机电一体化技术课程设计( 寻迹小车)

1、 机电一体化课程设计说明书目录1.整体设计11.1.车体选择11.2.驱动电机选择11.3.减速箱以及车轮选择11.4.微控制器选择21.5.传感器的选择32.机械部分介绍32.1.万向轮简介32.2.机械部分三视图33.硬件部分介绍53.1.芯片器件介绍53.2.模块功能介绍63.3.整体电路图114.软件设计部分124.1.主程序流程图125.调试与下载135.1.Keil软件介绍135.2.程序调试136.设计总结147.参考文献15附录1:相关程序16附录2:实物照片20附录3:原理图211. 整体设计1.1. 车体选择本课程设计任务为设计一款基于简易远程无线遥控小车，手机上的上位机通

2、过蓝牙向小车发送指令，小车接收到指令后做出相应的动作。由此需要首先选择合适的车体结构，只要求小车能够实现灵活转动和行走，并且成本在可以接受的范围，基于以上原因选择两轮驱动加两个万向轮均布在底盘上的结构。1.2. 驱动电机选择由于设计小车体积小，质量轻，且对小车的行驶轨迹没有很高的要求，因此选用130电机作为小车驱动电机。130电机机构简单，价格低廉，控制要求简单，输出转矩较为恒定，可以满足一般低功率场合的要求，如下图1所示：1.3. 减速箱以及车轮选择由于130电机转速（6V）约为2000-4000转/分，而小车行走时要求速度低而转矩较大，因此要选用合适的减速箱。本次设计选用的减速箱及车轮如图

3、2所示：减速箱参数为：a.无负载转速（6V）：100RPMb.无负载电流（6V）：60mAc.工作转矩（6V）： 3000mg*cm1.4. 微控制器选择本次课程设计选用40脚52单片机STC89c52。与基本型51单片机相比，在性能上有很大的提高，速度与传统型8051相比，速度更快。此外和基本型51单片机（例如STC89系列）在引脚封装和程序上有很好的兼容性，基于STC89系列单片机的程序基本无需修改就可以在该52单片机上直接运行。该单片机内部集成MAX810专用复位电路，集成了内部RC振荡器，在对时钟精度要求不高的应用中，可以不需外部晶振电路，直接使用内部RC振荡器，简化外围设计和降低成本

4、，并且提高系统的抗干扰能力。STC12C5A08S2如图3所示：1.5. 传感器的选择红外探测法，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。检测黑线，沿着黑线走。2. 机械部分介绍2.1. 万向轮简介万向轮就是所谓的活动脚轮，它的结构允许水平360度旋转。脚轮是个统称，包括活动脚轮和固定脚轮。固

5、定脚轮没有旋转结构，不能水平转动只能垂直转动。这两种脚轮一般都是搭配用的，比如手推车的结构是前边两个固定轮，后边靠近推动扶手的是两个活动万向轮。 万向轮是指安装在脚轮轮子的支架能在动载或者静载中水平360度旋转。制造万向轮的材料有多种，最普遍的材料是：尼龙，聚氨酯，橡胶，铸铁等材料。广泛应用于矿山、机械设备、电子设备、医疗设备、工程装修、纺织、印染、家俱、物流设备、仓储、周转车、机箱、机柜、设备、机电、无尘车间、生产流水线、大型超市等众多行业和各种领域。 根据其不同的用处，轴承分铁芯，铝芯，塑芯，尺寸1寸至8寸不等。其中铁芯,铝芯一般为重型承重轮，使用时常配备刹车器具。2.2. 机械部分三视图

6、主视图如图4所示：左视图如图5所示：俯视图如图6所示：3. 硬件部分介绍3.1. 芯片器件介绍3.1.1. 主控芯片STC89C5251单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。本次课程设计选用宏晶40脚LQ

7、FP封装的单时钟/机器周期（1T）52单片机STC89C52。其主要性能参数为：(1)8052CPU，1T，单机器/时钟周期，指令代码完全兼容传统8051(2)工作电压：3.5V-5.5V(3)工作频率：0-35MHz,相当于普通8051的0-420MHz(4)用户应用程序空间：2K(5)片上集成128字节RAM(6)40个通用I/O口，可设置为四种模式：准双向口/弱上拉、强推挽/强上拉、仅为输入/高阻、开漏，每个I/O口驱动能力均可达20mA，但整个芯片不能超过120mA(7)时钟源：外部高精度晶振/时钟、内部RC时钟：11MHz-17MHZ(8)共4个16位定时器(9)7路外部I/O口中断

8、(10)两个通用全双工异步串行口(UART)3.1.2. 蓝牙转串口模块HC-06透传模块蓝牙转串口模块HC-06透传模块。其主要性能参数为：1） 核心模块使用HC-06从模块，引出接口包括VCC,GND,TXD,RXD,预留LED状态输出脚，单片机可通过该脚状态判断蓝牙是否已经连接，KEY引脚对从机无效2）led指示蓝牙连接状态，闪烁表示没有蓝牙连接，常亮表示蓝牙已连接并打开了端口3） 底板3.3V LDO，输入电压3.66V，未配对时电流约30mA，配对后约10mA，输入电压禁止超过7V！4）接口电平3.3V，可以直接连接各种单片机（51，AVR，PIC，ARM，MSP430等），5V单片

9、机也可直接连接，无需MAX232也不能经过MAX232！5）空旷地有效距离10米，超过10米也是可能的，但不对此距离的连接质量做保证6）配对以后当全双工串口使用，支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式。7） 在未建立蓝牙连接时支持通过AT指令设置波特率、名称、配对密码，设置的参数掉电保存。蓝牙连接以后自动切换到透传模式3.1.3. 电机驱动芯片L293DL293D是美国德州仪器（Texas Instruments）生产的微型电机驱动集成电路芯片，支持Vcc 4.5-36V，最大输出电流为1A。由于其驱动能力有限，多应用于小型机器。其主要性能特点为：（1）每通道具有600mA的驱动能力

10、 （2）共1.2A驱动能力（3）芯片过热保护功能 (4）逻辑“0”电压输入上升到1.5V其内部框图如图7所示：图73.2. 模块功能介绍3.2.1. ISP接口、主控芯片、晶振及复位电路电路图如图8所示：复位电路由一个0.25W的10K电阻，一个10uF的电解电容组成。为了兼顾单片机进行串口通讯数据传输得到理论上为零的误码率，因而外部高速晶振电路采用11.0592MHz的石英晶振，同时选用30pF的调整电容。ISP接口直接用2.54mm的标准插针接出，方便程序下载调试。3.2.2. 电源开关、滤波及指示灯电路图如图9所示：图9电源滤波采用220uF电解电容做低频滤波，采用瓷片电容104做高频滤

11、波。电源指示采用LED，同时采用1K电阻做限流电阻。限流电阻阻值计算方法为： 公式中R为限流电阻阻值，Vcc为电源电压，0.7为LED正向导通压降，I为LED正常工作电流，一般为3mA-10mA，常取值为5mA。通常在设计中限流电阻取470或1K。3.2.3. 电机驱动指示电路电路图如图10所示：图10电机驱动选用L293D，能满足设计性能要求，并且价格便宜。L293D输出端用标准插针接出，便于组装调试。同时电路设计是还在输出端使用LED显示L293D的输出状态，如果电机正转时D1灯亮，那么电机翻转式D1灯熄灭，同时D2灯亮，由此方便程序调试，图中R7和R8为限流电阻，阻值计算方法与上例相同。

12、3.2.4. LED流水灯及蜂鸣器电路图如图11所示：图11LED流水灯常用于调试程序时输出调试信息，或者在产品应用中用于指示信息。图中采用共阳极连接方式，同样使用1K电阻做限流电阻，用J2做开关，工作时，J2短接，当在LED灯的阴极输出低电平，LED灯导通发光，输出逻辑高电平，LED截止。蜂鸣器常用语输出警示信息，由于单片机I/O口输出电流有限，因而图中使用PNP型三极管Q5作功率放大，图中Q5工作于饱和区，也就是起开关及功率放大的作用，R13作限流保护作用，当BELL端输出逻辑零时Q5导通，输出逻辑高是Q5截止，通过Q5一定频率的通断，可以使蜂鸣器发出一定音调的声音。3.2.5. 数码管显

13、示电路图如图12所示：图12数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等数码管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发

14、光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。电路中使用的是共阳极4位数码管，其中Q1、Q2、Q3、Q4为PNP型三极管，工作于饱和区，完成功率放大的同时，也做开关，也称为段选通道，P3口作为数码管显示的数据口。3.2.6. 插接件及按键原理图如图13所示：图13插接件常用于外围传感器与主控板之间的电源、信号连接，具有结构简单，使用灵活，接触可靠等优点。按键是最常用的输入器件，如电路中说示，当按下K1时，P2.4引脚被拉低，当单片机检测时会得到逻辑低信号，当按键放开时，由于内部上拉电阻的作用，单片机检测是会得到逻辑高信号，因而实现了信息的输入。值得注意的

15、是，由于机械按键在按下时会产生机械抖动，而相比机械抖动而言，单片机读引脚的而速度很快，因而为了防止按键按下时由于抖动而出现只按下一次而检测到多次按下信息，常常在检测到第一次按下之后，加一个延时，等待按键抖动停止而后再处理。3.2.7. 光电传感器模块电路图如图14所示：图143.3. 整体电路图主控板整体电路图如图15所示：图154. 软件设计部分4.1. 主程序流程图图16所示为主程序main()的程序流程图，进入程序后，根据TCRT5000型光电传感器检测的值，让程序做出判断，然后判断转向，完成沿着黑线行走，直到走完整个赛道，根据检测情况调用相应的函数，控制小车的行进、停止、左转及右转。5

16、. 调试与下载5.1. Keil软件介绍Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容

17、易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可

18、以直接写入程序存贮器如EPROM中。5.2. 程序调试 本次设计所用程序使用Keil uV4开发调试，程序调试编译成功如下图所示：6. 设计总结本次课程设计是对过去所学专业知识的一次全面而综合的运用，在这次设计过程中我全面的温习了以前所学过的知识，包括机械专业知识以及单片机编程、数字和模拟电子技术相关知识以及PCB板的原理图、PCB图的绘制等知识，同时也培养了我认真分析问题、独立解决问题的能力，巩固了我对所学理论的实际运用。通过设计，使我更加接近生产实际，锻炼了将理论知识运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固和加深了有关机电一体化设计方面的知识和能力。使我更有信心在电子行业中继续学习下去。

19、在设计的过程中，我深深体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要不断思考、创新，又要注重现有资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册及相关技术资料的基本技能和以及编程、控制、PCB绘制能方面的能力。当然，由于我的知识能力和水平有限，有些地方还不是很完善，系统也存在一定的缺陷和不完善的地方，恳请老师批评指正，以便我以后更好学习和进步。7. 参考文献1 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10 2 时德刚，刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10 3 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .5 4 李华.MCU-51系列单片机实用接

20、口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 6 5 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉：华中理工大学出版社，1999.4 6 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6. 7 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.7 8 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.10 1 附录1:相关程序课程设计程序文件：寻线小车程序.c#include <STC12C5A60.H>#define uint unsigned intsbit s1=P27;sbit s2=P2

21、6;sbit s3=P25;sbit s4=P24;sbit s5=P23;sbit s6=P22;sbit s7=P21;sbit d1=P01; sbit d2=P02;sbit d3=P03;sbit d4=P04;sbit d5=P05;sbit d6=P06;sbit d7=P07;sbit o0=P14;sbit o1=P13;sbit o2=P12;sbit o3=P11;uint tab6;int zhuan=4,zhuan_c=0; /zhuan记录黑线所在位置同时也是转向信号，zhuan_c为记录本次扫描和上次扫描相差位置void delay(uint x)int i,j;for(i=x;i-;i>0)for(j=5;j-;j>0);void scan()d1=s1;d2=s2;d3=s3;d4=s4;d5=s5;d6=s6;d7=s7;tab3=s4;tab2=s3;tab6=s7;tab1=s2;tab5=s6;tab0=s1;tab4=s5;void dispose()uint i,j=0;for(i=0;i<7;i+)/把传感器数值相加，如果正常情况只有一个数组为1，相加结果应为1，排除交叉线干扰 j=j+tabi;