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1041000185刘生有
论文编码（原论文分类号）：
首都师范大学本科学生毕业论文
电动多功能小车的设计制作
（硬件部分）
Designandmanufactureofthemultifunctionalmobilecar
（Thehardwarepart）
论文作者刘生有
院系信息工程学院
专业电子信息工程
学号1041000185
指导老师闵子建
完成日期2008年5月1日
摘要
电动多功能小车作为一种轮式移动机器人.是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。
本文基于自动引导车智能控制系统.以小车精确、快速跟踪给定路径为控制目标.研究了自动引导车路径跟踪控制策略及其实现:
并通过芯片STC2C5404对智能小车实行双闭环控制.从而达到对小车的速度实现精确的控制。
关键词：
单片机电动小车传感器自主寻迹
Abstract
multifunctionalmobilecarisamobilerobotor,Thissystemisincludingcollectinginformation,makeadecision,automaticdrivingandsoon.Thetopicofthispaperishowtoexactandfastgoingontheroad,andhowtoachievetrajectorytracking.WecanachievethefasttracktheroadbyTL494indoubleclosed-loopcontrol.
Keywords:
Single-chipmicrocomputerElectro-motioncarSensorAuto-searchingtrack;
目录
第一章引言1
第二章系统概述2
2.1系统设计指标2
2.2设计框图4
2.3系统基本工作原理4
第三章路面检测部分5
3.1路面检测的组成结构5
3.2方案选择5
3.2.1用光敏电阻组成光敏探测器5
3.2.2反射式光电传感器5
3.3比较电路的设计7
3.4路面检测综合设计电路8
3.5平衡检测模块9
3.5.1方案选择9
3.5.2设计电路10
第四章单片机控制及显示部分11
4.1选择单片机11
4.2显示器选择11
4.3单片机开发板电路与软件流程图13
4.3.1单片机开发板电路13
4.3单片机通信14
4.3.1ISP与IAP介绍14
4.3.2串行通讯电路14
第五章电机控制驱动电路16
5.1电路设计目标16
5.2电路设计16
5.3电路分析18
5.4器件选择20
第六章硬件抗干扰设计22
6.1形成干扰的基本要素22
6.2抗干扰设计22
总结23
致谢24
参考文献25
附录26
附录I：
小车实物图26
附录II：
寻迹程序30
第一章引言
本简易智能电动车采用简单的人工智能技术，以单片机为核心，以光电传感器探测路面黑白条为引导方式，以平衡检测传感器所返回的信号为平衡判断依据，加以PWM电机控制，可以自动寻迹，变速行驶，正向逆向行驶，寻迹运行，显示运动状态以及测量显示全程时间，采用LED实时显示各状态的时间。
控制以STC12C5404来控制，在控制电路与驱动电路加以光电耦合用来避免干扰。
整机使用双电源分别给电机部分、传感器和芯片部分供电。
最终实现了项目的各项功能。
同时，本项目主要是想锻炼下我们的动手能力为将来更深入的研究打下基础。
本文共分为六章。
前两章介绍了该系统的基本组成和基本工作原理。
第三章至第五章详细叙述了该系统不同部分的电路设计、工作原理及元器件选择。
第六章叙述了硬件抗干扰设计、系统PCB图的制作和调试过程。
第二章系统概述
2.1系统设计指标
一、准备
设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。
配重的位置可以在从始端开始的200mm～600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；配重可拆卸。
电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。
电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别
如图2.1和图2.2所示。
图2.1起始状态示意图
图2.2平衡状态示意图
二、要求
1.小车基本要求
在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：
（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近；
（2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡8秒钟，并给出明显的平衡指示；
（3）电动车从
（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）；
（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程；
（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。
2.发挥部分
将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：
（1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点300mm以外、90°扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板，如图3所示：
（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡8秒钟以上；
（3）将另一块质量为电动车质量10％～20％的块状配重放置在A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡8秒钟以上；
（4）电动车在3分钟之内完成
（1）～（3）全过程。
本小车系统总体上包括三个组成部分，它们是前向通道部分，单片机应用系统部分，后向通道部分。
其中前向通道包括：
光电传感器（ST168），信号调理电路等，跷跷板；单片机应用系统包括：
单片机，接口芯片.；后向通道包括：
电机驱动,小直流电动机,LED显示等
2.2设计框图
。
图2-1多功能小车设计框图
2.3系统基本工作原理
在多功能小车系统中，需要把路面状况转换为电信号，以便进行处理。
我们采用精度比较高，反应速度较快的反射式光电传感器（ST168）以及透射式光电传感器。
ST168检测到的路面的黑白条输出两种电压大小不等的信号通过LM339比较器将两种信号转换成高低逻辑电平、透射式传感器检测平衡直接输出高逻辑电平给单片机。
此时这逻辑电平便可直接送入单片机12C5404AD进行处理。
同时，单片机12C5406AD产生时钟信号输给单片机12C5404AD。
主单片机12C5404AD便会根据接收到不同的信号进行不同的算法处理，并输出不同的信号经过电机驱动电路来控制小车的两个小轮。
第三章路面检测部分
3.1路面检测的组成结构
模输入通道用来联系被测对象与单片机。
由于单片机只能处理数字电信号，而我们所测的对象是路面的黑白条，是非电量，所以输入通道的前一个环节是感受被测对象，将被测对象通过传感器转换成电信号。
信号输入通道的基本组成如下图：
图3.1信号检测的基本组成
3.2方案选择
3.2.1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。
但是这种方案受光照影响很大，而且由于是做路面检测，传感器一般设置在车体底部，故光线变化不是很明显，导致输出信号变化幅度小不宜作判断，从而不能够稳定的工作。
因此我们考虑其他更加稳定的方案。
3.2.2反射式光电传感器
用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射头发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，如红外接收头接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射头发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，在原有的基础上，我们选用了ST168（如图3.2.2.2）起极限参数及光电特性分别如图3.2.2.1和图3.2.2.3这种将两对发射接收管集合在一起的透射式光电传感器，其具有如下特点：
体积小，结构紧凑。
当发光二极管发出的光被反射回来时，三极管接收到反射光并导通输出低电平。
此光电管调理电路简单，因为接受和反射装置都集成在芯片内部从而使得其工作受外部环境影响降到很低，从而工作性能稳定。
在将传感器输出的信号经过已设参考电压（大约是2.5V）的比较器对信号的修正可以得到标准的逻辑电平，就可作为路面检测信号直接传送到单片机就可以对路面的进行判断，另外此种反射式光电传感器价格低廉，灵敏度好,所以我采取了这种方案。
图3.2.2.1图3.2.2.2
图3.2.2.3
路面
OUT（单位：
V）
黑色
1.9
白色
3.2
注：
此表示在图3-2-2-4中Vcc=5V;
R1=510欧;R2=20K欧姆时测的值
表3.2.2.4st168根据路面状况输出值图3.2.2.5st168的典型应用电路图
3.3比较电路的设计
此电路是为了将上面光电传感器输出的信号转换成能让单片机识别的信号即：
逻辑电平。
考虑到转换速度，转换精度，电路的复杂度，以及经济性等因素我们选择了四电压比较器LM339（实物图）
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：
1）失调电压小，典型值为2mV；
2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；
3）对比较信号源的内阻限制较宽；
4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；
5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。
LM339集成块采用C-14型封装，图3.3.1为外型及管脚排列图。
由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。
图3.3.1外型及管脚排列图
单限比较器电路图3-3-2a给出了一个基本的单限比较器的接法。
输入信号Vin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。
当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。
图1b为其传输特性。
由观点传感器的不同输出可知，这里+Vcc=5V;Ur取2.5V;Uin即为观点传感器的输出;
图3.3.2
路面
U0（V）
Vo（V）
黑色
1.9
0
白色
3.2
5
注：
此表里的Uo为传感器输出即为比较器的Uin端。
V0即为比较器的输出端且与单片机相连
3.4路面检测综合设计电路
图3.4.1路面检测综合原理图
I.数据计算:
Ur=Vcc*R7/（R6+R5）=2.5V
左传感器检测状态
右传感器检测状态
车左前轮运动状态
车左前轮运动状态
小车状态
逻辑组合
黑线（0）
黑线（0）
00
黑线（0）
白线
（1）
停
转
左转
01
白线
（1）
黑线（0）
转
停
右转
10
白线
（1）
白线
（1）
转
转
直行
11
表3.4.2地面状况与传感器输出数据
3.5平衡检测模块
3.5.1方案选择
方案一：
采用微动开关如图3.5.1.1，微动开关是一种施压促动的快速开关，又叫灵敏开关。
其工作原理是外机械力通过传动元件（按销、按钮、杠杆、滚轮等）将力作用于动作簧片上，并将能量积聚到临界点后，产生瞬时动作，使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。
当传动元件上的作用力移去后，动作簧片产生反向动作力，当传动元件反向行程达到簧片的动作临界点后，瞬时完成反向动作。
微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速。
但是采用这种方案还需要安装一小槽放小钢珠来触发微动开关，从而导致设计不方便
如图3.5.1.1如图3.5.1.2
方案二：
采用倾角传感器如图3.5.1.2，倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。
固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，硅微机械传感器测量（MEMS）以水平面为参面的双轴倾角变化。
输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准。
数据方式输出是以接口RS232方式输出的。
输出数据是一个与倾角θ有关的量，这信号不是一个单片机所能直接收的。
虽然经过其他的软件的处理之后能达到时时巡检的效果，但是这样比较繁琐，而且成本也比较大，所以就没采用此方案。
方案三：
采用透射式光电传感器作为信号采集。
透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上，如图所示。
此方案适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等。
在这里我们采用是以透射光电传感器以及一个细轴和薄铁片组成的一个组件。
它能直接输出一个单片机所能识别的信号，这样的话就不用其他的外围电路处理或者进行软件数据处理。
另外一个方面就是这个传感器比较实惠才几块钱就能买到，而且能实现要求的功能。
考虑到性价比，我采用了此方案。
3.5.2设计电路
如图3.5.2.1是光电传感器的原理图，而图3.5.2.2是整个组件的实际电路图，它的蓝线接的是五伏工作电源，灰线是地线，黄线就是这透射式光电传感器的检测信号输出端，当光轴未被遮挡时起输出为单片机识别的高电平信号，相应的当光轴背障碍物遮挡时输出单片机识别的低电平信号。
3.5.2.1光电传感器的原理
3.5.2.2整个组件的实物
第四章单片机控制及显示部分
4.1选择单片机
选择单片机时要基于以下几点考虑:
1）首先要保证单片机的功能能够满足设计任务的要求，而且在满足要求的基础上要保留一定的余地，以免设计任务变更或增加而引起系统重新进行设计。
2）要考虑开发者对所选用的单片机系统是否熟悉。
现在市场上流行很多种类的单片机，选择一款自己的熟悉的单片机可以大大节省开发时间。
3）要考虑经济成本。
并非单片机价格越低，开发成本就越低，要综合考虑单片机的功能配置，选择一款合适的单片机。
综合以上因素，我们选择使用STC12C5404芯片。
该芯片工作电压为+5V，工作频率范围0~40MHz，具有ISP/IAP功能，可以直接将程序从电脑下载到芯片中，省去了传统单片机（如AT89C51）需要借助编程器将仿真、调试完的程序烧到单片机内部或外接的程序存储器中的麻烦。
同时，该芯片具有仿真的功能，支持单步运行程序观察运行结果。
其管脚图如图4.1.1
图4.1.112C5404管脚图
4.2显示器选择
方案一:
采用液晶显示屏（LCD）来显示状态,虽然说他有着节省能源,防辐射等优点.但是其成本太大且处理起来有些叫繁琐.所以不选用此方案
方案二:
采用七段数码管来做显示器.七段数码管的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。
以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长（使用寿命可达10万小时）、工作稳定可靠等优点及随着大规模集成电路和计算机技术的不断进步使得其生产成本不高，进而使得LED显示器正在迅速。
所以我选择了此方案。
图4.2.1单个管的结构
图4.2.2四管合一管脚图
图4-2-2是四个七段数码管合成的一个显示器，它的优点是运用动态扫描技术实现了节省单片机的I/O资源以及所占空间小。
4.3单片机开发板电路与软件流程图
4.3.1单片机开发板电路
图4.3.1就是我们常用的12C5404单片机开发板原理图，在这次毕设中我只用到了开发办中的小数功能模块。
由于其各个方面性能都能满足我们本项目所要求的性能，我就直接采用平时用到的这开发板。
这里我们只用了他几个输入输出口，和一个显示模块。
其实物图如图4.3.2。
图4.3.1开发板的原理图
图4.3.2开发板实物图
4.3单片机通信
4.3.1ISP与IAP介绍
在一般的单片机的实验或开发时，编程器是必不可少的装置。
仿真、调试完的程序需要借助编程器烧到单片机内部或外接的程序存储器中。
普通的编程器价格从几百元到几千元不等，对于一般的单片机用户来说还是一笔不小的开支。
另外，在开发过程中，程序每改动一次就要拔下电路板上的芯片编程后再插上，这样不但麻烦也很容易对芯片和电路板造成损伤。
在线编程可以省去编程器，直接将程序从电脑下载到目标芯片中。
在线编程目前有两种实现方法：
在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。
ISP一般是通过单片机专用的串行编程接口对单片机内部的Flash存储器进行编程，而IAP技术是从结构上将Flash存储器映射为两个存储体，当运行一个存储体上的用户程序时，可对另一个存储体重新编程，之后将控制从一个存储体转向另一个。
ISP的实现一般需要很少的外部电路辅助实现，而IAP的实现更加灵活，通常可利用单片机的串行口接到计算机的RS232口，通过专门设计的固件程序来编程内部存储器。
我们利用串行的方式实现单片机与PC机的通讯。
利用Keil仿真器将程序下载到STC12C5404内部ROM中。
4.3.2串行通讯电路
串行通讯端口在系统控制范畴中一直占有极重要的地位，不仅没有因为时代的进步而淘汰，反而在规格上愈来愈向其极限挑战，而且它具有连接设备种类多、实际操作简单、价格便宜等许多优点。
该电路把STC12C5404的串行口引脚RXD、TXD和GND接到电平转换专用电路MAX232的R1OUT、T1IN和GND（如图4-9所示）。
用MAX232将STC12C5404串行口输出的TTL电平转换为RS232标准电平。
把PC机送来的RS232标准电平转换为TTL电平给STC12C5404，通过MAX232实现STC12C5404与PC机的串行通讯。
图4.3.2串口通讯电路
现在计算机上的串行通讯端口（RS-232）是必要配备，通常有COM1与COM2两个信道，一般的计算机将COM1以9Pin的公头接出。
串行通讯的方式可以分为同步式及异步式两种。
同步式在通讯的两端使用同步讯号作为通讯的依据；而异步式则使用起始位（StartBit）及停止位（StopBit）作为通讯的判断。
而RS-232是美国电子工业协会正式公布的，也是在异步串行通信中应用最广的标准总线。
该标准适用于DCE和DTE间的串行二进制通信，最高数据传输速率可达19.2kbps，最长传送电缆可达15米。
无论是9针还是25针的标准，对于一般的双向通信，只需使用串行输入RxD，串行输出TxD和地线GND。
在RS-232中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系，即逻辑“1”，－5—－15V；逻辑“0”，＋5—＋15V。
噪声容限为2V，即要求接收器能使别低至＋3V的信号作为逻辑“0”，高到－3V的信号作为逻辑“1”，其与TTL和CMOS电平是不同的。
因为在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平，所以在通信时，必须进行电平转换，以便与RS-232标准的电平匹配，MAX232芯片可以完成电平转换工作。
第五章电机控制驱动电路
5.1电路设计目标
在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：
1.功能：
电机是单向还是双向转动？
需不需要调速？
对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。
如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。
2.性能：
对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。
（1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。
（2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。
要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。
（3）对控制输入端的影响。
功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。
（4）对电源的影响。
共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。
（5）可靠性。
电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。
5.2电路设计
基于5.1的要求我们采用三极管组成H桥式控制电路控制电机正反转，用PWM控制电机转速。
因为所选单片机可以输出PWM波形，因此使得外围电路变得很简单，另外该方案还有调速特性优良，调整平滑，调速范围广，过载能力好等优点。
电路如图5.2.1
图5.2.1直流电机基本控制原理图
使能控制和方向逻辑：
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。
图5.2.2直流电机控制改进型电路
图5.1.2所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。
这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。
而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：
两个方向信号和一个使能信号。
如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图5.2.2所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
综合考虑接口电路、电源电路、电机驱动和调速电路我们设计出图5-3的最终应用电路图
5.3电路分析
图5.3.1控制电路最终原理图
图5.3.1模块包括：
接口电路、电源电路、电机驱动和调速电路。
1）、接口部分：
如图5.3.2接口电路负责将单片机控制器的I/O接口信号传送给控制电路板，并且单片机的电源接口及共地接口，但主要还是为控制电机的
如4、5、6、7的四个单片机接口分别接MOTOR1A（电机1正转接口）、MOTOR1B（电机1反转接口）、MOTOR2A（电机2正转接口）、MOTOR2B（电机2反转接口）四路信号；以及I/O口2、3分别接电机调速的控制口
SPPED1（电机1调速接口）、SPEED2两路信号（电机2调速接口）。
图5.3.2接口部分
图5-1-4接口电路
2）、电源部分：
如图5.3.3。
J2表示由4节干电池串联成的电池盒。
系统由电池盒供电（1.5V×4），控制板直接采用电池盒供电（VCC），
图5.3.3电源部分
此电路的优点是
I、当开关S1如图所示时因为4节电池提供的电压VCC最大可达到6V，这电压用作电机的工作电源Vcc。
当其经过二极管D1压降（0.7伏左右）即可降到单片机工作的安全电压（V+）便可由于单片机工作的电源。
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