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《电子线路CAD》大作业

专业班级：

测控技术与仪器1302班

学号：

120132527

姓名：

周慧栋

1．电子线路CAD大作业选题意义

基于单片机的智能电动小车作为实现无人驾驶小汽车的方案之一,以其智能、灵活、便携、智能等优点满足了玩具小汽车发展的需要。

本文设计的智能电动小车控制系统有自动循迹的功能，能满足按预设轨道行走并完成给定任务的要求，单片机是实现电动智能小车控制系统的核心，其软硬件设计是实现循迹功能的基本要求和关键环节。

当生产现场环境恶劣时，人工不能完成的任务如物料运输和装卸等，可采用智能寻迹小车完成相应的任务。

基于生产现场和日常生活的实际需要，研究和开发智能小车寻迹系统具有十分重要的意义。

该项目的研究可以应用于机车头灯自动寻迹、工厂自动化、仓库管理、智能玩具和民用服务等领域，可提高劳动生产效率，改善劳动环境。

智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。

本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。

同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。

2.设计要求

以AT89C51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、探测预埋金属铁片、躲避障碍物、测量里程等问题。

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小车的智能控制。

根据要求，确定如下方案：

在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，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。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

3具体设计步骤

3.1电源部分子电路设计步骤

（1）方案1：

采用9V蓄电池为直流电机供电，将9V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。

方案2：

采用9V南孚干电池直接个电机驱动芯片L298N供电，并将9V经过7805稳压及电容滤波后给单片机供电。

由于方案2的质量小，且电池价格便宜，实用性强，足够实现系统功能，因此我们选用方案2。

直接采用9V直流电源由稳压模块将220V交流电转换成9V直流电再经7805稳压模块到5V供单片机电机使用，如图1。

图1

（2）绘图所用元件库及元件

MiscellaneousDevices元件库：

电容CAP

极性电容ELECTRO

发光二极管LED

电阻RES

开关SW-PB

元件VOLTREG

标号为J8的元件为新建元件，新建步骤如下：

在原理图绘制界面，点击Edit，再点击菜单栏Tools工具选项，点击第一项NewComponent新建元件选项，即打开新建元件界面，然后利用画线工具进行元件绘制。

绘制完成后点击File下的SaveCopyAs将新建元件保存，然后点击左侧的Place放置元件。

3.2电机驱动控制部分

（1）方案一：

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

方案二：

采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。

但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。

方案三：

采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路（如图2.1）。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。

现市面上有很多此种芯片，选用L298芯片。

这部分采用专用的电机控制芯片L298，它可同时对两个电机驱动控制电路简单控制效果好电路干扰小，电路图如图2

图2

（2）所用元件库及元件

MiscellaneousDevices元件库：

电机MOTORSERVO

二极管DIODE

图中标号D10的芯片L298为新建元件新建步骤如下：

由于新建元件为16引脚，因元件HEADER16的引脚也为15个，所以在它的基础上新建修改，在MiscellaneousDevices元件库找到该原件后选中然后单击Edit新建元件界面打开，然后在原有的基础上修改，修改完成之后，点击File下的SaveCopyAs进行保存，然后再通过点击Place放置元件。

管脚排列如下图4。

图4

3.3传感器探测部分

方案一：

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。

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，则检测出黑线输出高电平。

方案三用RP220光电对管，RP220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓二极管，而接收管是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。

传感器部分如图5，6

图5

图6

电阻Res

三极管NPN

运算放大器CA082T

编号为RPR353的元件为新建元件，新建步骤如下：

在元件CON4的基础上进行新建，选中该元件，然后单击Edit打开编辑元件界面，在原有元件的基础上进行新建，新建完成之后，点击File下的SaveCopyAs行保存，然后再通过点击Place放置元件。

3.4主控系统部分

（1）根据设计要求，此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。

据此，拟定了以下两种方案，具体如下：

选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。

CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。

但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。

同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。

若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。

为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。

采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。

充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。

这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。

因此，这种方案是一种较为理想的方案。

因此选用89C51作为控制芯片。

如图7，8.

图7

图8

串口DB9

晶振CRYSTAL

元件MAX232和89C51为编辑元件，编辑步骤如下：

4总结

通过本次设计，我不但巩固了课本上的知识，对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等，有了一定的认识。

在本次设计中，我进一步加强了自己的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案；

特别是深刻体会到的是软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。

熟悉了利用Protel99SE软件进行原理图设计的流程，对以后专业的学习奠定了基础。

在以后的学习中，我将会加强实践，将protell99se软件熟练掌握，在进行硬件设计电路板烧录中多加练习,打下扎实的基础功。