【《单片机控制的智能小车系统的硬件和软件设计案例》4400字】

单片机控制的智能小车系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u20565单片机控制的智能小车系统的硬件和软件设计案例 124561智能车硬件设计 1258511.1主控模块 1239381.2电机驱动模块 6131301.3测速传感器模块 655161.4红外（循迹）传感器模块 879101.5液晶显示模块 986101.6舵机模块 11285451.7程序下载模块 11113561.7本章小结 12185142智能车软件设计 12274062.1主程序设计 1252322.2子程序设计 13172112.3本章小结 17222563智能车系统测试与分析 171智能车硬件设计1.1主控模块智能小车的心脏是主控芯片。主控芯片对各传感器收集到的信息进行处理，分析跑道情况，从而调节电机的速度和舵机的转向，并进行优化调整，使智能小车达到自动循迹的功能。本设计采用了STC89C52RC单片机作为主控芯片，通过信号对智能小车进行控制，智能小车整个硬件部分根据不同的功能来进行分类：单片机主控模块、电机模块、电机驱动模块、测速模块、显示模块和循迹模块。各个模块通过传感器收集信号，然后把信号发给单片机，单片机通过计算处理，控制智能小车作出相应的动作。STC89C52的引脚原理图如图1.1所示。图1.1STC89C52单片机原理图STC89C52RC引脚参数如下表1.1所示。表1.1本设计中单片机引脚资源分配编号引脚连接位置功能1VCC+5V电源电源正极输入2VSS(GND)地线接地3XTAL1振荡器反向放大器时钟振荡电路输入端晶振电路4XTAL2振荡器反相放大器的输入端晶振电路5RST复位输入复位电路6RXD/P1.0串行输入口程序下载接口7TXD/P1.1串行输出口程序下载接口8T1/P1.5定时器1的外部输入循迹模块9WR/P1.6外部数据存储器写选通循迹模块10RD/P1.7外部数据存储器读选通循迹模块LM39311EA访问外部程序存储器控制信号接电源正极12P0.0-P0.3I/O口10K排阻和电机驱动输入13P0.4-P0.5I/O口10K排阻和电机驱动使能端14P0.6I/O口10K排阻和蜂鸣器15P0.7I/O口10K排阻16P1.0-P1.1I/O口主板LM39317P1.2I/O口测速传感器18P1.4-P1.5I/O口1602显示器19P1.7I/O口1602显示器20P2.0I/O口1602显示器21P2.1-P2.7I/O口1602显示器和数码管1.1.1STC89C52RC单片机最小系统众所周知，单片机不能只靠一个芯片运行，想要工作就必须组成一个基本系统，由时钟电路、复位电路、电源电路组成，一般称为单片机最小系统，是保证单片机工作的最小模块。其原理图如下图1.2所示。图1.2单片机最小系统电源电路：查阅手册得出STC89C52RC芯片的工作电压为2.0V-5.5V，因此本设计给单片机提供了5V电压以满足工作要求。电源正极接到VCC（40脚），VSS（20脚）接电源地端。根据电压要求，本设计采用了两节18650电池构成电池组，单个电池电压为1.7V，经过L7805三端稳压器来输出5V电压，电路中拨动开关控制小车的上电。电源电路的原理图如下图1.3所示。图1.3电源模块电路时钟电路是单片机的心脏，就像人类心跳一样，单片机工作时也有一个频率，时钟电路就是提供一个稳定的时钟频率，使单片机稳定工作，由于本设计采用的STC89C52RC没有内置晶振，所以本设计采用了外接时钟电路。STC89C52的工作频率一般为11.0592MHz或者12MHz，因此需要在选择一个符合单片机工作要求的晶振，根据电压要求，选择了两个30pF的电容和一个合适的晶振，构成了时钟振荡电路如图1.4所示。图1.4时钟震荡电路单片机需要复位电路来把发生紊乱的单片机恢复正常，或者是使电路恢复到原始状态。单片机的硬件电路有时会错误，如果没有加以干涉，硬件电路就会一直按照错误的逻辑运行。复位电路的作用就是使硬件电路恢复初始状态，停止错误，让程序从头开始运行。本设计选择的复位电路是自动上电复位，具体工作原理是利用电阻和电容接入单片机的复位引脚RST，给复位模块上电，RST引脚变为高电平，单片机就完成复位功能，其原理图如图1.5所示。图1.5复位电路1.2电机驱动模块本设计采用了L293D芯片，有驱动电流大、驱动电机数量较多、耐高温等优点，是智能小车可靠的选择。L293D引脚EN1和EN2接收的是使能信号，当输入为高电平时有效，主要是接收来自单片机的PWM信号，来控制电机的转速。IN1和IN2主要是接收单片机控制电机方向的信号，OUT1和OUT2是接到直流电机的两端，根据单片机传输的信号控制电机的转动状态。电机及其电机驱动模块如图1.6所示。图1.6电机及电机驱动原理图1.3测速传感器模块本设计采用了以74HC14A芯片为核心的测速模块，芯片工作电压为5V，接线方式为OUT接单片机的I/0口，电源接+5V电压，GND接地，本设计采用它的优势在于，连接51系列单片机时，无需设置输入输出模式。该模块的基本原理是：传感器是输出脉冲信号的，传感器有一个红外发射端，当红外射线两端导通后，电路就是低电平，这就可以为测速提供逻辑支持，在小车电机另一侧安装测速传感器，电机的侧面传动安装一个码盘，本设计选择的码盘上有20个格栅，那么电机转动一圈，就会产生20次外部低电平。由此我们可以通过计算，低电平的触发次数除以20得到电机转动的圈数，测量小车车轮周长后，就可以得到小车的行驶路程。速度检测需要对时间进行计量，此处利用MCU定时器，可以计算1秒内产生几次外部低电平，假设一秒内产生了40个低电平，那么小车1秒内就转动了两圈，根据小车轮子周长，也可以计算小车的速度。根据以上原理，就可以实现小车测速功能。测速模块原理图如图1.7所示，测速模块实物图如图1.8所示。图1.7测速传感器原理图图1.8测速传感器实物图1.4红外（循迹）传感器模块本设计选择了红外传感器作为循迹模块，红外传感器的型号为TCRT5000，本设计的循迹模块采用了两个红外传感器，分别在左右两边并且中间留有一定距离。基本工作原理是传感器发射红外线，如果是白纸就会反射到传感器的接收端，比较器反向端T1=0V，比较器同向端等于3V，所以同向端大于反向端，输出端OUT1就会输出1，如果是检测是黑色就是比较器反向端T1为5V，同向端3V，反向端大于同向端输出0。本设计的循黑线原理为：可以根据下图进行分析，假如小车左偏，单片机接收到传感器信号，小车就会进行方向调整，使小车变为正常状态。循迹原理图如图1.9所示。图1.9循迹原理循迹电路接口原理图如图1.10所示。图1.10循迹模块原理图1.5液晶显示模块液晶显示器比数码管更加专业、美观，因此本设计采用液晶显示方式，具体型号为1602A，它有很多优点，比如耗能低、亮度高、显示丰富等，被广泛应用到家电、电子设备等低功耗系统中。本设计采用的1602A显示器还带有电子背光，可以在黑暗情况下进行显示，在工业控制系统中应用广泛。1602A显示器是由众多单独的显示单元组成的，比如选择的显示器有128行，每一行有256列，8列就是一个字节的8位，所以这一行就有32个字节，那么128×32个显示单元就跟4096个字节对应,字节与屏幕的亮点对应，根据不同的指令就可以显示不同的内容，这就是1602A的基本工作原理。1602A显示器的引脚功能如表1.2所示：表1.21602A引脚功能表编号符合引脚说明1VSS电源地端2VDD电源+5V3VL液晶显示偏压4RS数据/命令选择5R/W读/写选择6EN使能信号7D0数据8D1数据9D2数据10D3数据11D4数据12D5数据13D6数据14D7数据15BLA背光正极16BLK背光负极本设计中1602A液晶显示模块原理图如图1.11所示。图1.111602A液晶显示器原理图1.6舵机模块本设计采用的是S3003舵机，该舵机有速度快、扭矩大、精度高等优点，该舵机最大扭力可以达到3KG，完全满足本设计的要求。舵机是小车的方向盘，舵机是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路等组成的系统，因此舵机也是一个电机系统，可以根据单片机输出的PWM信号进行调节，使小车迅速准确地完成转向功能。单片机想要控制舵机的转角，是靠控制信号的持续时间决定的，单片机模拟出PWM信号的输出，根据周期信号，调整占空比。具体的方法是：假设想让舵机完成左转45°，就需要1.0ms的脉冲，舵机内部的马达就是因为脉冲宽度来决定的。舵机接口原理图如图1.12所示。图1.12舵机接线原理图1.7程序下载模块本设计在智能小车的主板上装有程序下载接口，接口与程序下载模块已经焊接在一起，因此是一个单独的USB转TTL模块。因为现在的电脑已经淘汰COM口，因此需要借助转换电路进行通信，该模块采用的主控芯片是CH340G，芯片可以提供串口信号和MODEM信号，可以使计算机和小车之间完成通信，计算机端只需要安装CH340G驱动，然后计算机就可以识别出COM端口，程序下载模块上的TXD与单片机的RXD(P30)相连，RXD与单片机的TXD(P31)相连,电源由计算机USB接口进行供电，GND接主板电源地端，这样就可以实现USB转串口功能，程序就可以从计算机下载到单片机。程序下载模块接线图如图1.13所示。图1.13USB转串口TTL电路另外下载程序时需要使用STC-ISP烧录软件，在串口选择上需要打开计算机控制面板查看具体串口名称，选择对应的COM口才可以完成烧录。1.7本章小结本章主要介绍智能小车硬件设计，分别对各个模块的作用以及工作原理进行了详细讲解，以STC89C52为核心，设计分析各模块电路，最终设计出可以达到要求的小车硬件电路。2智能车软件设计2.1主程序设计在硬件电路设计完成的基础上，开始对小车主程序进行研究，根据任务书要求，小车需要完成循迹功能的同时还要对速度和路程测量显示，由于两者是需要同时进行的，因此主程序中两者属于并列关系。根据要求得到的主程序流程图如图2.1所示。图2.1主程序流程图2.2子程序设计2.2.1PWM调节电机首先PWM是脉冲宽度调制英文的缩写，主要是由微机输出来控制模拟电路，工业上应用广泛。这里引入一个概念叫占空比，单片机都有自己的脉冲周期，在一个周期内，高电平所占的时间比上整个周期就是占空比，一般用百分数来进行表示。例如周期是1秒，那么频率也为1Hz，假设高电平为0.25秒，那么占空比就为0.25/1=25%。单片机通过I/O口输出不同方波的占空比，可以使数字信号变为模拟电压信号。在直流电机上，电压是以一种连续重复脉冲的方式加到电机上，重复脉冲是包含着连接和中断，因此，可以控制连接和中断的时间，来输出不同的电压。因此当额定电压是5V时，假设占空比为75%，那么高电平占脉冲周期的3/4,低电平占1/4，因此电压就是1.75V，那么电机驱动模块就会发送给电机3/4的转速指令，单片机就可以这样控制电机转速。电机控制流程图如图2.2所示。图2.2电机控制流程图2.2.2PWM调节舵机舵机虽然是由单片机直接控制，但舵机内部有着自己的控制电路，假如需要进行较大的转向，舵机将会全速运行，反之，舵机将以较慢的速度运行，这是舵机内部控制电路自己的比例控制。本设计采用的S3003舵机需要一个20ms左右的时间脉冲，假设在该脉冲里，0.5ms到2.5ms是高电平，间隔为2ms，这时脉冲的宽度就决定了舵机的转向角度，本舵机最大转向180度，所以在脉冲宽度为1.5ms时，舵机就会转向90度的位置。一般舵机对应的转向角度如下表2.1所示。表2.1舵机转向控制关系脉冲宽度转向角度0.5ms0度1.0ms45度1.5ms90度2.0ms135度2.5ms180度舵机的控制流程图如图2.3所示。图2.3舵机控制流程图2.3本章小结本章主要是智能小车的软件部分，详细介绍了小车的主程序以及子程序设计，根据PWM调速技术，来对小车的电机和舵机进行控制，从而保证小车正常运行。3智能车系统测