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智能小车学士学位论文

摘要

本设计以STC89C51单片机为控制核心，小车具有循迹检测、电机驱动、等主要功能。

首先，两个电机分别单独控制左右两个车轮，通过调节两个电机的转速及转动时间，达到小车正常行驶及转向的目的。

车头的四个红外光电传感器通过对路况的检测反馈给单片机，控制小车行走路线，防止超出边界线。

与此同时检测前方是否有小车，并且将信息反馈给单片机，控制小车减速，防止出现撞车。

在第二圈超车过程中，两车相继进入超车区后，甲车减速后直线前进，乙车正常行驶并进入超车区，达到超车目的。

关键词：

控制；检测；反馈；STC89C51单片机；超车

Abstract

ThisdesignwiththeSTC89C51single-chipmicrocomputerasthecore,thecarhasatrackingdetection,motordrive,suchasthemainfunction.Firstofall,thetwomotorcontrolseparatelyorsotwowheels,byadjustingthetwomotorrotationspeedandtime,achievethegoalofthecarmovingandsteering.FourinfraredelectriccarsensorthroughtheroadtestfeedbacktoMCU,controlthecarwalkingroutes,preventbeyondtheborder.Atthesametimedetectwhetherthereisacarinfront,andfeedbacktheinformationtothemicrocontroller,controlthecarslowdown,topreventacrash.Inthesecondcircleduringtheovertakingprocess,thetwocarshaveenteredafterovertakingarea,astraightlineaftercarslowdown,bcarovertakingismovingintothearea,thepurposeofovertaking.

Keywords:

control,Detection,Feedback,STC89C51single-chipmicro-

computer,Overtaking

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2设计题目1

1.3设计要求1

第2章方案论证与比较3

2.1设计任务3

2.2设计要求3

2.3.1调速模块3

2.3.2寻迹模块5

2.3.3转向装置模块5

第3章系统硬件设计7

3.1电源设计7

3.2最小系统设计8

3.3电机驱动模块设计9

3.4循迹模块设计10

3.5避障模块设计11

3.6显示模块设计12

第4章电路设计软件的使用14

4.1仿真软件的介绍14

4.2仿真软件的优势14

第5章电路的组装及调试16

5.1电路的组装16

5.2电路调试16

5.3电路焊接及调试原理办法18

5.3.1电子电路的设计基本步骤18

5.3.2电子电路的组装19

5.3.4电子电路故障检查的一般方法20

结论22

致谢23

附录1译文25

附录2英文参考资料26

附录3程序流程图27

附录4整机原理图28

附录5元件清单29

第1章绪论

1.1课题背景

众所周知，汽车的研究是伴随着汽车工业的蓬勃发展而越来越受人关注。

基本全国电子大赛和省内电子大赛每次都有智能小车这方面的题目，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。

本题目是结合科研项目的设计类课题，设计的智能电动小车应该能够周围环境进行检测（检测是否有黑线）、能通过无线模块进行通信、能交替领跑任务。

根据题目的要求及组内讨论，确定如下方案：

设计两辆电动智能小车（甲车、乙车）能够按照给出的程序，甲前乙后同时起跑，而且准确无误并无碰撞地在给定区域内同向行走，并在超车区内实现超车，以完成交替领跑任务。

本设计以STC89C51单片机为控制核心。

STC89C51是一款8位Flash单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。

所以本设计与实际相结合，现实意义很强。

1.2设计题目

智能小车的设计与制作

1.3设计要求

甲车车头紧靠起点标志线，乙车车尾紧靠边界，甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。

甲车车头紧靠起点标志线,乙车车尾紧靠边界,甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。

跑道如图1-1所示。

图1-1跑道示意图

第2章方案论证与比较

2.1设计任务

通过组内讨论以及题目的要求，在下面的文章中我们总体介绍智能小车的结构。

1、寻轨模块：

用于探测黑线的有无，基础每辆小车由3个光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑线的有无。

2、电机驱动模块：

由于单片机输出的电流有限，无法直接驱动电机工作，因此需要通过专业的电路进行驱动，本小车采用L298芯片驱动电机。

3、单片机模块：

根据使用的传感器和控制策略的不同，单片机的选择也不同。

本设计主要采用STC系列中的STC89C51单片机。

4、红外传感器开关：

寻找前面是否有小车，作为通讯工具。

5、电源模块：

本设计主要用12V/6800mAh的锂电池，其输入电压 12.6V DC；输出12V DC。

能稳定安全地给电机供电。

2.2设计要求

甲车车头紧靠起点标志线，乙车车尾紧靠边界，甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。

2.3方案论证

本设计的多种模块可有多种方案采取，以下介绍各方案的优缺点。

2.3.1调速模块

方案一：

串电阻调速系统。

方案二：

静止可控整流器，简称V-M系统。

方案三：

脉宽调速系统。

旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。

改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。

该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。

且技术落后，因此搁置不用。

V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。

它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。

V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。

最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。

采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。

当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。

脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。

脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。

与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：

1、由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：

10000左右。

由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。

2、同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。

3、由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。

脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。

脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。

为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。

可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。

我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。

综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用PWM调速系统。

2.3.2寻迹模块

方案一：

采用光电自动寻轨传感器，通过采集黑白线返回主控制单片机的电信号不同，来实现自动寻迹的功能。

方案二：

采用反射式红外传感器来进行探测。

只要选择数量和探测距离合适的红外传感器，可以准确的判断出跑道边界的位置。

方案的选择：

方案二中的反射式红外传感器驱动方便，识别率高，并且采集速度快，返回信号准确，能够实现题目的要求，即能精确实现循迹黑线，方案二虽然效果更佳，但价格较昂贵。

所以选择方案二。

2.3.3转向装置模块

方案一：

双电机控制。

采用两个直流电机控制小车后轮，检测不到黑线走直线时，单片机控制两轮转速相等。

当传感器检测到黑线，需要向左转时，增加右轮转速，降低左轮转速；需要向右转时，增加左轮转速，降低右轮转速。

但此种方法必须精确控制两车轮转速直行时相等，否则将会出现小摇摆及抖动，达不到平滑运动的效果。

方案二：

步进电机控制前轮。

步进电机将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机，步进电机的显著特点是快速启动能力，测到障碍物时能够快速转向；另外步进电机的精度高，每步可以小至0.72度，不会失步，在负荷不超过动态转矩值时，可以瞬间启动和停止。

逆转时能够精确返回原始位置。

外加机械机构可以把角度变成直线位移。

但步进电机的价格比较昂贵。

经过比较分析，采用方案一即两个直流电机控制转向。

本章小结

通过我们组内讨论以及题目的要求，我们的电动智能小车选主要采用STC系列中的STC89C51单片机，其设计主要用12V/6800mAh的锂电池，能稳定安全地给电机供电；由于单片机输出的电流有限，无法直接驱动电机工作，因此需要通过专业的电路进行驱动，只要单片机给出相应的控制信号，便可控制电机工作。

以STC89C51为控制核心，用于探测黑白交线的位置，基础由若干个光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑白交线的有无，便于走黑白交线。

综合考虑系统的各项性能，我们决定采用PWM调速系统；采用光电自动寻轨传感器，通过采集黑白线返回主控制单片机的电信号不同，来实现自动寻迹的功能；采用双电机控制控制小车的转向。

第3章系统硬件设计

3.1电源设计

使用8节1.5V南孚电池为整个系统供电，电压可达到12V，其中通过稳压芯片7805获取5V直流电源为单片机供电，12V电源为电机供电以获得较高速度，该电源输出电流能力较大，而且能较长时间为小车提供稳定的电流，使系统运行稳定，符合实际要求。

电源原理图如图3-1所示。

图3-1电源原理图

电源稳压芯片7805/7905是一种典型的组合装封三端稳压集成电路模块带金属基板散热按装片该模块多用于有处理器的5V电源的处理板戏称电脑稳压块输入电压可达直流12V输出5V+-5%以内，电流1A,最大短时可达3A（极限）在超过500毫安输出时最好加装散热器，7805面对字标左脚进右脚出，中间脚接地。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：

并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。

另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

3.2最小系统设计

本设计最小系统分两部分，一部分是晶振部分，另一部分是复位电路部分。

最小系统原理图如图3-2所示。

图3-2最小系统原理图

单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。

当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。

复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。

具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。

（1）上电复位：

STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

（2）按键复位：

按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。

如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。

3.3电机驱动模块设计

电机的左右轮分别由两个独立的电机驱动，通过控制两个电机正转时间的不同，实现小车的前进和左右的方向选择。

应用L298N进行电机驱动，IN1和IN2控制小车左轮并且通过ENA控制占空比，这样能控制小车的左轮驱动能力。

IN3和IN4控制小车右轮并且通过ENB控制占空比来控制小车右轮的驱动能力，以达到调节速度的要求。

输出端OUT1和OUT2接左轮，OUT3和OUT4接右轮，前进时，两轮驱动能力相同，左转时，右轮比左轮驱动力强，右转时，同理。

而二极管的引入能够起到保护电机的作用。

电机驱动原理图如图3-3所示。

图3-3电机驱动原理图

L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。

3.4循迹模块设计

循迹采用反射式光电传感器，反射式光电传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检查方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收。

经处理之后，通过数字传感器接口返回微控制器，微控制器可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。

当遇到黑线时，图中三极管8050导通，反相器输入口处检测到低电平，经反相器后变为高电平，供单片机识别，同时指示灯被点亮，图中滑动变阻器，可方便改变光电传感器的输入电流，从而改变灵敏度，图中0.1uF电容，可减少电路中“毛刺”，以增加电路的抗干扰能力。

循迹模块原理图如图3-3所示。

图3-3循迹模块原理图

在本设计中我们采用红外一体式发射接收器，发射管和接收管的直径都为3mm，系统中我们设计反射距离在1.5cm左左，此时探测环境都在检测电路板之下，不易受到其他光线的干扰。

传感器都选用RPR220发射红外传感器。

该封装形状规则，便于安装。

红外一体式发射接收器由于感应的是红外光，常见光对它不干扰。

红外一体式发射接收器检测黑线的原理为：

由于黑色吸光，当红外发射管发出的关照射在上面后反射的部分比较小，接收管接收到地红外线也就较少，表现为电阻比较大，通过外接的电路就可以读出检测的状态，同理当照在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻比较小。

本设计中当检测到黑线，小车会自动偏转而远离边缘的黑线。

3.5避障模块设计

避免追尾相撞：

小车前方设置一红外传感器，小车后面设置一个挡板，当两车接近到一定距离时，红外传感器检测到对方尾部的挡板，输送电平给单片机，由单片机控制PWM调制脉冲来改变小车速度。

避障模块原理图如图3-5所示。

图3-5避障模块原理

超车：

当甲车检测到超车标志线后，转而循迹外环的同时，甲车减速，甲车和乙车保持红外避障传感器设置的距离，转检测完超车标志后，转而循迹超车区的内环黑线，速度超过甲车并循迹黑线返回起点，而甲车寻到转弯标志线后继续循迹外线回到原点。

电压比较器是对两个模拟电压比较其大小（也有两个数字电压比较的，这里不介绍），并判断出其中哪一个电压高，比较器，它有两个输入端：

同相输入端（“+”端）及反相输入端（“-”端），有一个输出端Vout（输出电平信号）。

另外有电源V+及地（这是个单电源比较器），同相端输入电压VA，反相端输入VB。

VA和VB的变化。

在时间0～t1时，VA>VB；在t1～t2时，VB>VA；在t2～t3时，VA>VB。

在这种情况下，Vout的输出如图1（c）所示：

VA>VB时，Vout输出高电平（饱和输出）；VB>VA时，Vout输出低电平。

根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。

3.6显示模块设计

在系统中要进行动态超车次数：

一种方法是采用LCD1602液晶显示器。

LCD具有功耗低，抗干扰能力强的特点。

不紧可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，但由于显示内容不多。

另一种方法是采用八段数码管显示，可以使用多个独立的八段数码管来自己拼接，其优点是位数不限，布局灵活；也可以直接使用集成好的多位数码管，其优点是引线简单，价格也相对便宜许多。

多位数码管可以使用多个I/O端口驱动，如P0-P3分别驱动4个数码管，但是这样极大地浪费了I/O资源，所以通常在实际使用中用动态扫描的方法来实现多位数码管的显示。

动态扫描是针对静态显示而言的，所谓静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止，这种显示方式的每个数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接电源（共阳极），每个数码管的每个字段分别与一个I/O口地址相连或与硬件译码电路相连，这时只要I/O口或硬件译码器有所需电平输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到需要更新所显示字符。

采用静态显示方式占用单片机时间少，编程简单，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。

而动态扫描则是一个一个地轮流点亮每个数码管，方法是多位数码管的a-dp数据段都用相同的I/O引脚来驱动，而使用不同的I/O引脚来控制位选择引脚。

在动态扫描显示时，先选中第一个数码管，把数据送给它显示，一定时间后再选中第二个数码管，把下一个数据送给它显示，以此类推，一直到最后一个。

这样虽然在某一时刻只有一个数码管在显示，但是只要扫描的速度足够快（超过人眼的视觉暂留时间），动态显示的效果在人开来就是几个数码管同时显示。

采用动态扫描的方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示的数码管较多时，51单片机要依次扫描，占用了单片机的较多时间。

本章小结

本章主要描述了小车制作的主要模块，以及各个模块的应用及扩展。

在某些模块中也添加了相同模块的比较，使我们在阅读时更能一目了然地看到使用这些模块的优势。

第4章电路设计软件的使用

4.1仿真软件的介绍

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，Proteus资源丰富。

1、Proteus可提供的仿真元器件资源：

仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。

2．Proteus可提供的仿真仪表资源：

示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。

理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。

3．除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。

这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。

这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。

4．Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

4.2仿真软件的优势

在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：

*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。

PROTEUS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PROTEUS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。

本章小结

在本章中主要续写了在画原理图时时所用到的软件，以及一些软件的使用办法及优点。

让我们更能体会语言带给我们的魅力。

第5章电路的组装及调试

5.1电路的组装

利用单片机的P0口和P2口的低四位来控制数码管显示时间及路程，P2口的高四位用来控制电机，P1口的低四位负责接收红外传感器所传输的高低电平信号，P1.4用来接收避障信号，P1.5用来接收测速