电子工程师基本技能大赛设计报告智能往返小车Word文件下载.docx
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关键词：
AT89S51单片机、智能小车、步进电机、自动循迹、检测黑带、高低电平、霍尔元件、光敏电阻、继电器。
ABSTRACT
WethisdesignUSEStheATMELcompanyAT89S51ascontrolcore,thesmallestsystemofbasis,throughperipheralsensorsignalandthecontrolbuttonsdetection,thecontrolofthesteppermotorareturning,inversion,accelerationandstopmakeintelligentcarcanfollowtheblacklineautomatictracing,encounterobstaclescanfollowreasonableobstacle-avoidinganddetectingmetalcanalarm-immediately,thusmakeintelligentcarrealizereasonableprogression.
Keywords:
AT89S51,intelligentcar,steppingmotor,automaticfollowtracing,obstacleavoidance,detectmetal,etc.
1绪论及概述
1．1背景、要求、意义
单片机渗透到人们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，因此，对于单片机的研究和应用具有非常重要的意义，同时为进一步培养同学们的创新意识，让同学们了解专业知识的重要性。
1.2具体要求
要求设计并制作一个以单片机为控制核心的智能小车。
采用步进作动力，小车具有地面黑带检测、报警等功能，操作者可以通过按钮启动小车能按照预定的要求自动运行。
本系统采用AT89S51单片机为为核心控制芯片，包括电路、电机驱动电路。
可在小车车身装上数码管显示小车的运行状况并通过汇编完成智能小车的监控装置。
总体设计框图，如图1所示。
图1步进电机驱动智能小车总体结构框图
2设计方案简述
2.1总体方案
设计一个步进电机驱动的智能小车。
采用AT89S51单片机为控制核心，在最小系统的基础上，通过对外围传感器信号的检测，控制步进电机的加速、减速和停止，使智能小车可以沿着轨道行走，检测到黑带可以实现加速、减速，同时发出报警信号，从而使智能小车实现合理的行走。
2.2实现功能
1.智能小车可实现正、反转控制；
2.智能小车行走检测黑带,通过蜂鸣器发出报警信号；
3.智能小车可实现光电循迹；
4.数码管显示检测黑带条数;
5.数码管显示行车所花时间;
6.数码管显示行车里程。
3详细设计
3.1具体设计
（1）、车体设计
经过反复考虑论证,决定自己购买玩具坦克车改装，我们制定了左右两轮分别驱动的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动。
这样，当两个直流电机转向相同，转速相同时就可以实现电动车的前进或者后退。
（2）、电机的选择
对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于本题目要实现对寻迹路线的准确定位和精确测量，我们综合考虑以下方案。
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。
3.2方案的选择与论证
1.黑带检测
因为黑白线颜色不同，其中黑线具有很强的吸光性，故可采用光敏电阻外加继电器进行电压比较，该器件能够很方便的检测出光强的变化。
在检测中可能会出现误测，而系统对黑线的检测要求很高，为了正确的检测到黑线的数目，拟订了以下两种方案：
方案一采用软件处理根据干扰的规律，在软件中用对应的算法把干扰消除。
优点：
可方便的进行调试和修改参数，最大化消除干扰，同时也节省了一部分元器件。
缺点：
算法复杂，占用CPU资源，增加了单片机的负担，导致系统要使用多块单片机。
方案二采用硬件处理优点：
能够有效的去除干扰，处理迅速快捷，可靠性、实时性强，且不占用CPU资源。
要增加部分硬件。
综合两种方案，依系统设计理念，为了降低成本只采用一个光敏检测，而系统又对黑线的检测要求高，故采用方案二
2．速度和路程检测
方案一采用霍尔器件由霍尔效应知当磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差。
故可以在轮子上安装磁铁，并在其附近放置一个霍尔器件，当轮子转动，磁铁接近霍尔器件时就会产生电位差，利用其电位差可产生对应的脉冲，通过对脉冲计数就能进行对路程和速度的测量。
方案二采用光电传感器在对应的齿轮上穿几个洞，然后把槽式光电传感器安装在其上面，当小孔转到传感器上时发射二极管的光线就能穿过小孔使接受光电二极管导通，并产生对应的脉冲，同理，通过对脉冲计数就能够进行对路程和速度的测量。
该方案，安装简便，精度高，成本低。
综合方案一、二，选用方案一。
由于考虑到小车的轮子大小，为了提高测量的准确性，同时也降低了CPU的负担。
3．电机转速控制
依题目要求，电机的转速要根据黑线位置做相应的改变。
通过控制电机两端的电压就能对电机转速进行控制。
方案一采用D/A转换器件优点：
输出电压平稳，波动少，电压大小可调易于控制，精确度高。
要增加D/A转换装置，电源利用率低，不节能，且不好控制电机正反转。
方案二采用PWM控制优点：
驱动电路简单，只需一块相应的芯片，或一个H型桥电路即可，控制方便，可方便实现电机的四象限运行，并且成本低，绿色、高效、节能。
精度不高，调试困难。
方案三采用汇编代码进行延时控制，从而通过软件驱动的方法达到车子的加减速，无需外加额外模块，便于修改和调试。
对比方案一、二、三，结合题目要求，选用方案三。
3.3模块的选择
1单片机芯片
选择AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
如图2
图2单片机最小系统电路
单片机端口分配如下：
（共使用两块单片机）
第一块单片机
P1.0-P0.3端口分配给16脚光电耦合器步进电机驱动板的控制端；
P0.0-P1.7端口分配给黑带检测数码管显示器的数据端；
P2.6-P2.7端口分配给步进电机驱动电路板中的两块驱动继电器的使能端。
第二块单片机
P1.0~P1.6端口通过上拉电阻连接到7个8550三极管（作为开关使用）；
P0.0~P0.7端口通过连接排阻接到记录行车时间、记录行车里程的两块数码管显示器的数据端
P3.4端口连接到霍尔元件的信号脚
2.时钟及复位电路
时钟电路的设计：
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
内部振荡方式的外部电路如图3所示：
图3时钟电路
图中，电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF，我选用30pF。
晶振频率的典型值为12MHz（我所选用），采用6MHz的情况也比较多。
内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中实用电路中使用较多。
也有外部振荡方式，我选用内部振荡方式设计。
复位电路的设计：
当MCS-51系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位。
如图4所示：
图4复位电路
电源接通后，单片机自动复位，并且单片机运行期间，用开关S1操作也能使单片机复位。
总结时钟及复位电路如图5所示：
图5时钟及复位电路
3光电耦合器
光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏（三极）管封装在一起。
发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样耦合器既耦合传输了信号，又有隔离作用。
只要光耦合器质量好，电路参数设计合理，一般故障少见。
如果系统中出现异常，使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所能承受的电压，就会使之被击穿损坏。
光耦可以认为是一个发光二极管和一个光电二极管或三极管封装到一起。
可以实现信号的完全电气隔离。
在信号采集系统中广泛采用。
其电路如图6所示：
图6光电耦合器电路
4.数码管显示电路
采用型号为Gy5101AB共阳数码管进行小车检测黑带条数、行车时间和行程的显示，其电路如图7、8、9所示：
图7数码管显示电路图
图8数码管显示电路图
图9数码管显示电路图
5检测模块
图10主要是检测模块，若检测到黑带，感应灯会亮，小车的速度也会作相应的加减速。
图10检测模块电路图
5.继电器模块
按启动钮，继j电器KC得电吸合并自锁，时间继电器KT1得电开始延时、常闭延时触点通电接触器KM1得电吸合、电机顺转；
当KT1到设置时间，常闭、常开延时触点动作，KM1失电复位（电机也失电），接通KT2开始延时、KM2得电吸合、电机逆转；
当KT2到设置时间，常闭延时触点动作，KT1失电，常闭、常开延时触点复位、KT2、KM2失电复位（电机也失电）重新接通KT1再开始延时，KM1得电吸合，电机顺转，如此不断循环。
通过继电器与单片机配合，由单片机代码控制继电器执行命令，控制电机，从而实现小车自动执行命令。
图11步进电机驱动电路
3.4黑带检测及控制设计流程图
图12所示流程图，当LM358电压比较器通上+6V的电源时，碰到黑带，则检测模块的指示灯会亮，蜂鸣器发出报警了，同时输送一个低电平给单片机模块。
图12数码管显示电路
4设计结果及分析
4.1单元模块的测试
（1）电源电路测试：
设计并搭好电源电路，并用万用表进行检测电路连接情况，在确定电路没问题后，同电源端通上6V的电源，按下开关，观察发光二极管是否发生变化。
（2）黑带检测模块测试：
在以连接好的黑带检测电路中，通电后，用电压表测量LM358的输出端1号引脚是不是为高电平；
在放一张贴有黑胶布的纸张或者是黑色的物品放在反射式光电传感器的感应部分，看电压表的的电压是否为低电平；
来回移动带有黑胶布的纸张或黑色物品，看电压表的电压值是否高低电平的变化。
4.2软件调试（注意）
当保证硬件电路正常工作的前提下，对软件开始进行调试。
通过Medwin3软件将主流程框图的步骤一步一步的将各个部分程序写好，通过仿真软件proteus在线下载调试，观察仿真情况是否和预计的要求一致。
慢慢的完善了整个系统程序，在确定无误时，用编程将正确的程序写入AT89S51中，然后将芯片放入电路中使用，完成了软件的调试。
5总结
在这里首先要感谢机电工程系和物电学院给我们这次学习的机会以及贝尔工作室学长学姐的帮助。
这次我们小组第一次尝试大二的赛题，在这次的设计过程中，我们提前接触到了单片机，LM358芯片，光敏电阻，数码管等，分享了小组共同努力后成功的喜悦。
通过本次设计，深深感到我们既要学好理论更要培养动手能力，通过实践来进一步深入理解理论。
在这一次的设计当中先从传感器检测其应用到最小系统芯片端口的分配，再到步进电机的驱动模块，都让我们深刻的明白了一个产品生产者背后的心酸。
同时加强了自己对研究项目的认识和大二大三认真学好专业课的决心。
参考文献
参考文献采用顺序编码制格式著录。
主要责任者，三名以内的，全部列出；
超过三名时，后面加“等.”字样。
参考文献类型及标识：
参考文献类型
专著
论文集
报纸文章
期刊文章
学位论文
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M
C
N
J
D
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S
P
其他未作说明的文献，建议采用单字母“Z”。
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附录主要程序代码
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