自动往返电动小汽车论.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 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 ，车速控制等模块组成。本系统设计的自动往返电动小汽车，是在玩具电动车的基础上改装而成。它采用AT89C51单片机作为核心器件对小汽车行驶的自动控制。控制过程是采用发光二极管和发光三极管组成的对射式红外光电传感器识别路面黑线信息，以实现控制电动小汽车的自动停车。同时辅以显示电路，显示小车往返的时间。简而言之，就是运用单片机的运算和处理能力来实现小车的开启、前进、停车、定时、返回等智能控制系统。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。最后在基本完成设计任务要求和自己能力下，以自己的理解再对设计中部分模块提出一些改进的方案。关键词：AT89C51单片机；自动控制；传感器 AbstractSmart 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.The automatic electric car in the design is modified from toy electriccar. It uses AT89C51 microcontroller as a core device for automatic control of car driving.The Control process is that using the infrared photoelectric sensors which is composed by light-emitting diodes and light-emitting transistor radio detections the Information of the black line on the load,in order to achieve control of electric cars automatically.Then complemented by a display circuit,showing the cars round-trip time. In short,the design is to realise an intelligent control system by using the microcontrollers computing and processing power to achieve the car opening, forward, stoping, timing and returning. The circuit structure of the system is simple and its reliability can be high. Finally,after finishing the basic tasks required in the design, making some improvements of some modules of the design.Key words: At89C51； Automatic control；Sensor 目 录 引 言11 绪论11.1 设计背景11.2 设计概述11.3 设计任务和主要内容22 系统方案论证与分析32.1 主控单片机模块32.1.1采用凌阳16位单片机32.1.2采用89C51单片机32.2 电动机模块42.2.1采用步进电机42.2.2采用直流电机42.3 电机驱动模块42.4 电源管理42.4.1采用单电源供电42.4.2采用双电源供电52.5 路面黑线探测模块52.5.1采用对射式红外光电传感器52.5.2采用反射式红外光电传感器52.6 计时模块62.7 显示模块62.7.1采用LED数码管62.7.2采用LCD液晶显示63 自动往返小汽车系统设计73.1 主控单片机功能设计73.1.2单片机硬件结构73.1.2单片机引脚锁定103.2 电机驱动控制设计113.2.1 L298驱动原理123.2.2电机驱动电路设计143.3 黑线检测电路设计163.4 LCD液晶显示功能设计183.4.1 1602资料介绍183.4.2 显示电路设计213.5 系统设计中改进和拓展的部分223.5.1增加语音模块223.5.2小车刹停车模块254 自动往返电动小汽车系统软件设计265 硬件制作及调试265.1 系统PCB板的设计295.2 硬件调试30结束语34谢 辞35参考文献36附 录37桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 44 页 共44 页引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。运用单片机的运算和处理能力来实现小车的自动前进、停车定时、后退和黑线传感器检测等功能，可液晶实时显示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。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，并促使单片机产生中断实现小车自动停车。智能小车采用一块AT89C51单片机作为其检测和控制核心。选用SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥电机专用驱动芯片L298作为小车电机驱动，同时可利用PWM技术动态控制电动机的转速。利用液晶显示电路小车显示运行的时间。1 绪论1.1 设计背景随着科学技术的发展，人们对于各种工具的要求越来越高，自动化越高就越受欢迎，对于交通工具的要求也是这样，人们希望汽车可以根据主人的想法，自动开往目的地，而不需要人的操作。虽然科学家正在研制这种汽车，但在近几年还不能普及，所以人们想见正真的全自动汽车还不可能，但我们完全可以用单片机做为控制核心来制作一辆全自动的小车模型。单片机的产生使得我们的电子世界变得丰富多彩，原本无法实现的设计和想法而逐渐变为现实。本设计也是以单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动电路，黑线检测电路，显示模块组成，并加以软件程序实现。本小车模型的设计可以提高我们对单片机的理解和掌握，将理论知识应用与实践，是非常有意义的。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现人工启动后自动行驶、跑道终点标志检测、准确定位停车、定时、自动返回功能。 1.2 设计概述智能小车是一个运用传感器、单片机、信号处理、电机驱动及自动控制等技术来实现环境感知和自动行驶为一体的高新技术综合体，它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用。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。它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自动检测停车、倒车返回等各种运动形式。另外这辆小车还可以通过液晶或数码管实时显示一次往返时间和行驶距离、行驶速度。1.3 设计任务和主要内容自动往返电动小汽车任务：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。允许用玩具汽车改装，但不能用人工遥控（包括有线和无线遥控）。跑道宽度0.5m，表面贴有白纸，两侧有挡板，挡板与地面垂直，其高度不低于20cm。跑道、起跑线和终点线自己定。 要求：（1）车辆从起跑线出发（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（以车辆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）。小汽车在跑道上自动往返行驶，如图1-1所示：图1-1 小车跑道顶视图注：起跑线和终点线我们都设置为黑线。所以：1. 小车从起跑线B出发（人工开启小车） 2. BC小车以最快速度行驶 3. 小车在检测到终点黑线标志C是便立即停车，定时10s后自动返回到B 2 系统方案论证与分析自动往返智能电动车采用89C51单片机进行智能控制。开始由手动启动小车，并复位，当经过规定的起始黑线，通过发光二极管和光敏三极组成的发射接收电路检测黑线标志，通过单片机控制小车实现小车停车、定时，并显示行驶时间。本系统的方框图如图2-1所示：图2-1系统原理框图2.1主控单片机模块2.1.1 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，具有功能强、效率高的指令系统：nSPTM的指令系统的指令格式紧凑，执行迅速，并且其指令结构提供了对高级语言的支持，这可以大大缩短产品的开发时间。低功耗、低电压：nSPTM家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式，空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗，另外，nSPTM家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电等优点，而且如果要在系统设计要求的基础上实现更多功能，如语音控制、小车避障等，选择凌阳单片机是一个不错的选择。但本设计要求实现的功能较少，使用一般单片机就可以，因此决定不再使用此方案，考虑其他方案。2.1.2 采用89C51单片机对于单片机中央处理系统的方案设计，根据要求，我们可以选用具有4KB片内E2PROM的AT89C51单片机作为中央处理器。作为整个控制系统的核心，AT89C51内部已包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整个控制系统的要求，不需要外接其他存储器芯片和定时器件，方便地构成一个最小系统。整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高。是比较合适的方案因此决定采用AT89c51单片机作为本次毕业设计的主控单片机芯片2.2电动机模块2.2.1 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。2.2.2 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。2.3电机驱动模块方案一：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。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。方案二：采用互补硅功率达林顿管TIP142T实现电机的驱动,采用该方法电路连接比较简单，稳定性好，成本低廉，但不足之处是由于使用分立元件，安装和调试相对麻烦方案三：采用集成电路驱动芯片L298，L298内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，可驱动46v,2A以下电机,1和15脚可单独引出接电流采样电阻器,形成电流传感信号，同时通过单片机控制产生PWM波，精确控制电机转速。这种电路驱动能力强，可以简单地实现转速和方向的控制，稳定性高。基于上述理论分析，本系统采用方案三作为电机驱动电路。2.4 电源管理2.4.1 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。2.4.2 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。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。2.5 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。2.5.1 采用对射式红外光电传感器用可见发光二极管与光敏三极管组成的发射接收分立对管光电传感器。这种方案检测电路简单，容易理解。但是他的缺点在于，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。2.5.2 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。不过这种方案电路设计简单，对于实现简单的黑白线检测效果还是很好的。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，考虑到本系统的主要就是检测白线跑道起始和终点黑线标准线，工作相对简单，直接采用不调制的反射式红外发射接收器就可以实现检测要求。不调制的反射式红外发射接收器有很多种类，如TCRT5000L,EE-SY410等，这里我们选择ST188传感器。2.6计时模块采用外界时钟芯片DS1302。DS1302是一种涓流充电时钟芯片，内含有一个时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口于单片机进行通讯。该时钟芯片具有极低的功耗。但本系统对计时要求相对简单，采用外界会使电力复杂化。而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。2.7显示模块2.7.1 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，但是占用单片机IO口太多，而且显示的信息不多。如果只是实现我们计划里显示小车运行时间而已，采用LED数码管已经足够了。但是考虑到以后设计的拓展，并且在经济允许之下，我们放弃了此方案。2.7.2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。而且相对于数码管，我们比较熟悉使用LCD，所以我们选择此方案。通过以上方案论述我们选择方案二，显示小车运行时间，并备做后期的设计的拓展使用。3 自动往返小汽车系统设计3.1 主控单片机功能设计3.1.1单片机的硬件结构AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。如果按功能划分，它由如下功能部件组成：一个8位的微处理器，片内为128个字节、片外最多可外扩至64k字节的数据存储器，程序存储器，具有5个中断源、2级中断优先权的中断系统，2个16位具有四种工作方式的定时器/计数器，1个全双工、具有四种工作方式的串行口，4个并行8位I/O口P1口、P2口、P3口、P4口，21个特殊功能寄存器。这些部分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。对于单片机的各个管脚：P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据，地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。由上可见，AT89C51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。本系统设计是以单片机为控制核心，辅以检测电路，电机驱动控制和时间显示电路的。相对于其他部分的设计，本系统设计中最简单、最基本也就是单片机时钟电路和复位电路了，也就是单片机最小系统的设计。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。图3-1单片机80c51最小系统(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12MHZ,电容选择30pF。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。(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。复位电路通常采用按钮复位和上电自动复位两种方式。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接通而实现的而最常用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。本设计系统使用的正是这种上电自动复位方式.3.1.2单片机引脚锁定AT89C51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，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，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。89c51单片机允许有5个中断源，提供2个中断优先级（能实现2级中断嵌套）。对于用来检测路面黑线标志，我们使用P3.2作为外部中断端口。设定为跳变触发方式，电平发生由低到高的跳变时触发。下面图3-2为外部中断接收、处理并发出相应控制指令流程框图：AT89C51单片机黑线检测P3.2（）单片机控制小车相应运动方式-停车图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）。P1口是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据，地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。本设计用P1口作为LCD显示部分的连接时接上拉排阻。 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：电动小车控制AT89C51P2.2P2.3IN1IN2EN1图3-3 小车运行控制引脚锁定及流程框图IN1、IN2控制小车后面电机正转及反转， EN1为其电机控制使能端。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。由前面面的讨论我们采用专门的电机驱动芯片L298N。使用驱动芯片L298N可以很容易实现本设计系统要求的小车前进和倒车返回，如图3-4：图3-4电机驱动控制流程图通过图3-4，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。3.2.1 L298驱动原理L298的内部结构为两个H桥电路，H桥电路原理如3-5所示: 3-5 H桥驱动电机原理图如图3-5所示，H桥式电机驱动电路包含4个三极管（中间四个）和一个电机。要使用电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。当Q3管和Q6管导通时，电流就从电源正极经Q3从左至右穿过电机，然后再经过Q6回到电源负极。此时，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。即当三极管Q3和Q6导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动当另一对三极管Q5和Q4导通的时，电流将从右至左流过电机，然后再经过Q4回到电源负极。此时，该流向的电流将驱动电机逆时针转动。即当三极管Q5和Q4导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动L298N中已经将其封装好集成在一个芯片中，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。如图3-6 L298N内部功能模块：图3-6 L298N内部功能模块L298N可接受标准TTL逻辑电平信号Vss，Vss可接4.57V电压。4脚Vs接电源电压，Vs电压范围VIH为2.546V。输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便介入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA,EnB接控制使能端，控制电机的停转。表3-1是L298N功能模块EnaIN1IN2运行状态0停止110正转101反转111刹停100停止In3，In4的逻辑图与表3-1相同。由表3-1可知EnA为低电平是，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正传或反转。同为低电平时电机停止，同为高电平电机刹停。图3-7是其引脚图：图3-7 L298引脚图散热片与8脚连通1、15脚是输出电流反馈引脚，其它与L298相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。3.2.2电机驱动电路设计系统使用L298芯片驱动电机的原理图如3-8图所示：图3-8 电机驱动原理图下图3-9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，需加上四个续流二极管，二极管要有足够的回复时间和足够电流承受能力。图3-9 L298驱动电机PROTEUS仿真图3.3黑线检测电路设计设计要求电动小汽车在人工启动从起跑线出发向前行驶，当遇到终点黑线标志时停车定时10S，然后自动倒车返回起跑线。小车检测到标志黑线即作出相应动作反应，如停车、倒车返回等动作，这里就涉及到了传感器的设计。据此前我们的方案论证，采用反射式红外光电传感器ST188。反射式红外光电传感器是利用被测物体对红外光的反射和吸收来实现对被测物体的测量和计数的，要求被测物体的取样标记与本身的光洁度和颜色反差大，尽量减少外界光的干扰，光电传感器的前端面与被测物体的最佳距离为8+1.5mm。利用ST188检测黑线的电路原理图如3-10所示：图3-10 黑线检测电路原理图由于黑色物体和白色物体反射系数不同，调节红外对管和被测物体间的距离，是光敏三极管只接收到白色物体反射回来的光束。而面对于黑色物体，由于反射的系数小，几乎所有的光线都会被黑色的物体所吸收，所反射回来的光束很弱，所有光敏三极管无法接受足够的反射光。利用反射光可以使光敏三极管导通和关断，从而实现对黑色物体的分辨。当检测的物体为黑色物体时，红外光管二极管U1发射出的光线大部分被检测的黑色物体吸收，反射的光线已经很弱，光敏三极管无法导通，所以LM324A的3脚为高电平，并且与2脚的输出电压同时送入比较器LM324A进行比较。由于U3U2，使得LM324A的1脚电平输出为高，发光二极管不亮，最后输出到单片机的为高电平。当被检测的物体为白色的物体时，红外光电二极管U1发射的光线会被白纸反射回来，这时在红外线传感器的接收端会得到很强的光照，关敏三极管导通。比较器LM324A的3脚就会接地，为低电平，与2脚的电压比较后再1脚的输出端输出一个低电平。这时发光二极管就会形成回来，发出红光，输出给单片机一个低电平。将比较器的输出送入单片机中进行判断就可以判断出此时被检测到的是黑线还是白色跑道，从而驱动电机进行相应的运动。本系统里我们使用了两个红外对管ST188来检测路面黑线，并以直线式排列安装在了小车前端面。因为只是检测黑白线，使用红外对管ST188效果准确度相对很高，为了防止ST188有故障而影响检测，两个检测电路的输出我们采用了经或门电路后再输入单片机的方案。图3-11就是一个很简单实现逻辑或功能的或门电路： 图3-11 逻辑或门电路当然这个判断我们也可以再单片机里通过软件实现。3.4 LCD液晶显示功能设计3.4.1 1602资料介绍（1）LCD1602基本结构：LCD模块主要是由LCD控制器、LCD驱动器、LCD显示装置三部分组成。目前大多数的LCD液晶显示器的控制器都有采用一颗型号为HD44780的集成电路作控制器。HD44780是集控制器，驱动器于一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。HD44780是字符型液晶显示控制器的代表电路。HD44780的工作原理：在HD44780的内部与显示操作有关的部件有DDRAM、CGROM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等，各自的名称及功能为：DDRAM-数据显示用的RAM。该存储区域是用来存放我要LCD显示的资料，只要将标准的ASCLL码放入DDRAM，内部控制线路会自动将资料传送到显示器上。例如,要LCD显示字符“A”，则只需将A的ASCLL码41H存入DDRAM即可。DDRAM有80B空间，共可显示80个字（每个字为一个字节），其记忆体地址与实际显示位置的排列顺序与LCD的型号有关。CGRAM-字型、字符产生器的RAM。该存储区是供使用者自行定义设计特殊字型、字符码的RAM。CGRAM共有512bit。一个57点矩阵字型需88bit，所以CGRAM最多可存8个造型。IR-指令寄存器。IR寄存器负责存储CPU要写给LCD的命令。DR-资料寄存器。DR寄存器负责存储CPU要写到CGRAM或DDRAM的资料，或存储CPU要从CGRAM或DDRAM读出的资料，因此DR寄存器可视为一个资料缓冲区。BF-忙碌信号。BF的功能为告诉CPU LCD内是否正忙着处理资料，当BF=1时，表示LCD内部正在处理资料，不能接受CPU送来的指令或资料。设置BF的原因主要是解决LCD与CPU的速度差别。AC-地址计数器。AC的任务是负责技术写到CGRAM或DDRAM的资料的地址，或从DDRAM或CGRAM读出资料的地址。（2） LCD1602管脚功能1602采用标准的16脚接口，其中: 第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第1516脚：空脚 LCD1602自带ASCII码1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。 LCD1602的控制器指令1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2-1所示它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置指令2：光标复位，光标返回到地址00H指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符指令7：字符发生器RAM地址设置指令8：DDRAM地址设置指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据指令11：读数据表3-2 控制指令表指令序号指令动作指令编码执行时间RSRWEDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB01清屏001 0 0 0 0 0 0 0 11.64ms2光标归位001 0 0 0 0 0 0 1 *1.64ms3进入模式设定001 0 0 0 0 0 1 I/D S40us4显示器开关控制001 0 0 0 0 1 D C B40us5显示器或光标移动方向设定001 0 0 0 1 S/C R/L * *40us6功能设定0010 0 0 DL N F * *40us7CGRAM地址的设定001 0 1 CGRAM的地址（6位元）40us8DDRAM地址的设定001 1 DDRAM的地址（7位元）40us9忙碌信号或AC地址的设定011BF AC的内容AC0AC6(7位元）40us10写资料到DDRAM或CGRAM101要写到LCD的资料D7D0(8位元）40us11从DDRAM或DDRAM读出资料111读出资料D7D0（8位元）40us3.4.2 显示电路设计显示模块设计原理图如图3-12所示， 图3-12 显示模块设计原理图排阻作为上拉电阻，D0D7接P0口，作为数据传输口用。VO接可变电阻R10以调整显示对比度。P2口做数据输出端口，给LCD1602的E、RS、R/W输出所需电平。3.5系统设计中改进和拓展的部分本系统设计要求小汽车能在起点和终点线之间自动往返，主要的设计重点是在于：（1）路面黑线的检测部分的设计（2）电机的驱动部分（3）以AT89C51单片机作为控制核心 总的来说完成上面的要求，整个系统的设计性相对简单，要求实现的工作没有那么复杂。在基本完成相应功能设计同时，我认为自动往返小车的设计可以增加一些功能，使设计更加内容更加丰富，而对以本系统设计的中一些也可以改进。3.5.1增加语音模块可以给系统增加语音报时功能或是语音位置报告功能当小汽车从起点开始到终点，在终点线处停车时报告位置，比如“终点线”，之后返回起点，在到达起点停车时语音报时，即往返时间，并报告小车当前位置，比如“起点线”。而何时语音报告则由单片机外部中断口P3.2/INT0的高低电平决定。当单片机外中断口P3.2