基于89C51单片机的智能小车设计.docx
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基于89C51单片机的智能小车设计
湖北轻工职业技术学院
单片机实训报告
题目：
基于STC89C52的智能小车设计
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学号：
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专业：
电子信息工程技术
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日期：
2013-01-06
信息工程系电信教研室
引言
随科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，也广泛应用于机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。
智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。
而随着社会的不断发展，智能设备的不断出现，无线遥控的运用也越来越广泛。
无线遥控器由于控制距离远，抗干扰性强，已越来越多的出现在生活的各个方面。
本文使用了一款通用的无线遥控电路，基于STC89C52作为控制核心，采用专用编码解码电路，由于其体积小、功能强大，因此可非常方便的移植到遥控机器人、遥控小车上等，并实现远距离控制。
在早期，遥控小车并不少见，但大多产品制造简单，实现的功能少，往往只有一些简单的功能，例如左转右转，前进后退等，大多采用红外控制，外加一些复杂的电路组合而成。
遥控小车的使用者针对的是小孩子，但笨重的设备和昂贵的价格往往让许多小孩的甜美梦想落空。
在现在，用单片机进行无线遥控小车的方案，利用较少的外设实现了基本的功能。
其较强的抗干扰性使得该遥控器具有很好的通用性其功能也日趋完善。
其中包括防撞防爆系统和基本的方向控制，另外在行进中可以尽享柔美的音乐，看美丽的灯光随音律而闪烁，让孩子玩得更开心！
此外，电路的简化，材料的减少使得价格也降低了不少，真的是物美价廉，可以为孩子的童年再添一些笑语。
一整体方案设计
1.1整体方案设计的思路
利用红外线传感器发射和接收信号模块来控制单片机，让单片机翻译传输指令，从而实现相应的功能。
具体的过程如下：
四路红外传感器，每一路发射一个信号，检测接收到的信号，若出现高电平，则说明该方向前方有障碍物，则单片机控制电机正转和反转，从而实现绕开障碍物继续前行。
同时还增加一个无线发射和无线接收模块控制单片机，让单片机翻译传输指令，从而实现相应的功能。
无线发射模块发出指令，无线接收模块接收信号后，传递给单片机，单片机翻译接收到信号后，传输给驱动电路驱动电机旋转，从而实现让小车的前进、后退、左转和右转。
1.2整体方案的流程图
基于单片机STC89C52整体设计的智能小车，根据原来设计的思路上画出了相对应的流程路，由于是整体结构图，就只是画出了大致的结构流程，而细节将在后面做出介绍。
图1整体方案的流程图
二智能小车系统概况
2.1恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，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IO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。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以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，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB连接控制使能端，控制电机的停转。
表1是L298N功能逻辑图。
In3，In4的逻辑图与表1相同。
由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。
同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
等。
图2单片机利用L298控制电机的原理图
15脚是输出电流反馈引脚，其它与L298相同。
在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。
上图是其与51单片机连接的电路图
2.2直流电机简介
2.2.1直流电机的应用
电动机简称电机，是使机械能与电能相互转换的机械，直流电机把直流电能变为机械能。
作为机电执行元部件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。
主磁通在主磁路中流动，同时与两个电路交联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路；另一个电路是用来传递功率的，称为功率回路或电驱回路。
现行的直流电机都是旋转电驱式，也就是说，激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子，带换向单元的电驱绕组和电驱铁芯结合构成直流电机的转子。
直流电机有以下4方面的优点：
1）调速范围广，且易于平滑调节。
2）过载、启动、制动转矩大。
3）易于控制，可靠性高。
4）调速时的能量损耗较小。
所以，在调速要求高的场所，如轧钢机、轮船推进器、电机、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织、拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电机均得到广泛的应用。
2.2.2直流电机的基本工作原理
直流电机工作原理：
当电刷A,B接在电压为U的直流电源上时，若电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。
载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此ab与cd两导体都受到电磁力的作用。
根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电机左手定则判断，ab边受力的方向是向左的，而cd边则是向右的。
由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以ab边和cd边所受电磁力的大小相等。
这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针转动。
当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。
线圈转过半周之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，但是由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在s极下的ab边中的电流则是从b流向a。
因此电磁力的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。
可见，分别处在N,S极范围内的导体中电流方向总是不变的，因此线圈两个边的受力方向也不变，这样线圈就可以按照受力方向不停地旋转，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其他机械工作。
从以上分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围转到另一个异性磁极范围时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变，换向器和电刷就是完成这一任务的装置。
在直流电机中，换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。
可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键部件。
当然，在实际的直流电机中，不只有一个线圈，而是有许多线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流在磁场中因受力而转动时，就带动整个转子旋转，这就是直流电机的基本工作原理。
2.2.3直流电机的参数
转矩-电机得以旋转的力矩，单位为㎏•m或N•m。
转矩系数-电机所产生转矩的比例系数，一般表示每安培电驱电流所产生的转矩大小。
摩擦转矩-电刷、轴承、换向单元等因摩擦而引起的转矩损失。
启动转矩-电机启动时所产生的旋转力矩。
转速-电机旋转的速度，工程单位为r/min，即转每分。
在国际单位制中为rad/s，即弧度每秒。
电枢电阻-电枢内部的电阻，在有刷电机里一般包括电刷与换向器之间的接触电阻，由于电阻中流过电流时会发热，因此总希望电枢电阻尽量小。
电枢电感-因为电枢绕组由金属线圈构成，必然存在电感，从改善电机运行性能的角度来说，电枢电感越小越好。
电气时间常数-电枢电流从零开始达到稳定值的63.2%时所经历的时间。
测定电气时间常数时，电机应处于堵转的状态并施加阶跃性质的驱动电压。
工程上，常常利用电动机转子的转动惯量J、电枢电阻Ra、电机反电动势系数Ke和转矩系数Kt求出机械时间常数：
…1-1
转动惯量-具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质。
反电动势系数-电机旋转时，电枢绕组内部切割磁力线所感应的电动势相对于转速的比例系数，也称发电系数或感应电动势系数。
功率密度-电机每单位质量所能获得的输出功率值。
功率密度越大，电机的有效材料的利用率就越高。
转子-rotor；定子-stator；电枢-armature；励磁-excitation。
2.3显示模块的综合概括
显示模块包括：
LCD1602,温度传感器DS18B20,时钟芯片DS1302三个部分组成。
2.3.1LCD1602的简介
1602B可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。
该模块也可以只用D4-D7作为四位数据分两次传送。
这样的话可以节省MCU的I/O口资源。
1602B引脚说明如下：
表2.3LCD液晶显示器各引脚功能及结构
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
双向数据口
3
VL
对比度调节
11
D4
双向数据口
4
RS
数据/命令选择
12
D5
双向数据口
5
R/W
读/写选择
13
D6
双向数据口
6
E
模块使能端
14
D7
双向数据口
7
D0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
D1
双向数据口
16
BLA
背光源正极
注意事项：
从该模块的正面看，引脚排列从右向左为：
15脚、16脚，然后才是1－14脚（线路板上已经标明）:
VDD：
电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压；
VL：
LCD对比度调节端，电压调节范围为0－5V。
接电源的正极时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；
RS：
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；
R/W：
读写控制端。
R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；
E：
LCD模块使能信号控制端。
写数据时，需要下降沿触发模块。
D0－D7：
8位数据总线，三态双向。
如果MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4－D7接口传送数据。
本充电器就是采用4位数据传送方式；
BLA：
LED背光正极。
需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；
BLK：
LED背光地端。
三模块方案比较与论证：
3.1电机模块的选择
方案1：
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。
经综合比较考虑，我们放弃了此方案。
方案2：
直流电机：
直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。
对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。
基于以上分析，我们选择了方案二，使用直流电机作为电动车的驱动电机。
3.2电机驱动模块的选择
方案1：
采用SM6135W电机遥控驱动模块。
SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。
能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高。
方案2：
采用电机驱动芯片L298N。
L298N为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。
通过单片机的I/O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，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，能够实现对应的动作。
表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。
表3.2L298N的引脚和输出引脚的逻辑关系
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运行情况
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
同IN2（IN4）
同IN2（IN4）
快速停止
L
X
X
停止
基于以上分析，我们选择了方案二，用L298N来作为电机的驱动芯片。
3.3控制器模块的选择
方案1：
采用凌阳的SPCE061A小板作为主控制芯片，而且可以采用凌阳的小车模组，可以很快的完成其基本功能，当是用该小板存在一定的局限性，较难扩张功能，而且各个模块的拼凑，没有比集成在一块板的稳定性高。
方案2：
采用STC89C52作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。
基于以上分析，我们选择了方案二，用STC89C52作为电机的主控制芯片。
四系统硬件电路设计
系统采用存储空间较大的STC89C52作为主控制芯片，电动车电机驱动芯片采用L298N；并利用直流电机驱动小车，能较有效的控制其在特定位置转弯及行驶出错处理,该系统无论在结构和技术上都具有较好的科学性。
4.1显示模块的设计
4.1.1显示模块的仿真图
显示模块中主要考虑的是显示什么，综合考虑后，我想到的首先是时间的显示，于是我采用时钟芯片DS1302来实现时间的显示，单纯的显示时间似乎很无趣，于是我加入了温度的显示，温度传感器DS18B20结构完善，连接简单，功能齐全，易于控制。
合并以上的思路，我确定出了显示的模块，具体的仿真图如下：
图3显示模块的电路原理图
4.1.2显示模块的流程
显示模块是智能小车额外增加的功能，但它仍然是重要的组成部分，显示模块是如何工作的呢？
其实，先是由按键控制时钟芯片DS1302，进行时间的调节，在调节的过程中，信号传递给STC89C52，单片机将其翻译后发送信号给时钟芯片DS1302，时钟芯片DS1302会将时间的改变显示在LCD1602上，同样的道理，温度传感器DS18B20也是先将检测到的信号传递给单片机，单片机再传递给LCD1602
4.2直流电机的驱动模块
4.2.1直流电机驱动模块的仿真图
图4直流电机驱动模块的仿真图
4.2.2直流电机驱动模块的流程图
电机驱动模块的核心是电机的驱动芯片及电机，电机选择了直流电机，这样可以方便控制，而电机的驱动芯片L298可以同时控制两个直流电机，其中芯片中连接单片机的5引脚和7引脚用于控制直流电机1，而芯片中的10引脚和12引脚用于控制直流电机2.电机1接的是小车的左轮，电机2接的是小车的右轮，当两个电机一起正向转动时，小车前进；当两个电机一起反向转动时，小车后退；当电机1正转，电机2反转时，小车右转；当电机1反转，电机2正转时，小车左转。
由于无线模块只能控制锁存的4条线路，不能将功能都进行有效控制，只能控制前进和后退，所以额外采用按键来控制左转和右转。
5
图5直流电机驱动模块的流程图
五软件的简单介绍
在这次研究中，主要用到了keil，protues，proter和STC_ISP_V480等软件
5.1Keil的简介
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的C语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。
机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
5.2protues的简介
Protues软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Protues软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
（1）原理布图
（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真。
支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。
软件仿真功能如下：
1）提供软件调试功能2）提供丰富的外围接口器件及其仿真RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
这样很接近实际。
在训练学生时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。
3）提供丰富的虚拟仪器，利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。
4）具有强大的原理图绘制功能。
电路功能仿真特点如下：
在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：
*.HEX，可以在PROTUES的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
PROTUES是单片机课堂教学的先进助手。
PROTUES不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。
由于PROTUES提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。
随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。
它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。
可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。
相信在单片机开发应用中PROTUES也能获得愈来愈广泛的应用。
软件缺点:
器件库溃乏，库中缺少很多重要芯片，严重影响电路仿真软件出错或乱码，此时仿真效果不及硬件仿真。
5.3STC_ISP_V483的简介
在运行STC_ISP_V483下载软件之前，应该先给出ISP的C程序源代码ISP.C.要注意的是:
此程序是在Keil-C中要建立工程文件,包含IAP.C函数,并且在IAP.C和ISP.C中都要保留STC的定义.传入用户代码时,需要与计算机进行通信,一般采用RS232串行通信,数据协议采用简单协议。
具体的使用方法：
一、先把学习实验板和计算机连接好（接好串口线和电源）
二、打开STC-ISPv483，在MCUType栏目下选中单片机，如STC89C52RC：
根据您的9针的数据线连接情况选中COM端口，最好把波特率适当下调一些，按图示选中各项：
图6STC-ISPv483的界面图
三、先确认硬件连接正确，按下图点击“打开文件”并在对话框内找到您要下载的HEX文件：
四、选中两个条件项，这样可以使您在每次编译KEIL时HEX代码能自动加载到STC-ISP，点击“Download/下载”：
五、手动按下电源开关便即可把可执行文件HEX写入到单片机内，下图是正在写入程序截图：
图7单片机程序下载截图
六结论
根据本次设计要求，我们认真分析了设计课题的需求，还系统学习了51系列单片机的工作原理及其使用方法，并独自设计智能小车的整个项目。
虽然条件艰苦，但经过不懈钻研和努力，购买到了所有所需的元器件，并系统的进行了多项试验，最终做出了整个小车的硬件系统，然后结合课题任务和小车硬件进行了程序的编制，本系统能够基本满足设计要求，能够较快较平稳的是小车沿引导线行驶，但由于经验能力有限，该系统还存在着许多不尽人意的地方有待于进一步的完善与改进。
通过本次课题设计，不仅是对我们课本所学知识的考查，更是对我的自学能力和收集资料能力以及动手能力的考验。
本次毕业设计使我们对一个项目的整体设计有了初步认识，还认识了几种传感器。
本次毕业设计使我们意识到了实验的重要性，在硬件制作和软件调试的过程中，出现了很多问题，最终都是通过实验的方法来解决的。
还有以前对程序只是一个很模糊的概念，通过这次的课题设计使我对程序完全有了一个新的认识，并能使用Keil软件熟练的进行编程了。
通过本次课题设计，极大的锻炼了我们的思考和分析问题的能力，并对单片机有了一个更深的认识。
总之，在课题设计的过程中，无论是对于学习方法还是理论知识，我们都有了新的认识，受益匪浅，这将激励我们在今后再接再厉，不断完善自己的理论知识，提高实践运作能力。
七致谢
本设计能够顺利完成，还承蒙何老师以及身边的组队同学的指导和帮助。
在设计过程中，何老师给予了悉心的指导，最重要的是给了我们组队解决问题的思路和方法，并且在设计环境和器材方面给予了大力的帮助和支持，在此，我对何老师表示最真挚的感谢！
同时感谢所有帮助过我的同学！
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