基于单片机的智能电动小车设计毕业设计.docx
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基于单片机的智能电动小车设计毕业设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
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指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
摘要
80C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
这里介绍的是如何用80C51单片机来实现长春工业大学的毕业设计，该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。
本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。
整个系统的电路结构简单，可靠性能高。
实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。
关键词：
80C51单片机；光电检测器；PWM调速；电动小车
Abstract
80C51isa8bitsinglechipcomputer.Itseasilyusingandmulti-functionsufferlargeusers.ThisarticleintroducestheCCUTgraduationdesignwiththe80C51singlechipcomputer.Thisdesigncombineswithscientificresearchobject.Thissystemregardstherequestofthetopic,adopting80C51forcontrollingcore,supersonicsensorfortestthehinder.Itcanruninahighandalowspeedorstopautomatically.Italsocanrecordthetime,distanceandthespeedorsearchinglightandmarkautomaticallytheelectriccircuitconstructionofwholesystemissimple,thefunctionisdependable.Experimenttestresultsatisfytherequest,thistextemphasizesintroducedthehardwaresystemdesignsandtheresultanalyze.
Keywords:
80C51singlechipcomputer;lightelectricitydetector;PWMspeedadjusting;Electricitymotivesmallcar
1绪论
1.1智能小车设计背景
随着汽车行业的快速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。
本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。
本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。
设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。
根据题目的要求，确定如下方案：
在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。
本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。
以80C51为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，让电动小汽车能够自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。
80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的喜爱。
它是第三代单片机的代表。
1.2智能小车的意义
第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452，还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Jujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。
新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA（可编程计数器阵列）﹑WDT（监视定时器）﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。
这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。
Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线CAN（ControllerAreaNetworkBUS）。
新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。
本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很低。
该设计具有实际意义，可以应用于玩具、机器人、医疗器械等诸多方面。
特别是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与生活实际相结合，现实意义很强。
2智能电动小车的总体设计方案
2.1总体方案论证与比较
（1）方案一：
采用AT89C51单片机作为整机的控制单元。
以AT89C51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中、探测预埋金属铁片、自动寻迹、躲避障碍物、测量里程等问题。
并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动小车的智能化控制[1]。
在本系统中，反射式红外光电传感器检测黑线，然后将信号传送到单片机系统进行处理，使小车沿轨道自主行走；电感式接近开关电路代替金属传感器探测预埋在轨道下的金属铁片，并发出声光信息进行提示；通过霍尔元件测量小车行驶里程；采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路控制电机的转向，实现电动小车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；采用LCD1602实时显示小车行驶的时间。
此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。
此方案的基本原理如图2.1所示。
图2.1 智能车运行基本原理框图
（2）方案二：
采用各类数字电路来组成电动小车的控制系统。
采用数字电路对外围探测轨迹信号，检测金属信号，避障信号，寻找光源信号分部进行处理。
但对输入输出都是模拟量的小装置，假如采用数字化方案，则要先用A/D转换器将模拟量转换为数字量，经过数字电路处理后，再经D/A转换器将数字量转换为模+拟量。
这样必然带来高成本、电路复杂等缺点。
所以本方案灵活性不高，效率低，不利于电动小车智能化的扩展。
同时，对各路信号处理也比较困难。
比较以上两种方案的优缺点，方案一简洁、灵活、可扩展性好，能达到设计要求，因此本设计采用方案一来实现。
2.2探测轨迹模块
在本设计中，要求电动小车沿着路面的黑色轨道行驶。
其探测路面黑线的基本原理：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。
利用这个原理，可以控制电动小车行走的路迹。
下面几种方案是根据本原理设计的。
（1）方案一：
利用发光二极管发光，用光敏二极管接收。
由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差，因此放弃该方案。
（2）方案二：
利用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
（3）方案三：
采用反射式红外线光电传感器。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点[2]。
在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，电动小车上的接收管接收不到红外光。
单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定黑线的位置，从而控制小车的行走路线。
采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。
红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。
因此本方案易于实现，也比较可靠。
所以本设计采用方案三。
2.3检测金属铁片模块
（1）方案一：
采用探测线圈和探测仪构成的金属探测器。
此类金属探测器利用探测线圈产生的交变磁场在接近金属材料时产生微弱变化这一原理，将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的，但是该探测器的结构复杂。
因此不易采用。
（2）方案二：
采用根据电涡流原理自制的传感器。
该传感器取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成功率不高，难以精确输出传感信息。
（3）方案三：
利用电感式接近开关代替金属探测器。
接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。
它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，可用于检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制等。
当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制。
其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。
因此用它作为小车的金属传感器，简单易行、抗干扰性能优越。
综合考虑以上三种方案的优越性，本设计选择方案三。
2.4避障模块
考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物30CM的范围内做出反应，这样在绕过障碍物后，可寻找到最佳的位置和方向。
否则，如果范围太大，则可能产生对障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。
根据上述要求，提出下列方案。
（1）方案一：
采用激光传感器探测障碍物。
该传感器能非常准确地测出障碍物的存在，但价格昂贵，处理繁琐，不符合该设计的要求。
（2）方案二：
采用超声波传感器探测障碍物。
超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车的方向，以控制小车准确地绕过障碍物，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制。
这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。
同时，超声波传感器具有频率高、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生明显反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在生产、国防、医学等方面。
鉴于智能电动小车应以是以智能为显著特点，所以采用方案二。
2.5寻找光源模块
（1）方案一：
采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。
若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出光源的方位。
该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。
（2）方案二：
利用由光敏电阻组成的光控开关电路。
利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路，检测光源。
光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光电管，它是基于半导体内光电效应工作的。
当无光照射时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。
光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定，因此在自动化技术中得到了广泛的应用。
综合考虑到上述方案的优缺点，本设计采用方案二。
2.6显示模块
（1）方案一：
采用LED数码管显示。
在系统中要用到多只LED数码管进行动态显示即可达到要求。
其优点是价格便宜，寿命长。
缺点是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路设计复杂，且占用空间。
（2）方案二：
采用LCD1602液晶显示器。
LCD广泛应用于微型计算机控制系统中。
与LED相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉价的特点，且有良好的人机界面，直观，显示效果漂亮。
目前已广泛应用在各种显示领域。
另外，LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中，LCD已成为一种占主导地位的显示器件[3]。
因此，本设计采用方案二。
2.7测量里程模块
（1）方案一：
通过测试得出小车平均速度v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积t*v作为驶过的里程。
但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点。
故不予采用。
（2）方案二：
采用开关式霍尔元件。
在车轮上安装小磁钢，将霍尔开关器件安装在固定轴上。
当车轮转动时，磁钢也跟着转动，霍尔元件感应到磁场的变化时，就会产生通断效果，使单片机的输入端产生高低电平的变化，从而使其计数小车车轮转的圈数，假设为N，并设车轮的周长为L，通过S=N*L，就可以计算出小车在一段时间内的里程。
霍尔元件由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，被广泛用于电流、磁场、位移、压力等物理量的测量。
同时，霍尔元件具有体积小，频率响应宽度大，动态特性好，抗干扰能力强，对外围电路要求简单，使用寿命长，价格低廉等特点，安装也较为方便。
只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。
（3）方案三：
采用透射式光电开关。
在齿轮箱中安装透射式光电开关，测出变速齿轮的每秒转速，用变速比和车轮周长计算出线速度，积分求行驶里程。
但在齿轮箱中使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响传动机构的机械动作。
通过比较上述方案的优缺点，综合多方面因素决定选用方案二。
2.8电动机驱动模块
（1）方案一：
使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。
（2）方案二：
采用继电器控制电机。
采用继电器对电机的开或关进行控制。
通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
（3）方案三：
采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路。
通过PWM脉宽调制的方法，实现对小车速度的控制。
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等优点，是一种广泛采用的调速技术。
H型全桥式电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。
这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。
为了电路设计简单，采用电机专用驱动芯片L298N，其驱动电流大，瞬时电流最高可达2A，为电机驱动专门设计，工作稳定可靠。
完全满足设计要求[4]。
综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。
3系统的硬件电路设计
单片机（SCM）是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）的简称。
它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。
随着SCM在技术上、体系上不断扩展其控制功能，国际上已经采用MCU（MicroControllerUnit）代替单片机的名词。
它的最大优点是体积小，可放在仪表内部。
但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。
目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。
近年来，AT89C51在我国非常流行，它最大的特点是内部有可以多次重复编程的闪烁ROM，并且闪烁ROM可以直接用编程器来擦写（电擦写），使用起来比较方便。
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统配置，既要按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等，又要设计合适的接口电路。
本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。
其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，来控制小车行走，同时将相关数据送显示单元动态显示。
在本系统中，AT89C51单片机的P1口用于LCD1602显示，P2.0、P2.1口用于电动机的PWM驱动控制，P0.3、P0.4口用于探测轨迹，P0.5口用于探测障碍物，P0.0、P0.1口用于寻找光源。
P0.6用于LED提示，P0.7用于蜂鸣器报警，P3.2外部中断0用于检测金属铁片，P3.3外部中断1用于计数脉冲，从而达到测量里程的目的。
3.1检测轨迹电路
轨迹探测电路根据反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。
该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。
如图3.1所示。
红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。
当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图3.1中光敏三极管将导通，输出低电平，经LM306电压比较器送单片机控制。
当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。
即当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平[5]。
图3.1轨迹探测电路图
为了保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。
在小车行走过程中，结合查询方式，通过程序控制小车行走轨迹。
如果左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。
控制其向右转；如果右方向偏离黑线，则左侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。
控制其向左转。
从而保证小车沿黑线行驶。
电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在不同光度的环境中能够寻迹。
由于接收对管装在车底，发射距离的远近较难控制，调节可调电阻，灵敏度不高，因此采用在对管上套一塑料管，屏蔽外界光的影响，灵敏度将大幅提升。
在该电路中，加比较器LM306的目的是使模拟量转化为开关量，便于处理。
3.2检测金属片电路
电感式接近开关由三大部分组成：
LC振荡器、开关电路及放大输出电路。
它的工作原理是外界的金属性物体对它的高频—振荡器产生非接触式感应作用。
振荡器即是由缠绕在铁氧体磁芯上的线圈构成的LC振荡电路。
振荡器通过传感器的感应面，在其前方产生一个高频交变的电磁场。
当外界的金属性导电物体接近这一磁场，并到达感应区时，在金属物体内产生涡流效应，这个涡流反作用于接近开关，从而导致LC振荡电路振荡能力衰减，振幅变小，内部电路的参数发生变化，即称之为阻尼现象。
这一振荡的变化，即被开关的后置电路放大处理并转换为一确定的输出信号，触发开关并驱动控制器件，从而达到非接触式目标检测之目的。
这种接近开关所能检测
的物体必须是金属物体。
其原理框图如图3.2所示。
金输出
属电源
物
体
图3.2接近开关原理框图
在车底中部安装一个金属检测传感器，将其检测面对准运行路面，当小车通过金属铁块时，输出端输出一个高电平信号，将这个高电平信号通过74LS04反相器，将信号用单片机检测出来，借此控制电动机产生相应的动作，并声光提示。
检测金属铁片电路原理图如图3.3所示。
图3.3检测金属铁片电路原理图
3.3检测障碍物电路
采用超声波传感器探测障碍物。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。
它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。
利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。
作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。
超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。
本设计应用反射式超声波探测电路探测障碍物。
该电路分为超声发射电路，超声接收电路和信号处理电路[6]。
（1）超声发射电路
超声发射电路由时基电路555组成，555振荡电路的频率可以调整，调节电位器RP1可以将接受超声传感器的输出电压调至最大，通常可调至40kHz。
电路如图3.4所示。
图3.4超声波发射电路
该电路用到时基电路LM555。
LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。
其各个引脚的功能如下：
6脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。
2脚为触发端（TR），是下比较器的输入。
3脚为输出端（OUT），有0和1两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。
7脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。
4脚为复位端（R），叫上低电平（<0.3V）时可使输出端为低电平。
5脚为控制电压端（CV），可以用它来改变上下触发电平值。
8脚为电源（VCC），1脚为地（GND）。
一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的R-S触发器。
这个特殊的触发器有两个输入端：
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