基于单片机智能小车设计

密级： 学号：本科生毕业论文（设计） 基于C51单片机智能小车的设计学 院： 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导老师： 完成日期： 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ） 学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日江西科技学院本科生毕业论文（设计）摘要 智能小车是当今科技智能化的产物，它能够在行驶中自动寻迹以及绕过障碍物到达目的地，本设计采用 MCS-51 系列中的 C51单片机作为原型，以C51作为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以实现自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光等等功能。本文以单片机为核心设计了系统结构图、程序指令、流程图等等，在保留了原始智能小车控制系统的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以控制方便，灵活，只要改变输入单片机的控制程序，便可控制小车的行驶轨迹。关键词：智能小车；89C51；结构图；控制Abstract The smart car is the product of the intelligent technology, it can run in automatic tracing and bypass the obstacles to reach the destination, this design uses MCS-51 series microcontroller C51 is used as the prototype, using C51 as the control core, using ultrasonic sensors to detect obstacles on the road, automatic obstacle avoidance control of electric cars, fast slow well, automatic parking, and can automatically record the time, mileage and speed, automatic tracing and light and so on.This paper takes the SCM as the core design of the system structure diagram, program instructions, flow chart and so on, the basic functions of the original intelligent car control system also adds a series of practical functions and simplify the circuit structure, the control will be convenient, flexible, as long as the change control procedures for the importation of SCM, can run trajectory control car. Key words：pneumatic manipulator；89C51； pneumatic loop； Fout degrees of freedom.江西科技学院本科生毕业论文（设计）目 录第一章 绪 论1 1.1智能小车总体概况2 1.2国内外发展状况3 1.3课题的提出及主要任务5第二章 系统方案设计6 2.1方案论证6 2.2系统硬件总体框图6第三章 硬件电路的设计10 3.1主控芯片介绍13 3.2 ULN2003芯片简介13 3.3单片机控制模块15 3.3.1 时钟电路16 3.3.2 复位电路16 3.3.3 单片机控制模块17 第四章 软件系统的设计17 4.1主程序流程图17 4.2 避障循迹模块程序设计18 4.2.1避障程序流程图18 4.2.2循迹程序流程图18 4.3 红外遥控系统原理框图19 4.4 数据显示模块程序设计20 第五章 系统调试22 5.1 硬件调试23 5.2 软件调试24 5.3 软硬联调25 结 论25 参考文献26 致 谢27 第一章 绪 论 随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电 子大赛和省内电子大赛几乎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。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的 实时测量， 并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用MCS-51系列中的C51单片机。以 C51为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。C51 是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到 了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。本设计就采用了比较先进的 89C51 为控制核心，89C51 采用 CHOMS 工艺，功耗很低。 该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景； 在考古方面也应用到了超声 波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义更强。1.1 智能小车总体概况 本次设计的智能小车以C51为核心，经焊接相关芯片用电路板自制而成，通过 I/O 口检测信号，输出信号到L293D，从而驱动两个直流电机控制其前进、停止、左 转、右转。检测信号则为三组红外发射和接收管，一组黑线时输出高电平，白线 时输出低电平。另两组黑线时输出低电平，白线时输出高电平。 智能小车的控制器使用 ATMEL 公司的C51单片机。 程序设计上使用了时钟中断来控制小车行驶的状态检测，使用外部中断来记录小车行驶的距离，软件上设置了一个状态寄存器，来记录小车运行的状态，小车的运行为延黑线行驶状态，避障碍物状态等。在黑线上行驶时，控制器检测红外传感器，如果小车行驶偏离方向，则控制 小车转向轮进行转向。 在避障状态时，控制器检测红外传感器，判断前方是否有障碍物，如果有 障碍物则控制汽车进行转向，躲避障碍物。1.2 国内外发展状况 至2006年中国汽车保有量已达3500万辆（其中轿车占80%，约2500万辆）,每年仍以30%的速度递增。我国成为了继美国之后的第二大汽车生产和消费大国。汽车行业的迅猛发展也带动了相关配套、服务业的发展。而将功能强大的智能车载信息系统车载电脑加载到汽车上已经成为欧美、日本等地汽车市场的首选新装备。车载电脑给汽车带来了一场信息化的革命，让每辆汽车构建成一个完美的车载信息与娱乐系统终端，包括车载通讯系统、导航系统、数字娱乐系统以及辅助驾驶系统。坐在汽车里面听广播或者音乐已经习以为常，但是车载电脑带来的是全方位的数字娱乐，由于其支持WINDOWS下的所有应用程序，因此，CD、VCD/DVD以及收看电视都成为可能。让你在开车的时候听音乐，在休息的时候欣赏好莱坞大片或是收看电视，甚至玩各种游戏。车载通讯与导航系统主要指GPRS和GPS，让你“轻车熟路”，而且轻松打电话。 不仅如此，它还让你轻松畅游互联网，方便地在车上发送电子邮件、查看公司业务信息等、和朋友聊天、网络游戏等等。不在办公室而胜在办公室，也无须再为塞车赶不到公司而焦头烂额！最后，还可以利用车载电脑的扩展性，把个人电脑的功能全部应用到车上，比如：MP3/DVD/DivX多媒体播放、手机控制、WiFi/3G无线上网、PC游戏、卡拉OK、红外线倒车镜头等等。车载电脑DIY如此强大的功能，让很多车友心动，“只要车内有扬声器和收音机，就可以给汽车安装车载电脑。”改装店员工的话更是把安装车载电脑当成小KISS：“用汽车上的电池来为电脑输送动力，并将音频线连接到扬声器上，车载电脑完全不用为动力和占用空间的问题发愁。”因此，给自己心爱的坐驾安上车载电脑已经成为一种时尚。安装车载电脑和个人办公电脑没什么区别，主要也分为硬件和软件两部分。硬件方面尽量选取低功耗硬件，毕竟汽油不便宜，低功耗可以少消耗点汽油，另外也要尽可能地选取抗震效果较强的硬件。首先要选一款机箱，对于有限的车内空间，怎样充分利用十分重要。因此要选择美观而小巧的机箱，目前市面较流行的合利科技的NC小机箱只有大字典尺寸，很受车友欢迎。车载电脑的内存一般使用普通PC256MDDR内存就够用了。由于要经受劳顿奔波，存储系统一般采用笔记本硬盘，当然你要是还不放心，就可以选用CF卡存储系统。主板选择范围较大，但需要考虑两个因素，一是车内温度高，因此要求主板的功耗要低，发热不能够过高；再者考虑到机箱的空间，要求板子小巧。 众多车友推荐使用VIA的EPIA系列ITX主板，集成了显卡、声卡以及CPU，性能稳定、功耗较低。显示器一般选用8英寸或者7英寸的LCD液晶屏，有LILIPUT(利利普)、德龙等品牌。电源是车载电脑的重心，因为汽车供电不稳定，车载启动或加速时，对主板的电源产生冲击，如果主板对电源承受力弱，就会出现死机或异常。因此车载电脑最好采用带ITPS功能车载电脑DC/DC电源。很多车友选用逆变器方案，但并不是最佳的选择，DC变交流电，具有一定的安全隐患，另外转换效率也是个问题。 其他的外设，比如GPS接收器、网络连接等都可以选用USB设备。软件方面相比而言就要简单很多，操作系统一般装XP、WIN2000，为了操作方便也可以添加一些车载电脑的专用软件，如国外免费软件MediaCar。导航软件有灵图、城际通等。就目前情况而言，不论是DIY还是购买整机，给汽车装上车载电脑都不是一件难事，但是，过多的负载还是会影响到行车安全，并且电脑安装过程也要改动不少电路，需要确保安全。只有安全的享受数字技术带给我们的快乐，才是我们所需要的！上面所讲的车载电脑指能够支持多种应用程序的嵌入式计算机，换句话说就是把我们日常用的个人电脑小型化加载到汽车上，成为一个智能化的外设。而一般车友所谓的电脑是指负责车辆与引擎状况监管的行车电脑，也就是我们所谓的ECU（EngineControlUnit）。1.3 课题的提出及主要任务本次课题的内容是基于单片机的智能小车的设计，以单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、超声波传感器等组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、躲避障碍物，利用光电传感器进行自动寻迹，实现了小车能够沿着黑线行走。利用超声波传感器检测道路上的障碍物。通过单片机来控制电机的工作，从而实现对整个小车系统的运动控制。设计的具体过程如下：1） 查阅相关资料，了解智能小车单片机控制系统的结构原理。2） 确定智能小车的设计方案。3） 各程序流程图的绘制，电路图的绘制。4） 编写设计说明书。第二章 系统方案设计2.1 方案论证 简易性能； 采用动态共阴显示行驶时间和里程。2.2 系统硬件总体框图本次设计的智能小车以C51为核心，将其作为主控芯片来处理各个模块的运营，其系统硬件总框图如下：图1 硬件总框图第三章 硬件电路的设计3.1 主控芯片介绍HT6221是合泰公司生产的多功能遥控编码芯片，工作电压在1.8V-3.5V，其采用PPM（PulsePositionModulation）进行编码，周期能编码16位地址码和8位数据码，最多能同时支持32个活动键。其引脚结构如图6所示：图6表1遥控编码有两种：位0和位1，其低电平脉宽相同但高电平脉宽不一样。采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的脉冲表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的脉冲表示二进制的“1”。其波形如图7所示： 图73.2 ULN2003芯片简介 ULN2003驱动芯片可以直接用来驱动电流小于0.5A的步进电机。ULN2003芯片是美国TI公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路具有较高的电流增益和工作电压、较宽的温度范围、较强的驱动负载能力等特点,适和应用于各种高速大功率的驱动系统中。其内部结构及引脚如图6.2所示： 图6.2 其引脚说明如表6-2所示：ULN2003驱动芯片的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适。3.3 单片机控制模块3.3.1时钟电路 C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外附加电路。C51单片机的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，即用外接晶振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，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值。所以本设计中，振荡晶体选择11.0592MHZ，电容选择30pF。其电路图如下图： 图4振荡电路3.3.2 复位电路 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。 复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图1.2.2(2)（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图（a),（b）(c)所示:3.3.3 电源模块 稳压电源是单片机控制系统的重要组成部分，它不仅为测控系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。近年来，传统的线性稳压电源正逐步被更高效率的开关电源所取代，特别是单片机开关电源的迅速推广应用，为设计新型、高效、节能电源创造了良好的条件。本机采用的是5V的电源，用干电池供电。其电路图如下：图3 稳压电源电路图第四章 软件系统的设计4.1 主程序流程图该智能化小车主程序流程图如下图8所示： 图84.2 避障循迹模块程序设计4.2.1避障程序流程图 所示为小车避障程序流程图，小车在行驶过程中由位于小车前部的四个障碍物检测电路不断检测小车周围环境，若遇到障碍物则将低电平信号输入至单片机，然后由单片机调用避障子程序控制小车作出相应的避障动作。如果左边遇到障碍则调用右转子程序，右边遇到障碍则调用左转子程序，前方遇到障碍则调用左转或右转子程序，没有遇到障碍则调用直行子程序。具体的程序请见附录B避障子程序。4.2.2循迹程序流程图 小车在循迹行驶过程中安装在小车底部的四个红外反射式光电开关不断检测小车的行驶路线，若小车偏离黑线则将检测到的低电平信号输入至单片机，单片机再调用循迹子程序控制小车使其沿着黑线行驶，如果小车偏向黑线左边则调用右转子程序，偏向黑线右边则调用左转子程序，在黑线上则调用直走子程序，完全偏离黑线则调用后退子程序。具体的程序请见附录B循迹子程序。4.3 红外遥控系统原理框图红外线遥控是比较常见的一种遥控设备，它是利用波长为0.761.5m之间的红外线来传送控制信号的遥控设备。其占据空间小、价格便宜、使用方便，在我们常用的家用电器比如电视、DVD，录音机、空凋等和一些小型电动玩具装置上均已应用了红外线遥控设备。但是红外遥控也有缺点比如容易受到空间和距离的限制，一般在7m的范围内有效且发射和接收之间不能被物体隔挡，但对于本设计的智能小车来说已经能够满足要求。红外遥控系统一般由两大部分组成：一个红外发射部分，一个红外接收部分。其中发射部分主要由按键键盘、编码调制、LED红外发送器构成，它最重要的部分就是应用编码芯片对按键信息进行编码和发送；接收部分由光电转换放大器、解调、解码电路构成，其最重要的部分是对接收到的编码进行解调。其原理如图5所示：图54.4数据显示模块程序设计 首先初始化LCD1602，然后在液晶的第一行显示“路程:cm”，液晶第二行显示“速度:cm/s”然后由主程序不断调用数据显示程序不断刷新cm或者cm/s前面的数字实现实时显示的目的。具体的程序请见附录B数据显示子程序。第五章 系统调试5.1 硬件调试硬件调试，对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。查看硬件电路的连接是否与逻辑图一致，用万用表检测有无短路或断路现象，器件的规格、极性是否有误。检查完毕，用万用表测量一下电路板正负电源两端之间的电阻，排除电源短路的可能性。5.2 软件调试本系统的软件调试因C51核心模块的使用而变得相对容易，keil软件开发环本系统的软件调试因C51核心模块的使用而变得相对容易，keil软件开发环境，能判断语法错误和逻辑错误，这样使调试相对简单，由于本系统是分模块进行程序设计的，所以调试时先分模块进行调试。如小车红外线寻迹程序，在调试时将它放在一个子程序里单独测试，看其是否能够完成预定的功能，如能，测试通过，否则，修改并反复测试直到通过。虽然在软件的调试过程中，综合利用了设定断点、单步、跟踪等调试手段，使得调试工作更易进行。但是也出现了一定的问题，接近开关传感器的计数不准，电机延时没起到效果等等。通过了多次分离合并，修改测试语句以及单片机外加LED灯观察现象等方法得以解决，达到综合效果。5.3 软硬联调本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：单片机控制模块的调试、接近开关传感器调试、红外线避障模块的调试以及电机控制模块的调试，最后将各模块组合后结合软件进行整体测试。在软件和硬件都基本调通的情况下，进行系统的软硬件联调。按照又上向下，模块化设计的理念对模块逐个调试：首先，调红外接近开关模块，是否能正常检测，然后调试单片机能否对信号进行处理，接着调试单片机对L298N的控制。最后等模块逐一调通后，再进行联调。再连接成一个完整的系统调试。结论本次设计的题目是基于单片机的智能小车的设计，通过本次设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度本文所设计的是基于单片机的智能小车的设计，通过初期的定稿，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最后，感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。做一门学问不容易，需要有不断钻研，积极进取的精神，以后我会更加努力，争取做到更好。除了要衷心的感谢我的指导老师以外，我还要感谢在校期间所有传授过我知识的老师们，他们孜孜不倦的教诲是我完成这篇论文的基础。作为一个机械工程及自动化专业的学生，在一些其他课程上遇到过许多问题，多亏老师们在百忙之中抽出时间为我答疑解难，给予我耐心的指点，让我少走了许多弯路。在此我对他们无私的爱心表示由衷的感谢。同时也感谢大学生活中与我朝夕相处的同学们，他们给我留下了最难忘的回忆。在一起走过的日子里，我们一同欢笑，一起悲伤，相互鼓励，共同进步。我要感谢在这漫长而短暂的四年里陪我一同走过的同学们，因为有了你们，我的生命中多了很多欢乐的瞬间和美好的回忆，愿我们的情义地久天长。最后感谢我的家人，是他们一直站在我身后，做我坚强的后盾，无论我成功与否，他们都默默地给予我支持与鼓励，让我感到我不是一个人在战斗。谢谢你们，我一定会更加努力，不辜负你们对我的期望。参考文献1 郑淑芳 机械设计理论研究与探讨 北京：科学出版社，2004.52 黄长艺 单片机智能小车的创新设计 北京：机械工业出版社，2005.13 周宏甫 单片机智能小车设计.高等教育出版社，2004.34 姜继海，宋锦春，高常识. 单片机智能小车原理.高等教育出版社，2002.85 张春林，曲继方，张美麟.机械创新设计.机械工业出版社，2001.46 钱平. 加工专机应用技术 机械工业出版社，2005.17 张辽远. 单片机智能小车的设计与实现. 机械工业出版社，2002.88 基恩士传感器选择手册 2010版本9 黄长艺，严普强.机械工程测试技术基础. 机械工业出版社，2001.110 张桓，陈作模.机械原理.高等教育出版社，2000.811 王昆，何小柏，汪信远. 单片机智能小车功能概述.高等教育出版社，1995.1212 徐锦康.机械设计. 高等教育出版社，2004.413 邓星钟.机电传动控制.华中科技大学出版社，2001.314 刘延俊.液压与气压传动.机械工业出版社，2002.1215 章宏甲，黄谊，王积伟. 单片机智能小车的逆向设计.机械工业出版社，2000.516 胡泓，姚伯威.机电一体化原理及应用. 北京：国防工业出版社，2000.617 陈铁鸣 单片机智能小车的创新. 高等教育出版社，2003.718 孙靖民.机械优化设计. 机械工业出版社，2005.1致谢 时间过得真快，到现在，论文总算完成了，我的心里感到特别高兴和激动，在这里，我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！因为有了老师的谆谆教导，才让我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对我精心指导，在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解，在我的生命中给予的灵感，所以我才能顺利地完成大学阶段的学业，也学到了很多有用的知识，同时我的生活中的也有了一个明确的目标。知道想要什么，不再是过去的那个爱玩的我了。导师严谨的治学态度，创新的学术风格，认真负责，无私奉献，宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。通过近半年的设计计算，查找各单片机智能小车的相关资料，论文终于完成了，我感到非常兴奋和高兴。虽然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因为我是怎么想的，这是我付出的汗水获得的成果，是我在大学四年的知识和反映。四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识，在这里，谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人，谢谢大家。 最后，感谢所有帮助我的老师和同学，有你们的支付和帮助，我才能够取得如今的成就，在这里，谢谢大家了。19