【《基于STC89C51的智能玩具电动车设计》9300字（论文）】

基于STC89C51的智能玩具电动车设计目录TOC\o"1-3"\h\u216701

绪论 3180431.1课题研究背景和意义 3278251.2国内外研究现状 3194661.3研究内容和目标 5259422.1功能分析 6131282.1.3电源模块 8255052.1.4机械系统模块 833242.2.1硬件系统可靠性措施 817642.2.2软件系统可靠性措施 919682.3本章小结 921613电路设计 10206573.1主控电路设计 10237053.2信号检测电路设计 11323503.3驱动电路设计 12118453.5电源电路设计 12281243.6本章小结 13216044控制软件的设计 14141624.1软件的结构设计 14306374.2电机驱动流程 15135944.3循迹流程 1549974.4本章小结 15157695系统功能测试 1648785.1测试仪器及设备 16277905.2系统功能测试 1650275.3系统测试结果及分析 17摘要电流计算是电网分析中最基本的电气计算之一。本文的主要工作是为系统规划，设计，操作模式选择和轨道部分选择提供数据。主要工作如下：研究了电网中交流输电线路，变压器，发电机和功率补偿系统的数学模型。根据实际运行情况，系统中的节点分为平衡节点，PV节点和PQ节点。以整个网络为一个区域，列出了节点访问矩阵和潮流计算的基本公式。研究了高斯-赛德尔，牛顿-拉夫森等潮流计算方法和快速分解方法。高斯-赛德尔（Gauss-Seidel）是潮流方法的直接迭代解决方案。对于当前具有节点数的玩具车，它只能实现自由运行的控制。无论是直接控制还是远程控制，都可以实现前进，后退，左转或右转的功能，只有少数几个可以达到运行状态。本文的主要工作是设计和实现基于STC89C51的智能玩具电动车，包括其硬件电路和软件电路。硬件电路主要包括控制器，信号检测，障碍物保护等，发动机驱动，显示电路，电路等，通过软件编程，汽车可以实现前进，后退，加速，延迟，左转，右转，指示灯闪烁等功能。该车可以很好地实现障碍物保护，行驶里程性能，运动方向显示和报警。本文基于当前在常规玩具电动汽车中使用的各种传感器，例如光电传感器，红外传感器和超声传感器。它由传感器组成，可实时检测电动汽车的行驶速度，行驶位置和行驶状态。单片机接收并处理由信号检测电路收集的各种数据。智能玩具车可以实现以下功能：实时准确显示温度和里程，语音控制，自动跟踪和障碍物保护，自动设置行驶速度和精确停车。关键词：智能，玩具电动小车，单片机，软件设计1

绪论1.1课题研究背景和意义我的毕业设计题目智能玩具小车的设计，在整个毕业设计过程中，我将在老师的指导下，严格按照设计规范，设计任务书，认真仔细并独立地完成此设计，合理运用专业知识并解决与之相关的问题。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状自1950年代以来，国外对智能汽车的研究已经开始。它的发展过程大致经历了三个阶段：初步研究，完成研究以及深入的系统和大规模研究，具体如下：初始阶段：20世纪，自动导航系统在美国出现了。1950年代。该系统具有智能车辆的最基本特征，即无人驾驶。这是一个标志，是智能汽车的明显标志。实现阶段：1980年代中后期，欧美一些国家主要对智能汽车的可行性以及如何使智能汽车实用化进行了研究，并取得了显著成果。深入的系统和大规模的研究阶段：自1990年代以来，各国，特别是欧洲，德国和美国，对智能汽车进行了广泛而大规模的研究。在美国，对Navlab系列自动驾驶汽车的研究尤为突出。该研究是在卡内基梅隆大学机器人研究所进行的，并取得了显著成果。乐趣在国外设计中的应用要早于我国，这与国外文化和生活方式息息相关。唐纳德·诺曼（DonaldA.Norman）的“情感设计”是情感设计研究的代表作。他对情感设计在设计中的地位和作用进行了研究，并将有趣的设计应用于各种设计作品中。奠定了理论基础。YukaGronau研究了趣味社会学中的品味，品味和时尚，品味和集体选择的过程。由意大利公司Alessi设计的快乐鸟水壶是国外最有名的早期有趣的设计作品之一。设计师将水壶的水嘴与鸟的形状融为一体。当水沸腾时，水壶会发出美丽而令人愉悦的鸟叫声，使无聊的家庭工作的人们仿佛听到了昆虫和鸟类的声音。自然世界增加了生活的乐趣。设计师将乐趣和设计工作结合在一起，以增加产品的兴趣和亲和力，使用户产生轻松愉快的心理状态。在儿童玩具方面，国外玩具产品的标准主要依靠儿科医生的医疗工作经验，并由儿科医生根据儿童生理和心理的基本特征严格制定。但是，在制定我国儿童玩具国家标准时，未征询儿科医生的意见。世界上五个主要玩具品牌都来自发达国家，例如美国的美泰和孩之宝，日本的万代和巨蛋以及丹麦的乐高玩具。据统计，这五个主要玩具巨头的年销售总额可以达到200亿美元以上，并且有很大的市场。在产业链中，亚洲国家主要负责产品加工的作用。儿童玩具通过有形的外部表现传达了无形的知识和思维方式，因此儿童可以在轻松愉快的环境中接受知识的传递。在儿童玩具的设计中，视觉图像与儿童心理的乐趣完美地结合在一起，而创新的勇气使儿童玩具市场更进一步。自1950年代以来，国外对智能汽车的研究已经开始，其发展过程大致经历了三个阶段：第一阶段的研究，卓有成效的研究和大规模的深度系统研究。功能，无人驾驶，这表明该系统具有智能车辆最基本的功能，即无人驾驶。杰出成就：在1980年代中期和后期，欧美一些国家主要开展了智能汽车的可行性研究和智能汽车的实际实施研究，并取得了显著成绩。系统和全面的研究：自1990年代以来，各个国家，尤其是欧洲，德国和美国，对智能汽车进行了广泛而全面的研究。其中最重要的是对美国navlab系列自动驾驶汽车的研究，该研究是在卡内基梅隆大学进行的。机器人研究所进行并取得了显著成绩。兴趣在外国设计中的应用要早于中国，这与外国文化和生活方式密切相关。诺曼的《情感设计》是情感设计研究的代表作品。他研究了情感在设计中的地位和作用，为有趣的设计在各种设计作品中的应用奠定了理论基础，品味和集体选择。国外早期有趣的设计作品之一是意大利公司Alessi设计的快乐鸟笼。设计师将水壶与鸟的形状连接起来。烧开水的时候，开水器会发出一首优美的鸟叫声，这使人感到无聊的家庭作业中他们是昆虫和鸟类的天性。它给生活带来一些乐趣。设计师将兴趣和设计工作结合在一起，以增加产品的品味和亲和力，从而使用户拥有轻松愉快的精神状态。以儿童玩具为例，国外玩具的标准主要以儿科医生的医疗工作经验为依据，严格按照儿童生理和心理的基本特征制定。世界上五个领先的玩具品牌都来自发达国家，例如美泰和孩之宝。据统计，这五家玩具巨头的年总营业额超过200亿美元，并具有相当的市场份额。亚洲国家在产业链中的产品加工中也发挥着重要作用。儿童玩具通过有形的外部表达传达了无形的知识和思维方式。在设计儿童玩具时，儿童的视觉形象和心理兴趣得到了完善。结合起来，勇于创新，并继续发展儿童玩具市场。1.2.2国内研究状况中国许多大学和研究机构已经对ITS的核心技术和设备进行了研究。在近30年的研究过程中，我国为ITS技术研发积累了很多经验，并拥有一支强大的专业技术团队。智能玩具车是智能车的微型模型。对智能玩具车的深入研究也可以在促进智能车研究方面发挥相应的作用。研究和改进的成本相对较低，设计方便。如今，在人们的生活中到处可见我们国家有趣的设计。从广告创意到生活必需品，儿童产品有趣的设计甚至是必不可少的。例如，对于儿童餐具，设计师将其形状设计为他们喜欢的卡通图像或更鲜艳的色彩，以增加儿童对食物的兴趣并增加食欲。儿童玩具是儿童期的伴侣。儿童的视觉，听觉和触觉发育基本上是从玩玩具开始的，而玩具的有趣设计就显得尤为重要。儿童玩具的设计应具有鲜艳的色彩，新颖的形状和独特的游戏风格。儿童玩具车的有趣设计通常用形状，声音效果和结构来表达。西安交通大学的学者黄丽和苟睿在《儿童玩具车的情感设计中的应用》中从结构，材料和颜色等要素上对玩具车的形状进行了强化和修改。掌握基于这些原则的玩具的使用。提出了一种带有情感设计的儿童玩具车外观设计方法，并给出了具体的设计实例。华东理工大学的陆莹在“儿童电动车设计研究”中分析了儿童汽车玩具的发展趋势和现状。在“婴幼儿玩具设计安全性研究”中，刘宏从玩具的机械和物理安全性，燃烧安全性，化学安全性和电气安全性的角度研究了玩具设计安全性理论体系。这些对儿童产品和儿童玩具车的不同方面的研究提供了重要的参考价值。中国是玩具车的大生产国，但不是强大的生产国。现阶段，中国玩具汽车的生产和出口主要依靠劳动力成本优势和主要外国品牌进行加工或OEM的生产工艺技术。因此，树立中国玩具车的自主品牌并提高该行业的生产技术是玩具车行业的当务之急。1.3研究内容和目标目前，模块化，功能强大，价格低廉的智能玩具车的开发已成为全国电子技能竞赛的热点，智能玩具车在国内外有着巨大的市场。在全球市场上，智能玩具领域几乎被美国，日本和其他国家所垄断。我国的智能玩具是一个新兴领域。可编程玩具车将为国内外玩具的研究现状和市场注入新的活力。随着传感器技术，计算机科学，人工智能等相关学科的飞速发展，玩具车正朝着智能化的方向发展。智能玩具车控制系统包括计算机技术，自动控制技术，传感器技术和人工智能技术。它具有环境感知功能，实时决策和计划功能以及行为控制功能，是一个复杂的系统。执行和执行等功能是典型的机电一体化产品。此外，选择单片机设计智能玩具电动车的目的是通过理论和实践相结合，从日常生活中可以触及的精妙之处入手，以更加清楚地了解我所学到的知识。和使用，而且我在实践中也发现了我自己的理论缺陷。当前广泛使用的单片机具有更理性和可感知的理解。2.系统需求分析2.1功能分析如今，知识工程，计算机科学，机电一体化和工业集成等许多领域都在讨论智能系统。人们要求系统变得越来越智能。显然，传统的控制概念无法满足人们的需求，而智能控制与这些传统的控制有机地结合在一起，可以相互学习，并从整体上提高优势，从而更好地满足人们的需求。随着人工智能技术，计算机技术和自动控制技术的飞速发展，智能控制必将迎来其发展的新时代。计算机控制与电子技术的集成为电子设备的智能化开辟了广阔的前景。因此，远程控制与智能技术的研究与应用是非常有意义的，具有很高的市场价值。根据设计要求和设计内容，采用基于单片机的控制方案，系统框图如图2-1所示，包括主控制模块，检测模块，电机驱动模块，显示模块和主控模块。电源模块。图2-1系统框图2.1.1主控模块如今，具有智能功能的电子产品通常使用单片机作为控制器，具有集成度高，体积小，可靠性高，实用温度范围宽，性价比高，控制功能强，外部总线丰富等优点。职能。凭借其强大的可扩展性和低功耗等独特的出色性能，它已被广泛使用。它促进了嵌入式系统的发展，并渗透到各个领域。它已成为工业，农业，国防，科学研究，教育和日常生活各个领域的智能工具。它也是现代电子系统中重要的智能工具。行业的技术改造和产品升级得到了极大的促进。但是，在当今社会中，具有不同产品性能的单芯片制造商太多了。常用的典型单片机包括英特尔的MCS-51系列单片机，摩托罗拉的M68系列单片机，飞利浦的P系列单片机，WinBond（Winbond）公司的W77和W78系列单片机，以及Atmel的AT89系列单片机。，EPSON公司的单片机等。本设计设计的是一个具有多开关输入特性的复杂程序控制系统。因此，控制核心需要使用能够处理多个开关值的标准单片机，而不是具有简化的I/O端口和程序存储器的小体积单片机。在综合考虑传感器和两个电动机的驱动等许多因素后，设计最终决定使用ATMEL的STC89C51。单片机充分利用了STC89C51单片机的资源，其特点适合于复杂的控制应用。2.1.2电机驱动模块根据本课题的要求，确定以下方案：以当前的普通玩具电动汽车为基础，增加光电传感器，红外传感器，超声波传感器等各种传感器，使用由传感器组成的信号检测电路实时检测电动汽车的运行速度，针对工作位置和工作状态，单片机接收并处理信号检测电路检测到的各种数据，然后单片机下达指令，实现智能化。电动汽车的控制。2.1.3电源模块使用干电池组供电。四个干电池用于降压至5V，以向微控制器和其他逻辑单元供电，另外六个干电池用于向电动机和光电开关供电。这样做的目的是抑制短期电压干扰，因为电动机在启动和制动时会产生这种干扰，因此逻辑单元可以正常工作，单片机也可以正常工作，因此该方案是完全可行的。因此，采用了该方案。2.1.4机械系统模块本主题要求手推车的机械系统稳定，灵活，简单，并且三轮运动系统具有上述特征。1.在驱动部分，玩具车的直流电动机的功率相对较小，并且该汽车装有电池，电动机，电子设备等，这使得电动机的负载较重。为了使手推车平稳启动和平稳移动，在直流电动机和轮轴之间安装了三级减速齿轮。2.电池的安装将电池放在车身电动机的前后位置，以减小汽车的重心并提高稳定性。同时，它可以增加驱动轮的抓地力并减少由于车轮空转而引起的误差。三轮运动系统具有上述特征。2.2性能分析设计实用的智能玩具电动汽车系统，既要体现智能，又要体现汽车的经济性和可靠性。为了确保手推车的可靠运行（向前，向后，向左，向右等），手推车必须具有很强的抗干扰能力。因此，除了硬件保护外，系统还需要软件保护。2.2.1硬件系统可靠性措施在单芯片应用系统中，任何外部干扰或内部电路噪声都可能导致地址总线混乱或程序计数器状态改变，从而导致程序操作错误。有效抑制系统噪声并提高系统可靠性是系统设计中必须考虑的问题。上述预防和消除干扰的硬件主动措施是有效的，但是它们不能完全保证系统的正常运行。有时，还需要监视工作状态，处理异常情况和自我恢复故障。从软件可靠性开始，这需要一些硬件措施。看门狗定时器的设计与应用是最常用，最有效的方法之一。即使随着单芯片技术的发展，越来越多的单芯片计算机也配备了看门狗定时器。监视计时器本质上是专用计时器，它的时钟来自微控制器的内部或外部。通过适当的编程，计时器将在系统正常运行时每隔特定的时间初始化计时器，以确保其计数不会溢出。一旦系统异常并且程序无法正常运行并变得混乱，看门狗定时器将无法在有限时间内清零，从而导致计数溢出，导致系统中断，并使CPU切换到故障诊断和处理程序，然后还原系统。普通手术。可以看出，看门狗定时器具有从瞬时故障中自动恢复系统的能力，其软件和硬件的实现相对简单，因此得到了广泛的应用。2.2.2软件系统可靠性措施为了提高玩具车系统智能控制的稳定性，可靠性和准确性，仅依靠硬件抗干扰是远远不够的。还必须依靠软件来提高抗干扰能力并克服某些干扰。在单片机控制系统中，如果能够正确有效地将软件抗干扰技术和硬件抗干扰措施结合起来，形成双抗干扰防线，则将大大提高单片机控制系统的稳定性。可以在软件程序中采取各种措施，例如数字滤波，自我诊断，自我恢复，设置陷阱，指令冗余等。2.3本章小结本章对智能玩具车的设计进行了详细的需求分析。首先，它分析了智能玩具车的功能。具体来说，它包括系统的主控制模块，电动机驱动模块，显示模块，电源模块和机械系统模块。最后，详细分析了智能玩具车开发的性能，包括硬件系统的可靠性和软件系统的可靠性。3电路设计3.1主控电路设计系统主控制电路的核心器件是STC89C51单片机，实现了智能控制。最初，手推车的启动和重置需要手动完成。由红外传感器组成的检测电路实时检测并将检测到的信号发送到单片机。单片机处理后，手推车开始计数，动态液晶显示系统显示行车时间和行驶里程。另外，单片机控制小车实现避障和调速。安装在手推车前后左右位置的多个电传感器检测并发送到单片机。单片机处理信号，然后控制手推车实现自动避障。双极H型PWM脉宽调制技术主要用于在电动手推车行驶过程中控制手推车的速度。电动汽车在行驶过程中的静态和动态性能取决于系统中的调制技术（双极H型调制和PWM脉冲宽度调制）。系统原理图如图3-1所示图3-1系统最小应用系统电路图智能汽车由前轮驱动，前轮的左右两侧由电动机驱动，电动机调节前两个轮的速度来启动和停止，以达到控制转向的目的。后轮是万向轮，起支撑作用。将跟踪光电对管分别安装在车身下方的左侧和右侧。当车身下方左侧的传感器检测到黑线时，主控制芯片将控制左轮马达停止并且汽车向左校正。当车身下方右侧的传感器检测到黑线时，主控制芯片将控制右轮马达停止，并且汽车向右校正。避障的原理与跟踪相同。光电对管安装在车身的右侧。当检测到障碍物时，主控制芯片将发出警报信号，并控制汽车后退并避开障碍物。该模块主要分析收集到的信号，并提供PWM波来控制电动机的速度，启动和停止，以及检测到障碍立即报警等作用。其电路图如图3-1。3.2信号检测电路设计检测技术是自动检测技术和自动转换技术的总称。它是基于信息提取自动检测系统，信息转换和信息处理理论与技术的技术学科主要内容的应用程序。它已经渗透到人类活动的所有领域。在检测技术的传感器就像人的感觉器官的视觉，听觉，嗅觉，闻，并触摸（称为“电五官”）。如果没有传感器，这是因为如果人类没有“电五官”。因此，不能实现自动化，因此不能实现。完善的智能控制。自动检测技术是自动保护，自动报警和自动诊断系统密不可分。有了它，自动测量，自动管理可以完成。特别是近年来，传感器和微型计算机，新类型的与微处理器的“智能”设备的有机组合之后也不断推陈出新，实现生产过程的自动控制，从而大大提高了劳动生产率，提高产品质量，并降低了劳动强度并改善工作条件。图3-2信号循迹原理图汽车信号检测电路的设计实际上是传感器技术和检测技术的应用。由于汽车需要实现自动跟踪，自动避障和实时显示行进方向，时间，里程等信息，因此必须依靠传感器。在该设计中，红外传感器用于形成检测电路，例如具有跟踪功能的检测电路，如图所示。如图3-2所示。3.3驱动电路设计电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，图3-3电机驱动电路相反，可以使用L298N电路来驱动电动机。L298N电路由微控制器提供PWM信号，以控制汽车的速度，启动和停止。3驱动原理图如图3-3所示。电机驱动电路中使用的步进电机是四相六线式，由L297和L298N驱动芯片驱动。其中一个的驱动电路如图所示（另一个相同）：单片机STC89C51通过I/O端口连接到L298N。17和18引脚发送驱动控制信号，以控制步进电机的速度以及前进和后退。3.5电源电路设计该系统中的所有芯片都需要+5V的工作电压，一个电池只能提供1.5V的倍数电压。如果4个电池的电压为6V，则需要7805稳压器芯片。L7805可以提供小于1.5A的电流，足以满足芯片电源的要求。尽管微处理器和微控制器不需要支持电路并且功耗低，但是必须考虑它们。由于直流电动机的额定电压大，额定电流大，因此可以不降压地直接用9V供电，并提供电动机驱动电源。图3-4电源稳压电路3.6本章小结在本章中，将详细设计智能玩具车的电路。首先，详细设计了智能玩具车中使用的主控制电路。具体的单片机型号为STC89C51，然后对信号检测电路，驱动电路，显示电路和电源进行详细设计。4控制软件的设计在设计微计算机控制系统时，一方面，必须设计系统的硬件，另一方面，必须设计系统的软件。对于基于单片机的智能玩具电动汽车系统，应用程序的设计还涉及很多工作，这对于系统来说更为重要。4.1软件的结构设计软件控制系统有两个基本的类型：数据处理和过程控制。数据处理有标度的变换、数据的采集和数字滤波等。过程控制主要指单片机按一定的算法实行计算，计算后输出，从而控制生产。图4-1系统软件结构图实际的工作过程如下：首先上电并初始化，然后进入状态检测，然后根据不同的需要进行以下串行通讯处理，正常工作处理，故障处理和关机处理。串行通讯处理是指与参数配置接口进行数据交互以完成系统运行控制参数的配置；故障处理是对系统开机自检后发现的不良情况的处理，以防止系统故障给用户带来危险；操作处理是在系统检测到没有故障并且没有串行通信处理之后执行的工作处理。它主要处理电机的正常运行，包括处理电机驱动和速度控制。制动处理主要是指检测到制动信号后的系统。处理系统并及时制动电机，以确保用户安全。在软件设计中，整个控件通常分为许多部分，每个小部分称为控制模块。所谓的“模块”实际上是一个相对独立的小程序段，以实现某种功能。这种设计程序的方法称为程序模块设计方法。系统软件的软件结构设计采用模块化结构设计，由主程序模块，避障程序模块，显示程序模块和电机驱动速度控制程序模块组成。4.2电机驱动流程这部分的主要功能是：一方面，在没有障碍物的情况下自动控制车速。另一方面，在遇到障碍物之后，根据障碍物控制旋转速度以及手推车电动机的正反方向，以使手推车可以向右或以相应的速度转弯。或向左转。以免遇到障碍而继续前进。除8位命令寄存器外，所有其他寄存器的长度均为24位。为了防止不稳定的电池电压对系统造成干扰，电路设计采用以下保护措施：肖特基二极管MBRA340T3用于防止电源反向，即实现防反向保护；该电路还使用开关器件的场效应晶体管NTD2955和场效应管2N7002E，通过外部信号控制传导以满足电路工作的需求。4.3循迹流程玩具车首先初始化其自身的功能模块，然后开始收集当前的道路状况信息，并对收集到的道路状况信息进行实时判断。判断的结果是使当前的汽车在每次向前行驶时继续以原始速度行驶或停止行驶，需要判断偏移量是多少，等等。4.4本章小结在本章中，将详细设计智能玩具车的控制软件。首先，它分析了应用软件需要设计和实现的功能。然后详细设计了软件的结构。最后，分析了软件的三个主要功能。该模块的设计和实现。5系统功能测试5.1测试仪器及设备设计了单片机系统后，必须对其进行测试。尽管针对不同的SCM系统有不同的测试项目和方法，但是仍有一些项目必须进行测试：1.测试SCM系统软件功能的完整性此测试是对所有SCM系