基于单片机的智能小车毕业设计.docx
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基于单片机的智能小车毕业设计
基于单片机的智能小车毕业设计
1引言
随着汽车工业的迅速发展，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[1]。
可见其研究意义很大。
本题目是结合科研项目而确定的设计类课题,主要实现小车的自动寻迹功能。
本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。
以80C51为控制核心，控制小车实现自动寻迹。
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好评。
它是第三代单片机的代表。
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﹑Fujutsu﹑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）[2]。
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，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与实际相结合，现实意义很强。
2总体方案设计
系统结构图如图2-1所示：
图2-1系统结构图
通过对设计题目的分析，分析小车要实现既定功能所需要的模块。
首先考虑所用的电机型号，是用直流电机还是步进电机，由于直流电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，故选择用直流电机。
把小车直线行进时分成三种状态，当前面传感器检测到白线时，小车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。
当检测到有一个传感器偏出白线时，小车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。
当检测到有两个电机偏出时，小车处于较大的偏离状态，这时把一个电机的速度调至极低，另一电机全速运行，从而在较短时间完成路线的调整。
利用电机驱动模块L298驱动直流电机，使用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
把电平信号反馈给单片机，单片机MCS-51根据反馈的信号，通过所编写的程序，判断出小车行驶的状态，通过单片机的引脚输出相应的控制信号，控制直流电机的驱动芯片L298，这样才能调整直流电机的转速，使其调整到最佳状态。
3硬件设计
3.1硬件各单元方案设计与选择
从设计的要求看，系统的完成是分模块设计的，在进行方案比较论证时，也是对各个模块进行方案论证，本课题设计的系统有车体设计、控制器模块、电源模块、稳压模块、寻迹传感器模块、电机模块、电机驱动模块七部分，基于此，只对这七部分的方案选择进行说明。
3.1.1车体设计
方案1：
购买玩具电动车。
购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。
但是一般来说，玩具电动车具有如下缺点：
首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。
其次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。
而且这种电动车一般都价格不菲。
方案2：
自己制作电动车。
经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。
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，车体尾部装一个万向轮。
在安装时要保证两个驱动电机同轴。
当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。
综上考虑，我选择了方案2。
3.1.2控制器模块
方案1：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展[3]。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
方案2：
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域[2]。
但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
方案3：
采用MCS-51系列中的80C51单片机作为主控制器。
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好评。
它是第三代单片机的代表。
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[5]。
综上考虑，我选择了方案3。
3.1.3电源模块
由于本系统需要电池供电，我考虑了如下几种方案为系统供电：
方案1：
采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
但由于干电池电量有限，使用大量的干电池会给系统调试带来很大的不便。
方案2：
采用3节4.2V可充电式锂电池串联得到12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比较足，并且可以充电和重复利用，因此，这种方案比较可行。
但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算[8]。
方案3：
采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但我们可以在车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低[10]。
综上考虑，我选择了方案3。
3.1.4稳压模块
方案1：
采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但由于7809和7805压降过大，使得7809和7805消耗的功率过大，会导致7809和7805发热量过大[4]。
方案2：
采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用2576将电压稳压至5V。
2576的输出电流最大可到3A，完全满足系统要求。
综上考虑，我选择了方案2。
3.1.5寻迹传感器模块
方案1：
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[5]。
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。
方案2：
用RPR220型光电对管。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。
此器件虽性能优良但成本较高[7]。
方案3：
用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
综上考虑各种方案的实用性与灵敏性，我选择了方案3。
3.1.6电机模块
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。
方案1：
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[6]。
经综合比较考虑，我们放弃了此方案。
方案2：
采用直流减速电机。
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
由于其部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
我们所选用的直流电机减速比为1：
74，减速后电机的转速为100r/min。
我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到：
V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s
能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了方案2。
3.1.7电机驱动模块
方案1：
针对步进电机用分立元件构成驱动电路。
由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。
但是这种电路工作性能不够稳定。
方案2：
采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它的相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良[9]。
综上考虑，我选择了方案2。
3.1.8最终方案
经过反复论证，我最终确定了如下方案：
（1）自己手工制作车体。
（2）采用MCS-51单片机作为主控制器。
（3）用蓄电池经7812稳压后为直流电机供电，将12V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。
（4）用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
（5）采用直流减速电机作为电动车驱动轮的驱动电机。
（6）L298N作为直流电机的驱动芯片。
3.2单元电路设计
3.2.1光电传感器电路
我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如图3-1和图3-2所示：
图3-1光电传感器电路
图3.1所示电路中，R1起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的二极管V2导通，R2的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，二极管集电极输出低电平。
当没有光反射回来时，光电对管中的二极管V2不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。
VT1在该电路中起到滤波整形的作用。
经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。
如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。
但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。
究其原因，是因为光敏二极管V2和三极管VT1导通时的导通电流较大。
因此我们考虑用比较器的方案。
图3-2光电传感器电路
在图3-2中，可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。
而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。
因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。
3.2.2最小系统电路
80C51是片有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3.180C51单片机最小系统所示。
由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点：
（1）有可供用户使用的大量I/O口线。
（2）部存储器容量有限。
（3）应用系统开发具有特殊性。
1、时钟电路
80C51虽然有部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
80C51单片机的时钟产生方法有两种。
部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用部时钟方式，利用芯片部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，部的振荡电路便产生自激振荡。
本设计采用最常用的部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。
电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。
所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF[9]。
在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。
为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。
图3-3时钟电路
2、复位电路
80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到部复位操作所需要的信号[11]。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1KΩ。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
按键手动复位电路见图3-4。
时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200Ω，RK取1KΩ[12]。
图3-4复位电路
3.2.3驱动控制电路
我们采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，驱动电路的设计如图3-5所示：
图3-5电机驱动控制电路
L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。
3.2.4键盘电路
键盘中需要0~9几个数字键，在加上一个开始按钮和一个停止按钮，所以本设计采用3*4矩阵键盘电路来完成系统的设计要求。
1、键盘电路工作原理
键盘电路一般由键盘接口电路、按钮及键盘扫描构成。
由键盘按键输入数据，经单片机对键盘电路的扫描后，运行参数输入到单片机，供单片机后续的运算和处理。
键盘电路的基本工作原理是利用动片触点和静片触点的接触和断开来实现键盘按键两引脚的通断。
当按键按下时，按键的复位弹簧被压缩，动片触点与静片触点相连，键盘的两个引脚被接通。
当键盘松开后，复位弹簧将动片弹开，使动片触点与静片接触点脱离接触，键盘两个引脚断开[13]。
本设计中使键盘接口80C51单片机的p1口相连，当没有按键被按下时，由于上拉电阻的作用，所以将按键上拉为高电平，每当有按键按下时，对应引脚接地，相应按键两个引脚连通接地，变为低电平。
主控模块中的键盘电路是采用3×4矩阵式键盘输入。
由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。
P1口低三位为行号,高四位为列号。
矩阵式键盘按键的位置由行号和列号唯一决定。
行线通过上拉电阻接到+5V上。
平时无按键按下时，行线处于高电平状态，当有按键按下时，行线电平状态由与此电平相连的列线电平决定。
列线电平为高，行线电平则为高；列线电平为低，行线电平则为低。
上述容为判断按键是否被按下的关键所在。
2、键盘扫描工作原理
键盘扫描方式我采用的是列扫描。
现将列扫描工作原理进行阐述：
80C51的P1口作为键盘接口电路，其中P1.0~P1.2作为行线，P1.3~P1.6作为列线。
行线接上拉电阻。
P1.3~P1.6四条列扫描线轮流输出低电平，然后读P1.0~P1.2，如果没有按键被按下，则P1.0~P1.2均为高电平，当其中有某一按键按下时，相应的P1.0~P1.2中某一引脚就会变为低电平。
如：
P1.3~P1.6输入为1110时，P1.0~P1.2输出为110时，则P1.2引脚输出为低电平，作为输入引脚的P1.6口为低电平，那么就是P1.2行线和P1.6列线的交叉点对应的按键被按下了[14]。
3、键盘按键编码
键盘电路的按钮个数不止一个，对不同电路结构键盘电路，确定键值方法有很多，可以采用行列对应的二进制值作为键值，如上段中P1.2和P1.6交叉点对应的按键值为1110，110。
这种编码方式获得的键值分散性大。
所以一般采用按顺序对键盘进行编码，即将按键行列对应的二进制码作为扫描码，通过查表再转换成键值，键盘任意按键的扫描码=3×行号+列号。
设计的键盘电路如图3-6所示。
图3-6键盘电路
3.2.5电源电路
电源管理单元是系统硬件设计中的一个重要组成单元。
本系统采用7．2V、2000mAh、Ni-Cd蓄电池供电。
为满足系统各单元正常工作的需要，系统将电压值分为5V、6.5V和7.2V三个档。
三个电压档的具体实现及其功能如下：
①采用稳压管芯片L7805CV将电源电压稳压到5V，稳压电路如图3-7所示，给单片机系统电路、路径识别的光电传感器电路和驱动芯片L298N电路供电；
②将电源电压7．2V经过一个二极管降至6．5V左右后给舵机供电；
③将电源电压7．2V直接供给直流驱动电机。
图3-7稳压电源电路
3.3特殊元件介绍
3.3.1光电传感器[14]
光电传感器由于反应速度快,能实现非接触测量,而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。
当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：
原理性研究与应用开发。
随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。
光电传感器又称光传感器,是将光信号转换为电信号的一种传感器,敏感波长在可见光（0.38-0.76um）附近,包括红外线（0.76-1000um）和紫外线波长（0.005-0.4um）。
常见的光电传感器有光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电祸合器、颜色传感器、红外光传感器、紫外线传感器、光纤传感器和CCD图像传感器。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。
其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。
通常把光电效应分为3类：
（1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等；
（2）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；（3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。
光电传感器通常采取的方法是红外探测法。
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，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，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。
单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。
红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。
光电传感器的应用：
应用概述：
用光电元件作敏感元件的光电传感器，其种类繁多，用途广泛。
按光电传感器的输出量性质可分为两类：
（1）把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器，可用来测量光的强度以及物体的温度、透光能力、位移及表面状态等物理量。
例如：
测量光强的照度计，光电高温计，光电比色计和浊度计，预防火灾的光电报警器，构成检查被加工零件的直径、长度、椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器，其敏感元件均用光电元件。
半导体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用，在军事上更有它重要的地位。
例如用硫化铅敏电阻可做成红外夜视仪、红外线照相仪及红外线导航系统等；
（2）把被测量转换成继续变化的光电流。
利用光电元件在受光照或无光照射时"有"或"无"电信号输出的特性制成的各种光电自动装置。
光电元件用作开关式光电转换元件。
例如电子计算机的光电输入器，开关式温度调节装置及转速测量数字式光电测速仪等。
光电传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等也可用来检测能转换成光电量变化的其它非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体形状、工作状态的识别等。
光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
应用举例：
1测量工件表面的缺陷
2测量转速
3光电式数字转速表
3.3.2主控制器80C51单片机[15]
80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上[2]。
如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。
它们都是通过片单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
1微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。
2数据存储器
片为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。
3程序存储器
由于受集成度限制，片只读存储器一般容量较小，如果片的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。
4中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
5定时器/计数器
片有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
6串行口
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。
7P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。
8特殊功能寄存器
共有21个，用于对片的个功能的部件进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
由上可见，80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。
特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。
1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。
MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。
图3-880c51单片机结构图
3.3.3步进电机驱动器L298N[16]
L298啊一种专用的步进电机驱动集成芯片，部为双H桥结构，L298的H桥驱动器功率集成电路包含有四个各自独立的推挽式驱动器（即四个半桥），可单独使用，例如用来驱动单极性的步进电机绕组或控制四台不可逆直流电
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