最新多功能智能小车的硬件设计.docx

最新多功能智能小车的硬件设计.docx

《最新多功能智能小车的硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新多功能智能小车的硬件设计.docx（79页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

最新多功能智能小车的硬件设计

多功能智能小车的硬件设计

摘要

本课题制作了一款具有多功能的智能小车，通过设计电子智能小车的机械结构，在此平台上采用超声波测量小车与前方障碍的距离并通过液晶显示，同时运用PWM调速，完成自动巡线和通过PC端控制软件蓝牙无线遥控智能小车的功能，并且具有运行状态的声光指示功能。

完成整个系统的硬件设计和上位机软件设计。

而且使本智能小车具有较好的人车交互界面，稳定性和美观性。

本设计以两减速直流电动机为主驱动，通过红外传感器来采集地面路径信息，送入主控单元STC89C52单片机，处理数据后完成相应动作，达到自身控制，电机驱动电路采用L298N驱动芯片，以此实现巡黑线的功能；通过超声波传感器，单片机作出相应的处理，完成测距的功能，通过LCD1602实时显示距离；通过设计上位机控制软件，通过按键给串口蓝牙发送机发送数据，发送机再给串口蓝牙接收机发送数据，建立连接，小车上单片机通过解码处理，给出相应的控制信号，实现智能小车的短距离的无线控制。

本课题具有较好的趣味性，可以作为高级智能玩具，同时相当于简易机器人，可以作为我们大学生学习嵌入式控制的强有力的应用实例。

关键字：

单片机传感器PWM超声波无线蓝牙

ABSTRACT

Thistopichasproducedamulti-functionalsmartcar,smartcarthroughthedesignofthemechanicalelectronicstructure,ontheplatformandthecarinfrontoftheultrasonicmeasuringthedistancebetweenobstaclesandthroughtheliquidcrystaldisplay,whiletheuseofPWMspeedcontrolofautotransmissionlineandadoptionofthePC-sideBluetoo-thwirelessremotecontrolsoftwarefeaturessmartcar,andhasrunthestateofsoundandlightindicator.CompletethehardwaredesignandPCsoftwaredesign.Andthesmartcarhasabetterinterfaceofpeopleandvehicles,stabilityandaesthetics.

ThedesignofthetwomaindrivegearDCmotor,throughthegroundpathofinfraredsensorstocollectinformationintothemaincontrolunitSTC89C52microcontroller,topr-ocessdatatocompletetheappropriateaction,toachievetheirowncontrol,motordrivecircuitL298Ndriverchip,therebyachievingblacklinepatrolfunctions;byultrasonicse-nsors,microcontrollerprocessingaccordinglycompletetherangingfunction,real-timedi-splaybyLCD1602distance;throughthedesignofPCcontrolsoftware,keytotheserialportthroughtheBluetoothtransmittertosenddatatogivetheserialtransmitterBluetoothreceivertosenddatatoestablishtheconnection,thesmallcarMCUthroughthedecodingprocess,correspondingcontrolsignals,intelligentcaroftheshort-rangewirelesscontrol.

Thistopichasgoodfun,canserveasaseniorintelligencetoys,whiletheequivalentofsimplerobots,asourstudentslearncanbeapowerfulembeddedcontrolapplicatione–

xample.

KeyWords:

MCU;sensor;PWM;Ultrasonic;WirelessBluetooth

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

第一章绪论

1.1前言

智能车辆致力于提高汽车的安全性、舒适性、适应性和提供优良的人车交互界面，是目前各国正重点发展的智能交通系统中的一个重要组成部分，智能小车的设计对熟悉单片机的结构及开发流程，熟悉单片机外围硬件电路，熟悉单片机的开发软件。

智能小车有趣生动而且还设计到机械结构，电子基础，传感器原理，自动控制，单片机，编程等诸多学科知识，通过动手能大大提高解决实际问题的能力，可以设计完成循迹小车，超声波测距，无线遥控等课题，在此应用上开发出来的产品已成为航天，医疗，工业控制，物流等各各领域的关键设备，同时由于成本低廉，又可以比人类工作的更好，它已逐步深入到工业和社会的各个层面。

可以看出，无论是从科学发展。

理论研究的角度，还是从汽车工业发展以及市场竞争的角度看对智能车的研究都是必要的。

1.2设计任务与要求

（1）主要内容和要求

设计电子智能小车的机械结构，在此平台上采用超声波测量小车与前方障碍的距离并通过液晶显示，同时运用PWM调速，完成自动巡线和通过PC端控制软件蓝牙无线遥控智能小车的功能，并且具有运行状态的声光指示功能。

完成整个系统的硬件设计。

要求智能小车具有较好的人车交互界面，稳定性和美观性。

（2）应完成的技术文件

1.开题报告

2.中英文摘要

3.英语文献的翻译

4.完整的设计文件（原理图、PCB图、程序设计流程图）

5.毕业设计论文（含设计作品）

1.3论文结构

第一章简要介绍多功能智能小车的设计意义，本设计的设计内容和要求，以及本论文的主要内容。

第二章主要介绍智能小车各功能模块的硬件设计，所用芯片的参数和使

用说明。

第三章小车平台的机械结构的设计思路和材料的选择。

第四章主要介绍蓝牙无线遥控小车的上位机的设计思想和设计过程。

第五章简要介绍本次设计的软件设计思想和程序流程图。

第六章主要介绍设计中所使用的软件和其主要功能与应用领域。

第七章对本次毕业设计进行总结和展望。

第二章硬件设计

2.1系统硬件设计总框图

智能小车由三个子功能系统组成：

分别为巡黑线，超声波测距以及通过PC端控制软件蓝牙无线遥控小车。

（1）如图2.1所示为实现巡黑线功能的硬件设计框图。

其原理为路径检测电路检测路面轨迹，并将路面信息传送到单片机。

单片机1根据已编制好的程序及算法得出小车转向的角度，然后给电机驱动电路发出行驶控制信号，使直流电机进行相应的角度调节，后轮两个电机进行速度调节，最终使智能小车按照路面轨迹行走。

图2.1巡黑线功能硬件设计框图

（2）如图2.2所示为实现超声波测距功能的硬件设计框图。

通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接收到超声波的时间差就可以计算出与障碍物的距离。

单片机2根据超声波测距模块送来的信号进行处理，通过LCD1602液晶实时显示出当前智能小车与前方障碍物的距离。

图2.2超声波测距功能硬件设计框图

（3）图2.3为实现PC端控制软件蓝牙无线遥控小车功能的硬件设计框图。

通过PC端上位机软件将控制命令发送给串口蓝牙发送端，串口蓝牙接收端将接收的信息送给单片机2，单片机2对接收信息作解码处理，将解码结果送给单片机1，单片机1根据输入信号控制小车运行状态。

图2.3PC机蓝牙无线遥控功能硬件设计框图

2.2系统主要硬件单元设计原理图

（1）最小系统单元设计原理图

图2.4单片机最小系统原理图

（2）电机驱动原理图

图2.5电机驱动电路

（3）反射式红外传感器原理图

图2.6发射式红外传感器原理图

2.3各功能模块简介

2.3.1单片机最小系统模块

（一）STC89C52单片机简介

本设计中选用的宏晶科技的STC89C52RC型单片机，是一种低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位微处理器，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容。

片内8KFlash存储器可在线重新编程，或使用通用的非易失性存储器编程器。

STC89C52RC单片机，基于STC89C51内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统STC89C51,速度快8～12倍，带ADC,4路PWM,双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。

（二）单片机引脚功能

STC89C52RC采用40PIN封装的双列直插DIP结构（如图2.7所示），40个引脚中，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3复用。

STC89C52RC的引脚图如图2.8所示，其引脚功能如下：

1.PIN20:

接地脚。

2.PIN40:

正电源脚，工作时，接+5V电源。

3.PIN19:

时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。

4.PIN18:

时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。

5.STC89C52RC的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。

另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。

6.输入输出（I/O）：

PIN39-PIN32为P0.0-P0.7输入输出脚。

PIN1-PIN8为P1.0-P1.7输入输出脚。

PIN21-PIN28为P2.0-P2.7输入输出脚。

PIN10-PIN17为P3.0-P3.1输入输出脚，且具有第二引脚功能。

7.PIN9：

RESET/Vpd复位信号复用脚，当STC89C52RC通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。

STC89C52RC的复位电路可以是自动复位，也可以是手动复位。

此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

8.PIN30:

ALE当访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出，如果单片机是EPROM,在编程其间，将用于输入编程脉冲。

9.PIN29:

当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

10.PIN31:

EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，STC89C52RC内置有4KB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4KB时，读取内部程序存储区指令数据，而超过4KB地址则读取外部指令数据，如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。

图2.7STC89C52芯片实物图

图2.8STC89C52芯片引脚图

（三）单片机最小系统的组成

1.振荡电路：

STC89C52RC芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，通过19脚和18脚引出。

反向放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2,在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器形成单片机工作时的时钟信号振荡电路如图2.9所示。

电容C9和C10的取值范围：

（20～30）pF,对振荡器有微调作用。

晶振频率用fosc表示，频率范围是1.2MHz～12MHz。

图2.9振荡电路

2.复位电路：

单片机上电后首先从复位操作开始，复位操作可以使单片机处于某种确定的初始状态。

单片机的复位是通过复位电路实现的引脚RST输入高电平，并保持两个机器周期时间以上时，单片机内部就执行复位操作。

如果RST引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态。

实际应用中，复位操作有两种基本形式，即上电复位与按键复位。

单片机的图2.10复位电路复位电路如图2.10所示。

上电复位电路

上电复位是指单片机接通电源后能够自动实现的复位操作。

常用的开机复位电容E1和电阻R1组成，其中电容和电阻的参数为：

E1=10uF/16V,R1=10K，在开机瞬间，电容E1上的电压不能跃变，相当于短路，RST引脚获得高电平信号，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。

只要RST引脚的高电平能保持两个机器周期时间，单片机就可以完成复位操作并进入初始化状态。

按键复位电路

在单片机运行期间，利用按键完成复位操作，按键复位支路由按键RST,电阻R1组成。

在单片机运行期间，按下按键RST，按键接通相当于短路，电容E1上的电压不能跃变RST引脚获得高电平信号，随着电容C1的放电，RST引脚的电平将逐渐下降。

只要RST引脚的高电平能保持两个机器周期时间，单片机就可以完成复位操作，使单片机进入初始化状态。

3.下载电路：

单片机最小系统板支持ISP和串口两种方式下载程序，使用串口下载时，需要MAX232芯片实现RS232电平与TTL电平的转换，实现PC与单片机的下载通信，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

其主要特点和引脚介绍如下:

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

串口通信和下载电路原理图如图2.11所示

图2.11单片机下载和串口电路

4．电源电路：

单片机最小系统支持USB供电或者电源供电，具有较好的选择性。

这里的5V稳压电路在内外一个稳压模块中设计，同时通过LED指示电源是否正常供电。

如图2.12.图2.12电源电路

2.3.2电机驱动模块

（一）L298N芯片简介

L298N是一款恒压恒流桥式2A驱动芯片，封装形式如图2.13.有15脚Multiwatt和SO20两种封装，引脚图如图2.14所示，其内部功能模块如图2.15.L298N是SGS公司的产品，比较常用的是15脚Multiwatt封装的L298N,内部同样包含4通道逻辑驱动电路，可以方便地驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

图2.13L298N封装形式

图2.14L298N引脚图

2.15L298N内部功能模块

L298N芯片可以驱动两个两相电机，也可以驱动一个四项电机，输出电压最高可达50V,，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS,VSS可接4.5~7V电压，为L298N提供工作电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIN为+2.5~46V。

输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极可以单独引出以方便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机。

（二）直流电机控制原理

本设计通过控制两个直流电动机控制智能小车的起停和行驶方向。

5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。

基于L298N的电机驱动的等效图原理图如图2.16.

由图2.16分析L298N的内部结构以及如何控制两个直流电机的正反转。

L298N的内部是由两个H桥路组成。

ENA和ENB是电动机的使能端，当为低电平时，两个电动机停止转动，当为高电平时，两个电动机允许转动。

以第一个H桥路举例如何控制电机的正方转，若ENA为低电平时，T1,T2,T3,T4都不导通，OUT1,OUT2两端没有电压，电机不会转动；若ENA为高电平时，当IN1为低电平，IN2为高电平，此时T2,T3导通，T1,T4截止，电流从电机的正极

流向负极，此时电机正转。

当IN1为高电平，IN2为低电平，此时T1,T4导通，T2,T3截止，电流从电机的负极流向正极，此时电机反转。

第二个H桥路的控制同第一个H桥路，这里不在重述。

智能小车的电机驱动原理图如图2.5.

图2.16L298N电机驱动等效原理图

（三）电机的PWM调速原理

脉宽宽度调制（PWM）是在控制电路输出频率不变的情况下，通过调整其占空比，从而达到控制其