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） 2 目 录 第一章 设计任务及要求 1.1 目的要求、技术指标4 1.1.1 目的要求4 1.1.2 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4 2.1.1 路面检测模块5 2.1.2 LCD 显示模块5 2.1.3 测速模块5 2.1.4 控速模块6 2.1.4 模式选择模块7 2.2 总体框图7 第三章 系统硬件设计 3.1 AT89S51 单片机硬件结构9 3.1.1 AT89S51 结构9 3.1.2 AT89S51 最小系统电路9 3.1.3 PCB 板 图11 3.2 传感部分模块12 3.3 控制部分模块12 3.3.1 测速模块12 3 3.3.2 控速模块12 3.3.3 路面检测模块13 3.4 LCD 显示部分模块13 3.5 时钟和复位电路模块13 3.5.1 时钟电路13 3.5.2 复位电路14 3.6 模式选择模块14 第四章 系统软件设计 4.1 流程图15 4.2 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16 5.1.1 测试仪器16 5.1.2 测试方法16 5.2 测试数据及结果分析16 5.3 小结16 参考文献 17 致谢18 4 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 5 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： （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， AT89S51 测速模块 控速模块 模式选择 显示模块 路面检测模块 6 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： 7 （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。 8 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。 9 （图 5） 10 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 4KB 4、内部数据存储器（RAM）为 128B 5、外部程序存储器可扩充至 64KB 6、外部数据存储器可扩充至 64KB 7、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） 11 （图 7） 12 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） 13 （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。 14 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。 （图 10） C2 33pF C3 33pF 12M HZ XTAL2 XTAL1 AT89S51 18 19 15 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。2uVC01KRST （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 16 4.1 流程图 显示信息 开始 选择模式 line curve Automode 起跑 显示 Running 信息 测控 行程结束 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 菜单选择想要看的 其它信息 结束 YES NO 按确定键 背光开 背光关 背光开 Running 结束行程 17 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 18 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