简易智能电动车控制系统设计.doc

1、毕 业 设 计简易智能电动车控制系统设计指导教师 讲师学院名称 工程学院 专业名称 电子科学与技术论文提交日期 2009 年 5 月 论文答辩日期 2009 年 5 月答辩委员会主席 _评 阅 人 _摘 要2AT89S52 单片机是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。现在，单片机已广泛地应用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。随着单片机的发展以及它在各种复杂的控制系统、智能化系统中的广泛应用，它将渗透到生产和生活的各个领域。本设计的理论设计方案、调试方法、测试数据分析方法及设计中的特色与创新.点等对自动运输机器人、家用清洁机器人、灭

2、火机器人等自主及半自主机器人的设计与实现有一定的参考意义。本文介绍了基于 AT89S52 单片机，利用红外传感器检测道路上的障碍，控制电动小车的自动避障，用 PMW 调速方式控制车子快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录和显示时间、里程和速度，自动寻迹、检测铁片、发出声光信息和寻光功能。整个系统的电路逻辑结构简单，可靠性能高，实现功能强大。本文着重介绍了该系统的组成、硬件配置、软件设计、工作原理、功能以及技术性能。本设计的特色就在于它利用 AT89S52 作为中心芯片对外部进行控制，在外部信号采集后经 LM324 电压比较器后能够给单片机输入稳定的高低电平，在小车行驶动力采用 L293 芯片

3、具有足够的驱动力，选 LCD1602 做为显示器增加了本设计的显示功能，改变了传统的 LED 显示信息量小的局限性。关键词：AT89S52 单片机 电动小车 PMW 调速 红外传感器 自动避障 LM324 L293 LCD16021目 录1 前言.11.1 本论文的主要工作.11.2 预期目标.22 系统设计可行性分析.22.1 总体方案.22.2 电源模块方案.22.3 智能车驱动方案.32.4 直流调速方案.32.5 检测放大器方案.42.6 检测黑线方案.62.7 检测铁片方案.62.8 避障方案.62.9 寻光方案.62.10 停车方案.72.11 行车距离检测方案72.12 声音提示

4、方案82.13 显示部分82.14 系统工作原理82.15 本章小结93 系统硬件电路.93.1 电源电路93.2 驱动电路103.3 检测电路113.3.1 黑线检测.113.3.2 铁片检测.113.3.3 障碍物检测.123.4 单片机最小电路123.5 声光电路1323.6 显示电路133.7 系统总电路图163.7 本章小结174 系统软件电路.174.1 系统软件设计说明174.2 软件流程图174.3 本章小结295 硬件电路的制作与调试.305.1 电路板的制作305.1.1 电路图的绘制.305.1.2 制作电路板.305.2 电路板的焊接315.2.1 手工焊锡要点.315

5、.2.2 焊锡操作要领.315.3 电路的调试315.3.1 测试方法与仪器.315.3.2 电源模块调试.325.3.3 单片机模块调试.325.3.4 检测模块调试.325.4 本章小结346 结论.34致谢.35参考文献.36英文摘要.37附录成绩评定表11 前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，可见其研究意义很大。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。 单片机的应用在于实现计算机控制。而在线控制应用方面，由于计算机身处系统之中，

6、因此对计算机有体积小、功耗小、成本低以及控制功能强等要求，对这些要求真可谓是非单片机莫属了。现在单片机的应用日益广泛深入，诸如在智能仪器仪表、家用电器和军事设备的智能化以及实时过程控制等方面，单片机都扮演着越来越重要的角色，具有广阔的应用前景。从上述可以看出，单片机应用的意义绝不限于它的功能，以及所带来的经济效益上。更重要的意义在于单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了，这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。综观近三十年的发展过程，

7、单片机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强 I/O 功能及结构兼容方向发展。预计其今后的发展趋势有以下几个方面：（1）微控制器的 CPU 核仍以 CISC 为主，但向 RISC 演化（2）提升指令执行速度（3）集成大容量片上 FLASH 存储器，实现 ISP、IAP（4）普遍使用混合信号(数字-模拟相混合)集成技术（5）增加可联网的外设接口（6）追求低电压、低功耗、低价位、LPG(少腿芯片 )本设计就采用了比较先进的 AT80S52 为控制核心， AT80S52 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

8、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红外传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。1.1 本论文的主要工作2在现有玩具电动车的基础上，加装红外线传感器、霍尔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。1.2 预期目标根据设计目的，选出合适的芯片和设计方案，实现设计的智能电动小车能够显示时间、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。2 系统设计可行性分析 2.1 总体方案方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外

9、围避障信号，黑带检测信号，铁片检测信号，各路趋光信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。方案二：采用 AT89S52 单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收。铁片检测采用电感式接近开关 TL-Q5MCL 检测，黑带采用红外线发射管对光源信号采集，再经过 LM324 转化为数字信号送到单片机系统处理。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，能很好地满足题目的要求。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现

10、。2.2 电源模块方案由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案一：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。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案二：采用 3 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 12.6V 经过 7812 的电压变换后给电机供电，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，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

11、池会大大超出我们的预算，因此，我们放弃了这种方案。方案三：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3池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。2.3 智能车驱动方案方案一：采用分立元件组成的平式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立元件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想。方案二：采用市面易购的电机驱动芯片 L293D，该芯片是利用 T

12、TL 电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。2.4 直流调速方案方案一：串电阻调速系统。串电阻调速能简单的实现要求，但是不稳定，在电动车行走时产生大的功耗，影响其他芯片的工作，故放弃此方案。方案二：静止可控整流器，简称 V-M 系统。V-M 系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M 系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低

13、速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。方案三：脉宽调速系统。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation） ，简称 PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与 V-M 系统相比，PWM 调速系统有下列优点：（1）由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电

14、流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000 左右。由于电流波形比 V-M 系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。4（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了 PWM 方式进行调速，脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现。 2.5 检测放大器方案：方案一：使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是

15、也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差动放大电路。选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；为获得单片机能识别的 TTL 电平却又无法抑制共模干扰。方案三：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压 U1 和一个参考电压 Ur 进行比较，在 U1Ur 和 U1U2

16、 时输出高电平，当 U1 7 G W g wXXXX1000 (1) ( 8 H X h xXXXX1001 (2) ) 9 I Y i yXXXX1010 (3) : G Z j zXXXX1011 (4) + ; K k XXXX1100 (5) N nXXXX1111 (8) / ? O 一 o3.7 系统总电路图1711223344DDCCBBAATitleNumberRevisonSizeA4Date:209-4Shet ofFilF:智智.SCHDODrawnBy:12345678910234PLM10R50KR2VC12310KR4 123R510R650KR710KR8VC12

17、3R9123Q5MC4.7KR10VC10KR123R3 10KR4 12345678910234PLM123R15123DR0N123huo erVC10R6 123R17123R8 123R9GM112KB012KB0 12KB0 GM2 GM10KR210KR2 10KR2310KR24VCO34 O6O5 O7O8O1O2EA/VP31XTL1928RSP3.7(D)176W6P3.2(INT0)121.4()455P1.0(T2)EX2.334P1.455(MOSI)6.677(CK)8(AD0)P.3918(2).736(4)P0.35AD54(6).72(8)P2.01A9(1)

18、.34(2)P.2536(A14).758PSEN29AL/ROG30(TXD).12VC40U AT89S5212YXTALC130C230key11KR20510KR26VCC3UFLS1SpeakrQ5NP10SVCDS11KR30GND1VC2O3RS4W5E6DB071829310B4D5263714BG VC5N6LC 6L602 12KB0312KB04VCVCVCVin1Gd2+53780Vin1Gd2+12378212DY12DYVC123456P6Headr 3X2123456789P? Headr VC234fs 1234fs4.7KR101234567861543120

19、9P? LM23123456KG2123456KGSW-DPT图 15 系统总电路图3.8 本章小结18本章对上一章所选的方案进行硬件电路的设计，选择好相应的器件，有时器件选好了，可是有些很难购买得到，就改用其他易购买得到的器件代替，比如原来想购买的红外集成传感器，由于市场找不到相应的传感器，就选用另外一种光电开关代替。查找每个器件的用法，对每个方案画好原理图。4 系统软件电路4.1 系统软件设计说明在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，

20、大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块” ，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：（1）单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；（2）模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；（3）模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序定时子程序、避障子程序

21、中断子程序显示子程序调速子程序构成。一个单片机的控制系统的功能实现和可靠性在很大程度上决定于软件，本系统软件采用 C 语言编程，移植性好，可适应不同核心的单片机采用模块化结构，每个功能模块对于整体的设计都是非常重要的。4.2 软件流程图（1） 铁片流程图及程序如下：19图 16 铁片流程图铁片程序：void iron_1() /检测铁片uchar temp;last =iron.num;if(P32=0)delay_ms(10);if(P32=0)20while(P32=0) ;iron.num+; if(last=0)temp=2)iron.num=0;iron.iron_stop_flag=1;elseif(iron.num0;i-)for (j=0;j200;j+); /=/delay(BYTE ms)/延时函数 delay 函数名 /ms 为形参变量/带一个 byte 类型的参数/=void delay_ms(unsigned int ms) unsigned char i; while(ms-) for(i = 0; i 250; i+)/250*4=1000us _nop_();