1、中国海洋大学课程设计报告题 目：自动往返电动小汽车组 员：莫锦河、李鹏飞指导教师：谷健自动往返电动小汽车摘要本设计以一片单片机 AT89C52 作为核心来控制自动往返小车，加以控制芯片 L298N 和单片机联合控制小车的前进与后退。路面的黑带检测使用光电传感器，通过 AT89C52 对输入的信号进行处理，通过 PWM 调制使电机转速能自动调节，从而实现电动小汽车的快慢速行驶，以及自动停车、往返的控制要求。关键字：电动小车、AT89C52 单片机、光电传感器、PWM 调速一、系统方案论证1.1 最小系统控制器的选择方案方案一：AVR ATMEGA16 单片机。AVR 系列单片机采用 RISC 结
2、构，执行速度较快，并且内部资源丰富，可以方便的使用 C 语言编程，并且开发环境很方便，但是功耗较高，在超低功耗方面明显不能满足题目要求。方案二： MSP430G2553 系列超低功率微控制器包含几个器件，这些器件特有针对多种应用的不同的外设集。这种架构与 5 种低功耗模式相组合，专为在便携式测量应用中延长电池的使用寿命而优化。MSP430G2x13 和MSP430G2x53 系列是超低功耗混合信号微控制器，具有内置的 16 位定时器、多达 24 个支持触摸感测的 I/O 引脚、一个通用型模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信能力。此外，MSP430G2x53 系列成员还具有一个 10 位
3、模数(A/D) 转换器。方案三：典型的 51 系列单片机 AT89C52。51 系列单片机操作较为简单，程序简单易学，开发非常方便。综合比较，我们采用方案三，采用典型的 51 系列单片机 AT89C52，方便实现。1.2 电动机模块方案一：选用步进电动机，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的
4、；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。方案二：选用伺服电动机，在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。方案三：选用直流电动机，直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷
5、跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。综上比较，我们采用方案三，方便实现直流驱动小车的运动。1.3 升压模块 方案一：使用 UCC38C43 芯片的交错式升压。交错式升压电路中，每个相的工作方式都与上述单相升压相似。两个功率级会以反相 180的方式运行，使得输入和输出电容的纹波电流互相抵消，但是功耗比较大。方案二：使用直流升压。其基本的工作过程是：高频振荡产生低压脉冲脉冲变压器升压到预定电压值脉冲整流获得高压直流电，电路简单、低成本、而且功耗比较低。综上比较，我们采用方案二，更有利于实现超低功耗。1.4 降压模块方案一：使用二极管降压
6、电路。二极管导通时有一个止向压降，且该压降为固定值（硅管为 0.7V，锗管为 0.3V） ，但是电压太高容易被击穿。方案二：使用 TPS54331 芯片降压电路。其 110A 工作电流以及极低的 1A 关断电流，拥有 3.5V28V 的宽泛输入电压范围、低至 0.8V 的可调输出电压以及高达 3A 的输出电流，能显著降低 LCD 电视负载点电路板设计方案功耗。综合比较，采用方案二，结合 AT89C52 单片机共同实现超低功耗的功能。1.5 黑带检测模块方案一：选用反射式红外传感器，利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要
7、它本身具有一定的温度（高于绝对零度） ，都能辐射红外线。 方案二：选用光电传感器，光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先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。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样等优点。综上比较，我们采用方案二，材料容易获取，切简单容易操作。二、系统的硬件设计及工作原理根据题目的要求，该系统主要由电动机模块、升压模块、降压以及黑带检测模块组成，其结构的框架如下图 1 所示。图 1 系统方案图2.1 AT89C52 单片机AT89C52 片内集成 256 字节程序运行空
8、间、8K 字节 Flash 存储空间，支持最大 64K 外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在 0-33M 之间。片内资源有 4 组 I/O 控制端口 3 个定时器、8 个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在 4V 到 5.5V 宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。具体电路见附图1。2.2 电动机模块电机驱动电压由 AT89C52 单片机的 P1.0 和 P1.1 分别控制。当 P1.0 为0，P1.1 为 1 时，电机驱动电压为+5.0V ，小车进入高速行驶状态；当 P1.0 为1，P1.1 为 0 时，电机驱动电压为
9、+3.3V ，小车进入低速行驶状态。当 P1.0 为高电位时，电机供电三极管截止，关闭电机电源实现停车功能；当 P1.0 为 1时，D880 输出电机驱动电压，小车按单片机的指令执行各种功能。具体电路见附图 2。2.3 升压模块直流升压工作过程是：高频振荡产生低压脉冲脉冲变压器升压到预定电压值脉冲整流获得高压直流电，按照这个原理可是实现使用干电池给电容充电，从而获得题目要求的 25V 电压，而且利用这种方法其功耗和成本都比较低，而且简单方便易操作。具体电路图见图 3。2.4 降压模块TPS54331 芯片，拥有 3.5V28V 的宽泛输入电压范围、低至 0.8V 的可调输出电压以及高达 3A
10、的输出电流，对于实现超低功耗起到重要作用。具体电路见图 4。2.5 黑带检测模块光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。具体电路图见附图 5。2.6 方向控制模块由于小车自身存在的问题，例如车轮有摩擦、车身设计结构不够合理等因素，可以会影响小车在前进时偏离原定的
11、方向，最终影响到小车的运行速度，从而得不到正确的效果。所以，我们在设计中选用了 4 个双刀双掷开关，分别安装在小车的前轮和后轮的四个方位，并将开关的触角延长。当开关 S1 或 S3碰到挡板时，转向电动机正转，车头左拐，离开挡板；当开关 S2 或 S4 碰到挡板时，转向电动机反转，车头右拐，离开挡板。具体电路图见附图 6。3、软件设计部分系统的软件设计采用 C 语言编程实现各项功能。软件部分采用模块化设计方法，由主菜单控制模块、电动机模块、电源模块、黑带检测模块等程序组成。图 2 程序流程图四、测试方案与测试结果自动小车为玩具遥控小汽车的改装品，在改装的过程中最重要的是考虑设计光电检测管的位置，
12、检测黑带的光电管放在车体的中央，用遮光管将其以一定反射角度压到跑道上。路程检测用槽型光耦，放在小车的从动轮上。开始初始化延时，小车运动读取 count 的数目其他均全速前进第3条限速前进第5条刹车前进第 6条停车 10S后返回，计数加一第10条限速前进第12条刹车倒车第 13条，停车10S 后返回，计数,清零在组装前对每一个单元电路进行测试，以保证外部硬件电路的无误，有利于最后的统调。调整是以点到线，最后到整体调试的方法。在调整的过程中我们发现了许多问题，如响应中断的次数的调整等。并且为了小车碰到墙壁不至于停车，我们在设计中选用了 4 个双刀双掷开关，分别安装在小车的前轮和后轮的四个方位，并将
13、开关的触角延长。当开关 S1 或 S3 碰到挡板时，转向电动机正转，车头左拐，离开挡板；当开关 S2 或 S4 碰到挡板时，转向电动机反转，车头右拐，离开挡板。五、总结本系统以单片机 AT89C52 芯片为核心部件，利用光电检测、传感器检测技术并配合软件实现了小车的黑线检测等功能，最终使小车完成设计题目要求的各项任务。在设计系统中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。该系统还有许多值得改进的地方：电机驱动和电机调速部分可以采用桥式 PWM 电路来实现电动机的正反转，从而实现小车往返行驶的功能。光耦合器也应用到设计中，完成了电光电的转换起到输入、输出、隔离的作用
14、。由于本设计较小，没有采用该设备，但在实际的工业生产中这一步是必不可少的。经过一段时间的锻炼，我觉得自己对单片机知识的掌握又进了一层。对单片机硬件结构的研究和软件编程的兴趣增加不少。归纳起来，主要有以下两点：1、有两年多的时间都是在学习单片机原理知识，并未真正地去应用和实践。平时但是经过这次毕业设计，我接触到了更多平时没有接触到的仪器设备、元器件发现了自己很多不足之处。我还体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。2、了解进行一项相对比较大型的科技设计所必不可少的几个阶段。课程设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。我经过这次系统的毕业设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的过程。这些在我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。附录部分硬件电路图附图 1：AT89C52 的电路图附图 2：电动机调速电路附图 3：升压模块电路图附图 4：降压模块电路图附图 5：黑带检测电路附图 6：方向控制电路
