【《单片机控制的智能吸尘车系统硬件和软件设计案例》4500字（论文）】

单片机控制的智能吸尘车系统硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u27028单片机控制的智能吸尘车系统硬件和软件设计案例 1222391课题来源 1209492系统方案设计 2147512.1确定控制方案 2216762.2控制方式的选择 2140682.2.1选择单片机芯片 2137602.2.2避障检测模块的选择 2185982.2.3电机模块的选择 285842.2.4选择电机驱动的模块 3255552.2.5系统基本组成 3289392.3系统工作原理 3236213系统硬件设计 4297953.1系统功能分析与架构设计 4100723.1.1对所用系统功能的分析 4170163.1.2整体系统结构 490373.2模块电路设计 5162833.2.1STC89C52单片机的电路设计 5281593.2.2E18-D80NK红外避障传感器模块电路设计 7230073.2.3对按键电路的设计 8282303.2.4对L298N电机驱动电路的设计 9126523.2.5驱动电路DB681风扇设计 1034844系统软件设计 11215264.1软件设计流程 11193884.2软件编译 12120304.3主程序流程图 131课题来源任务书2系统方案设计2.1确定控制方案该小车设计主要由STC89C52MCU集成电路、红外避障传感器模块、按键控制电路、L298N驱动电路、12V电池盒电组成电路、风扇驱动电路等。先确定本系统所要实现的功能和需求，本系统要实现的功能主要有自动运行、自动避障和自动吸尘功能。经过了解和研究的有关数据认识到，红外线感应器是设备的重要功能之一，像超声波测距系统一样，红外线感应器虽然没有测距功能,不过在有障碍物时，它可以表现出电平的改变，并且很便宜易得，非常适合简易的避障。2.2控制方式的选择2.2.1选择单片机芯片STC公司的STC89C52数字MCU控制器作为主控制器，STC89S52是一款低输出功率、高性能的CMOS8位单片机，具有系统可编程闪存寄存器中的8K。单片机功耗低，接口技术多样，成本不高，完全可以满足设计要求。2.2.2避障检测模块的选择系统系统采用红外光电开关。由于红外方向性强，在光学介质中可以传播很远，所以红外常用于距离的测定和汽车障碍物监测等。红外障碍物检测和绕过障碍物模块是利用红外发射器向一定方向的红外，红外在空气中迅速传播，方式当遇到障碍物时，红外接收器会立即返回，并由相关集成电路接收到的反射光进行处理，以确定障碍物的位置和间距。这个模块纯模拟集成电路，结构简单稳定。2.2.3电机模块的选择采用一般直流驱动电机。直流电动机拥有优良的调压特性，调速稳定简单，调节范围较广，过载能较强，可经受较高频的冲击负荷，能进行高频的无级速度起步、制动和反转动作，可适用于各类不同的特种工作条件。因为普通的直流电机更容易买到，成本更低，电路工作更简单，所以选择直流电机作为主电源。2.2.4选择电机驱动的模块采用集成双极管组成的H桥电路芯片L298N。利用单片机控制系统晶体管，使其工作在所谓开关状态的高占空比，并精确调整电机运转速度。而这个集成电路工作在管子的饱和截止模式下效率非常高，H桥电路也能够简单地进行速度和方向调节，速度快，稳定性也很高，是一种应用广泛的调速技术。2.2.5系统基本组成（1）电动机模块：选用L298N作为电力驱动器模块，左右前轮各一个直流减速电机驱使，直流电机转换扭矩大、响应速度应快、占用位置小、重量轻，具备了较好的调速能力。通过控制两个轮子上的直流电机的转速，实现达到控制小车左右轮转向的目的。（2）电源模块：利用18650锂电池作电源，供给的12V电可为L298N电源的驱动模块使用，从而驱动电动机。避障模块驱动模块避障模块驱动模块单单片机电路路直流电机电源模块吸尘模块图2-1基本组成图2.3系统工作原理本次设计主要制作一个能自动运行避障的吸尘小车系统。系统采用STC89C52为控制核心，选择L298N作为控制启动单元，左右前轮配备两个直流电机，并选择红外避障传感器为避障单元。使用模块化的设计可以方便调试和组装，在调试过程中方便处理各种问题，利于优化程序及模块。车体硬件部分选用左右两轮驱动，车尾万向轮，方便实现小车的转弯和直行，完成预先的任务，单片机位于尾部，可以使小车在转弯时不会因为车体较重而发生侧翻等不利于设计的情况，因此模块在小车的位置上要反复确认，最终做出最好的情况。软件部分的总体设计，首先初始化各个模块，检查模块是否连接到单片机。然后由红外防撞模块检测是否有障碍物，随后启动电机组，再由红外线探测于定位模块反馈信息，进而由单片机遥控直流电机，当左边监测到障碍物，左轮减慢，向右转，当右边监测到障碍物，右轮减慢，向左转。当左右都不能侦测到障碍物，保持左右轮相同的速度小车直行吸尘。3系统硬件设计3.1系统功能分析与架构设计3.1.1对所用系统功能的分析此次设计主要由STC89C52MCU集成电路、红外避障传感器模块、按键控制电路、L298N电机控制电路、12V电池盒电路组成、风扇控制电路等。智能小车通电后，按下启动按钮，智能小车向前行驶。同时，风扇开始旋转吸尘。如果左侧的红外避障传感器检测到障碍物，则小车左侧的直流电机减速并右转。如果右侧的红外避障传感器检测到障碍物，小车右侧的直流电机会减速并左转。按下暂停键，小车电机停止运转，同时吸尘系统停止运行，吸尘结束。3.1.2整体系统结构整体系统框图如图3-1所示。图3-1系统框图3.2模块电路设计3.2.1STC89C52单片机的电路设计STC89C52是STC公司设计制造的低输出功率、高性能CMOS8位微控制器、8K字节系统可编程闪存。STC89C52虽然采用了经典的MCS-51内核，但做了很大的改进，使芯片具备了传统51单片机所不具备的特性。由于在单个芯片上，具有更多系统中的智能8位CPU和可编程Flash使STC89C52成为各种嵌入式控制技术应用操作系统的智能、超高效解决方案。有以下标准特性：8K字节闪存、512字节RAM、32位I/O电缆、看门狗定时器、内置4KBEEPROM、MAX810复位电路、3个16位定时器计数四个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统的515级中断结构），全双工串口。此外，STC89C52还可以降为0Hz静态逻辑系统运行，支持两种软件可选择省电模式。在空闲模式下，CPU停止管理工作，并允许RAM定时器/计数器、串行端口和中断继续工作。使用在保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止所有工作，直到下一次中断或硬件复位。最大工作频率35MHz、6T/12T可选。一、STC89C52主要特性如下：（1）8K字节的程序存储空间。（2）512字节的数据存储空间。（3）内部有4K字节EEPROM的存储空间。（4）自己可以通过串口下载。二、STC89C52MCU相关管脚说明：（1）VCC：指的是供电电压。（2）GND：指的是接地。（3）P3.0RXD表示串行输入口。（4）P3.1TXD表示串行输出口。（5）P3.2/INTO表示外部中断0。单片机又名为单片式微控制器，是把一种计算机技术系统整合在同一个芯片里，也可以理解为，一种单片机就是一种计算机技术控制系统，它具备的容积小，功耗低，而且价格相对低廉，便于集成化，在未来普及智能化设备的浪潮中，单片机具有不可替代的重要地位。在众多的嵌入式单片机类型中，STC89C52比较普通51单片机类型的芯片而言，显著提高了数据处理性能、减少了功率的消耗、并优化了内部电路设计，同时STC89C52在采用经典的MCS-51内核方面也有了很大提升，使该系统具备了普通51单片机所不具备的性能，STC89C52为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活和有效的解决方案。单片机引脚如图3-2所示。图3-2单片机引脚图对比其它类型的单片机，发现STC89C52有更好的兼容性、较高性价比，而且也是常用单片机芯片之一，对后期的软件编程能提供更多的资料参考，因此选择它满足本身的需求。三、STC89C52单片机的最小系统：STC89C52的最小系统集成电路由复位集成电路、时钟电路和电源电路组成。有了这三部分电路，系统就可以正常在工作中。STC89C52的最小系统原理图如图3-3所示。图3-3单片机最小系统原理图3.2.2E18-D80NK红外避障传感器模块电路设计单片机E18-D80NK-N这是一款集发射、接收为一体的光电传感器，可调节发射发射光，将接收头解调为反射光丢失，有效避免可见光的干扰。镜头的应用也使得传感器能够探测到最远80厘米（由于红外光的特性，各种检测到的彩色物体的最大距离也不同，白色物体最远，黑色物体最近）。障碍物距离可根据需要通过尾部电位器检测旋钮进行调整。该传感器具有检测距离远、可见光影响程度小、价格低廉、安装方便、使用方便等优点，广泛应用于各种机器人避障、计件等多种场合。用例：生产线货物自动计量装置、多功能提醒仪、迷宫机器人、红外避障传感器内部电路图如图3-4所示，红外避障传感器模块接口原理图如图3-5所示。图3-4红外避障传感器内部电路图图3-5红外避障传感器接口原理图红外避障传感器模块如图3-6所示。图3-6红外避障传感器模块3.2.3对按键电路的设计触按键是电子设备按键产品的细分，其实是电子产品中的一个开关，轻轻一按就可以通电源上，基本原理一般是利用轻触弹片内部的金属材料，实现连接和切断。在此设计中，键充当系统的输入在人机交互中起着举足轻重的作用。按钮的单片机控制管脚默认为高电平，但是当按下按钮时，单片机的相关管脚发生变化变为低电平有效，从而完成对系统的手动输入，关键电路原理图如图3-7所示。图3-7关键电路原理图3.2.4对L298N电机驱动电路的设计L298N驱动模块，指ST公司的L298N芯片，L298N是双H桥电机驱动芯片，每个H桥智能提供2A电流，功率部分供电电压范围为2.5-48V，5V供电逻辑部分，接受5vTTL电平。模块可直接驱动两路3-30V直流电机，配备5V输出接口，可直接为5V单片机电路系统供电，并可非常简单地调节直流电机的速度和方向。L298N电机驱动模块性能平稳，安全可靠，满足本次设计的电机驱动模块电路要求。L298N电机驱动模块接口图如图3-8所示。图3-8L298N电机驱动接口图L298N电机驱动实物图如图3-9所示。图3-9L298N电机驱动实物图3.2.5驱动电路DB681风扇设计散热风扇的工作机理是按照电能转换的原理进行的，即：电能→电磁能→机械能→动能。但由于单片机不能直接驱动振动风扇，所以选用大功率三极管BD6081来完成电机的直接驱动，电阻为限流电阻保护三极管。当单片机相关控制指南。当结构处于高电平状态时，三极管导通，风扇工作，否则风扇不转。风扇控制集成电路的原理图如图3-10所示。图3-10风扇控制电路原理图

4系统软件设计4.1软件设计流程本次设计软件部分基本上是采用C语言进行程序设计，对芯片实现控制，编程的主要模块有：主程序、定时溢出中断程序、外部中断服务程序。软件设计流程如下：Keil编译器如图图4-1所示，包含了编程过程中所需的工具。选择Project，再选择NewμVisionProject新建工程。图4-1编译器然后右键选择AddExistingFilestoGroupSourceGroup1添加文件使工程编程关联。添加文件到工程界面如图4-3所示。图4-2选择型号界面图4-3添加文件到工程界面选择.c文件，并将.c文件添加到工程，选择生成HEX文件界面如图4-4所示，然后根据设计方案编写程序代码。图4-4选择生成HEX文件界面4.2软件编译在系统基本实现后，需要对单片机系统进行进一步的测试，找出系统中的问题。通过调试，可以为将来的系统改进找到基础。本设计采用模块调试和功能调试对自动智能吸尘车进行调试，将各个模块的代码进行编写及编译。4.3主程序流程图完成最基本的吸尘车避障电路的设计后，下个目标就是在现实