自动来回电动小汽车检测系统设计.docx
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自动来回电动小汽车检测系统设计
毕业设计（论文）
题 目：
自动来回电动小汽车检测系统设计
作 者：
系（部）：
专业班级：
指导教师：
职 称：
毕业设计（论文）任务书
课题名称
自动往返电动小汽车检测系统设计
系别
机电控制工程系
专业/班级
班
学生姓名
周能
学号
指导教师
张雪莲
单位/职称
课题来源
企业生产任务
成果形式
论文
所属岗位
技术员
一、毕业设计（论文）课题的主要内容、任务和目标、基本要求等：
1、课题研究的主要内容
单片机因其功能全、体积小、价格低而得到广泛应用，是计算机、自动控制、电子技术等专业学生需要掌握的重要专业课程，实验教学和具体操作应用又是职业技术教育的重要环节和侧重点。
本课题结合学生的将来的职业岗位，主要是要求学生利用单片机控制系统实现电动小汽车在起跑线和终点线之间的自动往返。
跑道顶视图如下图所示，在跑道的B、C、D、E、F、G点处画有2cm宽的黑线。
功能要求：
1、要求汽车从起跑线出发（出发前车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。
2、要求汽车在D~E段限速区往返时低速通过，通过时间不得小于8s，且不允许在此段内停车。
3、自动记录、显示一次往返时间。
4、自动记录、显示行使距离。
2、任务和目标
通过本课题的工作，实现如下的工作任务：
1）完成电动小汽车检测部分的硬件设计（包括电路原理图及PCB板图的设计）。
2）根据功能要求完成电动小汽车检测部分的软件设计（包括程序流程图及程序编写）。
目标：
学生通过本毕业设计，能提出自己的应用心得（包括实际应用中解决问题的方法）或可能的创新点；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练学生分析问题和解决问题的能力，进一步提高学生的设计、计算、查阅手册、应用软件以及实际操作的能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。
3、基本要求
1）完成毕业顶岗实习周记12篇（每周1篇），毕业顶岗实习报告鉴定表一份、开题报告一份（2000字左右），相关技术应用论文一篇（5000字以上）。
2）设计（论文）的写作规范：
（1）封面。
（2）摘要：
主要说明该课题主要研究内容及关键词。
（3）目录。
（4）正文：
所选课题的需求分析，方案论证，方案设计，以及所实现的功能，在设计过程中遇到问题所采用的策略等。
5）谢辞（6）参考文献。
（7）论文要求用A4开纸打印，并装订成册，形成书目结构。
（8）论文书写要求语言精练，简洁，表达力求准确。
二、实践要求：
该课题要求学生在企业金工车间的加工工艺管理岗位上顶岗实习12周，了解车间工艺管理员的工作职责，熟悉车间常规零件的加工工艺过程及其特点，初步具有工艺规程的编制能力，完成顶岗实习周记，在周记中能详细介绍每周的工作任务及工作中遇到的问题和解决方法等。
三、进度安排
第一阶段（第5学期16-19周）
第16、17周：
查阅相关文献资料，完成开题报告；
第18、19周：
完成电动小汽车检测部分的硬件设计（包括电路原理图及PCB板图的设计）；
第二阶段（第6学期）
第1周：
完成电动小汽车检测部分的软件设计（包括程序流程图及程序编写）；
第2周：
比较与总结，提出自己的应用心得（包括实际应用中解决问题的方法）或可能的创新点；
第3-14周，毕业顶岗实习；
第15周：
整理设计说明书，准备答辩；
第16周：
答辩。
四、推荐的主要参考资料
1、李叶紫、王喜斌等，《MCS-51单片机应用教程》，清华大学出版社，2005年12月。
2、李华，《MCS-51系列单片机实用接口技术》，北京航空航天大学出版社，2002年2月。
3、胡锦等，《单片机技术实用教程》，高等教育出版社，2006年12月。
4、戴佳、苗龙、陈斌，《》，中国电力出版社，2005年10月。
5、刘迎春，《MCS-51单片机原理及应用教程》，，2005年5月
6、三恒星科技，《MCS-51单片机易学通》，人民邮电出版社，2006年7月。
7、肖玲妮、袁增贵，《Protel99SE印刷电路板设计教程》，清华大学出版社，2003年8月。
8、赵晶，《Protel99高级应用》，人民邮电出版社，20004年3月。
指导教师签名
年月日
专业负责人签名
年月日
（注：
课题来源填企业生产（治理）任务、产品开发、创新设计、科研课题等。
）
自动来回电动小汽车检测系统设计
摘要
本系统以单片机为核心对电动车进行智能化操纵，即CPU通过对障碍与标志进行检测分析自动完成小车的前进、后退、转向操纵；利用数控网络实现数字量直接操纵多级速度转变以知足各段跑道内不同的速度要求。
行驶时刻和行驶距离均为液晶自动显示。
而且每次转向、倒车、停车时均由发光二极管显示其状态。
由于电动小汽车纯硬件操纵具有很多的缺点，而且不宜实现复杂运动的自动操纵功能（不能用人工操纵），而单片机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强，操纵灵活方便，价钱低廉等优势。
本设计确实是以单片机8051芯片为核心，附之外围电路，采纳光点检测器进行检测信号和障碍物；运用单片机的运算和处置能力来实现小汽车的自动加速、限速、减速、按时、语音、前进、后退、左转、右转、显示路程、显示行驶速度、行驶时刻等智能操纵系统。
关键词：
霍尔元件，AT89C51，光电开关，里程检测，跑道检测
第一章概述
课题研究的目的和意义
1.1.1研究背景
目前单片机渗透到咱们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各类仪表的操纵，运算机的网络通信与数据传输，工业自动化进程的实时操纵和数据处置，普遍利用的各类智能IC卡，民用奢华轿车的平安保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的操纵，和程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动操纵领域的机械人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批运算机应用与智能化操纵的科学家、工程师。
单片机通过用汇编语言或C语言编程，能够实现不同情形下的，不同电路的自动操纵，用它能够开发很多智能的玩具，如机械人、遥控飞机、智能车，实际生活中的很多电器，例如电冰箱、全自动洗衣机、空调等，还有确实是很多测量仪器和高科技的空间探测，宇宙探讨等都用到单片机，能够说此刻生活中大多数的智能物品都用到单片机，围绕单片机和嵌入式系统形成的电子产业将会是一个持续进展，愈来愈具有竞争力，愈来愈具有生命力的产业，电子世界将会更具有魅力。
在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按必然的顺序实现自动来回运动，而且有的还要求在某些位置有必然的时刻停留，以知足生产工艺要求。
实现运料小车自动来回顺序操纵，不仅具有程序设计简易、方便、靠得住性高等特点，而且程序设计方式多样，便于不同层次设计人员的明白得和把握。
随着社会的不断进步，科学的不断飞跃，人们的生活愈来愈趋向于简单而有质量，电子科学也愈来愈趋向于集成化、简单化。
由于工业操纵系统智能化的迫切要求，因此便有了单片机，单片机的显现无疑给各个应用领域带来了极大的方便，如家用电器、机电一体化、仪器仪表等方面，尤其是智能化方面的应用领域，单片机在现代的电子电路中起着核心的作用。
它就像人的大脑，操纵着各个器官的运动。
没有单片机，电路将很难实现各类复杂的功能，单片性能让电路实现自动化和智能化等一系列高难度的功能，它将是现代电子电路进展的趋势。
1.1.2研究意义
通过本课题的设计，能够进一步巩固和深化所学理论知识，提高分析、解决问题的能力，并把握电路设计的大体技术和方式。
最为重要的是熟悉了电子产品开发的一样流程，把握以单片机作为操纵系统的软件设计、硬件设计和接口电路的设计步骤与方式，更深切的了解了单片机在自动操纵领域的应用，熟悉该领域的工作范围与工作方式，为后从事该领域的工作奠定了良好的基础。
单片机的进展状况
自1976年9月Intel公司推出MCS-48单片机以来，有关公司都争相推出各自的单片机。
如GI公司推出PIC1650系列单片机，Rockwell公司推出了与6502微处置器兼容的R6500系列单片机。
1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机，Zilog公司接踵推出Z8单片机系列。
1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出了高性能的MCS-51系列单片机。
这种单片机均带有串行I/O口，按时器/计数器为16位，片内存储容量（RAM，ROM）都相应增大，并有优先级中断处置功能，单片机的功能、寻址范围都比初期的扩大了，它们是那时单片机应用的主流产品。
据统计，20世纪90年代全世界每6人就有一个单片机，美国及西欧国家已达到人均4片。
目前单片机在工业，军事，家用电器等实时操纵领域取得愈来愈普遍的应用。
单片机的进展历史大致划分为四个时期：
第一时期（1976~1978年）：
低性能单片机探讨时期。
以Intel公司的MCS—48系列单片机为代表，它采纳了单片结构，即在一块芯片内包括了8位CPU、按时器/计数器、并行I/O接口、ROM和PAM等。
要紧应用于工业操纵领域
第二时期（1978~1982年）：
高性能单片机时期。
现在的单片机已经具有操纵总线和较丰硕的指令系统、8位数据线、16位地址线、可寻址范围达到64KB，并具有串行I/O接口等。
其代表为Intel公司的MCS—51系列单片机，其属于高性能、高级8位单片机。
这种单片机的应用进一步取得推行，并在推行进程中不断地改善和提高自身的性能。
第三时期（1982~1990年）：
16位单片机时期。
其代表为Intel公司的MCS—96单片机。
16位单片机除CPU为16位外，片内ROM和RAM容量进一步扩大，实时处置能力加倍壮大，表现了现代操纵技术的鲜明特性。
第四时期（1990年至今）：
单片机全面进展时期。
各公司的产品在彼此兼容的同时，向高速、强运算能力、大寻址范围和小型廉价方向进展。
目前国际市场上8位、16位单片机系列已有很多，可是，在国内利用较多的系列是Intel公司的产品，其中又以MCS-51系列单片机应用尤其普遍，二十几年经久不衰，而且还在更进一步进展完善，价钱愈来愈低，性能愈来愈好。
本论文的研究内容与方式
运用单片机的运算和处置能力来实现小车的自动加速、限速、减速、按时、语音、前进、后退、显示行驶速度、行驶路程、行驶时刻等智能操纵系统。
由单片机对汽车的运行姿态实时作出反映,并输出相适应的操纵指令,由驱动执行电路完成限速行驶、全速前进、定点按时停车和自动返回等大体操作和紧急避险、自动导航、发车令牌操纵等功能;对小车运行时刻、距离等参数进行直观显示.电路采取了多种抗干扰方法,工作稳固靠得住.整个系统按要求安装于车体上实施跟踪监控
借助传感器识别路面环境，由单片机操纵行进，实现初步的无人操纵。
本方案采纳红外线光电检测与单片机智能操纵技术，对汽车的运行状态实时拾取，相关信息送入单片机，通过CPU运算处置后，再发出相应的操纵指令，由驱动执行电路操纵汽车的运行姿态，最终实现汽车自动来回，减速行驶，全速前进和定点按时停车等功能，以达到设计目的。
第二章方案的设计
整体功能设计
该操纵系统完成的任务是使电动小汽车自动来回于起跑线与终点线之间。
跑道顶视图如图2-1所示，在跑道的B、C、D、E、F、G点处画有2cm宽的黑线。
图2-1跑道顶视图
功能要求：
一、要求汽车从起跑线动身（动身前车体不得超出起跑线），抵达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（许诺倒车返回）。
二、要求汽车在D~E段限速区来回时低速通过，通过时刻不得小于8s，且不许诺在此段内停车。
3、自动记录、显示一次来回时刻。
4、自动记录、显示行使距离。
整体电路原理图
图2-2方案整体电路原理图
本设计中我要紧完成检测部份，检测电路由霍尔元件里程检测、跑道标志光电管检测两部份组成。
1、霍尔元件里程检测
图2-3霍尔元件里程检测
如图2-3所示是转速或转数的测量电路，核心元件是霍尔开关型传感器。
在非磁性材料制作的转子上，粘上一片磁钢，把霍尔开关型传感器的感应面对准磁钢的磁极，并固定在机架上，轮子转动时便带动磁钢转动，每当磁钢扫过传感器位置时，霍尔开关便输出一个脉冲，用两个脉冲间的时刻距离，即可算出转速，
2、跑道标志光电管检测
采纳漫反射式光电开关来识别轨迹上的黑线标记信号，如图2-4所示。
这种光电开关的红外发射管和接收管位于同一侧，光敏三极管只能接收反射回的红外光。
当车身下面是黑线时，由于黑线吸收部份光，光敏三极管接收到的红外光不能使光敏三极管导通，光电开关输出高电平，经CD4069的非门输出低电平。
反之,当车身下面是白色的地面时，红外发射管发射的光经其反射后，被接收管同意,光电开关输出低电平，经CD4069整形后输出高电平。
将CD4069的输出接至CPU的INT1输入端。
车在前进和后退进程中，小车每过一道黑线，便产生一次中断申请，从而挪用相应的子程序，随着小车的不断行驶，相应的程序依次被挪用执行，使小车在跑道上按设计要求时快、时慢、时前进、时后退。
图2-4跑道标志光电管检测
各元件说明
2.3.1霍尔元件
一、霍尔元件
霍尔元件应用霍尔效应的半导体。
2、霍尔效应
置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。
3、霍尔系数（又称霍尔常数）RH
在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度δ成反比，即UH=RH*I*B/δ，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。
本设计采纳的霍地尔元件型号为3210。
2.3.2光电开关
光电开关分为B3JK系列、TQ18系列、MF/RMF/MMF系列、PK3系列、PK5系列、SU系列、RQ系列SPR系列、OAR/OAS系列
光电开关是通过把光强度的转变转换成电信号的转变来实现操纵的。
光电开关在一样情形下，有三部份组成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一样来源于半导体光源，发光二极管（LED）激光二极管及红外发射二极管。
光束不中断地发射，或改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
另外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
三角反射板是结构牢固的发射装置。
它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有有效意义。
它能够在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，通过反射后，仍是从这根反射线返回。
系统软件设计
本系统要紧程序包括：
1）初始化程序
2）主程序
3）外中断0、1效劳程序
要紧完成跑道位置检测和里程计数工作。
4）慢车和快车子程序
5）停车子程序
6）计时程序
7）显示程序
8）延时程序
9）加1操作程序
要紧完成计时加1操作。
本次设计中我要紧完成检测部份，因跑道检测位置处置及里程计数处置别离是利用外部中断0、1实现的，故软件设计部份要紧完成外部中断0、1程序。
2.4.1编程流程图
1）外中断0效劳程序流程图
跑道检测位置处置由外中断0效劳程序实现。
其任务是依照小车抵达黑线的位置操纵小车的运行状态，其程序流程图如图2-5所示。
图2—5外中断0效劳程序流程图
2）外中断1效劳程序流程图
里程计数处置由外中断1效劳程序实现。
其任务是霍尔元件里程检测、跑道标志光电管检测，其程序流程图如图2—6所示。
图2—6外中断1效劳程序流程图
2.4.2汇编程序
1）外中断0效劳程序
INTEX0:
PUSHACC；堆栈爱惜
PUSHPSW；
CLREXO；关中断
LCALLDISP；LED显示一次（延时抗干扰）
JB,NORET；为1退出（干扰）
INC23H；跑道计数器加1
MOVA,23H；数据入A
CJNEA,#06H,JUDGE1；不是第6道，停转JUDGE1
LCALLSTOPSLOW；是第6道，停车
LJMPINORET；转中断退出
JUDGE1CJNEA,#03H,JUDGE2；不是第3道转JUDGE2
LCALLSTOPSLOW；是第3道变慢车
JUDGE2CJNEA，#04H，JUDGE3；不是第4道转JUDGE3
LCALLFAST；是第4道，变快车
LJMPINORET；转中断退出
JUDGE3CJNEA，#05H，INORET；不是第5道转INORET退出
LCALLSTOPSLOW；是第5道，变慢车
INORET:
CLRIEO；清外中断0中断标志
POPPSW；恢复现场
POPACC；
LCALLDL7MS；延时7ms（抗干扰）
SETBEXO；开外中断0
RETI；中断返回
2）外中断1效劳程序
INTEX1:
PUSHACC;堆栈爱惜
PUSHPSW；
CLREX1；关外中断1
INC20H；圈加1
LLLL:
MOVA,20H；判定是不是满6圈
CJNEA,#06H,LLL；不满6圈转LLL退出
MOVE20H,#00H；满6圈清0进位（6圈为1米）
INC21H；上位加1
MOVA，21H；判定是不是满10圈
CJNEA，#0AH，LLL；不满10圈转LLL
MOV21H,#00H；满10圈清0进1位
INC22H；高位加1
MOVA,22H；判定是不是满10圈
CJNEA,#0AH,LLL；不满10圈转LLL
MOV22H,#00H；满10圈清0进1位
INC24H；高位加1
MOVA,24H；判定是不是满10
CJNEA,#0AH,LLL；不满10转LLL
MOV24H,#00H；满10清0
LLL：
MOV74H,21H；将里程数移入显示单元（个位）
MOV75H,22H；将里程数移入显示单元（十位）
MOV76H,24H；将里程数移入显示单元（百位）
IN1RET:
POPPSW；恢复堆栈
POPACC；
SETBEX1；开外中断1
RETI；中断返回
第三章在Protel软件中由电路原理图生成PCB板图
PCB板图的生成
本PCB板采纳的是双面板设计技术，如图3-一、3-2示：
图3-1PCB板上层
图3-2PCB板基层
双面板的要紧的特点是能够跨板层布线。
当两个焊点之间的连接导线不能在一面布通时，能够通过设置过孔进入另一面布线。
一样说，只要布线规那么设置合理，双面板很少发生无法布线的情形。
随着电子技术的进展，集成电路已经渗透到生活中的各个领域，对电子产品的设计要求愈来愈高，双面板布线比单面板简单，制作费用和工艺比多面板低廉，因此，双面板的设计是电路设计的要紧方向。
在双面板的设计进程中，需要注意如下几方面：
1．重要的走线（如时钟信号）必然要紧靠地线；
2．布局时依照器件特性划分区域，比如将对噪声灵敏的器件放在一路；
3．将包括关键信号（如时钟）的器件摆放在一路；
4．若是有不同的地（模拟和数字）要分开处置，一样采纳单点接地；
5．电源和地线尽可能靠近，减少各类电流回路的面积。
PCB板图生成总结
一、电路版设计的先期工作
1、利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。
当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。
二、手工更改网络表将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘概念到与它相通的网络上，没任何物理连接的可概念到地或爱惜地等。
将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，专门是二、三极管等。
二、画出自己定义的非标准器件的封装库
建议将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB库专用设计文件。
三、设置PCB设计环境和绘制印刷电路的版框含中间的镂空等。
1、进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等等。
大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。
2、规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。
在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。
对于3mm的螺丝可用~8mm的外径和~3.5mm内径的焊盘关于标准板可从其它板或PCBizard中调入。
注意：
在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成KeepOut层，即禁止布线层。
四、打开所有要用到的PCB库文件后，调入网络表文件和修改零件封装。
这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。
在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。
因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。
当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。
五、布置零件封装的位置，也称零件布局
Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。
如果进行自动布局，运行"Tools"下面的"AutoPlace",用这个命令，你需要有足够的耐心。
布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。
用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。
Protel99在布局方面新增加了一些技巧。
新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。
使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。
当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。
提示：
在自动选择时，使用Shift+X或Y和Ctrl+X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。
注意：
零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。
先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。
六、根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定
假如板上空间允许则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。
对于大板子，应在中间多加固定螺丝孔。
板上有重的器件或较大的接插件等受力器件边上也应加固定螺丝孔，有需要的话可在适当位置放上一些测试用焊盘，最好在原理图中就加上。
将过小的焊盘过孔改大，将所有固定螺丝孔焊盘的网络定义到地或保护地等。
七、布线规则设置
布线规那么是设置布线的各个标准（象利用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部份规那么，可通过Design-Rules的Menu处从其它板导出后，再导入这块板）那个步骤没必要每次都要设置，按个人的适应，设定一次就能够够。
选Design-Rules一样需要从头设置以下几点:
1、安全间距（Routing标签的ClearanceConstraint）
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