01-基于单片机AT89的智能寻迹小车设计

摘 要 在日常生活中人们，电子产品和人的生活密不可分，我们接触的电子产品有像平常用的手机、电脑、相机等高端的电子产品；也有像平常用的充电器、收音机等低端的电子产品；有智能的电子产品，也有非智能的电子产品。电子产品的总类是很多的，而在众多电子产品中有些带简单的智能控制的往往用到一些小芯片如单片机和一些传感类的器件如光耦元件、红外避障器等。智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能电动车就是其中的一个体现。本次我们就将采用51系列的AT89S51单片机和光耦器件RPR220和红外避障器E18-D80NK为主要的器件来制作智能寻迹小车的控制电路，采用1602LCD实时显示小车行驶的时间，小车停止行驶后，轮流显示小车行驶时间、行驶距离、平均速度以及各速度区行驶的时间。通过训练来达到对课本知识的更深认识和运用。采用的技术主要有：（）通过编程来控制小车的速度；（）传感器的有效应用；（）新型显示芯片的采用（关键词：智能车，单片机AT89S51，光耦器件，霍尔元件，1602LCD）目录第一章设计任务及要求1.1目的要求、技术指标41.1.1目的要求41.1.2模块化技术实现5第二章设计方案的选择与论证2.1方案的比较与选择42.1.1路面检测模块52.1.2 LCD显示模块52.1.3 测速模块52.1.4 控速模块62.1.4 模式选择模块72.2总体框图7第三章系统硬件设计3.1 AT89S51单片机硬件结构93.1.1 AT89S51结构93.1.2 AT89S51最小系统电路93.1.3 PCB板图113.2传感部分模块123.3控制部分模块123.3.1测速模块123.3.2 控速模块123.3.3 路面检测模块133.4 LCD显示部分模块133.5时钟和复位电路模块133.5.1时钟电路133.5.2复位电路143.6模式选择模块14第四章系统软件设计4.1流程图154.2程序清单16第五章数据测试、分析与总结5.1测量仪器及方法165.1.1测试仪器165.1.2测试方法165.2测试数据及结果分析165.3小结16参考文献 17致谢18第一章设计任务及要求1.1设计的目的要求、技术指标1.1.1目的要求在地面上用的宽25cm左右的铁片做成椭圆轨道，采用AT89S51单片机作为小车的检测和控制核心，使小车在行进中寻铁片的轨迹。小车在轨道上当发现前方有障碍物时采取一定的操作避免碰撞，在这里是停车。在启动、左转、右转、停车、前方有障碍、倒退时可以放出小车本身有的语音信号，是从单片机发送解码来控制，并记录行驶时间，路程，平均速度并通过LCD显示出来。1.1.2模块化技术实现寻迹：寻迹是通过铁片感应器TL-Q5MC，单片机就是否收到脉冲为依据来确定位置和小车的行走路线。避障：避障就是在遇到障碍物的时候能自动停车，通过光电传感器来实现的，它可以通传感器上面的旋钮来控制障碍物感应距离，但范围是有限制的，但这里用到的E18-D80NK的感应距离在3cm到80cm之间。LCD显示：采用1602LCD，由单片机的总线模式连接。为节约电源电量并且不影响LCD的功能，LCD的背光用单片机进行控制，使LCD的背光在小车行驶的过程中不亮，因为我们不必看其显示；在其它我们需要看显示的内容的时候LCD背光亮。智能控制：智能控制是采用单片机来处理所收集的信号，在由设定的来控制电路，从而达到智能控制。技术指标：1、智能寻迹小车需基于51系列单片机进行开发和设计。2、能实现在椭圆轨道、S形轨道，太极图形轨道等多种规则轨道上寻迹运行，并还可以实现在任意轨道上运行。3、至少两种方式启动：一是通过声音启动；二是能通过检测到铁片后自行启动等其它。5、硬件电路布局、元器件选取、软件程序可读性强。6、可扩展其它功能。第二章 设计方案的选择和论证2.1确定方案的主要组成部分、方案的比较与选择根据设计任务要求，并电路的总体框图可分为几个基本的模块，框图如（图）所示：AT89S51测速模块控速模块模式选择显示模块路面检测模块（图）（图）2.1.1路面检测模块：采用铁片感应器TL-Q5MC来检测路面上的铁片从而给单片机中断脉冲。原理图接线如（图2）所示：（图2）2.1.2 LCD显示模块：采用1602LCD，由单片机的总线模式连接。为节约电源电量并且不影响LCD的功能，LCD的背光用单片机进行控制，使LCD的背光在小车行驶的过程中不亮，因为行驶过程无法跟踪看到，在跑完路程后看显示的内容的时候LCD背光亮。2.1.3 测速模块：方案1：采用采用霍尔开关元器件A44E检测轮子上的小磁铁从而给单片机中断脉冲，达到测量速度的作用。霍尔元件具有体积小，频率响应宽度大，动态特性好，对外围电路要求简单，使用寿命长，价格低廉等特点，电源要求不高，安装也较为方便。霍尔开关只对一定强度的磁场起作用，抗干扰能力强，因此可以在车轮上安装小磁铁，而将霍尔器件安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。方案2：采用红外传感器进行测速。但无论是反射式红外传感器还是对射式红外传感器，他们对都对外围环境要求较高，易受外部环境的影响，稳定性不高，且价格较为昂贵。通过对方案1、方案2的比较其优缺点，综合多方面因素决定选用方案1，其原理图接线如（图3）所示：（图3）2.1.4 控速模块：方案1：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。方案2：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案3：采用由双极性管组成的H桥电路。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。综合3种方案的优缺点，决定选择方案3，其电路原理图如（图4）所示：（图4）2.1.5 模式选择模块：模式选择模块通过一个74LS00与非门和两个不带锁按钮来控制单片机的两个中断口，从而按动按钮来选择小车走动的路型、来选择小车的速度是快速、中速、慢速；走完路程小车停止后还可以通过按钮选择想要在LCD上想看的信息，比如总时间、走过各段路程的时间、平均速度、总路程等。小车走动的模式选择有：（1）直线型：满足设计任务的基本要求，能稳定的走完全程。之后按顺序循环不断的显示走完全程所用的时间、走完高速区所用的时间和走完低速区所用的时间这三个时间；或者可以通过两个按钮以及LCD显示的菜单选择所要看的内容如平均速度、全程距离以及那三个时间。（2）S型：满足设计任务的发挥部分的要求，小车能自动的感应到在前面或在后面铁片，即第一次转弯后若感应到的是错误的方向，则小车会后退自动调整方向，沿着S型的铁片走。当走完S型铁片后的一定时间里，小车自动停止。之后自动进入菜单由我们自己选择要看的内容时间、平均速度和所走的距离。（3）自动型：小车先以一定的速度走完全程，之后再以一定的速度倒退回起点，再调整速度在一定的时间内走完全程。走完后LCD显示的内容与直线型显示的内容一样。2.2总体框图单片机主程序框图、速度感应程序框图和铁片感应程序框图分别如（图5）所示。（图5）第三章 系统硬件设计3.1 AT89S51单片机硬件结构及外围电路3.1.1 AT89S51结构AT89S51 为 ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，其内部程序代码容量为4KBAT89S51主要功能列举如下：1、为一般控制应用的 8 位单芯片2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）3、内部程式存储器（ROM）为 4KB4、内部数据存储器（RAM）为 128B5、外部程序存储器可扩充至 64KB6、外部数据存储器可扩充至 64KB7、32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 I/O 的控制8、5 个中断向量源9、2 组独立的 16 位定时器10、1 个全多工串行通信端口11、8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能12、单芯片提供位逻辑运算指令 （图6） 3.1.2 AT89S51最小系统电路，如（图7）（图7）3.1.3 PCB板图：该最小系统的最终PCB板图（包括LCD接口以及其他的外部扩展电路部分，考虑到最小系统的简洁以及容易看懂，外部扩展电路不在最小系统图上显示。）分别如（图8）、（图9）所示：（图8）（图9）3.2传感模块3.3 控制模块3.3.1测速模块：通过霍尔元件感应磁铁来产生脉冲(当霍尔元件在离磁场较近时输出会是高电平，其它时候是低电平)，一个车轮均匀放四个小磁铁，计算一秒所得的脉冲数，从而计算出一秒小车轮子转动圈数，再测量出小车车轮周长即可计算出小车当前速度，累加可得到当前路程。3.3.2 控速模块：考虑到元器件的缺少以及我们所用的电路的驱动电机的电路原理图和和小车自带的电路的电机驱动原理图一样，所以暂时使用小车自带的电机驱动电路图。3.3.3 路面检测模块：应用一个金属感应器，安装在车盘下，离地略小于或约三毫米。当金属传感器检测到铁片时将对单片机发送中断信号，单片机运行中断，改变输给电机驱动信号的电压占空比来控制小车的速度。3.4 LCD显示模块：采用1602LCD，由单片机的总线模式连接。为节约电源，LCD的背光用单片机进行控制。3.5 时钟电路和复位电路模块：3.5.1时钟电路虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C2、C3可在20pF到100pF之间取值，本设计中，振荡晶体选择12MHZ,电容选择33pF。在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。C2 33pFC3 33pF12M HZXTAL2XTAL1AT89S511819 （图10）3.5.2复位电路除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。复位电路图如（图11）所示。（图11）3.6 模式选择模块：两个中断口使用和感应铁片、感应速度所使用的中断口一样，通过一个与非门和按钮控制。原理图如（图12）所示：（图12）第四章 软件设计4.1流程图开始背光开显示信息选择模式Automodecurveline背光关起跑显示Running信息Running测控行程结束背光开YES是否是line或是Automode自动循环显示2个低速区和1个高速区的时间按确定键NO结束行程菜单选择想要看的其它信息结束4.2程序清单：按照预定的功能，系统实现预定的功能的程序如（附录A）所示：第五章 测试数据、分析及结论5.1测试仪器与方法：5.1.1测试仪器测试仪器包括秒表、数字万用表、信号发生器、示波器、MCS51仿真机、直流稳压电源等。5.1.2测试方法（1）数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数；（）信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输；（）MCS51仿真机用于测试软件；（）直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电；（）秒表用于产品测试，按照任务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试。5.2测试数据及结果分析：（）控制PCB板测量1、先检测时钟信号，用示波器观察时会发现有上下变化的跳动的线，这说明晶振产生了振荡。2、复位信号测量，当按下按键时应为高电平复位。 （）计时精度分析：计时系统采用了新型显示芯片。理论上的误差不到1秒/年。（）测距精度分析：测速系统采用了电机轴光电码盘检测技术。电机轴与车轮轴之间采用了齿轮箱二级减速，变比1/16。车轮周长135mm,光电码盘与电机轴安装在一起，电机轴每一转产生2个脉冲，车轮每转产生32个脉冲，理论测量精度可达135mm/32=4.22mm4.5mm（）定位精度分析：本设计采用实际测量与软件补偿技术，理论上可使定位精度提高到误差10mm。5.3小结通过翻阅资料，不仅复习了课本知识，也在学会了去运用课本知识扩展查阅资料，比如，模电，数电等基础知识，还有复习了单片机的相关知识。在此之间我们还学会了简单的去编写单片机程序，也掌握了一些光电传感器、运放等器件的选型、使用及典型运用电路。加深了对知识的理解。提高了我运用课本知识的能力，也提高了我对器件的应用。在这次设计中我也加深了对Altium Designer， Protel,CAM350等相关软件的使用，对软件运用更加熟悉，这对我今后的工作是非常有力的，但要达到娴熟还需今后的更多使用。参考文献1 李广弟，单片机基础，北京：航天航空大学出版社，20072 何希才，新型实用电子电路400例，电子工业出版社，2000，58683 赵负图，传感器集成电路手册，第一版，化学工业出版社，2004，5905914 日 高桥清，小长井诚 编著，传感器电子学，宇航出版社，19865 新型数字电压表原理与应用，北京：国防工业出版社，19856 陈伯时，电力拖动自动控制系统，第二版，机械工业出版社，2000年6月，127130致谢此次毕业设计不仅是对三年所学的基础知识的巩固，通过老师的指导，不仅查阅大量的资料而且也是对知识的扩充，增长了知识、锻炼了器件应用能力。这次毕业设计历时3个月，在这三个月的时间里，我的指导老师始终关注并细心指导我完成毕业设计，指出了模块思路上的错误，帮助我解决了设计过程中遇到的疑惑，在这个过程中老师给予了我极大的支持与鼓励，在这里我想衷心地感谢我的指导老师，没有老师的帮助我是不可能完成这次毕业设计的。我还要感谢给予我知识的老师们，四年来在专业上各门功课的老师们都给予我们莫大的关心和帮助，这些都将令我终生难忘。18