自动往返电动小汽车设计.doc

河南科技大学本科毕业设计（论文）自动往返电动小汽车设计摘 要智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。一般主要由路径识别、速度采集 、角度控制及车速控制等模块组成。本系统以SST系列单片机为核心控制模块，充分利用了自动检测技术、单片机最小系统、液晶显示模块电路，以及声光信号的控制、电机的驱动电路。通过Keil C和PROTEUS的仿真，通过实践操作与调试，实现自动往返小车设计。综合运用单片机技术、自动控制理论、检测技术等。使小车能在无人操作情况下，借助传感器识别路面环境，由单片机控制行进，实现初步的无人控制。单片机具有体积小、重量轻、耗电少、功能强、控制灵活方便且价格低廉等优点。智能小车采用单片机为控制器核心，其集成度高、体积小、抗干扰能力强，具有独特的控制功能，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。本设计以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测信号和循线运动。运用单片机的运算和处理能力来实现小车的自动加速、限速、减速、定时、前进、后退、左转、右转、显示行驶速度、行驶路程、行驶时间等智能控制系统。关键词：SST单片机，自动控制，电动小车， PWM调速，传感器 THE DESIGN OF AUTOMATIC ELECTRIC CARSABSTRACTSmart cars, also called wheeled robots, is a kind of automobile electronic background, intelligent control, pattern recognition and sensing technology, electronic, computer, machinery and multidisciplinary science creative design. Generally consists mainly of path recognition, speed acquisition, angle control and speed control module.System design for the core of SST series microcontroller control module. Make full use of the automatic detection technology, MCU smallest system, LCD module circuit, the control of signal, and the motor drive circuit. Through the simulation Keil C and PROTEUS, practice and debugging, and the realization of automatic car design. Comprehensive use of microcontroller technology, automatic control theory, the detection technology, etc. That car in unattended operation circumstance, using sensor identify road environment. Travel by single-chip microcomputer control, the preliminary no control. MCU is well established for its flexible operations, small volume, light weight, less consumption, powerful functions, and low in price. This design based on singlechip, peripheral circuit, by using photoelectric detector signal detection and followed the movement. Using MCU to realize the automatic forward, backward, left, right, and display speed, driving distance, time of intelligent control system.The application of MCU is fundamentally changing the traditional control system design ideas and design method.KEY WORDS: SST microcontroller, automatic, PWM speed adjusting, sensor IV目录前言1第1章 绪论21.1 设计背景21.2 设计概述21.3 设计任务和主要内容3第2章 系统方案论证与分析42.1 小车车体选择42.2 主控单片机52.2.1 采用凌阳16位单片机52.2.2 采用SST89E516RD单片机52.3 电机模块62.3.1 采用步进电机62.3.2 采用直流电机62.4 电机驱动调速模块62.5 电源管理82.5.1 采用单电源供电82.5.2 采用双电源供电82.6 路面黑线探测模块92.6.1 采用对射式红外光电传感器92.6.2 采用反射式红外光电传感器92.7 测速及里程计量模块102.7.1 采用霍尔传感器102.7.2 采用U型红外光电传感器102.8 计时模块112.9 显示模块112.9.1 采用LED数码管112.9.2 采用LCD液晶显示11第3章 智能小车系统设计123.1 主控单片机功能设计123.1.1 单片机硬件结构123.1.2 单片机引脚锁定133.2 电机驱动控制设计153.3 PWM调速控制设计173.4 传感器设计203.4.1 黑线检测传感器设计203.4.2 测速、里程计量传感器设计253.5 液晶显示功能设计28第4章 12864液晶功能分析304.1 30结论34参考文献35致谢37附录38工作原理53光电传感器类型介绍53光电传感器技术参数54光电传感器使用注意事项54前言伴随着现代汽车行业的飞速发展，作为汽车的电子控制系统也势必得到更大的发展机会，以满足人们对汽车的安全性、智能化的要求，本文对智能往返小车自动控制系统的研究是对一些问题的初步思考。智能小车是一个集环境感知、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、传感器、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。本次毕设的自动往返电动小汽车就是这种综合体的一种尝试。小车以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测信号和循线运动。运用单片机的运算和处理能力来实现小车的自动加速、限速、减速、前进、后退和金属传感器检测等功能，可液晶实时显示行驶速度、行驶路程、行驶时间的智能控制系统。本次毕业设计要求设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。小车从起跑线出发，到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线，往返一次的时间应力求最短。到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小。在限速区小车往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，且不允许在限速区内停车。智能小车设计的核心思想便是建立赛道可行区域感知系统，使小车在行驶过程中对跑道上的黑线能够自动检测与识别，通过对视觉信息的处理确定小车与跑道的相对位置关系，通过执行机构调整小车与跑道的相对位置，使小车在赛道中心准确稳定行驶的同时又兼顾车速，尽量缩短往返时间，从而达到“稳”和“快”的协调。智能小车采用一块SST89E516RD单片机作为其检测和控制核心。选用SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片L298作为小车电机驱动，利用PWM技术动态控制电动机的转速。路面金属线线检测、车速和距离检测使用电感式接近开关金属传感器进行信号的采集，接近开关反馈的信号送入单片机处理，由控制单元处理信号并控制小车的运行模式及液晶数据显示。实现了自动往返小车在无人控制状态下实现智能循迹、限速、压线的智能控制，液晶显示电路显示运行的时间、路程并实时更新速度显示。第1章 绪论1.1 设计背景随着智能机器人技术、汽车工业的迅速发展，关于智能小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，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。本设计就是在这样的背景下提出的，设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有智能PWM限速、返回、准确定位停车等功能。 1.2 设计概述智能小车系统集中地运用了计算机、传感器、信息通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。本次毕设的自动往返电动小汽车就是这种综合体的一种尝试。自动往返电动小汽车是指小车能够在跑道上自动往返行驶，无须人的操作。小车从起跑线出发后自动行驶到终点，并能在终点停车一段时间，然后返回起点。同时小车可以在要求区域内自动加速和减速。以单片机为控制核心，辅以传感器、控制电路、显示电路等外围器件，构成了一个车载控制系统。电动小车能够根据题目要求在直线方向上完成调速、急刹车、停车、倒车返回等各种运动形式。这辆小车还可以通过液晶实时显示一次往返时间和行驶距离、行驶速度。另外，采用C语言编程算法进行速度调节，经过PROTEUS仿真后，成功地实现了从最高速降至低速的平稳调速。本系统主要采用C语言编程算法进行速度调节。通过C语言编程控制和PWM脉宽调制技术的结合，提高了对小车位置的控制精度，并且实现了低速段车速的恒速控制。1.3 设计任务和主要内容设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车，能在如图1-1所示的跑道上自动往返行驶。在跑道B,C,D,E,F和G处设有2cm宽的金属线。1. 小车从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。2. 到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以小车中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值）。3. DE间为限速区，小车往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，但不允许在限速区内停车。A B C D E F G 0.5m 0.5m 2m 0.5m 图1-1 小车跑道顶视图各路段行驶速度要求：BD段：小车全速前进。DE段：首先以最快的速度减速，并同时开始计时，降至慢速度后保持基本恒速前进，当接近8秒时，开始加速并冲出此段区间。EF段：小车全速前进。FG段：首先以最快的速度减速，并且保持最低速度前进，当小车中间的传感器探测出黑线时便立即停车第2章 系统方案论证与分析根据题目中的设计要求，本系统主要由主控单片机模块、电源模块、电机驱动模块、黑线检测模块、测速模块以及液晶显示模块构成。本系统的方框图如图2-1所示：SST89E516RD主控单片机L298电机驱动芯片黑线检测模块测速模块电源模块液晶显示图2-1 系统原理框图2.1 小车车体选择在确定了毕业设计选题以后，指导老师就给我提供了由亿学通电子推出的“DIY 竞赛小车”散件车体。其具有结构小巧、运动灵活、扩展性强、控制简单等诸多特点。该小车车体套件具备功能如下： （1）支持四个独立电机的安装，增大了驱动力和转弯的灵活性 （2）配置了测速码盘（安装在第一级输出），提高了转速测量精度 （3）配备开关量转速测量传感器接口 （4）配备了外部电源接口和电池盒接口，方便了小车用电选择 （5）保留了万向轮固定孔，四轮车可以方便改装为三轮车（6）为单片机控制板预留了电源和控制端口（7）保留了 DIY竞赛小车的扩展板，可以直接把单片机电路、显示电路、通讯电路、遥控电路等焊接上面，不需要再额外增加电路，方便了扩展 2.2 主控单片机2.2.1 采用凌阳16位单片机采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。且实验室器材室没有此型号单片机。因此决定不再使用此方案，考虑其他方案。2.2.2 采用SST89E516RD单片机SST89E516RD是8位集成存储器的51系列兼容单片机，和51系列单片机软件兼容、开发工具兼容、管脚也兼容。SST89E516RD片内有两块SuperFlash EEPROM，分为64K主块(Block0)和8K次块(Block1)。Block0的地址范围是0000hffffh；Block1的地址范围是10000h11fffh。做仿真器时Block1存储区烧写SoftICE仿真监控程序。SST89E516RD具有在应用可编程(IAP)和在系统可编程(ISP)的功能，其中IAP是通过串口实现的。由于SST89E516RD具有两块独立的SuperFlash程序存储区，当监控程序在Block1存储区中运行时可以改写Block0程序存储区中的程序，使用在线SoftICE模式，不需要反复的将调试程序下载到单片机中，避免了单片机的老化损坏，可方便的与Keil C实现SoftICE在线仿真调试功能。因此决定采用SST89E516RD作为本次毕业设计的主控单片机芯片。2.3 电机模块 2.3.1 采用步进电机采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。因此决定放弃此方案。2.3.2 采用直流电机采用直流减速电机。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，电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。综合以上考虑，我选择使用直流减速电机作为自动往返电动小车的驱动电机。2.4 电机驱动调速模块小车运行过程中要求电动机的转速在一定范围内调节,调速范围根据负载的要求而定。由公式1 1n :电枢转速, U :电机端电压, I :电机端电流,R :电枢电阻, Ce :常数, :每极总磁通可以看出,调速可以有三种方法:（1）改变电机端电压U,即改变电枢电源电压;（2）改变磁通,即改变激磁回路的调节电阻Rj以改变激磁电流Ij;（3）在电枢回路中串联调节电阻Rtj。此时的转速公式2为: 2 在实际电路设计中，改变电机的磁通或调节枢回路中串联调节电阻Rtj并不方便、实用。因此，主要选择通过改变电机两端电压的方法来实现电机的调速控制。下面是通过调节电机两端电压达到调速目的的三种方案：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是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电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率且实现困难。方案二：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。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏，寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM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,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型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制。电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。L298为SGS-THOMSON Microelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(Dual Full-Bridge Driver) ，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。内含二H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V。可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。PWM脉宽调制实际上就是改变电机端电压的平均值从而进行调速的一种方法。这种方法便于与单片机等数字系统接口，实现方便，而前两种方法必须要配合一定的外围模拟电路才能达到单片机控制目的，基于以上分析, 在电动机驱动模块上拟选定采用PWM脉宽调制方法。选用L298双全桥步进电机专用驱动芯片。2.5 电源管理2.5.1 采用单电源供电所有器件采用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它芯片供电。这样供电比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳 、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。因此我们放弃此方案。2.5.2 采用双电源供电采用双电源供电方式。将电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全隔离。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。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，故采用12V蓄电池为L298N电机驱动芯片供给电源电压。L298N接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。因此采用单一电源（4节AA电池）为单片机、Vss端和传感器供电。这样供电比较简单采用4.8V可充电动力电池组。动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。基于以上分析,小车系统选用蓄电池和AA电池的双电源供电方式。2.6 路面黑线探测模块探测路面黑线的大致原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱判断车子是否到达黑线。采用集成电路技术制造的新一代光电开关器件具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高和工作区域稳定等优良性能。这种光电开关采用脉冲调制的主动式光电探测系统，可在物位检测、速度检测、液位控制、计数、宽度判别等诸多领域。使用光电传感器来采集路面信息。使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。经过综合考虑，在本项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。光电开关按检测方式可分为对射式和反射式两种。2.6.1 采用对射式红外光电传感器用可见发光二极管与光敏二极管组成的发射接收分立对管光电传感器。这种方案的缺点在于，其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判。虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。在跑道上设置检测装置很不方便，故无法应用对射式光电开关探测跑道标志，只能采用反射式光电开关。2.6.2 采用反射式红外光电传感器1. 不调制的反射式红外发射接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰；但如果直接使用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率要求，工作电流只能在10mA左右，仍然容易受到干扰。2. 脉冲调制的反射式红外发射接收器。采用带有交流分量的调制信号，可以减少环境光源的直流分量的干扰。考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。另外，红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大（50100mA），这样也大大提高了信噪比。基于上述考虑，考虑到本系统的传感器主要是安装在小车的底部检测黑线，拟采用经脉冲调制的反射式红外传感器检测路面黑线。2.7 测速及里程计量模块2.7.1 采用霍尔传感器霍尔传感器内部由三片霍尔金属板组成，当磁钢正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁钢，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。此方案的优点是霍尔传感器响应速度快，结构简单，但精度不够高。2.7.2 采用U型红外光电传感器采用U型红外光电传感器，在车轮上贴上白纸黑条，当作光电编码盘，当车轮转动时，带动码盘转动，利用红外传感器对不同颜色的物体反射的光线强度的不同，从而导致接收管的导通和截止。用中断对接收到的信号进行计数。码盘形状如图2-2所示：图2-2 测速码盘以上两种都是比较可行的转速测量方案。尤其是霍尔元件，在工业上得到广泛采用。但是在本题中，小车的车轮较小，方案一的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。相反，方案二适用于精度较高的场合，可以车轮上加较多的黑线来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案二。2.8 计时模块对于定时器，由于我们选用的单片机内部已经有定时器了，使用单片机内部的定时器已经可以实现系统的总计时和倒计时功能，而且可以简化系统硬件，虽然定时时间没有专用的计时芯片精确，但误差也不会很大。故我们采用单片机内部的定时器作为计时模块。2.9 显示模块2.9.1 采用LED数码管LED显示具有硬件电路结构简单、价格便宜、调试方便、软件实现相对容易等优点，但占用单片机IO口太多，而且显示的信息不多。由于我们计划要显示小车运行时间、速度、路程等内容。LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。2.9.2 采用LCD液晶显示采用LCD液晶显示。用自带中文字符库的液晶显示模块，显示方便美观，而且人机交互界面也很友好。采用串口通讯的显示方式，可以大大节省单片机的IO口。LCD液晶具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等而得到广泛应用，因此我们选择此方案。通过以上方案论述我们选择方案二，显示小车运行时各个测量参数的任务。第3章 智能小车系统设计3.1 主控单片机功能设计智能小车系统的核心模块即为主控单片机。选择一片数据处理能力强大、片内资源丰富的单片机，对设计各功能的更好实现具有极大意义。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等。若不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如液晶显示器A/DD/A转换器等，且需要设计合适的接口电路。SST89E516RD是SST公司8位微处理器FlashFlex51系列的成员，是采用先进的闪存CMOS半导体技术设计和制造，芯片采用8051的指令集，并和标准的8051控制器管脚兼容。芯片内部带有72Kbyte的片内FLASH EEPROM存储器，使用了SST公司专利的CMOS闪存技术。单片机已经预先烧录一段引导下装（BOOT STRAP LOADER）的代码，通过IAP 操作，实现开始的用户程序代码烧录和以后的用户代码升级。CHIP-ERASE 操作会擦除该引导下装程序。使用在线SoftICE模式，不需要反复的将调试程序下载到单片机中，避免了单片机的老化损坏，可方便的与Keil C实现SoftICE在线仿真调试功能。故本次毕业设计选用SST89E516RD作为智能小车主控单片机。 3.1.1 单片机硬件结构 SST89E516RD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。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中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。2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。3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。4P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。图3-1为单片机的功能方框图： 图3-1 SST89E516RD功能方框图由上可见，SST89E516RD单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点，在数据采集，运算处理方面有明显的长处。丰富的外部中断、I/O口资源满足智能小车的各种控制需求。3.1.2 单片机引脚锁定 SST89E516RD单片机具有丰富的I/O口资源和外部中断。小车运行过程中需要实时进行黑线探测和测速、里程计量，当CPU正在处理某项事务时，如果外界或内部发生了紧急事件，例如小车检测到黑线或测速传感器检测到车轮转动等，要求CPU暂停正在处理的工作转而处理这个紧急事件，待处理完成后再回到被中断的地方，继续执行原来被中断的程序。SST系列单片机允许有5个中断源，提供两个中断优先级（能实现二级中断嵌套）。P3.2，P3.3作为两个外部中断端口，可分别用来检测黑线和测速、里程计量。设定、为跳变触发方式，电平发生由高到低的跳变时触发，置IT0、IT1为1，在CPU响应中断后，由内部硬件自动复位中断标志TF0、TF1和IE0、IE1，而自动撤出中断请求。下面图3-2为两个外部中断接收、处理并发出相应控制指令流程框图：SST89E516RD单片机黑线检测测速、里程计量P3.2（）P3.3（）单片机控制小车相应运动方式液晶显示图3-2 外部中断控制引脚锁定及流程框图来自P3.2引脚上的外部中断请求（外中断0）。来自P3.3引脚上的外部中断请求（外中断1）。 l P2口是一个多功能的八位口，可以字节访问也可以位访问，其字节访问地址为A0H，位访问地址为A0HA7H。由于P2口的输出锁存功能，在取值周期内或外部储存器读/写选通期间，输出的高八位地址是锁存的，故无需外加地址锁存器。由于P2口作为输出端口，无需外接地址锁存器，连接电路简单，因此，将P2口引脚作为小车行进状态控制端，控制小车电机驱动芯片工作在不同方式下。下图3-3为控制小车运行状态的引脚锁定及流程图：P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5IN1IN2IN3IN4EN1EN2SST89E516RD电动小车控制图3-3 小车运行控制引脚锁定及流程框图IN1、IN2控制左侧两个电机正转及反转，IN3、IN4控制右侧两个电机正转及反转。EN1为左侧两电机控制使能端，EN2为右侧两电机控制使能端。下表3-1为P2.0P2.5各端口在不同电平组合状态下小车的运行状态。表3-1 小车运行状态表IN1IN2IN3IN4EN1EN2小车状态101011直行010111倒车100011左转001011右转XXXX00停车3.2 电机驱动控制设计 智能小车区别于普通的电动玩具小车的最大特点是：可以智能调节小车运行状态。如改变其运动方向、运动速度。在接收到外部主控单片机发出的指令后，能迅速做出“应答”，这就需要电机驱动芯片发挥作用。主控单片机发出指令给电机驱动芯片，驱动芯片接收到单片机指令后，通过输出端口控制电机迅速作出相应动作。本设计采用PWM调速技术来实现小车转向、调速控制，因为设计的电动小车为四驱控制，装配4个直流电机，采用左、右侧两组4个电机独立控制。图3-4 L298N Multiwatt封装外形图经过之前论证分析后，决定选用L298电机驱动芯片。L298双全桥步进电机专用驱动芯片，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298如图3-4所示，内部包含4信道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。恒压恒流桥式2A驱动芯片L298内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V。可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。主控单片机SST989E516RD电机驱动芯片L298直流电机单片机作为核心控制器，由I/O口发出各种高低电平组号信号，控制L298。L298接受到单片机控制信号，输出控制信号给电机，完成相应运行动作。直行左转右转倒车图3-5 电机驱动控制流程图通过图3-5，可清楚看出单片机电机驱动芯片直流电机的三级控制结构。采用此种控制结构，各级职责明确，结构清晰易于实现。3.3 PWM调速控制设计 本设计采用的是基于PWM原理的H型驱动电路实现调速功能。采用H桥电路可以增加驱动能力，同时保证了完整的电流回路。具体电路如图3-6所示：图3-6 H型驱动模块原理图图3-6中当U1为高电平， U2为低电平时， Q3、Q6管导通，Q4、Q5管截止，电动机正转。当U1为低电平，U2为高电平时，Q3、Q6管截止，Q4、Q5管导通，电动机反转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流，通过四个保护二极管 D1、D2、D3、D4 接入回路，防止电子开关被反向击穿。 采用 PWM 方法调整电机的速度，首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时，频率对电机运行的平稳性有较大影响，脉冲频率高,马达运行的连续性好，但带负载能力差，脉冲频率低则反之。当脉冲频率在 100Hz 以下时，电机转动有明显的跳动现象，小车不能连续顺畅运行。经反复试验，选择脉冲频率1000Hz，电机转动较平稳，控制效果较佳。脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，其表达式1为： 1式中P为电机两端的平均功率；为电机全速运转的功率；K 为脉宽。 当 K=1 时，相当于加入直流电压，这时电机全速运转， ；当 K=0 时，相当于电机两端不加电压，电机靠惯性运转。 当电机稳定开动后，有(f 为摩擦力 ) 则 2所以， 3由3式可知智能小车的速度与脉宽成正比。 由上述分析，U1、U2这对控制电压采用了1000Hz 的周期信号控制，通过对其占空比的调整，对车速进行调节。同时，可以通过U1、U2的切换来控制电动机的正转与反转。对于L298驱动芯片，内部已集成2个H桥，只需在使能控制端EN1、EN2加载PWM波，通过调节PWM波的占空比，即改变加载到电机两端的电压平均值，来实现调速功能。当IN1端为高电平、IN2端为低电平时，二极管D1到D4导通，电机正转；反之，二极管D3到D2导通，电机反转。IN3、IN4端控制方法与IN1、IN2端相同，不再赘述。下图3-7为Mutiwatt15封装形式的L298驱动芯片引脚及外形图。图3-7 L298引脚及外形图表3-2列出了L298的各引脚功能。表3-2 L298引脚符号及功能表引脚功能Mutiwatt15封装1 、15SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用是可以接地2 、31Y1、1Y2输出端，与对应输入端（IN1、IN2）同逻辑4Vs驱动电压，最小值需比输入的低电平电压高2.5V5 、7IN1、IN2输入端，TTL电平兼容6 、11EN1、EN2使能端，低电平禁止输出8GND地9Vss逻辑电源，4.57V10 、12IN3、IN4输入端，TTL电平兼容13 、142Y1、2Y2输出端，与对应输入端（IN3、IN4）同逻辑下图3-8为L298驱动小车电机的PROTEUS功能仿真图。L298需要两个电压，一个为逻辑电路工作所需的5V电压Vcc，另一个为功率电路所需的驱动电压Vs。为保护电路，需加上八个续流二极管，二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来确定。二极管要有足够的回复时间和足够电流承受能力。图3-8 L298驱动电机PROTEUS仿真图在编写完成Keil C调速、转向程序，与PROTEUS软件进行联合仿真后，通过单片机SoftICE方式在线调试。 经多次实际测试，采用PWM技术进行小车调速、转向操作具有如下优点：（1）电流一定连续（2）可使电动机在四象限中运行（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通（5）低速平稳性好，调速范围较大3.4 传感器设计电动小车在行进过程中需要实时监测小车车路转速、里程及黑线检测。当小车偏离跑道时启用偱线程序，使小车做出微调，保持直线行走。每当检测到标志黑线即作出相应动作反应，如降速、停车、倒车返回等动作。通过测速传感器实时监测小车运行速度、里程，这些都离不开传感器的设计。 3.4.1 黑线检测传感器设计根据此前方案论证，选用红外反射式光电传感器，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。如图3-9所示。由实验器材室提供的黑白线检测传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器，主要用于黑白线检测。有效探测距离达 5cm。这款黑白线传感器受可见光干扰小，输出信号为开关量，信号处理较简单，可以广泛应用于机器人寻迹、智能小车偱线等场合。图3-9 红外反射式光电传感器表3-3为选用的黑线传感器电气特性、外形尺寸说明。 表3-3 红外反射式光电传感器技术参数电气特性外形尺寸U:5VDC长(L):20mmI:20mA宽(W):9mmSn:0-5cm高(H):9mm上拉电阻：1K下图3-9为黑线传感器的电路连接图：红蓝黄VCCVCCOUT图3-9 红外反射式光电传感器红线接电源VCC，蓝线接地，黄线为信号输出端，外接1K上拉电阻后接VCC。输出信号与单片机外部中断端口相连。在实际测试过程中，当黑线传感器在白纸上探测时，万用表测试电压显示为3.75V，当检测到黑线时，测试电压显示为3.73V。经多次反复试验发现，传感器监测黑线灵敏度还是非常高的，当黑线出现时，其电平会立即发生跳变，其跳变为0.02V。因为黑线传感器输出不是标准开关量电平信号，不能被单片机端口采集到，所以考虑利用741放大器搭建差分放大电路。下图3-10为用PROTEUS仿真软件搭建的放大电路。图3-10 741差分放大电路参考端电压值为3.73V，将黑线传感器输出接到放大器正向端，经差分放大200倍后，即可得到4V电压，能够触发单片机外部中断。1. 路面标志黑线检测 如图3-11所示，跑道上共有6条黑线，小车每检测到一次黑线，黑线计数器加1，最终计够12条黑线，黑线传感器计数程序结束。A B C D E F G 0.5m起点1 2 入限速区3 出限速区4 压线5 停车（10s）6 停车12 压线11 出限速区10 入限速区9 8 倒车返回7 图3-11 小车跑道黑线分布图使用单片机外部中断端口进行黑线检测，端口初始化为高电平。当黑线传感器检测到黑线时，端口变为低电平，开中断0，黑线计数加1。C语言源程序如下：void int0(void) interrupt 0 /int0外部中断 blackline+;/黑线检测计数接通小车的电源开关后，小车开始运动。在到达限速区之前以全速行驶，当检测到第3条黑线的时候开始减速，同时对小车进行测速，当低于最低速度时，加速一段时间，然后继续减速前进。如果通过限速区的时间超过8S，或者检测到第4条黑线，则开始全速行驶。当检测到5条黑线时又开始减速行驶，到第6条黑线时停车。10秒钟后，同前面过程原路返回。总的小车程序设计流程图如图3-12所示：开始全速行驶第3条黑线刹车速度过小智能加速慢速行驶第5条黑线定位停车10s全速行驶第4条黑线或8s倒车，相同过程驶回到起点第6条黑线图3-12 小车程序设计流程图当黑线计数为12时，即小车到达终点线。当小车前面的黑线传感器检测到要停车压线的黑线时，延时，再检测，如果没检测到黑线，则减慢速度反相行驶，如此循环，直到延时后依旧可以检测到黑线。这样可以实现精确地定位。关闭单片机计数器T1，使小车停车，并停止行驶时间计时和速度、里程测量。C语言源程序如下：if(blackline=1 &blackline=12)duty_cycle=0; en1=0; en2=0; p20=0; p21=0; p22=0; p23=0; TR1=0; /关闭t1,小车行驶时间计时停止2. 小车偱线直行设计本设计要求小车沿直线跑道行进，但小车在行进过程中可能偏离跑道，因此需设计偱线程序，保证小车在偏离跑道后调整行进方向，沿直线行走。AB循线传感器SensorB循线传感器SensorA小车跑道直行黑线图3-13 小车偱线设计示意图上图3-13为小车偱线设计中传感器安放示意图。在小车车体下两侧分别安装黑线检测传感器SensorA、SensorB。当小车沿黑线行进时。两侧传感器均未检测到黑线，都为高电平；当小车左偏时，小车右侧传感器检测到黑线，SensorA为高电平，