自动往返小车控制系统.docx
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自动往返小车控制系统
中州大学毕业设计
学号：
************
设计题目：
自动往返小汽车的控制系统的设计
学院：
工程技术学院
专业：
机电一体化
班级：
10级对口2班
***************************
指导教师：
上官同英
日期：
2013年3月5日
诚信声明
本人郑重声明：
所提交的毕业设计（论文）是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。
文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
毕业设计（论文）作者签名：
指导导师签名：
签字日期：
签字日期：
毕业设计任务书
班级：
10机电对口2班学生：
杨丽丽学号************
设计题目：
自动往返小汽车的控制系统的设计
摘要：
设计一个能自动往返于起跑线与终点线之间的小汽车的控制系统。
但不能用人工遥控（包括有线和无线）。
跑道宽度0.5m，表面贴有白纸，两侧有挡板，挡板与地面垂直，其高度不低于20cm。
在跑道的A、B、C、D各点处画有2cm宽的黑线，各段的长度与下图所示：
设计内容及要求：
1.设计完成的功能要求：
1）、车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。
2）、BC间为限速区，车辆往返均要求低速通过，但不允许在限速区内停车。
3）、在往返过程中随时显示当前行车时间和路程，直接回到终点。
（显示装置应安装在小车上面。
）
2.设计内容要求
（1）根据设计要求确定系统中输入/输出信号的种类、数量和特点。
（2）确定CPU的选型与硬件接口等的配置。
（3）进行硬件设计，主要是整个系统的电路原理图的绘制。
（4）进行软件设计，根据控制要求编写控制系统的控制程序和监控程序。
（5）撰写毕业设计说明书。
3.设计说明书的要求：
1）、分析控制要求、控制对象，确定控制方案；
3）、根据控制要求选择单片机及相关控制元件的型号；
3）、画出该控制系统的总体硬件原理图；4）、画出程序流程图；
5）、源程序清单，并加注释；6）、其它按照毕业设计指导所述要求。
指导老师（签字）：
2012年12月17日
前言
当今社会，随着科技发展的日新月异，特别是计算机技术突飞猛进的发展，计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃，同时计算机也越来越广泛的被应用到人们的生活、工作领域的各个方面。
单片微型计算机以其其体积小、功能强、速度快、价格低等优点，在数据处理和实时控制等应用中有着无以伦比的优越性，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中。
随着微控制技术（以软件代硬件的高性能控制技术）的日益完善和发展，单片机的应用必将导致传统控制技术发生巨大的变化。
单片微型计算机的应用广度和深度，已经成为一个国家科技水平的一项重要标志。
此设计的题目是自动往返小汽车的控制系统的设计。
要求设计一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。
车辆从起跑线出发到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线。
在要求的跑道范围内完成快行、慢行、停车等功能。
停车后自动显示一次往返的时间和路程。
基于上述要求将设计分为以下几个模块：
AT89C52、电机驱动、电机调速、里程检测、跑道标志检测、数码显示模块。
控制系统采用AT89C52单片机；显示系统采用3个LED数码管显示里程数，4个LED数码管显示一次往返的时间；电机正反转采用桥式驱动控制，2档电压调速；里程记录采用霍尔传感器；跑道标志线采用光敏管检测并使用软件整形消抖措施；单片机、电机采用独立稳压电源供电。
本设计采用的AT89S52，功耗很低，可用于很多小型设备中。
该设计具有实际意义，稍作修改就可以应用于考古、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；在考古方面可用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。
本设计将详细介绍硬件设计和软件设计的思路和方法。
由于本人在单片机的设计方面还存在一些不足之处，敬请老师给予批评指正。
摘要
本设计的控制系统采用AT89C52单片机；显示系统采用3个LED数码管显示里程数，4个LED数码管显示一次往返的时间；电机正反转采用桥式驱动控制，2档电压调速；里程记录采用霍尔传感器；跑道标志线采用光敏管检测并使用软件整形消抖措施；单片机、电机采用独立稳压电源供电。
关键词
自动往返小汽车；AT89C52;传感器
Abstract
ThecontrolsystemofwiththisdesignadoptsembeddedmicrocontrollerunitsuchasAT89C52;Showsystemtoadopt3showamileagefortheLEDfigurestubenumber,4timetakencareoftoshowtogobackandforthoncefortheLEDfigures;Theelectricalengineeringispositiveandnegativetoturnadoptionbridgeatypetodriveacontrol,2fileelectricvoltagesadjustsoon;Theadoptionn.hallsensorofthemileagerecordspreadsafeelingmachine;Runwayscribelineadoptionlightthequicktubeexaminationcombineusagesoftwareorthopedicstoeliminatetotremblemeasure;Thesingleslice'smachine,electricalengineeringadoption'sindependenceissteadytopresspowersupplypowersupply.
Keywords
Automaticround-tripcar;AT89C52;sensors
1.系统方案的选择与论证
1.1可行性方案的介绍
方案一：
本设计选用两块单片机（89C52和89C2051）作为自动往返小汽车的检测和控制核心。
路面黑线检测使用反射式红外传感器，车速和距离检测使用断续式光电开关，利用PWM技术动态控制电动机的转速。
基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了小车在限速和压线过程中的精确控制。
本设计的主要特色:
高效的H型PWM电路，提高电源利用率；控制电路电源和电动机电源隔离，信号通过光电祸合器传输；脉冲调制路面检测，超强纠错，免受路面杂质干扰；优化的软件算法，智能化的自动控制，定位精确;后置式红、绿方向灯行驶状态一目了然。
方框图如1-2所示。
图1-2方案一方框图
方案二：
系统采用单片机AT89C51作为核心器件实现小车行驶的自动控制。
控制过程是利用反射式光电检测器采集的数据，通过软件完成对小车在不同路段的行驶速度实时控制，用数码管实现对指定行程和所用时间显示，同时利用红外数据传输方式将在限速区、终点区和返回到起点区后的时间和距离数据向手持显示装置单相传送。
键盘设置在小车中，对速度的控制调整更加方便、精确。
方框图如1-3所示。
图1-3方案二方框图
方案三：
采用单片机AT89C52作为系统的控制中心。
电机电路采用两对互补三极管控制电机的驱动;检测电路采用光敏管来控制小车的快行,慢行,停止;用数码管实现对指定行程和所用时间的显示。
方框图如1-4所示。
图1-4方案三方框图
1.2系统方案的确定
从上述方案可知：
方案一应用了两块芯片作为控制部分，虽然设计目的更加明确，但这样的选择对软件编程造成了很大困难；而方案二应用了相同的两块芯片作为控制部分，应用起来比较烦琐，也很不经济；所以从应用和实际生产方面考虑，选用方案三。
2.系统的硬件设计与实现
2.1系统元器件的选择与介绍
下面介绍AT89C52芯片、霍耳传感器、施密特触发器等元器件.
2.1.1AT89C52芯片
特点：
●与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
●8K字节可重擦写FLASH闪存
●1000次擦写周期
●全静态操作：
0Hz-24MHz
●三级加密程序存储器
●256X8字节内部RAM
●32个可编程I/O口线
●3个16位定时/计数器
●8个中断源
●可编程串行UART通道
●低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述：
AT89C52提供以下标准功能：
8K字节FLASH闪存，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
图2-1AT89C52的芯片管脚图
引脚功能说明：
VCC——电源电压
GND——地
P0口——P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口——P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把
端口拉到高电平，此时可作输出口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数
输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2.2.1。
FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口——P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口——P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示。
表2-1P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）
表2-2端口三的功能介绍
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出。
脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个
脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
［１］
2.1.2霍耳传感器（HD3020）
霍耳传感器是利用半导体的磁电效应中的霍耳效应，将被测物理量转换成霍耳电势。
（1）、霍耳效应：
将一载流体置于磁场中静止不动，若次载流体中的电流方向与磁场方向不相同时，则在此载流体中平行于由电流方向和磁场方向所组成的平面上将产生电势，此电势称为霍耳电势，此现象称为霍耳效应。
霍耳电势U=BbI/neb
式中：
B——外磁场的磁感应强度：
I——通过基片的电流；
n——基片材料中的载流子浓度；
e——电子电荷量；
b——基片宽度；
d——基片厚度。
（2）、霍耳元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料造成。
锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。
锗元件的输入虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。
砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟要小，而且线性度也较好，因此，采用砷化铟做霍耳元件的材料受到普遍重视。
一般地，在高精度测量中，大多采用锗和砷化铟元件；作为敏感元件时，材料采用锑化铟元件。
霍耳元件的结构很简单，它由霍耳片、引线和壳体组成。
霍耳片是一块矩形半导体薄片。
在长边的两个端面上焊上两根控制电流端引线，在元件短边的中间以点的形式焊上两根霍耳输出端引线，在焊接处要求接触电阻小，而且呈纯电阻性质。
霍耳片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。
［２］
2.1.3施密特触发器（4093）
（1）、特点：
a.施密特触发器有两个稳定状态，其维持和转换完全取决于输入电压的大小。
b.电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压（正向阈值电压和负向阈值电压）
c.状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。
（2）、电压传输特性
图2-2电压传输特性曲线
有两种情况：
左图中输入与输出为反相关系，右图中输入与输出为同相关系
（3）、施密特触发器的应用：
a.用于波形变换
三角波、正弦波及其它不规则信号→矩形脉冲。
图2-3（a）所示为用施密特触发器将正弦波变换成同周期的矩形脉冲。
图2-3波形曲线图a）
b.用于脉冲整形
当传输的信号受到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲，如图2-3b）所示。
c.用于脉冲幅度鉴别
如输入信号为一组幅度不等的脉冲，可将输入幅度大于的脉冲信号选出来，而幅度小于
的脉冲信号则去掉了。
图2-3波形曲线图b）
2.1.4LED显示器
LED显示器是由发光二机管构成的最为常用的显示器，数字LED显示器利用7个发光二机管显示数字，通常被称为七段LED显示器或数码管，另外数码管中还有一个圆点型发光二机管，用于显示小数点。
LED显示器有共阳极接法和共阴极接法的。
共阳极接法的发光二机管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时，公共阳极接+5V电压，在阴极输入低电平，发光二机管
导通发光；共阴极接法的发光二机管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时，公共阴极接地，在阳极两端输入高电平时，发光二机管就导通发光。
LED导通电压为1.5V，工作电流每段约为100MA，直接接+5V电平上会使数码管发亮导致损坏，需接一个100—300的限流电阻。
LED数码管具有：
低耗能、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高低温，对外界环境要求低易于维护，同时其精确度比较高，操作简单。
2.1.5MC7805三端稳压器
该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防止过载而损坏。
三断固定式稳压器的基本电路如图2-4所示，只要把正输入电压Ui加到MC7805的输入端，MC7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压U。
，在实际应用电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大电容滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小电容到地。
C3用于抑制芯片自激震荡，C4用于压榨芯片的高频带宽，减小高频噪声。
图2-4MC7805三端稳压器电路
2.1.6发光二极管和光敏二极管
1、发光二极管
发光二极管是一种直接能把电能转变为光能的半导体器件。
与其它发光器件相比，具有体积小、功耗低、发光均匀、稳定、响应速度快、寿命长和可靠性高等优点，被广泛应用于各种电子仪器、音响设备、计算机等作电流指示、音频指示和信息状态显示等。
a.发光原理
光二极管的管芯结构与普通二极管相似，由一个PN结构成。
当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。
当电子和空穴复合时会释放出能量并以发光的形式表现出来。
b.种类和符号
光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管：
另外还有多色、变色发光二极管等等。
小功率的发光二极管正常工作电流在10～30mA范围内。
通常正向压降值在1.5～3V范围内。
发光二极管的反向耐压一般在6V左右。
发光二极管的伏安特性与整流二极管相似。
为了避免由于电源波动引起正向电流值超过最大允许工作电流而导致管子烧坏，通常应串联一个限流电阻来限制流过二极管的电流。
由于发光二极管最大允许工作电流随环境温度的升高而降低，因此，发光二极管不宜在高温环境中使用。
2、光敏二极管
光敏二极管也叫光电二极管。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
光敏二极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻相比具有灵敏度高、高频性能好、可靠性好、体积小、使用方便等优点。
当人射光子在基区及集点电区被吸收而产生电子—空穴对时，变形成光生电压。
由此生成的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到了一个放大了的信号电流。
在设计中发光二极管和光敏二极管组成一部分来完成跑道标志检测。
发光二极管检测到白纸发光，当小车检测到黑线时，发光二极管会熄灭，光源的变化反射到光敏二极管并驱动电路完成一次黑线检测，系统中断一次。
[5]
2.1.7三极管的开关作用
双极型三极管由管芯，三个引出电极和外壳组成。
外壳的形状和所用的材料各由不同。
管芯由三层P型和N型半导体结合在一起构成，由NPN型和PNP型两种，因为在工作时由电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称这类三极管为双极型三极管。
若以基极b和发射极e的发射界作为输入回路，则可以测出表示输入电压Vbe和输入电流iB之间的关系特性曲线，这个曲线称为输入特性曲线并近似与指数曲线。
开启电压Von硅管为0.5～0.7V，锗三极管的约为0.2～0.3V。
工作时分三个区域，饱和区，放大区和截止区。
放大区的特点是iC随着iB成正比地变化，而几乎不收Vce变化的影响。
饱和区的特点是iC不在随iB以一定比例增加而趋向饱和。
硅三极管开始进入饱和区的Vce值约为0.6～0.7V。
在深度饱和状态下，集电极和发射极的饱和压降Vce在0.3V以下。
截止区的特点iC几乎等于零。
这时仅有极微小的反向穿透电流过。
输入特性曲线图如2-5所示。
图2－5输入特性曲线图
作开关作用时只工作饱和及截止状态。
饱和时导通截止时关断。
2.2单元电路的设计
以下将介绍电机驱动、电机调速、传感脉冲检测和显示电路.
2.2.1电机驱动电路
本系统的电机驱动电路采用两对互补三极管，利用单片机16、17脚电位的高低去控制三极管的截止和导通状态，从而实现小汽车驱动电机的正反转功能。
为了防止电机转动时对单片机的干扰影响，提高单片机的稳定性，本电路在电机的两端加了抗干扰电容，其电路图2-6所示。
图2-6电机驱动电路
2.2.2电机调速电路
电机驱动电压由AT89C52单片机的P1.7和P1.6分别控制。
当P1.7为0，P1.6为1时，电机驱动电压为+7.5V，小车进入高速行驶状态；当P1.7为1，P1.6为0时，电机驱动电压为+4.3V，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D880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。
如图2-7所示。
图2-7电机调速电路
2.2.3传感脉冲检测电路
检测电路由霍尔元件里程检测、跑道标志光电管检测两部分组成，如下图2-8和2-9所示。
用于里程累计的脉冲信号由霍尔元件检测。
霍尔元件安装在后左轮，车轮每转一周就由其产生一个低电平脉冲，使单片机外部中断1产生中断，从而使里程脉冲数累计一次。
根据本小车轮子的周长，每转6周为1米，所以每累计6个脉冲就是1米。
用于检测跑道标志的脉冲信号由光敏二极管、发光二极管电路组成。
当小车在白纸上时，输出为高电平；当遇到黑线时，输出低电平脉冲，作中断计数判断用。
图2-8里程检测电路
图2-9跑道标志检测电路
2.2.4显示电路
采用传统的数码管显示。
本系统采用7位数码管动态扫描的方式进行显示。
前三位数码管显示的数值表示里程，显示的范围为1~999米；后四位数码管的数值表示一次往返过程中所需的总时间，其中前两位表示分，后两位表示秒。
往返到起点时显示的数值是一次往返的总时间。
P0口作段码数据输出，P2
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