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毕业设计

引言

第1章控制小车的设计分析

a）设计要求

b）总体方案

c）方案论证

i.小车的主体设计方案

ii.电源的设计方案

iii.电机驱动的设计方案

d）单片机资源的分配

e）电源的管理

第2章智能小车的硬件设计

a）电源

b）驱动

c）信号采集系统

d）单片机最小系统

第3章智能小车的软件设计

a）主函数流程图

第4章开发心得与总结

a）

引言

随着汽车工业的迅速发展，观念与汽车的研究也越来越来受人关注。

全国大学生电子设计竞赛和省内电子大赛几乎每次都有智能车这方面的题目，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。

本设计就是在这样的背景下提出来的，指导老师已经有充分的准备。

本题目是结合科研项目而确定的设计级类课题。

设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹，寻光，蔽障功能，课程空行驶速度，准确定位停车。

根据题目的要求，确定如下方案：

在现有玩具小车的基础上，加装红外传感器实现对电动车的实时监测和控制调节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。

主要任务：

1、研究电动遥控玩具汽车的组成、工作原理；

2、进一步学习无线通信相关知识；

3、搭接电路，制作电路板，完成元器件焊接安装；

4、完成无线信号发送器和接收器的调试，并达到要求。

5实现的功能有：

能控制小车的前后走和小车的左右转。

3、方案论证与选择

一小车的选择与论证

在设计车体框架时，我们有两套起始方案，自己制作和直接购买玩具电动车。

|方案一：

自己设计制作车架自己制作小车底盘，用两个直流减速电机作为主

！

动轮，利用两电机的转速差完成直行、左转、右转、左后转、右后转、倒车等动作。

|减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要求。

而且自己制|作小车框架，可以根据电路板及传感器安装需求设计空问，使得车体美观紧凑。

但|自己制作小车设计制作周期较长，且费爪较高，冈而我们放弃这一方案。

|方案二：

购买玩具电动车，玩具电动车价格低廉，有完整的驱动、传动和控制

！

单元，其中传动装置是我们所需的，缩短了开发周期。

但玩具电动车釆卬普通直流|电机驱动，带负载能力差，调速方面对程序要求较高。

同时，玩具电动车转內依靠！

前轮电机带动前轮转向完成，精度低。

考虑到利刖玩具电动小车做车架开发周期短,可留够充分的时间刖于系统调试，II硬件上的不足我们有信心州优良的算法来弥补,故我们选择方案二。

一控制器的选择与论证

方案一：

采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。

我们决定不冉使用此方案，考虑其他方

方案二：

釆川八丁89052单片机作为主控制器。

八丁8冗52是一个超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持15？

在线编程，片内含8&空间的可反复檫写丨000次的？

丨&11只读存储器，具有256的随机存取数据存储器（尺八^！

），32个1/0口，2个16位可编程定时计数器。

其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉，在后来的实验中我们发现，八丁8冗52精确度和运算速度也都完全符合我们系统的要求。

综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二使刖八丁8冗52单片机为我们整个系统的控制核心。

电机的选择

方案一是利用步进电机的准确定长步进性能方便的实现转速和方向的偏转，且能

准确的测量速度、路程以及时问，简化编程和硬件连接的工作量。

但是步进电机的机械配合的小车改装上难度极大，非短时问所能完成。

该方案实现较困难。

I方案二：

用玩具小车上自带的双直流电机，只需对后轮电机进行简单改造，加上一个齿轮减速装置即可，两电机分别负责小汽车的驱动和转向的功能，依据外围红外反射传感器所釆集到的信总可以补足直流电机定位不准的缺点，同时红外反射传感器的使卬还能实现比较准确的寻迹行驶，爪较好的控制算法及特色硬件来提高小车的整体性能，可具有很高的性能价格比。

经比较验证，显然方案一的机械结构也短时问内难以满足题的要求，而方案二木身是与小车相兼容的，性能也比较好，采用方案二。

|2.2.4电机驱动模块的选择与论证方案一：

釆用传统的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，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大

^转距运行时，通过电阻尺的电流大，发热厉害，损耗大。

方案二：

釆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问慢，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：

釆刖专刖芯片1298乂作为电机驱动芯片。

是一个具有高电压大

电流的全桥驱动芯片，它相应频率髙，一片可以分别控制两个直流电机，而

|且还带有控制使能端。

用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

且由结合单片机可实现对小车速度的精确控制。

这种调速方式有调速特性优良、调整平沿、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。

因此决定釆用1.298N控制直流电机。

电源的论证与设计

方案一：

所有器件釆屮单一电源〖5节五号电池〕。

这样供电比较简单，但是由于电动机启动瞬问电流很大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能会造成单片机系统掉电，使之不能完成预定行程。

方案二：

双电源供电。

电动机驱动电源采用5节五号电池，单片机及其外围电路电源釆用例钮扣电池供电，两路电源完全分幵，这样做虽然可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。

但是不如单电源方便灵活。

方案三釆爪9乂蓄电池为直流电机供电，我们利爪1017805这块芯片将12乂的锂电池降压、稳压到5乂，为外围芯片供电。

蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电枨输出性能，这种接法比较简单，但小车的电路功耗过大会导致后轮电机动力不

我们选择方案二

1．

二、电机驱动

备选方案：

1、三极管组成的全桥驱动电路

2、集成驱动芯片

例如：

L298、MC33886等等

方案选择：

方案一，H桥电机驱动

H桥驱动电路

由于本车自身负载很重，并且运行时的工作电压为12V，工作电流0.4A左右，若选择H桥驱动的话，会有以下问题，其一，在这样的较高电压及比较大的电流下，使用BJT三极管搭出来电路稳定性比较低，其二，若使用FET管代替普通BJT三极管，会使成本增加，并且由于FET管体积比BJT三极管大很多，会使得电机驱动模块的占地面积增大，不利于其他模块的安放（作为一个伺服模块而言，其占地面积不应过大），同时由于循迹，蔽障时，两个同时前进的轮子会出现一个轮子向前转，一个轮子向后转的转弯状况，但此时电机将会产生一个比较大的反向电动势，很容易将FET（或BJT）管击穿，此时若要检查六个三极管中那个（或那几个）FET（或BJT）管损坏，其难度可能比重新焊一个还要高。

其三，驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。

如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。

此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。

基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。

而实际应用中，常采用具有使能控制和方向逻辑的H桥电路，即加入门电路来控制驱动导通，这样会使得电机驱动模块的成本和体积增大。

方案二：

集成驱动模块

MC33886与L298N都是集成式H桥电机驱动，具有良好的调速性能，良好的响应速度，其中MC33886直流峰值电流可达5.2A，L298N直流峰值电流也已达到4A，驱动该小车已足够，同时两种芯片都具有自限流保护电流，使得电路的稳定性得到很大的提升，由于MC33886是贴片封装，焊接不便，而L298N提供了Multiwatt15封装，焊接较方便。

经过以上比较论证，我们决定采用L298N来做为电机驱动。

5、硬件设计

1、电机驱动模块

选用L298N驱动直流电机，由单片机给它PWM波控制其驱动电机。

原理图如下：

电机驱动电路

六系统的硬件设计

.1微控制器电路的设计与原理微控制器电路是整个智能救援小车系统的核心控制部分，它负责对各路传感信号的釆集、处理、分析及对各部分硬件电路进行调整。

本设计制作的智能小车系统AT89C52单片机最小系统电路为整个系统的控制电路，通过各种传感器电路，釆集各种传感器信息，以发出各种控制信号命令，来完成相应的操作AT89C52是片内有尺ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单、可靠。

用AT89C52单片机构成最小应刖系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,如图3-1AT89C52单片机最小系统所示。

由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

其应用特点：

1有可供用户使用的大量1/0口线。

2内部存储器容量有限。

3应用系统幵发具有特殊性

1、时钟电路

AT89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。

AT89C52单片机的时钟产生方法有两种。

内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计釆用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2，引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。

本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。

振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。

电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CXI、CX2可在20PF到100PF之间取值，但在60PF到70PF时振荡器有较高的频率稳定性。

所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ，电容选择65pf。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地丁作。

为了提高温度稳定性，应釆用npo电容。

2、复位电路

AT89C52的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器叫来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路釆样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路屮上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

只要VCC上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

时钟频率用6MHZ时C取22uF，R取值1k。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式购种。

其中电平复位是通过RST端经电阻与电源vcc接通而实现的。

按键手动复位电路见图3.2。

时钟频率选用6MHZ时，C取22uF，Rs取200欧，RK取1k欧。

3.2直流电机PWM调速控制

直流电动机转速

其中u为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，

为每极磁通量,K为电动机结构参数。

直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。

励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换叫火花和换叫器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较人动态响应较差，所以这种控制方法闱得很少。

大多数应用场合都使用电枢电压控制法。

随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM（脉宽调制）便是常用的改变电枢电压的一种调速方法PWM调速控制的基本原理是按一个同定频率来接通和断幵电源，并根据需要改变一个周期内接通和断幵的时间比（片空比）来改变直流电机电枢上电压的"占空比“，从而改变平均电枨，控制电机的转速。

在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。

只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。

而且釆用而技术构成的无级调速系统.启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,且设占空比为D=t/T，则电机的平均速度为：

vd=vmaxD

由公式可知，当改变占空比D=t/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的冃的。

严格地讲，平均速度勹占空比0并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。

在直流电机驱动控制电路屮，pwm信号由外部控制电路提供，并经髙速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机pwm调速。

当用单片机1/0口输出pwm信号时，可釆用以下三种方法：

1利用软件延时。

当高电平延时时间到时，对1/0口电平取反变成低电平，然后再延时；当低电平延时到时，再对1/0口电平取反，如此循环就可得到pwm信号。

2利用定时器。

控制方法相同，只是在这里利卬单片机定时器来定时进行高低电平的翻转，而不刖软件延时。

3利用单片机自带的pwm控制器。

STC12系列单片机自身带有pwm控制器，STC89

系列单片机无此功能，其他很多型号的单片机也带有pwm控制器，如PIC单片机,AVP单片机。

本实验用的“AT89C52并没有pwm控制器，所以釆用定时器产生pwm信号。

L298芯片

本设计屮采用的电机专用驱动芯片12931n。

L2930是欧洲著名的SGS公司的产品,为单块集成电路、高电压、高电流、四通道驱动。

设计用来接收DLT或者TTL逻辑电平，驱动感性负载（比如继电器，直流电机〉，和开关电源晶体管。

内部乜含4通道逻辑驱动电路（图2.21298N内部结构图〉。

其额定丁作电流为1A，最大可达1.5A，vss电压最小4.5v，最大可达36v。

电机驱动模块主要功能是将主控芯片发出的信号通过129811电机控制芯片转化为小车实际的动作。

129811芯片有两个电源引脚引脚和乂⑶引脚。

引脚接电源用来给电机供电，引脚接丨5\7电源用来给芯片供电，并作为逻辑高电平标准。

298N芯片通过—个有四个4148二极管组成的保护电路与电机相连，保护电路主要是用来在电机开启和关闭时泄流之用。

由于我们一直让转向电机以最大功率使能从而获得最大的扭矩，保证小车转向成功，而不需要控制转叫电机的输出功率，所以ENA、ENB引脚（即使电机使能引脚）直接接+5V，即让转向电机一直使能。

1293^可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。

通过单片机的1/0输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作（表1是其使能端、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。

〕，操作非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。

调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，即可以实现对应的操作。

其驱动电路原理图如下所示：

3.5.1红外通信原理

红外遥控有发送和接收两个组成部分。

发送端釆刖单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲中信号，通过红外发射管发射红外信号。

红外接收完成对红外信号的接收、放大、检波、整形，并解调出遥控编码脉冲。

为了减少干扰，釆纠的是价格便宜性能可靠的一体化红外接收头㈩50038，它接收红外信号频率为381^2，周期约26卩5丨接收红外信号，它同时对信号进行放大、检波、整形得到III电平的编码信号，再送给单片机，经单片机解码并执行去控制相关对象。

如阁3-7所接收电路

3.5.2红外信号的调制、解调

（1）二进制信号的调制

二进制信号的调制由单片机来完成，它把编码后的二进制信号调制成频率为38^2的问断脉冲串，相当于用二进制信号的编码乘以频率为38&的脉冲信号得到的间断脉冲串，即是调制后用于红外发射二极管发送的信号如阁4二进制码的调制所示。

（2）幻红外接收需先进行解调，解调的过程是通过红外接收管进行接收的。

其基木丁作过程为：

当接收到调制信号时，输出高电平，否则输出为低电平，是调制的逆过程（图3-5-3二进制码的解调〕。

950038是一体化集成的红外接收器件，直接就可以输出解调后的高低电平信号；红外接收器950038的应用电路。

3.5.3线发射接受电路原理图

釆川红外线避障方法，利爪一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，冈此爪25092的信号对38X92的载波进行调制，这样减少外界的一些干扰。

接收管输出XIX电平，有利于单片机对信号的处理。

釆屮红外线发射勹接收原理。

利屮单片机产生38X92信号对红外线发射管进行调制发射，发射距离远近由胃调节，本设计调节为10（^^/1左右。

发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出丁丁[电平。

利叫单片机的中断系统，在遇障碍物时控制电机并使小车转弯。

由于只采用了一组红外线收发对管，在避障转弯方向上，程序采用遇障碍物往左拐方式。

如果要求小车正确判断左转还是右转，需在小车侧边加多一组对管。

外界对红外信号的干扰比较小，性价比高。

。

调试时主要是调制发射频率为接收头能接收的频率，釆用单片机程序解决。

发射信号强弱的调节，由可调精密电阻调节。

当我们的小车设计完成时，需要将程序烧录到单片机中这就需要1^4X232模块完成单片机与？

0机之问的通讯。

㈧八乂232是由德州仪器公司〔了丨）推出的一款兼容防232标准的芯片。

由于电脑串门防232电平是-10^40^，而一般的单片机应州系统的信号电压是0丨电平0^5义1^1/0（232就是用来进行电平转换的。

该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供了丨八汗丨八-2324电平。

该器件符合丁丨八乂[丨八-232-「标准，每一个接收器将丁I八乂[丨八-232-「电平转换成5-乂771/01^105电平。

每一个发送器将几1/（^105电平转换成了I八/61八-2324电平。

下图为1^X232的内部结构图