智能小车测速系统设计

1、内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题目：智能小车测速系统设计 学生姓名： 学号：专业：测控技术与 仪器班级：2009-1指导教师：孙采鹰讲师摘要近年来， 随着我国经济建设的高速发展，机动车辆拥有量也在急剧增 长，交通事故也日益增多，车辆超速成为了越来越严重的问 题。而我国生产的汽车、摩托车电机转速测量系统大多使用 动圈式模拟测速。这种测量系统存在精度差、过载能力弱等 缺点。 本次的智能仪表综合训练的主要任务是设计一个智 能小车，要求实现小车能够直走、 通过光电传感器进行测速、 通过PWM电路模块进行调速以及通过 LCD1602液晶模 块进行脉冲、速度、PWM的占空比三个参数的显示。控制

2、板的设计以8位的STC89C52单片机为控制核心，驱动板 则以L289N驱动芯片为核心，应用光电传感器和LCD液晶模块，成功的实现了小车的测速、调速和显示功能这三大 功能。课题完成了光电传感器、单片机、控制板、驱动板选 择，采购接口电路的设计和连接以传感器和电路的安装位置 和方式的安排，并完成了整个硬件的安装工作。除此之外， 还对整个控制软件进行设计和程序的编制以及程序的调试， 并最终完成了软件和硬件的融合，基本实现了智能小车要求 实现的预期的功能。关键词：智能小车；光电传感器；驱动 芯片；LCD液晶模块；单片机I目录第一章绪论1 1.1问 题的提出1 1.2设计思路2第二章方案论证3 2.1

3、控制核心的选择及其简介 3 2.1.1 STC89C52RC 单片机简介 4 2.1.2 小车控制板简介 7 2.2 小车驱动方式选择 10 2.3 光电测速 模块 11 2.4 LCD1602 显示模块 12 第三章 系统硬件设计 16 3.1 车体结构及其驱动电路 16 3.2 测速模块的设计 18 3.3 PWM 调速模块的设计 21 3.3.1 PWM 硬件电路的设计 22 3.3.2 PWM 电路的使用方式及连线 23 第四章 系统软件的设 计 25 4.1 主程序的设计 25 4.2 测速模块程序的设计 26 4.3 PWM 调速模块程序的设计 28 4.4 LCD1602 液晶显

4、示程 序的设计 28 总结 30 参考文献 31 附录 1 原理图 32 附录 2 源程序 35 附录 3 实物图 41 II 第一章 绪论 1.1 问题的提 出 当今世界，科学技术日新月异。传感器技术和自动控制 正在飞速发展，机械、电气和电子信息已经不再明显分家， 自动控制在工业领域中的地位已经越“智能 ”这个词也已经成为了热门词汇。现在国外的自动控制和传感来越重要，器 技术已经达到了很高的水平，特别是日本，比如日本本田发 明的机器人，其仿人双足行走已经做得十分的逼真了，而且 还具有一定的学习能力，据说这机器人的智商已达到了 6 岁儿童的水平。 作为机械行业的代表产品 汽车，其与 电子信息产

5、业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特 点：一是电子装置占汽车整体（特别是轿车）的价值量比例 逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方 向发展，汽车电子产业也很可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点：二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、 同时具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。 无容置疑， 机电一体化人才的培养不论是在国外还是在国内，都开始重 视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如： 亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛、 全国大学生 “飞思卡 尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生 对机电一体化

6、的兴趣与强化机电一体化的相关知识。所以作 为机电一体化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水 平并超过之而努力。 为了适应机电一体化的发展在汽车智 能化方向的发展要求， 提出简易智能小车的构想， 目的在于： 通过独立设计一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整 体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方 法。所以立 “基于单片机的智能小车测速设计 ”一题作为尝试。 这项设计是以采购的小车为基础， 采用 16 位 STC89C52RC 单片机作为控制核心，逐步实现测速、调速、显示这三大功 能。 本次设计主要解决问题是如何实现所要求的三大功能， 最后完成硬件实物的组装，并编制相关程序，使

7、其实现功能 的融合， 做出具有预先要求功能的实物。 11.2 设计思路 本 次设计的硬件框图如 1-1 图所示 电源 LCD1602 液晶 PMW 调速 显示 单片机 STC89C52RC 测速 电机驱动板 电机 1-1 图 这次的智能仪表综合训练是基于单片机的智能 小车测速系统，这次设计所使用的测速传感器为光电测速传 感器，在单位时间内计算脉冲的次数，然后再进行转换和处 理即得到所测量的速度。 通过 PWM 调速模块结合软件进行 调速，还有通过 LCD1602 液晶屏显示脉冲、 占空比和速度。 通过 Keil 进行软件编程、编译、链接、调试以及用 Proteus 画图进行仿真，编出能够满足要

8、求的程序。最后用 STC-ISP V38A.exe 把生成的 16 进制的文件下载到单片机即可。 2 第二章 方案论证 智能小车的总体结构如下：智能小车由各 零部件组成，零部件主要有智能车底盘一个（ TT 马达直流 减速电机 2 个，电机固定座 2 个， 65MM 轮胎 2 个，万 向轮2个，有机玻璃板一块）,单片机1块，LCD1602液 晶显示模块 1 个，测速套装 （模块 100 线码盘） 2 套， USB 转 TTL 模块 1 个，控制器 1 个，驱动器 1 个， 6V 电池 组 2 块。本次设计通过光电传感器进行测速、 PWM 调速模 块进行调速、 LCD1602 液晶模块进行显示。具

9、体原理是： 把 100 线的光码盘安装在减速电机的转轴上，由于车轮也 与减速电机的转轴连接，因此车轮与光码盘是同步的，它们 具有相同的角速度。光码盘与光电传感器是配套使用的，光 电传感器安装在光码盘的旁边。当电机转动时，光码盘也随 之转动。光电传感器输出 TTL 电平，当光码盘无缝时输出 高电平，光码盘有缝时输出低电平，轮动一圈输出的脉冲数 根据码盘线数来决定。因此当光码盘转动时，光电传感器就会有脉冲输出。光电传感器脉冲输出端接在单片机的P32、P33 口，也就是接到了外部中断 0 和外部中断 1 上。通过 外部中断服务在单位时间内进行脉冲数的计算。在本次设计 中采用定时器 T1 进行 1 秒

10、定时。 在这 1 秒钟的时间内把 测量到的脉冲数进行处理，转换成速度。调速部分需要硬件 和软件结合。 L289N 驱动芯片里有两个 H 型电桥，分别用 来控制两个减速电机。 有两个使能端， 分别是 EN1 和 EN2 ， 它们分别控制着 IN1 和 IN2 、IN3 和 IN4 。当 EN1 和 EN2 为高电平时，两路电桥接通， 减速电机运转， 当 EN1 和 EN2 为低电平时，两路电桥截止，减速电机断电，停止运转。本 次设计的小车使用也很方便，只需打开一个开关按键，小车 就跑起来，速度、脉冲和占空比都在 LCE1602 液晶屏上显 示出来。 下面根据设计要求，针对各模块需要完成的功能，

11、本着简单、实用、廉价、容易操作、稳定的原则，对各个模 块进行充分理论分析和方案论证。 2.1 控制核心的选择及其 简介 本次设计的小车具有测速、调速以及参数显示的功能。 由于需要实现的功能不多，因此用一般的 51 系列的单片机 就可以实现，由此选择了 STC89C52RC 单片机。该单片机 价格便宜、工作稳定、操作方便、功能齐全、性能稳定等优 点深受广大单片机爱好者好评。 32.1.1 STC89C52RC 单片 机简介 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控 制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程 Flash,使

12、得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、非常有 效的解决方案。具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字 节 RAM ，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KBEEPROM ， MAX810 复位电路， 三个 16 位 定时器 /计数器， 一个 6 向量 2 级中断结构， 全双工串行口。 另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模 式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM 、定时器 /计数 器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被 保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中 断或硬

13、件复位为止。 最高运作频率 35MHz ， 6T/12T 可选。 特 性方面： 1.STC89C52RC 单片机。 2.8K 字节程序存储空间。 3.512 字节数据存储空间。 3.内带 4K 字节 EEPROM 存储 空间。 5.可直接使用串口下载。 6.AT89S52 单片机。 7.8K 字节程序存储空间。 8.256 字节数据存储空间。 9没有内 带 EEPROM 存储空间。 参数方面： 1. 增强型 8051 单片 机， 6 时钟 /机器周期和 12 时钟 /机器周期可以任意 选择， 指令代码完全兼容传统 8051.2.工作电压：5.5V3.3V （5V 单片机）/3.8V2.0V （

14、3V单片机）3.工作频率范围：0 40MHz，相当于普通 8051的080MHz，实际工作 频率 可达 48MHz 4. 用户应用程序空间为 8K 字节 5. 片上集 成 512 字节 RAM 4 6. 通用 I/O 口（ 32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口 /弱上拉， P0 口是漏极开路输出， 作为总线扩展用时， 不用加上拉电阻， 作为 I/O 口用时， 需 加上拉电阻。7. ISP （在系统可编程）/IAP （在应用可编程）, 无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（ RxD/P3.0TxD/P3.1 ）直接下载用户程 序，数秒即可完成一 片 。 8. 具有 E

15、EPROM 功能 。 9. 具有看门狗功能 。 10. 共有 3 个 16 位定时器 /计数器。即定时器 T0 、T1 、T2 。 11. 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 。12. 通用异步串行口（ UART ），还可用定时器软件实现多个 UART 。13. 工作温度范围：-4085C（工业级）/075C（商业级）。14. PDIP 封装 。 引脚说明 单片机 STC89C52 如下 1-1图所示2-1图 单片机1. Vss:第20个引脚，功能是电源 地。5 2. Vcc :第40个引脚，功能是电源引脚。正常操作、 空闲

16、、掉电以及对 OTPROM 、 Flash ROM 编程或校验进的 工作电压。一般为 2.76.0V（ 89C5X、 89C5XX2 电源电压一 般为5.0V）。3. P00P17:作为I/O 口使用时，P0 口是漏极开路双向口，向口锁存器写入 1 时， I/O 口引脚悬空， 是 高阻输入引脚；在读写外部存储器时， P0 口作为低 8 位地 址/数据总线。4. P10P17:内部带有弱上拉的准双向口I/O口，作为输入引脚使用前， 先 使向 P1 口锁存器写入 1， P1 口引脚上拉至高电平。 P10P11 口除了作为一般 I/O 口使用外，还具有第二输入 /输出功能。 T2（P10） 定时器

17、T2 的 计数输入端或定时器 T2 的时钟输出端。 T2EX （P11） 定时器T2的外部触发输入端。5. P20P27:内部带有弱上拉的准双向 I/O 口，作输入引脚使用前，先向 P2 口锁存器 写入 1，使 P2 口引脚上拉至高电平。 在读写外部存储器时， P2 口输出高 8位地址信号 A15A8。6. P30P37:内部带有 弱上拉的准双向 I/O 口，作输入引脚使用前，先和向 P3 口 锁在器写入 1 ，使 P2 口引脚上拉至高电平。 P3 口除了可 作为一般的 I/O 口使用外， 还具有第二输入 /输出功能。 RXD （P30） 串行数据接收（输入）端。TXD（P31） 串行数据发送

18、（输出）端。INTO（ P32）外部中为0输入 端。 INT1 （ P33 ） 外部中断 1 输入端。 T0（ P34） 定时/计数TO的外部输入端。T1 （ P35）定时/计数T1的 外部输入端。WR（ P36）外部数据存储器写选通信号，低电平有效。RD（ P37）外部数据存储器读选通信号， 低电平有效。7. RST:第9个引脚，功能是复位信号输入 端，高电平有效。 8. ALE ：第 30 个引脚。低 8 位地址锁 存信号。9. PSEN :第29个引脚。外部程序存储器读选通 信号，低电平有效。从外部程序存储器取指令时，每个机器 周期 PSEN 信号被激活两次。 只有执行外部程序存储器中的

19、 指令时， PSEN 才有效，而执行其它操作时 PSEN 无效。 10. EA/Vpp ：第 31 个引脚。 外部程序存储器读选通信号， 低电 平有效。 11. XTAL1 ：第 19 个引脚。片内晶振电路反相放 大器输入端， 接 CPU 内部时钟电路。 12. XTAL2 ：第 18 个 引脚。片内部晶振电路反相放大器输出端。 62.1.2 小车控 制板简介 小车控制板如下 2-2 图所示 2-2 图 控制板 本 控制器采用双层板设计，布局合理，线路精密， 40 位单 片机卡座可兼容 51 系统及 STC 所有系列单片机，采用晶 振 12M ，大电流供电端子设计及优质电源开关及优质复位开 关

20、设计，指示灯设计等。 单片机接口与电源和 GND 采用 三位一排方式排列，有效解决了常用三位引线传感器电源输 入的问题，预留有串口无线模块接口排座、超声波接口、 LCD1602 和 LCD12864 液晶接口 及 （亮度可分别通过两 个滑动变阻器调节） TTL 程序下载接口等。 关于供电，外 接电源 69V ，本控制板采用 AMS-1117-5.0 稳压之后给单片 机供电，使单片机工作更加稳定。 关于程序下载，本控制 板是 TTL 接口直接引出，下载程序必须接一个 TTL 转 USB 的模块连接到电脑的 USB 口，正常识别串口后， 便可 以下载。下载时，先选择下载文件，其次点击下载按钮，最

21、后再按开关接通电源便可正常下载，如果发现不能正常下 载，首先要检查线路是否接对，其次调一下波特率，正常都 能解决。 7 接口如下 2-3 图所示 2-3 图 小车控制板 接口 说明 标号 1：电源供电端子， 69V 输入， VCC 接正极， GND 接负极。 标号 2：电源供电指示灯。 标号 3：电源开关。 标号 4：复位按键。 标号 5：串口数据接收指示灯。 标号 6：串口数据发送指示灯。标号 7： 程序下载接口，TTL 接口，从下到上的顺序依次为VDD ，RXD ，TXD ，GND 。标号 8：单片机 IO 口，接口引脚说明请参考单片机说明资 料。 标号 9：VDD 。 标号 10：GND

22、 。 标号 11：LCD1602 液晶屏亮度调节变阻器。 标号 12：LCD12864 液晶屏亮度 调节变阻器。 标号 13：AMS-1117-5.0 稳压管。 标号 14： LCD1602 液晶屏接口。 标号 15：LCD12864 液晶屏接口。 8 标号 16 ：超声波接口。 标号 17：单片机 IC 座。 标号 18：串口无线模块接口。标号 19：单片机 IO 口，接口引脚说明请参考单片机说明资料。 标号 20：VDD 。 标号 21： GND 。 标号 22：晶振， 12M。 标号 23：P0 口上位排阻。 2.1.3 小车驱动板简介 小车驱动板如 2-4 图所示 2-4 图 小车驱动

23、板 L289N 模块输入输出关系如下表所示 ENA IN1 IN2 电机运转情况 H H L 正转 H L H 反转 H IN1 IN2 快速 停止 9L X X 停止 2-1 表 产品参数说明 1.驱动芯片： L298N 双 H 桥直流电机驱动芯片。2.带光耦驱动隔离功能，带正反转指示灯和电源指示灯。3.驱动部分端子供电范围 Vs ： 5V35V 。 4.驱动部分峰值电流 Io：2A。 5.逻辑部 分端子供电范围 Vss：5V7V 。 6.逻辑部分工作电流范围： 036mA 。 7.输入电压范围：低电平： -0.31.5V ，高电平： 2.3VVSS。8使能信号输入电压范围：低电平：-0.3

24、1.5V （控 制信号无效），高电平： 2.3VVss （控制信号有效）。 9.功 耗：20W。（温度 T75度时）。10.存储温度：-25130度。11.驱动板尺寸：57mm50mm33mm （带固定铜柱和散热片高 度）。 12.关于调速： PWMA 和 PWMB 输入不同的占空比 就可以分别调制两个电机的速度，如果不需要调速，悬空即 可。 2.2 小车驱动方式选择 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， 此方案的优点是电路较为简单缺点是继电器的响应时间慢 易损坏寿命较短可靠性不高。 方案二： 采用由集成了双极 性管组成的 H 桥电路芯片 L298

25、N 。用单片机控制晶体管使 之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。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 桥 电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的 速度很快， 稳定性也很高， 是一种广泛采用的调速技术。 综 合两种方案的优缺点， 决定选择方案二。 102.3 光电测速模 块 光电测速模块如 2-5 图所示 2-5 图 光电测速模块 模 块参数 1 .供电电压： 5V。2.输出信号： TTL 电平（码盘无缝隙时输出高电平，码盘有缝隙时输出低电平）。转动一圈 输出脉冲数根据码盘线数决定。3.接线说明：红色接 5V，黑色接 GND ，绿色接 OUT。1

26、00 线光码盘如 2-6 图所示11 2-6 图 光码盘 注意事项： 1.固定时需要轻拿轻放， 以勉 损坏光码盘。 2 .固定时要确保码盘缝隙能够放在光电传感器的凹槽里。 3.由于光码盘是安装在小车底盘的底部，尽量在水平的地面行走，以勉碰坏光码盘。 2.4 LCD1602 显示模块 系统采用 1602 液晶显示，它可以显示 216 个字符，同时 只用 11 个 I/O 端口， 它不仅节省了单片机的资源， 相比较 数码管液晶显示更加直观、节能，同时在硬件上面液晶的驱 动电路比数码管简单的多，故采用 LCD 显示。 LCD1602 液晶屏如 2-7 图所示。 12 2-7 图 1602 字符型液晶显示 LCD1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门来显 示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位能成， 每个点阵字符都可以显示一 个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔， 起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此，所以它不能 显示图形。 目前