【《某单片机控制清洁小车的总体方案设计分析案例》3800字】

某单片机控制清洁小车的总体方案设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u31491某单片机控制清洁小车的总体方案设计分析案例 1325501.1车体选择 2149651.2单片机控制模块选择 2137801.3电源模块选择 3282881.4电机模块选择 4276661.5避障检测模块选择 4176141.6充电模块选择 5116951.7显示模块选择 590811.8选择方案 6根据题目要求，本次设计系统采用单片作为核心系统控制处理器，用于智能清洁小车的控制。避障模块负责收集工作环境中的信息，智能清洁小车的驱动由电机驱动模块完成进，电源模块负责给单片机供电，充电模块负责电池的充电。系统总体设计方框图见图1.1。图1.1系统总体方框图1.1车体选择方案1在网上购买成品的电动玩具车，然后通过对成品玩具车进行改装实现设计。因为成品电动玩具车自带有配套齐全的车架结构、电机和配套的驱动电路。但直接购买的电动玩具车也有一些缺点，由于电动玩具车的商业属性，它的装配会很紧凑，车体上很少有空位置去添加设计中的一些元器件，不利于改装传感器和一些其他器件。第二，对于市面上常见的电动玩具车多数是由后轮对小车进行驱动，前轮为转向轮，因此，玩具车不能灵活快速地执行诸如保持原地旋转90度或180度掉头之类的功能。三是电动玩具车电动机主要是使用玩具直流电机。由于玩具直流电动机的转矩太小，空载速度快，玩具车的负载性能下降，调速变得困难。且它的价格较高，性价比不高。所以放弃这种方案。方案2直接购买亚克力车身底板，双层亚克力板具有有利于搭建其他结构模块的优点，在其上安装红外传感器容易实施。在经过多次考量后，基本制定了智能清洁小车由四轮驱动，由左右车轮转速差实现转向的车模方案。即左右四个轮分别用四个力矩和转速基本完全相同的直流减速电机作为驱动电机，且左边两个电机串联，右边两个电机串联，当左右两边电机分别进行正反转或转速不同时，就可实现智能清洁小车的转向与掉头等功能，且四轮系统智能清洁小车行驶与执行清扫任务也更稳定。最终选择方案2。1.2单片机控制模块选择本系统最重要的部分是选择适合的核心控制模块，开发小型智能控制系统时无需考虑结构复杂的嵌入式芯片，因此本文在选择控制芯片时以当前市场上应用较多的为主，属于一种单芯片微处理器。在选取本系统核心控制芯片前，要对比市场上多款主流SCM模型。(1)MSP430单片机：全球规模最大的半导体制造公司TT在市场上推出的一款16位高性能混合信号处理芯片，即为MSP430系列MCU芯片，该芯片的特征体现在能耗超低，运行速度快、计算能力强，组装指令集简单且高度集成，用户操作简单，主要在对功耗比较敏感的场景有很好的表现，如数模转换、能耗超低及计算要求高的工业自动控制领域运用。根据功能和内存大小等具体配置的差异，其分为很多个系列。从最开始的11x系列，发展到后来的33x系列和F13系列、F14系列等等。由于其实16位处理器，因此其特点是处理能力强、运算速度快。此外，其片内还有包括看门狗，定时器，以及一些常见的硬件通信接口等等。同时其也有固定的编译软件，方便开发者对其进行开发。(2)STC89C52单片机：STC单片机在长期发展下已经被我国市场所接受，是我国国产单片机的代表。STC89C52单片机是一款入门者广泛接触并使用的微处理器，其是一款8位的处理器。它日常的工作状态非常的稳定，很少出现程序跑飞的情况。其具有两个非常显著的特点，一是供电压低，二是其性能也相对较高。89C52系列单片机的引脚总数是40，其中可以进行编程的引脚一共有32个，其中分为4组，分别记做P0-P3，每组有8个，每个都是8位并行I/O口；有一个可以双向通信的串行端口，还拥有可以随时中断程序的中断源，共5个，两个中断优先级以及位数达到16位的定时器。STC89C52单片机存储分为两个部分，一部分是不可以擦除的存储部分，其程序存储器的大小是4个KB，数据存储器的大小是128个比特。另外一部分是可以擦除的部分，系统都程序都将存储在可以擦除的存储器内部，这样比较方便调试和下载。这部分空间的大小是4KB。STC89C52微控制器含有中断控制，定时器等部件，因此使用起来非常的方便，外部所需要的器件也很少，它与工业标准的MCS51指令集也相互兼容。(3)PIC单片机：PIC单片机系列产品从市场需求出发分为三个等级，分别为高级、中级、低级。美国芯片公司成立后，其生产制造的芯片销售量与销售速度让人意想不到，且PIC微控制器上运用RISC指令集结构，从性能出发可划分为三个等级。系统架构上运用哈佛双总线法，一个指令周期上的工作方式如下：在从内存中读取一条指令后再运行该指令。(4)AVR单片：AVR单片机是同样是8位的，但它的不同之处是——它是一款高速单片机。AVR微处理器内部拥有高质量的FLASH。其始终频率较高，因此他执行指令的速度很快，执行每条指令对程序带来的延时很小。但是AVR单片机内部没有类似累加器的功能，需要靠频繁反复的使用其内部的寄存器进行操作。通过分析智能清洁小车的系统，几种方案相比，MSP430单片机和AVR单片机性能虽好，但是本设计中并没有那么大的资源消耗，同时这两款单片机价格也相对STC89C52单片机来说比较昂贵。而PIC单片机存在四个地址存储区间，在编程过程中要不断选择存储区间，因此对编程造成了一些麻烦。而STC89C52单片机价格低廉，并且内存等资源完全够用。本文设计应用系统时考虑的主要因素为成本核算、功能需求及运行稳定性，STCMCU系列的STC89C52芯片稳定性强、功能完善、运行速度快，可以与8051MCU指令集相互兼容，且价格低廉，基本上可以达到系统设计需求。因此综合以上种种考虑，在本设计中采用方案二使用STC89C52作为主控制器。1.3电源模块选择在对于本次智能清洁小车系统的电源模块选择时，我考虑到小车的续航情况、性价比和环保等方面，设计了以下几种方案。方案1采用12V蓄电池做电源，经过7805三端集成稳压器将12V电压变换后为单片机供电。稳定的电压输出性能与优秀的电流驱动能力完全满足系统要求，且硬件成本低，不论是购买成本还是维修更换成本。对于电子产品适应性好。而蓄电池安装体积大，不易于在一般小型电动车上应用的缺点在本次设计的智能清洁机器人上则不存在，本次设计采用双层亚克力车板结构有足够的地方固定蓄电池，四轮驱动，所以不存在安装与运行时不方便的情况。使用蓄电池也符合小车性价比高的要求，且本次设计还要求有与智能清洁小车配套的充电装置，因此我们选择此方案。方案2采用6节1.5V干电池作为电源，经过7805三端集成稳压器变压后为单片机系统供电。虽然这种方案也能满足智能清洁小车工作室系统的要求，但考虑到小车性价比，环保等方面，放弃这种方案。综上所述采用方案11.4电机模块选择方案1步进电机的工作是通过脉冲信号来进行驱动，其一般实现的转速是相对精确的，通过程序可以控制其实现相对精确的转动。可以通过单片机控制其进行加速、减速、正转等功能。步进电动机的速度由其驱动芯片提供的脉冲频率所决定。它的速度与驱动脉冲的频率成正比。脉冲频率越高，速度越快。但它也存在着缺点，低速行驶时可能会出现异常的抖动，并且由于高速行驶时扭矩损失大且精度相对较低，因此步进电机的运行速度受到限制，不能实现快速的运行。方案2汽车的发动机大部分是使用的直流电机进行驱动的，因为其可控制性强，加速减速也快，所有被广泛的使用。其可以直接使用单片机控制其速度的变换，控制加减速的方式主要是通过控制其两端的电压的大小，也可以通过程序性控制的方式-PWM调速程序控制其占空比来实现控制其速度。故本次设计采用方案2来实现。1.5避障检测模块选择方案1用超声波传感器实现小车的避障检测功能。超声波传感器是将超声波信号转换为另一个能量信号的传感器。它是利用超声波的特性开发的传感器，超声波是频率为20KHZ或更高的机械波。它可以用于检测透明物体、液体，还可以对集装箱状态进行探测，但是，它不适用于室外高温高压环境或压力罐和泡沫物体。精度相对低于反射型光电传感器。方案2红外传感器具有高度敏感，反应快等的优点。通过将发射与接受合二为一，根据不同的需求对检测距离进行调节。具有检测距离长，抗光干扰能力强，成本低，结构简单，使用方便等特点。被大面积使用在机器人避障，流水线计数等自动化相关产品方面。经过以上分析，本设计采用方案2红外传感器。1.6充电模块选择因为智能清洁小车所用的电源为12V蓄电池，在小车充电模块所需完成的任务就是提供12V蓄电池的充电装置，所需要完成的工作为制作一个220V转12V的直流电源，通过一个220V转12V的变压器实现，在直流电源的输出端引出一个与12V蓄电池相接的端口。充电装置如下图1.2所示。图1.2充电装置1.7显示模块选择方案1用LCD液晶显示屏显示，它的原理利用穿过滤色器并产生各种颜色的白光，再通过电流调节不同像素点的透光率来完成对不同颜色的控制。LCD有许多的优点显示更加清晰，内容更丰富，信息量大，使用起来非常便利，但安装占用地方较大，智能清洁小车在固定蓄电池后车体紧凑不宜安装，且价格相对较高，功耗耗能大。方案2用LED灯来进行显示，通过了LED灯亮灭的数量来显示智能清洁小车不同的工作模式。它有格便宜、使用简单、功耗小、无热量、耐冲击等优点，而且LED灯安装简单，占用空间小，也满足车体安装蓄电池后安装空间有限的问题。综上所述选用方案2。1.8选择方案在对智能清洁小车进行反复选择，我最终确定了以下的方案：本次设计以STC89C5