【《基于STC89C52单片机的智能简易电动车设计》8600字】

绪论1.1课题的背景及意义世界汽车行业为顺应现代社会发展要求，正朝着智能、安全、节能、环保的方向发展，美国、日本及欧盟等国家和地区的高科技公司、研究机构亦在无人驾驶、新能源领域频频发力，并取得了开创性成果。中国汽车工业经过近60年的发展，工业总产值占全国工业总产值的比重达到4.5%，占全国GDP的比重达1.46%。中国汽车市场目前已是全球最大单体汽车市场，年产销量分别占世界汽车产销量的26.44%和26.62%，但千人汽车保有量仅为世界平均值的70%，发展空间较大[1]。伴随我国经济的迅速发展，先进的汽车技术和现代公路交通系统也在不断完善，人类对汽车的依赖程度和汽车的使用量也在逐年上升，人类交通出行结构发生了根本性的变化[2]。当然，凡事都具有两面性，汽车增多的同时，也带来了各种各样的问题，比如对环境的污染和道路的行驶安全。但是机动车会越来越多，这是发展的必然。如果是一味地增加道路或者是对道路的加宽，根本上还是无法解决这些问题。从目前的交通状况已经发展趋势进行分析，只有对现有的交通系统进行智能化才是这些问题的根本方法。现在的道路交通状况是一个形成的闭环系统，由人、车、路组成，其中，人是此系统的关键核心。所以，对人的变化将对交通安全产生积极的影响，即无人驾驶车辆。对智能化的研究已经成为我们国家赶超世界科技的重要任务。智能汽车具有成本低、知识面广、易于扩展等特点。这几十年以来，中国科技发展迅速，汽车的智能化就是科技的其中体现。其中就有将避障、避障和循迹等功能应用于智能机器人。本世纪的必然发展趋势是将传统与智能进行融合。改革开放以来，虽然我们国家大力倡导与发展科技发展，然而，和世界上其他的发达国家对比下，我们国家对智能的创新能力还需大大提高。高校智力竞争日益普遍，大学生对电子知识的热爱和研究推动了智能车辆的发展，让我们的生活更加舒适和智能。根据有关报告，汽车产业将与目前发展迅速的互联网企业进行结合，促进汽车产业的的发展，这也全世界各个国家的发展趋势，我们国家要看准机遇，抓住机遇，在我国的汽车产业以及其他领域借此机遇发展突破，这也有助于我们国家现代化的发展[3]。1.2国内外研究现状20世纪50年代以来，随着传感器和控制算法的发展和完善，西方发达国家发展迅速。通过研究智能汽车在汽车中的应用和智能手机的联通，发现智能汽车在军工和生活中有着广阔的发展前景，在智能汽车的研究上投入了大量的资源，在智能汽车的研究和建设中，安全性是最重要的因素。在智能交通车辆的控制系统中，自动驾驶直接影响到交通的稳定性，因此，自动控制作为智能车辆控制系统的重要组成部分，吸引了大量专家和科学家进行广泛的研究，并取得了许多优秀的成果。目前，智能车在卡内基梅隆学院研究所成功研发，命名为“Navlab-5”，此车辆能感受到具有信息融合、图像理解、车辆侧控功能，大学还研制出一种类似“流浪汉”的智能车，智能车具有多种环境感知功能，在非结构化动态环境中实现学习和自反射功能，实现千公里外沙漠的自主控制和手动遥控。法国的机器人侦察系统在gie-sirano公司与法国国防局共同开发成功。无人驾驶汽车。机器通过无线电和光缆与遥控器保持联系。操作员可以通过遥控器获取图像，并使用监控摄像头，然后将无线图像传输到控制台。控制器通过显示图像信号和无线监控来工作。控制信号传输，实现其任务。随着自主品牌汽车正向开发能力的提高，汽车生产企业也越来越重视对声品质测试与分析能力的建设，并取得了喜人的进步。中国智能车的开发相对较晚，但取得了长足的进展，目前国内有代表性的研究机构，也取得了重要成果，清华学院智能车能在构造化的环境中自动跟踪轨道，保持道路处于准静态环境，防止在困难条件下停车，提高视野。2003年，在高速公路上对它进行了测试，在自动跟踪状况下，时速可达100/km，但是在150/km的情况下，它只能跟踪一条白线。还需发展进步。1.3题目研究方法智能小车的追踪功能主要是根据各种感应器检测小车的行驶状况和位置，将检查到的数据发给单片机进行分析，然后由主控部分发出命令。智能汽车可以编程停止和启动、方向和速度控制，无人为干扰，操作员可以通过更改智能机的特定程序或部分数据来改变驾驶状态。其目的是识别智能信息系统，实现车辆的独立性。传感器接收到的实时信号进行一种合理有效的路径检测算法。本系统通过对牵引力的处理来接收数据的位移和角度，根据这些数据来对小车进行控制。本系统的设计是以实验为基础，根据得到的大量的实验数据为路径信息系统的优化奠定了基础，确定了摄像机的最佳高度和角度，保证了在各种复杂道路上检测到的路径信息能够保持较高的精度和稳定性。提出了解决问题的方法。根据系统的不同功能模块进行设计，保证了局部问题的及时检测、优化和解决，提高了系统的整体稳定性和实验的调试效率。

2电动车整体结构及工作原理2.1整体结构智能小车以STC89C52为核心处理器，前两车轮负责驱动及转向，后面两个车轮为支撑作用。主要包括电机组件，电源组件，红外循迹组件，遥控组件等组成。作为这个系统的控制器，这次用L298N驱动电机，电机和H电桥的工作电源采用AMS1117-3V3三端稳压集成电路制造的稳压电源。由于普通电机体积小、扭矩大、速度快、电路相对简单，因此采用直流电动机作为动力源。2.2工作原理智能车的驱动依靠前两个轮子，左前轮和右前轮分别由直流电动机驱动。通过车轮转动方向，实现转向控制功能。后面两个轮子用作支撑。使用红外传感器对路线进行检测，这是用红外线的反射特性进行检测的，红外线在颜色深浅不同的表面上，会有不同的反射强度，然后根据红外接收器接收到红外线数据，传递至单片机进行处理。在小车接通电源之后，车头的红外发射器会一直发射红外光，从而会形成漫反射。小车的红外线投射到白色地板上，地板对光有反射，那么反射的光线就会被车头的红外线接收管接收到，然后会将接收到的信号传输给单片机进行处理。如果发射的红外线是投射到黑线上时，不会发生反射光，小车就是根据红外线传感器是否接收到红外线来处理小车的行驶方向[4]。在小车的车头部位安装红外线传感器，传感器接收到的所有信号都会传送给单片机，单片机根据信号强度调整旋转角度。当遇到障碍物时，小车便会即改变方向以适应新的道路进行行使。在小车的尾部，设计一个模式按键，通过轻触按键来选择小车的模式，本系统下小车共有三种模式，分为避障模式、循迹模式和红外遥控模式，分别对应用LED灯的1、2、3来表示，将系统通入电源时，进入初始模式状态为红外线循迹。当第一次轻触模式切换按键的时候，LED显示“2”，即进入避障模式，再按一次模式切换按键时，此时LED显示“3”即进入遥控模式。红外遥控分为两部分组成，即发射和接收。通过使用一些外围设备，可以实现发送和接收的功能。具备元器件少，抗干扰力强，靠谱性高等优缺点[5]，遥控器可以对小车的行驶方向进行遥控，遥控器上有四个按键，分别控制小车的四个方向。发射器对红外遥控器进行编码和调制，然后通过电转换器将其传送到红外接收器，红外遥控的过程由此完成。

3系统的硬件设计3.1单片机控制设计STC89C52处理器有多个部分组成，包括微处理器、数据存储器、程序存储器、并口I/O、串行口、中断系统、特殊功能存储器，单片机就是将这些基本的部件进行集成，由一个有限的集成电路进行工作。这些部件的连接方式都是由片上总线进行连接，它的大致结构依然是核心处理器加一些外围线路，其他的部分功能模块进行操控，所以需要使用到有特殊功能的寄存器对其进行统一的控制方式[6]。本系统对硬件控制的是依靠单片机的最小系统，系统使用的单片机内部置有ROM/EPROM的微控制器。这款最小系统是STC89C52处理器构成的，具有多种优点，其中包括系统简单，工作可靠，而且这是现在最小的系统，这需要将时钟电路和复位电路这两部分和单片机连接到一起。一般来说，程序内存越大，芯片价格就越高，我们要根据自己的需要选择芯片，只要程序可以安装，同一芯片的不同型号就不会干涉其它的功能。智能车的转向控制需要对车辆运动学或动力学系统进行控制，建立合理的车辆系统模型，不仅是设计转向控制器的前提，也是实现智能车自动驾驶的基础[2]。3.2系统各部分设计3.2.1红外线循迹部分本系统采用红外发射器和接收器组成。小车的循迹功能是依靠红外线发射器发射的红外线投射到不同颜色的物体上，进行不同的反射，根据反射的程度不同，传至单片机处理。红外线在白色地板上会有反射，当它降落在黑色平面上时被吸收。红外发射器的工作原理：红外发射器和发光二极管类似，也是一种LED灯，打开后能产生人眼看不见的红外光。接收器是黑色的LED灯，红外光的多少会影响它内阻的大小，根据黑光吸收的原理[7]，当小车在前进的过程中，如果遇到黑线，红外线几乎不会反射，接收管自然也接收不到，继续保持高电平行驶，然后以LM393为比较器，将接收到的所有信号传递至单片机的I/O口进行处理，从而完成小车的循迹功能。循迹电路原理图如图3-1所示：图3-1循迹电路原理图小车的循迹功能的外部电路设计，要把参考的电压和模拟的电压信号进行对比，所以使用了LM393比较器，这款比较器是输入为模拟信号，以二进制信号作为输出，而且要求输出需要保持不变，不受以上两电压的影响，故比较器也可以当做A/D转换器进行使用[8]。在构建道路检测电路时，通过设置电位计的阈值来判断光是否被反射。根据阈值，单片机需要TTL电平，所有需要将数字信号进行转换成TTL信号，然后传递至单片机。LM393电路原理图如图3-2所示：图3-2LM393电路原理图3.2.2避障部分本系统避障部分电路由单片机、比较器L393、红外发射对管等元器件构成，广泛应用于智能车辆的避障原理中。红外传感器是一种常见的障碍传感器，根据其工作特点和工作方式，感应避障距离约10cm，持续输出（TTL电平），方便可靠，为了保证避障的准确性，在安装红外收、发对管时，应跟小车保持平行，这样便可以准确对小车正前方的障碍物及时发现。红外避障连接电路如图3-3所示：图3-3红外避障连接电路图3.3电源部分设计电源部分是小车的动力来源，所以电源的保证是小车的基础。同时，也要考虑电源的转换效率，提高利用率。为了减少对电源部分的影响，需要对系统的其他部分进行针对性的调整，从根本上解决有可能对电源产生影响的隐患，电源部分是所有元器件工作的基础，必须要做够重视。电池有平衡身体重心的作用，另外，电流分为两个方向，一个是控制系统和传感器电源，另一个是驱动电路的电源，在电机两端分别添加0.1uF去藕电容。因为单片机对电源的稳定性有较高的要求，所以电源要经过AMS1117-3V3稳压芯片，然后对单片机进行供电处理，这样就能保证单片机获得稳定的电源。稳压芯片电路如图3-4所示。图3-4AMS1117-3V3稳压器电路原理图

4电动车驱动电路与PWM闭环调速系统4.1直流电机驱动电路L298N控制驱动电路，利用电子开关形成H型PWM电路。H型控制电路通过单片机控制电子开关的控制组，保证了系统的可靠性，简单地控制车速和方向。电动车在自动行驶过程中，控制系统要实时获取两方面信息：外界环境信息，确保自身位置处于控制范围内；车辆状态信息，以确保车辆自的稳定性[2]。电路工作在晶体管的饱和和关断状态，效率高；电子开关速度快，稳定性好。所以直流电动机的驱动大部分都是采用H桥驱动。在本系统中，驱动直流电动机的是L298N集成H桥驱动电路，单片机将PWM信号输入L298N电路中，用于控制车速、启动和停止。它可以很容易地驱动两个直流电机，如图4-1所示。直流晶体管的基本原理不同于均衡器[9]。相位不会影响晶体管，只在开关模式下工作。当晶体管接通时，电源电压施加到发动机上；当晶体管关闭时，直流电源与发动机分离，发动机通过二极管续流，两端的电压为零。如果脉冲时间恒定，则只改变晶体管周期时间，即通过改变脉冲宽度来设置直流速度。单片机控制直流电动机电路图见附录A。当电动机的转速为零时，线圈中的电流急剧增大，电动机长时间处在这种状态下，势必会将发动机导致过热而损坏。电动机在刚开始接通电源的时候，内部线圈也会产生过大的电流，但是，当电动机正常运转起来以后，就会恢复正常，不会对电动机有严重损坏。工作原理是：U5A会经过RS1，此时就会出现负脉冲，在对其进行微分以后，555的2引脚会被其触发，电路会被重新置位，所以3引脚就会产生高电平，因为7引脚处在开路状态，积分器是C1、R5和U6A组成的，这时将开始进行积分。然后电容器C1充电的电压会均速的加大，延时积分常数为100R5C1。如果充电电压超过C1，所以6引脚的电压与VCC相比之下，会超出它2/3左右，电动机的启动时间很短，大约在0.8秒以内就能完成，C1的充电时间和电动机的启动时间相比会长一些，但一般也会在1秒以内完成。U5A输出电平会与555的3引脚通过U7相或，若是C1的充电时间小于U5A的输出低电平，U7会对C1进行充电，然后就会低电平输出，通过与门U8输入进L298N的6引脚，也就是ENA端，那么此时电动机就会停止转动。若C1的充电时间与U5A的输出电平相比较，略大于U5A的输出电平，那么6引脚不会被触动，电动机开始转动。电动机在刚启动的时候，会形成一个短时间的过流电压，因为有长延时电路，它会把这些过流电压吸收，那么电动机也就会正常的工作。在低速状态下，电动车整体控制较为平稳，调节过程缓和，并没有较大的起伏[2]。图4-1L298N直流电机驱动电路原理图4.2PWM闭环调速系统介绍本系统采用的PWM控制器，具有多种优点。因为它工作可靠，使用起来也较为方便，同时还对脉宽调制器的调制进行了简化，被广泛认可。在反馈控制系统当中，使用的是闭环控制，它比开环控制的精度要高，所以闭环控制更适合本系统的使用[10]。不管在什么情况下，只要把控制量和规定值各自隔离开，那么就会达到我们预期的控制期望，偏差也会消失。闭环控制系统的优点主要是不太容易受到外界的干扰，而且元器件的变化也不会对它有太大的影响。在单闭环速度控制中采用PI控制器，它可以对系统的的反应特性，进行完善。系统在稳定状态下的误差几乎为零，如果在快速的操作下，系统反应的速度会略为下降，此时封闭系统是困难的，主要是因为在切换电路的时候无法完全控制转矩[11]。此外，单闭环控制器系统在变速后才能才能对其控制，而且它的抗干扰能力较弱，对速度的控制有两个要求，一是要对制动器快速启动，二是要对阻值和电网的影响降到最低。据有关分析，电动机的最大允许恒定电磁转矩就是阀门最大允许恒定电流。若阀门的电流固定值最大临界值，电动机将会以固定的速度前进。随后电枢的电流将会降低到和负载电流相等的数值，调整电枢电流是为了不受电网影响，综上所述都与电枢电流的控制有关，所以被控变量就是对电枢电流的控制，从而完成双闭环控制系统。PWM闭环调速系统电路如图4-2所示。图4-2PWM闭环调速系统电路图

5软件的设计5.1软件的设计概述本系统的硬件设计已经完成，下面就是对智能车的程序进行编程，软件程序主要是围绕对两个直流电动机的控制以及各个传感器收集的数据进行处理。最重要的部分是直流发动机的控制。直流电机的正反转决定了它的左转、右转和直行。在循迹和避障时，单片机总是采用增量控制方案，即在行驶过程中，对路面信号进行不断采样，然后随时调整方向。外部的信息通过各个传感器进行收集，然后传至单片机，根据不同的信号，做出相应的程序动作。在对不同的模块进行划分后，软件的编程将分为循迹、避障和红外遥控这三个部分，最后将这三个部分进行整合，由一个按钮对程序进行切换，来控制小车的行驶。本系统程序都是根据STC89C52单片机进行编程的，也由单片机进行处理。小车的软件部分使用MDK开发平台来进行编写程序[12]，使用STC软件将编写好的程序烧写进单片机调试，由于红外遥控程序和避障、循迹算法较为完善，红外对管原理的使用也比较熟练，因此在调试小车程序的时候还是比较顺利的。整个智能小车的软件设计方面，大致可分为两部分，即数据处理和过程控制。小车根据收集到的外部数据做出处理，所以数据处理是首要的，它其中包括数据采集，将信号传送至单片机进行处理，只有合适的设计，才能控制小车的协调运行。5.1.1循迹子程序流程图避障模块的简单流程图如图5-1所示，当打开小车开关，电源接通，电源指示灯随即亮起，此时小车处在初始状态下，即进入循迹程序，小车会在提前设定的环境下进行测试，首先小车开始匀速行驶，利用红外线接收到的黑线反射信号，传送至单片机进行处理，根据单片机传出的信号，做出动作，当左边的红外接收管接收到反射光时电平处于高位，此时小车向左转向。如果右边的红外接收管感应到了红外光线，则反之。若没有接收到反射光，小车会保持现有的方向行进。5.1.2避障子程序流程图避障模块的简单流程图如图5-2所示，当打开小车开关，电源接通，小车的指示灯亮起，此时小车的处在默认状态循迹模式下，按一下程序控制键，随即进入避障模式的状态，首先小车开始直线前进，同时车头的红外发射管会一直发出发射信号，接收管会保持接收状态，红外接收管接收到的信号会传至单片机进行处理，小车会做出相应的动作避开障碍物。如果没有信号被检测到，小车会继续按照原方向行驶，同时传感器会从低电平转为高电平，小车转向保持不变。图5-1循迹流程图图5-2循线模块流程图5.2调试与结果分析5.2.1测试方法接通电源开关，平坦的路面上进行测试，将小车放置在预先布置好的跑道上进行循迹测试，因为小车初始状态为循迹模式，所以不用按程序切换按钮即可进行测试以检测车辆是否能成功完成循迹功能。（2）按下程序切换按钮按键进入避障模式，接下来在小车路线上放置一些障碍物，当小车接近障碍物是检测小车是否可以成功避开障碍物。（3）按下两次程序切换按钮，使用红外遥控器上的方向键键进行前后左右这四个方向的测试，首先检测小车能否进行前进和后退，然后在检测是否可以左转右转。在这个测试过程中，小车的速度都是匀速前进。在这个过程中需要进行多次测试，并记录数据进行分析，调整因为各种原因而导致测试结果的偏差。5.2.2测试结果将对应的程序通过软件烧写到单片机后，接下来对小车进行了多次的实验，根据多项实验结果，小车可以更好的实现跟踪、避障、红外遥控功能。对实验结果进行分析，发现小车在循迹和避障实验中会存在一些偏差，在遥控方面的成功率较高，在后来经过仔细的分析发现，误差的原因主要是跑道设计的不合理的和运行环境光线过强有关，对一些欠佳的方面还需进行改进。结论本系统是以STC89C52单片机为核心处理器，外围装置各种传感器，以及软件的编程，才实现跟踪、避障和红外遥控功能。通过实验，智能小测最终实现了控制要求。在设计过程中，用H桥控制驱动系统作为小车理论基础，强调硬件简单实用，软件编程灵活方便。通过本次设计，我们可以充分把握理论与实践的结合，用我们的理论知识和专业技术来完成设计，充分发挥其作用，在本次设计中，我们不仅运用了电动机理论知识，还运用了电路知识，充分发挥电子、调速等方面的知识，使我们了解到综合应用。提高我们的应用能力，充分运用所学知识，以达到应用的目的，我们所学的东西使我们明