通讯 扩展并行 I O 口 甚 至与多个单片机相连构成多机系统 从而使单片机的功能更强且应用更广 7 P1 口 P2 口 P3 口 P4 口为 4 个并行 8 位 I O 口 8 特殊功能寄存器 共有 21 个 用于对片内的个功能的部件进行管理 控制 监视 实际上是一些控制寄 存器和状态寄存器 是一个具有特殊功能的 RAM 区 由上可见 80C51 单片机的硬件结构具有功能部件种类全 功能强等特点 特别值得一 提的是该单片机 CPU 中的位处理器 它实际上是一个完整的 1 位微计算机 这个一位微计算 机有自己的 CPU 位寄存器 I O 口和指令集 1 位机在开关决策 逻辑电路仿真 过程控制 方面非常有效 而 8 位机在数据采集 运算处理方面有明显的长处 MCS 51 单片机中 8 位机 和 1 位机的硬件资源复合在一起 二者相辅相承 它是单片机技术上的一个突破 这也是 MCS 51 单片机在设计的精美之处 图 3 8 80c51 单片机结构图 长春工程学院毕业设计 论文 15 3 3 3 步进电机驱动器 L298N 16 L298 啊一种专用的步进电机驱动集成芯片 内部为双 H 桥结构 L298 的 H 桥驱动器功 率集成电路包含有四个各自独立的推挽式驱动器 即四个半桥 可单独使用 例如用来驱 动单极性的步进电机绕组或控制四台不可逆直流电机 它也可两两组成双 H 桥 每个 H 桥有 各自的使用 ENABLE 控制端 每个半桥有自己的输入控制端 控制端信号是 TTL 电平 芯 片内有逻辑部分电源 L298 下桥臂 NPN 晶体管的发射极引出外引脚 用来连接电流检测电阻 每个桥有一个电源引脚 L298 可与 L297 或 L6505 步进电机电流控制器集成电路配合构成一个完整的二相步进电 机恒流斩波驱动电路 L298 采用 15 脚 Multiwatt 塑料封装 通过散热片可用螺丝固定在散热器上 内部包含 两个 H 桥的高电压打电流全桥式驱动器 A 和 B 每个全桥包括 4 只 NPN 型晶体管 逻辑电路 供电稳压器 逻辑控制电路等 引脚排列如下图所示 图 3 9 L298 结构及外部引脚图 L298 引脚功能如下 引脚 1 SENSING A 连接电流检测电阻 信号反馈给电极控制芯片 实习恒流控制 引脚 15 SENSING B 连接电流检测电阻 信号反馈给电极控制芯片 实习恒流控制 引脚 2 OUTPUT1 全桥驱动器 A 的输出端 引脚 3 OUTPUT2 全桥驱动器 A 的输出端 引脚 4 VS 电机驱动电源 引脚 5 INPUT1 控制全桥驱动器 A 的工作状态 引脚 7 INPUT2 控制全桥驱动器 A 的工作状态 引脚 8 GND 地 长春工程学院毕业设计 论文 16 引脚 9 VSS 逻辑电源 引脚 10 INPUT3 控制全桥驱动器 B 的工作状态 引脚 12 INPUT4 控制全桥驱动器 B 的工作状态 引脚 13 OUTPUT1 全桥驱动器 B 的输出端 引脚 14 OUTPUT2 全桥驱动器 B 的输出端 4 软件设计 系统软件设计说明 在进行微机控制系统设计时 除了系统硬件设计外 大量的工作就是如何根据每个生产对 象的实际需要设计应用程序 因此 软件设计在微机控制系统设计中占重要地位 对于本系 统 软件更为重要 在单片机控制系统中 大体上可分为数据处理 过程控制两个基本类型 数据处理包括 数据的采集 数字滤波 标度变换等 过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算 然后再输出 以便控制生产 为了完成上述任务 在进行软件设计时 通常把整个过程分成若干个部分 每一部分叫 做一个模块 所谓 模块 实质上就是所完成一定功能 相对独立的程序段 这种程序设 计方法叫模块程序设计法 模块程序设计法的主要优点是 1 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试 2 模块可以共存 一个模块可以被多个任务在不同条件下调用 3 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序 为设计者提供方便 本系统软件采用模块化结构 由主程序 定时子程序 避障子程序 中断子程序显示子 程序 调速子程序 算法子程序构成 长春工程学院毕业设计 论文 17 4 1 主程序流程图 图 4 1 主程序流程图 4 2 传感器信息处理子程序 图 4 2 传感器信息处理流程图 4 3系统初始化子程序 图 4 3 系统初始化流程图 长春工程学院毕业设计 论文 18 4 4 电机驱动子程序 图 4 4 电机驱动程序流程图 5 预期结果和创新成果 通过系统的模块仿真及实际的实验验证 该设计可以实现自动寻迹小车所要实现的功能 沿着固定的轨迹行驶 不会出现行驶过程中脱离轨迹向别的方向行驶 通过自己的创新改造 也可以设计出让小车在一个跷跷板上行驶 在走到中心位置的时 候 通过角度传感器传回的信号 控制步进电机的速度 使其减速慢行 不断的在中心处前 进和后退 以达到跷跷板的平衡 并且能保持一段时间 另外自动寻迹小车也可以用摄像头 实现寻迹 现在实现的无人驾驶汽车的控制就是利用摄像头传回路面信号 以实现人们对汽 车行驶路径的监视 长春工程学院毕业设计 论文 19 6 总结 本文所设计的自动寻迹小车在传感器的配合下具有自动寻迹的功能 可以说基本实现了 简易小车的智能化 自动寻迹小车系统以迅猛发展的汽车电子为背景 涵盖了控制 模式识别 传感技术 电子 电气 计算机 机械等多个学科 主要由路径识别 角度控制及车速控制等功能模块 组成 在该系统中 由红外光电传感器实现路径识别 通过对小车速度的控制 使小车能按照 任意给定的黑色引导线平稳地寻迹 实验证明 系统能很好地满足寻迹小车对路径识别性能 和抗干扰能力的要求 速度调节响应时间快 稳态误差小 具有较好的动态性能 本设计所采用的红外探测法 即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质 的特点 在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光 当红外光遇到白色纸质地板时发生漫 反射 反射光被装在小车上的接收管接收 如果遇到黑线则红外光被吸收 小车上的接收管 接收不到红外光 单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行 走路线 红外探测器探测距离有限 一般最大不应超过 3cm 本设计所做的改进就是使用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器 其原理 也是利用红外探测法 在车的前面和后面各安装一个 这样能更好的保证小车在前进和后退 过程中不会行驶到轨迹外面去 用一个字节来代表车底的 2 个光电传感器 用每一个位来代表当前传感器的检测状态 长春工程学院毕业设计 论文 20 以此把小车直线行进时分成三种状态 当前面传感器检测到白线时 小车在跑道的正上方 这时控制两电机同速度全速运行 当检测到有一个传感器偏出白线时 小车处于微偏状态 这时将一个电机速度调慢 另一电机速度调快 完成调整 当检测到有两个电机偏出时 小 车处于较大的偏离状态 这时把一个电机的速度调至极低 另一电机全速运行 从而在较短 时间内完成路线的调整 我们的寻迹小车在完成设计要求的前提下 充分考虑到了外观 成本等问题 在性能和 价格之间作了比较好的平衡 由于设计要求并不复杂 我们没有在电路中增加冗余的功能 但是我们保留了各种硬件接口和软件子程序接口 方便以后的扩展和进一步的开发 另外 我们的车体底盘经过充分的论证和专业的设计 兼顾了美观 廉价 稳固 可靠 等各方面的因素 具有较高的稳定性和推广意义 总之 通过本次设计 我主要得到了以下几方面的收获 1 通过此次课程设计进一步学习和巩固单片机及其相关的知识 并能在设计过程中综合 运用所学的知识内容 2 进一步熟悉和掌握 MCS 51 单片机的内部结构及其外围电路的设计 掌握汇编语言的 编程方法 为即将进入社会参加工作打下坚实的基础 3 培养掌握收集资料 消化资料和综合资料的能力 4 通过独立研究与实验 基本完成了整个系统的设计 实现了小车的自动寻迹功能 智能车辆是一个集环境感知 规划决策 自动行驶等功能于一体的综合系统 它集中 地运用了计算机 传感 信息 通讯 导航 人工智能及自动控制等技术 是典型的高新 技术综合体 在很多文献中有 自动小车 的字样出现 有自动往返小车的设计 自动消防 小车设计等 这些小车都离不开 自动 现在的国内外都在研究和开发自动无人驾驶汽车 自动寻迹小车就是无人驾驶汽车的一小部分 只要能设计好自动寻迹小车 就会对无人驾驶 汽车的开发和研究有很大贡献 长春工程学院毕业设计 论文 21 参考文献 1 郝鸿安 常用数字集成电路应用手册 M 北京 中国计量出版社 1987 年 12 月 2 石东海主编 单片机数据通信技术从入门到精通 M 西安 西安电子科技大学出版社 2003 年 5 月 3 陈永真主编 全国大学生电子设计竞赛试题精解选 M 北京 电子工业出版社 2007 年 6 月 4 黄智伟主编 全国大学生电子设计竞赛训练教程 M 北京 电子工业出版社 2006 年 6 月 5 全国大学生电子设计竞赛组委会编著 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编 M 北京 北京理工大 学出版社 2004 年 8 月 6 黄智伟主编 全国大学生电子设计竞赛电路设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 2006 年 12 月 7 黄智伟主编 全国大学生电子设计竞赛系统设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 2007 年 2 月 8 黄智伟主编 全国大学生电子设计竞赛技能训练 M 北京 北京航空航天大学出版社 2007 年 2 月 9 黄智伟主编 全国大学生电子设计竞赛制作实训 M 北京 北京航空航天大学出版社 2007 年 2 月 10 徐爱钧编著 8051 单片机实践教程 asm51 汇编语言与 C51 高级语言应用 M 北京 电子工业出 版社 2005 年 7 月 长春工程学院毕业设计 论文 22 11 谷树忠 闫胜利编著 Protel 2004 实用教程 原理图与 PCB 设计 M 北京电子工业出版社 2005 年 2 月 12 华成英编著 模拟电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2006 年 6 月 13 14 15 万方数据资源统一服务系统 16 21IC 中国电子网 谢 辞 毕业设计是大四的最后一门课程 主要来促使学生进一步理解和掌握电子信息工程专业 基础知识理论以及相关学科知识 使学生复习 巩固所学过的理论与专业知识 并予以适当 的深化 熟悉和掌握本专业工程设计的程序 方法与技术规范 指导学生学习和掌握实验测 试 数据分析处理等科学研究与应用的基本方法 培养学生灵活运用所学知识解决实际工程 问题 进行工程设计的能力 培养学生文献检索 开发设计 创新和独立工作的能力 以及 严谨务实的科学作风和奉献精神 使学生在知识 技能和素质等方面 特别是专业技能和研 究技能方面得到全面锻炼与提高 造就一批具有良好心理承受能力 不怕挫折 勇于进取 高素质高质量的专业应用型人才 经过几个月的查阅资料 整理材料 实验验证以及对论文的写作 今天终于可以顺利的 完成论文的最后的谢辞了 四年多的努力与付出 随着论文的完成 美好的大学生活也随之 划下了完美的句点 怀着复杂的心理 写下了如下这一段谢词 论文得以完成 要感谢的人实在太多了 首先要感谢倪虹霞老师 因为论文是在倪老师 的悉心指导下完成的 虽然倪老师对单片机控制方面的知识并不是十分精通 但她仍然耐心 长春工程学院毕业设计 论文 23 的帮我查阅资料 帮我检查电路图与论文 可以说本论文从选题到完成 每一步都是在倪老 师的指导下完成的 倾注了倪老师大量的心血 倪老师指引我论文写作的方向和架构 并对本论文初稿进行逐字批阅 指正出其中错误 之处 使我有了思考的方向 他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪 他 的严谨细致 一丝不苟的作风 将一直是我工作 学习中的榜样 倪老师要指导很多同学的 论文 加上本来就有教学任务 工作量之大可想而知 但在一次次的回稿中 精确到每一个 字的批改给了我深刻的印象 使我在论文之外明白了做学问所应有的态度 在此 谨向倪老师表示崇高的敬意和衷心的感谢 谢谢倪老师在我撰写论文的过程中给 与我的极大地帮助 同时 论文的顺利完成 离不开其它各位老师 同学和朋友的关心和帮助 在整个的论 文写作中 各位老师 同学和朋友积极的帮助 在我写作中提供了利于论文写作的建议和意 见 在他们的帮助下 论文得以不断的完善 最终帮助我完整的写完了整个论文 另外 要感谢在大学期间所有传授我知识的老师 是你们的悉心教导使我有了良好的专 业知识 这也是论文得以完成的基础 通