1、 机电一体化课程设计说明书0目录1. 整体设计 .11.1. 车体选择 .11.2. 驱动电机选择 .11.3. 减速箱以及车轮选择 .11.4. 微控制器选择 .21.5. 传感器的选择 .32. 机械部分介绍 32.1. 万向轮简介 .32.2. 机械部分三视图 .33. 硬件部分介绍 53.1. 芯片器件介绍 .53.2. 模块功能介绍 .63.3. 整体电路图 .114. 软件设计部分 124.1. 主程序流程图 .125. 调试与下载 .135.1. Keil 软件介绍 135.2. 程序调试 .136. 设计总结 .147. 参考文献 .15附录 1:相关程序 .16机电一体化课程
2、设计说明书1附录 2:实物照片 .20附录 3:原理图 211. 整体设计1.1. 车体选择本课程设计任务为设计一款基于简易远程无线遥控小车，手机上的上位机通过蓝牙向小车发送指令，小车 接收到指令后做出相应的动作。由此需要首先选择合适的车体结构，只要求小车能 够实现灵活转动和行走，并且成本在可以接受的范围，基于以上原因选择两轮驱动加两个万向轮均布在底盘上的结构。1.2. 驱动电机选择由于设计小车体积小，质量轻，且 对小车的行驶轨迹没有很高的要求，因此选用 130电机作为小车驱动电机。130 电机机构简单，价格低廉，控制要求 简单，输出转矩较为恒定，可以满足一般低功率场合的要求，如下图 1 所示
3、：机电一体化课程设计说明书21.3. 减速箱以及车轮选择由于 130电机转速（6V）约为 2000-4000转/分，而小车行走时要求速度低而转矩 较 大，因此要选用合适的减速箱。本次设计选用的减速箱及车轮如图 2 所示：机电一体化课程设计说明书3减速箱参数为：a. 无负载转速（6V）：100RPMb. 无负载电流（6V）：60mAc. 工作转矩（6V）： 3000mg*cm1.4. 微控制器选择本次课程设计选用 40 脚 52单片机 STC89c52。与基本型 51单片机相比，在性能上有很大的提高，速度与传统型 8051 相比，速度更快。此外和基本型 51单片机（例如 STC89 系列）在引脚
4、封装和程序上有很好的兼容性，基于 STC89 系列单片机的程序基本无需修改就可以在该 52单片机上直接运行。该单片机内部集成 MAX810专用复位电路，集成了内部 RC 振荡器，在 对时钟精度要求不高的应用中，可以不需外部晶振电路，直接使用内部 RC 振荡器， 简化外围设计和降低成本，并且提高系 统的抗干扰能力。STC12C5A08S2 如图 3 所示：1.5. 传感器的选择红外探测法，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，小车上的机电一
5、体化课程设计说明书4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。检测黑线，沿着黑线走。2. 机械部分介绍2.1. 万向轮简介万向轮就是所谓的活动脚轮，它的结构允许水平 360 度旋转。脚轮是个统称，包括活动脚轮和固定脚轮。固定脚轮没有旋转结构，不能水平转动只能垂直转动。这两种脚轮一般都是搭配用的，比如手推车的结构是前边两个固定轮，后边靠近推动扶手的是两个活动万向轮。 万向轮是指安装在脚轮轮子的支架能在动载或者静载中水平 360 度旋转。制造万向轮的材料有多种，最普遍的材料是：尼龙，聚氨酯，橡胶，
6、铸铁等材料。广泛应用于矿山、机械设备、电子设备、医疗设备、工程装修、纺织、印染、家俱、物流设备、仓储、周转车、机箱、机柜、设备、机电、无尘车间、生产流水线、大型超市等众多行业和各种领域。 根据其不同的用处，轴承分铁芯，铝芯，塑芯，尺寸 1 寸至 8 寸不等。其中铁芯,铝芯一般为重型承重轮，使用时常配备刹车器具。2.2. 机械部分三视图主视图如图 4 所示：机电一体化课程设计说明书5左视图如图 5 所示：俯视图如图 6 所示：机电一体化课程设计说明书63. 硬件部分介绍3.1. 芯片器件介绍3.1.1. 主控芯片 STC89C5251 单片机是对目前所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片
7、机的统称。 该系列单片机的始祖是 Intel 的 8031 单片机，后来随着 Flash rom 技术的发展，8031 单片机取得了长足的进展，成为目前 应用最广泛的 8 位单片机之一，其代表型号是 ATMEL公司的 AT89 系列，它广泛 应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有 51 系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51 单片机是基础入门的一个单片机，还是 应用最广泛的一种。机电一体化课程设计说明书7本次课程设计选用宏晶 40 脚 LQFP 封装的单时钟/机器周期（1T）52 单片机STC89C52。其主要性能参数为：(1) 8052CPU，1T，单机器/
8、时钟周期，指令代 码完全兼容 传统 8051(2) 工作电压：3.5V-5.5V(3) 工作频率：0-35MHz, 相当于普通 8051 的 0-420MHz(4) 用户应用程序空间：2K(5) 片上集成 128 字节 RAM(6) 40 个通用 I/O 口，可 设置为四种模式：准双向口/弱上拉、强推挽/ 强上拉、 仅为输入/高阻、开漏，每个 I/O 口驱动能力均可达 20mA，但整个芯片不能超过120mA(7) 时钟源：外部高精度晶振/时钟、内部 RC 时钟：11MHz-17MHZ(8) 共 4 个 16 位定时器(9) 7 路外部 I/O 口中断(10) 两个通用全双工异步串行口(UART
9、)3.1.2. 蓝牙转串口模块 HC-06 透传模块蓝牙转串口模块 HC-06 透传模块。其主要性能参数为：1） 核心模块使用 HC-06 从模块，引出接口包括 VCC,GND,TXD,RXD,预留LED 状态输出脚，单片机可通过该脚状态判断蓝牙是否已 经连接，KEY 引脚对从机无效2）led 指示蓝牙连接状态，闪烁表示没有蓝牙连接，常亮表示蓝牙已连接并打开了端口3） 底板 3.3V LDO，输入电压 3.66V，未配对时电流约 30mA，配对后约10mA，输入电压禁止超过 7V！4）接口电平 3.3V，可以直接 连接各种单片机（51， AVR，PIC，ARM，MSP430 等），5V 单 片
10、机也可直接 连接，无需 MAX232 也不能经过 MAX232！机电一体化课程设计说明书85）空旷地有效距离 10 米，超过 10 米也是可能的，但不对此距离的连接质量做保证6）配对以后当全双工串口使用，支持 8 位数据位、 1 位停止位、无奇偶校 验的通信格式。7） 在未建立蓝牙连接时支持通过 AT 指令设置波特率、名称、配 对密码， 设置的参数掉电保存。蓝牙连接以后自动切换到透传模式3.1.3. 电机驱动芯片 L293DL293D 是美国德州仪器（Texas Instruments）生产的微型 电机驱动集成电路芯片，支持 Vcc 4.5-36V，最大 输 出电流为 1A。由于其 驱动 能力
11、有限，多应用于小型机器。其主要性能特点为：（1）每通道具有 600mA 的驱动能力 （2）共 1.2A 驱动 能力（3）芯片过热保护功能 (4）逻辑“0” 电压输入上升到 1.5V其内部框图如图 7 所示：图 7机电一体化课程设计说明书93.2. 模块功能介绍3.2.1. ISP 接口、主控芯片、晶振及复位 电路电路图如图 8 所示：复位电路由一个 0.25W 的 10K 电阻，一个 10uF 的电解电容组成。为了兼顾单片机进行串口通讯数据传输得到理论上为零的误码率，因而外部高速晶振电路采用 11.0592MHz 的石英晶振，同 时选用 30pF 的调整电容。ISP 接口直接用 2.54mm的
12、标准插针接出，方便程序下 载调试。3.2.2. 电源开关、滤波及指示灯电路图如图 9 所示：机电一体化课程设计说明书10图 9电源滤波采用 220uF电解电容做低频滤波，采用瓷片电容 104 做高频滤波。电源指示采用 LED，同时采用 1K电阻做限流电阻。限流电阻阻值计算方法为：(0.7)/(RVcI公式中 R为限流电阻阻值，Vcc 为电源电压， 0.7为 LED 正向导通压降， I为 LED 正常工作电流，一般为 3mA-10mA，常取 值为 5mA。通常在设计中限流电阻取 470 或 1K。3.2.3. 电机驱动指示电路电路图如图 10 所示：机电一体化课程设计说明书11图 10电机驱动选
13、用 L293D，能满足设计性能要求，并且价格便宜。L293D 输出端用标准插针接出，便于组装调试 。同 时电路设计是还在输 出端使用 LED 显示 L293D 的输出状态，如果电机正转时 D1 灯亮，那么电机翻转式 D1 灯熄灭，同 时 D2 灯亮，由此方便程序调试，图中 R7 和 R8 为限流电阻，阻值计 算方法与上例相同。3.2.4. LED 流水灯及蜂 鸣器电路图如图 11 所示：机电一体化课程设计说明书12图 11LED 流水灯常用于调试程序时输出调试信息，或者在产品应用中用于指示信息。图中采用共阳极连接方式，同样使用 1K电阻做限流电阻，用 J2 做开关，工作 时，J2短接，当在 L
14、ED 灯的阴极输 出低电平， LED 灯导通发 光， 输出逻辑高电平，LED 截止。蜂鸣器常用语输出警示信息，由于单片机 I/O 口输出电流有限，因而图中使用 PNP型三极管 Q5 作功率放大， 图中 Q5 工作于饱和区，也就是起开关及功率放大的作用，R13 作限流保护作用，当 BELL 端输出逻辑零时 Q5导通，输出逻辑高是 Q5 截止，通过 Q5 一定频率的通断，可以使蜂鸣器发出一定音调的声音。3.2.5. 数码管显示电路图如图 12 所示：机电一体化课程设计说明书13图 12数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多
15、少个“8” 可分为 1 位、2 位、4 位等数码管。 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相 应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相 应字段就不亮。机电一体化课程设计说明书14
16、电路中使用的是共阳极 4 位数码管，其中 Q1、Q2、Q3、Q4为 PNP 型三极管，工作于饱和区，完成功率放大的同时，也做开关，也称为 段选通道，P3 口作为数码管显示的数据口。3.2.6. 插接件及按键原理图如图 13 所示：图 13插接件常用于外围传感器与主控板之间的电源、信号连接，具有结构简单，使用灵活，接触可靠等优点。按键是最常用的输入器件，如电路中说示，当按下 K1时，P2.4 引脚被拉低，当单片机 检测时会得到逻辑低信号，当按键放开时，由于内部上拉电阻的作用，单片机检测 是会得到逻辑高信号，因而实现了信息的输入。 值得注意的是，由于机械按键在按下时会产生机械抖动，而相比机械抖动而
17、言， 单片机读引脚的而速度很快，因而为 了防止按键按下时由于抖动而出现只按下一次而检测到机电一体化课程设计说明书15多次按下信息，常常在检测到第一次按下之后，加一个延时，等待按 键抖动停止而后再处理。3.2.7. 光电传感器模块电路图如图 14 所示：图 143.3. 整体电路图主控板整体电路图如图 15 所示：机电一体化课程设计说明书16图 154. 软件设计部分4.1. 主程序流程图图 16 所示为主程序 main()的程序流程图，进入程序后，根据 TCRT5000 型光电传感器检测的值，让程序做出判断，然后判断转向，完成沿着黑线行走，直到走完整个赛道，根据检测情况调用相 应的函数，控制小
18、 车的行 进、停止、左 转及右转。机电一体化课程设计说明书175. 调试与下载5.1. Keil 软件介绍Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C语言软件开发系统，与 汇编相比，C 语言在功能上、 结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，机电一体化课程设计说明书18因而易学易用。Keil 提供了包括 C编译器、宏 汇编、 连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。Keil C51 软 件 提 供 丰 富 的 库 函 数 和 功 能 强 大 的 集 成 开 发 调 试
19、 工 具 ，全Windows 界 面 。另 外 重 要 的 一 点 ，只 要 看 一 下 编 译 后 生 成 的 汇 编 代 码 ，就 能 体会 到 Keil C51 生 成 的 目 标 代 码 效 率 非 常 之 高 ，多 数 语 句 生 成 的 汇 编 代 码 很 紧凑 ，容 易 理 解 。在 开 发 大 型 软 件 时 更 能 体 现 高 级 语 言 的 优 势 。C51 工 具 包 的 整 体 结 构 ，uVision 与 Ishell 分 别 是 C51 for Windows 和for Dos 的 集 成 开 发 环 境 (IDE)，可 以 完 成 编 辑 、编 译 、连 接 、调
20、 试 、仿 真 等 整个 开 发 流 程 。开 发 人 员 可 用 IDE 本 身 或 其 它 编 辑 器 编 辑 C 或 汇 编 源 文 件 。然 后分 别 由 C51 及 C51 编 译 器 编 译 生 成 目 标 文 件 (.OBJ)。目 标 文 件 可 由 LIB51 创建 生 成 库 文 件 ，也 可 以 与 库 文 件 一 起 经 L51 连 接 定 位 生 成 绝 对 目 标 文件 (.ABS)。ABS 文 件 由 OH51 转 换 成 标 准 的 Hex 文 件 ，以 供 调 试 器 dScope51 或tScope51 使 用 进 行 源 代 码 级 调 试 ，也 可 由 仿
21、 真 器 使 用 直 接 对 目 标 板 进 行 调 试 ，也 可 以 直 接 写 入 程 序 存 贮 器 如 EPROM 中 。5.2. 程序调试本 次 设 计 所 用 程 序 使 用 Keil uV4 开 发 调 试 ，程 序 调 试 编 译 成 功 如 下图 所 示 ：机电一体化课程设计说明书196. 设计总结本 次 课 程 设 计 是 对 过 去 所 学 专 业 知 识 的 一 次 全 面 而 综 合 的 运 用 ，在 这 次设 计 过 程 中 我 全 面 的 温 习 了 以 前 所 学 过 的 知 识 ，包 括 机 械 专 业 知 识 以 及 单 片机 编 程 、数 字 和 模 拟
22、电 子 技 术 相 关 知 识 以 及 PCB 板 的 原 理 图 、PCB 图 的 绘 制 等知 识 ，同 时 也 培 养 了 我 认 真 分 析 问 题 、独 立 解 决 问 题 的 能 力 ，巩 固 了 我 对 所 学理 论 的 实 际 运 用 。通 过 设 计 ，使 我 更 加 接 近 生 产 实 际 ，锻 炼 了 将 理 论 知 识 运 用于 实 际 的 分 析 和 解 决 实 际 问 题 的 能 力 ，巩 固 和 加 深 了 有 关 机 电 一 体 化 设 计 方面 的 知 识 和 能 力 。使 我 更 有 信 心 在 电 子 行 业 中 继 续 学 习 下 去 。在 设 计 的
23、过 程 中 ，我 深 深 体 会 到 了 一 个 设 计 者 的 精 神 。在 设 计 过 程 中 既 要不 断 思 考 、创 新 ，又 要 注 重 现 有 资 料 ，掌 握 了 查 阅 和 使 用 标 准 、规 范 、手 册 及 相关 技 术 资 料 的 基 本 技 能 和 以 及 编 程 、控 制 、PCB 绘 制 能 方 面 的 能 力 。机电一体化课程设计说明书20当 然 ，由 于 我 的 知 识 能 力 和 水 平 有 限 ，有 些 地 方 还 不 是 很 完 善 ，系 统 也 存在 一 定 的 缺 陷 和 不 完 善 的 地 方 ，恳 请 老 师 批 评 指 正 ，以 便 我 以
24、后 更 好 学 习 和 进步 。7. 参考文献1 胡 萍 .超 声 波 测 距 仪 的 研 制 .计 算 机 与 现 代 化 ，2003.10 2 时 德 刚 ，刘 哗 .超 声 波 测 距 的 研 究 .计 算 机 测 量 与 控 制 ，2002.10 3 华 兵 .MCS-51 单 片 机 原 理 应 用 .武 汉 ：武 汉 华 中 科 技 大 学 出 版 社 ，2002 .5 机电一体化课程设计说明书214 李 华 .MCU-51 系 列 单 片 机 实 用 接 口 技 术 .北 京 ：北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ， 1993. 6 5 陈 光 东 .单 片 机 微 型
25、计 算 机 原 理 与 接 口 技 术 (第 二 版 ).武 汉 ：华 中 理 工 大 学出 版 社 ，1999.4 6 徐 淑 华 ，程 退 安 ，姚 万 生 .单 片 机 微 型 机 原 理 及 应 用 .哈 尔 滨 ：哈 尔 滨 工 业大 学 出 版 社 ，1999. 6. 7 苏 长 赞 .红 外 线 与 超 声 波 遥 控 .北 京 ：人 民 邮 电 出 版 社 ，1993.7 8 张 谦 琳 .超 声 波 检 测 原 理 和 方 法 .北 京 ：中 国 科 技 大 学 出 版 社 ，1993.10 1 机电一体化课程设计说明书22附录 1:相关程序课 程 设 计 程 序 文 件 ：
26、寻 线 小 车 程 序 .c#include #define uint unsigned intsbit s1=P27;sbit s2=P26;sbit s3=P25;sbit s4=P24;sbit s5=P23;sbit s6=P22;sbit s7=P21;sbit d1=P01; sbit d2=P02;sbit d3=P03;sbit d4=P04;sbit d5=P05;sbit d6=P06;sbit d7=P07;sbit o0=P14;sbit o1=P13;sbit o2=P12;sbit o3=P11;uint tab6;int zhuan=4,zhuan_c=0; /z
27、huan 记 录 黑 线 所 在 位 置 同 时 也 是 转 向 信 号 ，zhuan_c 为 记 录 本 次 扫 描 和 上 次 扫 描 相 差 位 置void delay(uint x)int i,j;for(i=x;i-;i0)for(j=5;j-;j0);void scan()d1=s1;d2=s2;d3=s3;d4=s4;d5=s5;d6=s6;d7=s7;机电一体化课程设计说明书23tab3=s4;tab2=s3;tab6=s7;tab1=s2;tab5=s6;tab0=s1;tab4=s5;void dispose()uint i,j=0;for(i=0;i=-2)机电一体化课程
28、设计说明书24elsea4=4-zhuan;a2=a4*a4*4;/调 转 向a3=50; /55 能 跑 12Va1=1;/调 速if(zhuan4) /向 左 转o0=0;o1=0;o2=0;o3=0;delay(a1);o0=1;o1=0;o2=0;o3=1;delay(a2);o0=1;o1=0;o2=1;o3=0;delay(a3-a2);o0=0;o1=0;o2=0;o3=0;delay(a4); else if(zhuan4) /向 右 转o0=0;o1=0;o2=0;o3=0;delay(a1);o0=0;o1=1;o2=1;机电一体化课程设计说明书25o3=0;delay(a2);o0=1;o1=0;o2=1;o3=0;delay(a3-a2);o0=0;o1=0;o2=0;o3=0;delay(a4); elseo0=0;o1=0;o2=0;o3=0;delay(a1);o0=1;o1=0;o2=1;o3=0;delay(a3);void main()while(1)scan();dispose();contr();机电一体化课程设计说明书26附录 2：实物照片机电一体化课程设计说明书27附录 3：原理图机电一体化课程设计说明书28
