基于单片机的智能玩具车设计.docx

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基于单片机的智能玩具车设计

摘要

现在，玩具电动车要么是只能实现直线前进的，要么是带遥控装置的开环控制的，能够实现或前进、或后退、或左转、或右转的功能。

能够显示运行状态、里程（圈数）并实现报警的却为数不多。

本文的主要研究工作是设计和实现基于单片机STC89C51的智能玩具电动车，包括其硬件和软件两个部分。

硬件电路部分主要包括控制器、信号检测电路、避障电路、电机驱动电路、显示电路、电源电路等，通过软件编程控制小车实现前进、后退、加速、减速、左转、右转和车灯闪烁等功能，并在小车行进中很好地实现避障，里程、行进方向显示和报警。

本文是把当前一般的玩具电动车作为基础，增加各种传感器，如光电传感器、红外传感器、超声波传感器等，利用传感器构成的信号检测电路实时检测电动车的运行速度、运行位置、运行状况，单片机接收并处理信号检测电路检测到的各种数据，然后由单片机发出指令控制电动小车运行。

该智能玩具小车能够实现的功能有：

实时准确地显示温度、显示里程，能够实现语音控制，自动循迹和避障，能够自动调节行驶速度并精确停车。

关键词：

智能，玩具电动车，单片机，软件设计

ABSTRACT

Now,electrictoyiseithercanonlyachieveastraightforward,eitherwithremotecontroldeviceforopenloopcontrol,canachieveorforward,orback,orleft,orrightfunction.Tobeabletodisplayoperatingstatus,mileage（LAPS）andalarmhoweveramounttoisnotmuch.ThemainresearchworkofthisthesisistodesignandimplementbasedonSTC89C51single-chipmicrocomputerintelligenttoycar,includingitshardwareandsoftwareintwoparts.Thehardwarecircuitpartmainlycomprisesacontroller,asignaldetectioncircuit,obstacleavoidancecircuit,motordrivecircuit,displaycircuit,powersupplycircuit,throughsoftwareprogrammingtocontrolthecarforward,backward,acceleration,deceleration,turnleft,turnrightandlightsflashingandotherfunctions,andinthesmallcarrunningwellrealizetheobstacleavoidance,mileage,thedirectionofdisplayandalarm.Thispaperistopresentageneralelectrictoyasafoundation,increaseofvarioussensors,suchasphotoelectricsensor,infraredsensor,ultrasonicsensor,thesensorsignaldetectioncircuitforreal-timedetectionofelectricvehiclerunningspeed,runningposition,operation,SCMreceivesandprocessesthesignaldetectioncircuitdetectsavarietyofdata,andthenbytheMCUinstructioncontrolofelectrictrolley.Theintelligenttoycarcanachievefunctions:

real-timeandaccuratetemperaturedisplay,displaythemileage,voicecontrolcanbeachieved,automatictrackingandobstacleavoidance,andcanautomaticallyadjustthespeedandtheprecisionofparking.

Keywords:

Intelligent,electrictoycars,SCM,softwaredesign

第一章引言

1.1研究背景

当今社会，科学技术日新月异，时代前进的步伐越来越快。

随着电子技术的发展，属于融合类的个人电子终端也越来越多，比如PMP、PDA、手持游戏机和智能手机等等，他们都占据了很大的市场份额。

在玩具领域，随着电子技术不断融入玩具，使得玩具也越来越智能化，也就构成了新一类的融合类电子终端，这也是世界各国玩具产业发展的一种方向。

去年，结合了高端的电子技术的玩具的销售额仅仅在在美国一个国家的玩具市场上就达到115亿美元，大大超过了一般玩具的增长速度。

因为2010年全世界的智能玩具销售收入才100亿美元。

据权威部门预计，2012年末销售额增加更大，可以达到200亿美元。

智能玩具绝对是利润比较丰厚的，因为智能玩具的技术是建立在已有的主流融合终端上，然后在其基础山进行了创新，成本相对来说较低。

这样一来，投资者的投资回报就比较丰厚。

另一方面，鉴于电子智能玩具对于儿童成长的重要性及越来越智能化和多样化，受到了消费者的喜爱。

现在，中国在玩具消费上的人均值相对其他国家来说要低很多，因此，智能玩具在中国的市场空间将会很大。

所以，融合了计算机控制与电子技术的智能化玩具的研究越来越受到社会各界的广泛重视。

随着智能水平的不断提高，人们的生活方式迅速地改变，电子智能玩具有很好的市场前景。

作为电子智能玩具之一的智能玩具电动车更受儿童青睐，是儿童玩具中的宠中之宠。

本设计就是在这样的背景下提出的。

1.2研究意义

全称为单片微型计算机的单片机具有集成度高、体积小，可靠性高、实用温度范围宽，有优良的性能价格比，控制功能强，外部总线丰富，功能扩展性强及低功耗等特有的优良性能，因而得到了广泛应用。

它推动了嵌入式系统的发展并深入到各个领域，已经成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活的各个领域的智能化工具，也是现代电子系统中重要的智能化工具，对各行各业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。

目前，开发模块化，功能强，价格低的智能玩具小车，已成为全国电子技能比赛的热点，而且智能玩具车在国内和国外都有着巨大的市场。

在全球市场上，智能玩具领域，几乎被美国、日本等国垄断，我国智能玩具是一个即将兴起的领域，可编程玩具小车将会给玩具市场注入新的活力。

玩具小车随着传感技术、计算机科学、人工智能及其它相关学科的迅速发展，正向着智能化的方向发展。

智能化玩具车控制系统囊括了计算机技术、自动控制技术、传感器技术和人工智能技术等多方面的技，它是一个综合体，有环境的感知功能，实时的决策与规划功能，以及行为的控制和执行等功能，是典型的机电一体化产品。

另外，选择单片机设计智能玩具电动车，目的在于从日常生活中能接触到的细微处着手，通过理论与实践的结合，更明确自己的所学所用，也在实践中发现自己理论的不足，对目前广泛应用的单片机有更加理性化和感性化的认识，使理论和实践相得益彰。

1.3国内外研究现状

一、国外智能车辆的研究现状

从20世纪50年代开始，智能车辆的研究在国外就开始了，其发展历程大致经历了初始研究、卓有成就的研究和深入、系统、大规模的研究三个阶段，分别如下：

初始阶段：

在20世纪的50年代美国出现了自主引导车系统。

该系统具有了智能车辆的最基本的特征——无人驾驶。

这是一个标志，一个智能车辆出现的明显的标志。

卓有成就的阶段：

在20世纪80年代中后期，欧洲和美洲的一些国家主要进行智能车辆的可行性研究和如何让智能车辆实用化的研究，取得了显著成绩。

深入、系统、大规模的研究阶段：

从20世纪90年代开始，各个国家尤其是欧洲的德国和美洲的美国等都对智能车辆进行了广泛地、大量地研究。

尤为突出的是美国的Navlab系列的自主车的研究，该研究在卡内基-梅陇大学机器人研究所进行，取得的成绩显著。

二、国内智能车辆的研究现状

在中国很多高等院校和科研机构都进行了ITS核心技术和设备的研究。

在近30年的研究过程中，我国已经积累了很多经验和强大的ITS技术研究开发的专业技术队伍。

1.4研究内容

当前，许多用于儿童的玩具电动车只能实现基本的功能，即或前进、或后退、或左转、或右转、或停车的功能，或加了遥控实现前述功能。

也就是说控制方法上基本没有采取闭环控制。

玩具小车的控制方式有：

基于单片机的，基于光学传感器的，语音控制的等。

本设计是基于单片机的，主要完成玩具车控制系统硬件电路和软件的设计，控制系统的硬件电路部分主要包括控制器、信号检测电路、电机驱动电路、显示电路、电源电路等，直流电机作为小车的驱动电机。

电机驱动利用软件产生不同占空比的PWM波来控制直流电机的转向和转速。

单片机作为整个玩具电动车的控制系统，控制着与其相连的各个模块。

该智能玩具电动车采用的单片机是STC89C51，通过软件编程控制小车实现前进、后退、加速、减速、左转、右转和车灯闪烁等功能，并在此过程中很好地实现里程、行进方向显示和报警。

本设计是把当前一般的玩具电动车作为基础，增加必要的传感器，如光电传感器、红外传感器、超声波传感器等，利用传感器构成的信号检测电路实时检测电动车的运行速度、运行位置、运行状况，单片机接收并处理信号检测电路检测到的各种数据，然后由单片机发出指令控制电动小车的运行。

该智能玩具小车能够实现的功能有：

实时准确地显示时间、显示速度、显示里程，智能调节行驶速度、精确停车的功能。

设计方案能实现对电动小汽车的运动状态进行实时控制，控制要灵活、可靠，精度要高，需满足系统的各项要求。

总之，设计的整个系统的电路结构要简单，可靠性能要高。

采用的技术主要包括：

1.有效应用传感器。

利用感测模块实时监测路面情况并及时传输给单片机，单片机核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动，电机驱动模块驱动两电机转动，实现转向与行走；

2.小车的速度控制利用编程实现；

3.采用新型显示芯片。

第二章相关技术

2.1单片机技术

全名是单片微型计算机（SingleClipMicrocomputer）的单片机，主要由中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、定时/计数器、输入输出接口电路等组成，把这些功能部件集成在一块芯片上，便构成了一个完整的微型计算机。

自从1974年12月美国Fairchild公司研制出了世界上第一台单片机F8以来，单片机迅速发展，各种新型、高性能单片机不断推陈出新。

迄今为止，单片机的发展经历了4个时期：

第一阶段（1974~1978年）：

单片机初级阶段

该阶段最具有代表性的单片机就是英特尔生产的MCS-48。

该阶段的单片机的运用了落后的制造工艺，其CPU为8位，I/O接口为并行，定时器/计数器为8位。

并且，I/O口不能串行通信，寻址范围小（低于4KB）。

其代表产品为仙童公司的单片机F8等。

第二阶段（1978~1983年）：

单片机完善阶段

以Intel公司的MCS-51系列单片机为代表，该时期的单片机的特点是：

“串行I/O口，带有多级中断处理系统，16位的定时器/计数器，片内存储器的容量相对增大，而且且寻址范围可达64KB。

第三阶段（1983~1990年）：

单片机巩固和推新阶段

此阶段的单片机，既完善第一阶段的单片机，又发展第二阶段的单片机，还推出了新的32位的单片机，也出现了专用单片机。

第四阶段（1990至今）：

单片机全面发展阶段

适合于不同领域要求的单片机相继出现。

其特点是运算速度快，存储容量大，运算能力强。

类型有通用型和专用型。

当然也有专用于单一领域的廉价的单片机。

单片机自身的特点决定了其应用非常广泛，它已成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活等各个领域的智能化工具，对各行业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。

2.2智能玩具电动车技术

随着传感技术、计算机科学、人工智能及其它相关学科的迅速发展，玩具小车正向着智能化的方向发展。

智能玩具电动车控制系统包括了计算机、控制技术、传感技术、机械和人工智能等多方面的知识，它是一个综合系统，它有单片机控制控制方式，有光学传感器控制控制方式，也有语音控制方式等多种控制方式。

其功能是可以进行环境感知，也可以进行动态决策和规划，还可以进行行为控制和执行等。

第三章系统需求分析

3.1功能分析

根据设计要求和设计内容，采用基于单片机的控制方案，设计出系统框图如图3-1所示，包括主控模块、检测模块、电机驱动模块、显示模块和电源模块等。

图3-1系统框图

3.1.1主控模块

现在，具有智能功能的电子产品通常用的控制器为单片机，它具有集成度高、体积小，可靠性高、实用温度范围宽，有优良的性能价格比，控制功能强，外部总线丰富，功能扩展性强及低功耗等特有的优良性能，因而得到了广泛应用。

它推动了嵌入式系统的发展并深入到各个领域，已经成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活的各个领域的智能化工具，也是现代电子系统中重要的智能化工具，对各行各业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。

但是，当今社会单片机厂商多如牛毛，产品性能不尽相同。

常用的典型的单片机有Intel公司的MCS-51系列单片机、Motorola公司的M68系列单片机、Philips公司的P系列单片机、WinBond（华邦）公司的W77、W78系列单片机、Atmel公司生产的AT89系列单片机、EPSON公司的单片机等。

本设计设计的是一个复杂程序控制系统，具有多开关量输入的特点。

因此，控制核心需要用擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机。

在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，本设计最终决定采用一片ATMEL公司的STC89C51单片机，充分利用STC89C51单片机的资源和适合复杂控制应用场合的特点。

图3-2为STC89C51构成的系统原理框图。

图3-2系统原理图

3.1.2电机驱动模块

根据题目的要求，确定如下方案：

把当前一般的玩具电动车作为基础，增加各种传感器，如光电传感器、红外传感器、超声波传感器等，利用传感器构成的信号检测电路实时检测电动车的运行速度、运行位置、运行状况，单片机接收并处理信号检测电路检测到的各种数据，然后由单片机发出指令，从而实现对电动小车的智能化控制。

3.1.3显示模块

一、显示设备的选择

方案一：

采用传统数码管作为显示设备。

传统数码管具有低能耗、低损耗、低压、长寿命、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温的特点；对外界环境要求低，易于维护；同时其精度比较高，精确可靠，操作简单，程序编写容易，资源占用少。

本设计要求显示的内容较多，如果利用传统数码管来显示，则需要好几块数码管，这样占用单片机很多的I/O口，并且不够美观，也不易区分各块数码管显示的是什么内容。

所以，该方案不被采用。

数码管完全可用来显示已行驶过的路程，且数码管亮度大，夜间观测也比较方便，所以数码管在一般场合是首选，但是数码管只能显示数字，发挥的空间比较窄。

所以不采用此方案。

方案二：

采用液晶显示屏（LCD）显示时间和路程。

液晶显示器具有功耗低、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，也可以显示汉字，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多等特点。

因此，只要用一块液晶显示器就可以显示设计要求的全部内容。

此外，液晶显示器与单片机连接电路较简单，且占用的I/O口较少。

基于以上分析，我们采用该方案，用LCD1602进行显示。

采用128×64的液晶屏作为显示器件，可以显示小车行驶的方向，小车行驶过的路程，小车行驶过的时间等等，最重要的是液晶能够显示汉字，提供的信息非常直观，故采用此方案。

其原理图如下所示：

3.1.4电源模块

采用干电池组进行供电

采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。

这样做的目的是抑制短暂的电压干扰，因为电机在启动和制动时会产生这种干扰，并且这样一来，逻辑单元能正常工作，单片机也能正常的工作，所以采用此方案完全可行。

故采用了此方案。

3.1.5机械系统模块

本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动系统具备以上特点。

1.驱动部分

由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。

为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装三级减速齿轮。

2.电池的安装

将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。

简单，而三轮运动系统具备以上特点。

3.2性能分析

要设计一个实用的智能玩具电动车系统，既要体现智能，又要体现小车的经济性、可靠性。

要保障小车可靠的运行（前进、后退、左行、右行等），就需要小车有较强的抗干扰能力。

因此，该系统除了需要硬件的保障外，还需要软件的保障。

3.2.1硬件系统可靠性措施

单片机应用系统中，任何外来的干扰或内部电路的噪声都可能引起地址总线的紊乱或程序计数器状态的改变，导致程序运行出错。

有效地抑制系统噪声，提高系统的可靠性是系统设计必须考虑的问题。

上述防止和消除干扰的硬件主动性措施是有效的，但并不能完全保证系统的正常运行，有时还需要工作状态的监视、异常情况的处理与故障自恢复的问题。

这就需要配合一些硬件措施，在软件可靠性方面着手。

监视定时器的设计与应用是其中最常用最有效的方法之一，甚至随着单片机技术的发展，越来越多的单片机本身就带有监视定时器。

监视用定时器实质上就是专用的定时/计数器，它的时钟来自单片机内部或外部。

通过适当的程序设计，使系统在正常运行时，定时器每隔一定时间就将其初始化一次，保证不使其计数溢出。

一旦系统出现异常，程序不能正常运行而紊乱时，则监视定时器不能在有限的时间内被消零，造成计数溢出，引起系统中断，而使CPU转入故障诊断与处理程序，而后恢复系统的正常运行。

由此可见，监视定时器提供了一种使系统从瞬间故障中能自动恢复的能力，其软硬件实现也比较简单，因而获得了广泛的应用，常称之为看门狗（WATCHDOG）。

实现硬件“看门狗”电路方案较多，目前采用较多的方案有以下几种：

1、采用微处理器监控器；

2、采用单稳态电路来实现“看门狗”，单稳定电路可采用74LS123;3、采用内带震荡器的记数芯片（本设计采用）。

3.2.2软件系统可靠性措施

为了提高玩具车系统智能控制的稳定性、可靠性和系统的精度，仅仅依赖硬件抗干扰是远远不够的，还需要借助于软件来提高抗干扰能力，克服某些干扰。

在单片机控制系统中，如能把软件抗干扰技术与硬件干扰措施正确有效地结合，构成双道的抗干扰防线，这将大大提高单片机控制系统的稳定性。

在软件程序方面可以采取各种措施，如数字滤波、自诊断、自恢复、设置陷阱、指令冗余等。

数字滤波

一、数字滤波能够清除有用信号中混杂的各种干扰信号，保证采集来的信号不失真，进而达到提高应用系统精度的目的。

数字滤波器是根据系统的性质、信号来源、工作环境、系统精度要求，然后通过程序的方法，采用不同形式抑制干扰。

二、保持信号的本来面目。

数字滤波有多重形式，有中值滤波、算术平均值滤波、复合滤波等，根据实际情况的不同来加以选择和运用。

（1）中值滤波

所谓中值滤波就是对某一个被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后将n次采样值进行排序，最后取中值作为有效值存入单片机内部存储器中。

该方法主要适用于具有脉动干扰的场合，它非常适合快速变化的信号采集。

（2）算数平均值滤波

该方法是将n次采样值相加，然后取其算数平均值作为本次采样有效值来使用。

（3）复合滤波

所谓复合滤波，就是将两种或者两种以上的滤波方法同时使用。

复合滤波可以大大提高滤波效果。

目前被经常使用的复合滤波是中值滤波和算术平均值滤波联合使用。

二、陷阱指令

为了提高单片机应用系统工作的稳定性，防止程序由于干扰而“跑飞”，可以在程序器的空白区设置空操作指令和少量的短字节转移指令。

所谓的自陷指令通常指转移指令。

在设置陷阱时最好使用单字节转移指令，此时效果最佳。

若选用的单片机无单字节转移指令，也可以选择多字节转移指令，丹药清楚转移指令字节数越少越好。

在使用多字节转移指令时为了提高自陷效果，在程序存储器空白区尽量多写空操作指令NOP，越多越好，尽量少写多字节转移指令，且越少越好，但必须有多字节转移指令。

在设置陷阱前，若由于干扰使PC的地址值跑到程序存储区域外，此时程序就再也无法正常运行了。

在设置了陷阱后，有空白程序区存放了大量的空操作指令和少量的转移指令，由于干扰使PC值脱离了程序存储区而进入空白程序存储区，遇到空操作指令（单字节），它会顺着NOP执行，当运行到转移指令时，系统又回到了正常程序区域，使系统恢复正常。

当然，该办法不但适用于单片机系统，也适用于一切计算机系统。

陷阱可以安排在四个位置，分别为：

（1）没被用到的中断向量区。

（2）没被用到的ROM空间

（3）表格里

（4）程序里

第四章电路设计

4.1主控电路设计

4.1.1STC89C51单片机硬件结构

STC89C51是ATMEL公司生产的系列单片机的一个型号，是一种8位的低电压、高性能的CMOS单片机，片内有只读程序存储器（PEROM）和随机存取数据存储器（RAM），PEROM为8Kbytes且可反复擦写，RAM为256bytes。

该芯片是由ATMEL公司生产，生产时用了高密度技术和非易失性存储技术。

其指令系统与标准的MCS-51兼容，引脚与8052兼容。

芯片内部有通用的8位中央处理器（CPU）和存储单元（FLASH）。

许多较为复杂控制应用场合都选用功能强大的STC89C51单片机[7]。

如图4-1所示，STC89C51外围有引脚40个，外部双向的输入/输出（即I/O）端口32个，同时芯片内部有外中断口2个，有16位的可编程的定时计数器3个,有全双工的串行通信口2个，有读写口线2个。

STC89C51的编程仅仅能按照常规的方法进行,不可以实现在线编程，其S系列的可以实现在线编程。

另外，它的开发成本极低，主要是因为它把通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，尤其是将通用的微处理器与可反复擦写的Flash存储器融为了一体。

它有如下特点：

1.与MCS51指令系统完全兼容；

2.2.8k的FlashROM，超过1000次反复擦写；

3.多个双向I/O口，32个；

4.256x8bit的内部RAM；

5.定时/计数器中断，3个16位且可编程；

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