基于单片机的智能小车的设计-毕业论文

taoyulon

单片机作为一种微型控制器，自走入人们的视野以来，就随着科
技进步不断地更新换代。它能够将计算机所有关键的零件整合集中在
0 ^, I; r/ v. U" |一块芯片上，并且具有强大的计数功能，以及各种必要的接口，因此
单片机在自动控制系统中通常处于核心地位。本文对于智能小车的设
# r2 u( R& L6 b- e计思路就应用了最常见的AT89S51单片机作控制处理器，该单片机在
6 j; }& V% i$ W, W  a低功率的基础上，能够保持其性能在一个较高的水平上，且其8K 的
处理器够灵巧，适用于嵌入式产品，在众多单片机中，表现较为优
6 M5 e: p+ Y- A# b# X秀。
本设计是在单片机的基础上实施的，兼具数据处理、即时调控和
报警提醒功能，小车接到行驶指令后，红外探头会检测路况信息（是
否处在黑线路径范围内）并反馈给单片机处理，单片机判断后作出相
2 N. p1 @5 W4 E$ n+ ]" k% E应指令，由电机驱动使小车执行相应行驶动作。单片机与系统的配合
使智能小车的行驶保持灵敏迅速的状态。
5 q* M6 U8 u4 g  v- b2 k在科技飞快进步的今天，自动控制技术已经迅速成长起来，它与
传感器技术之间的配合也越来越默契，时下大热的各种电子智能产品
就是自动控制技术发展的产物。目前国内的自控和传感技术与国外还
6 J; D& t0 f& O( S( k9 F0 w存在一定的差距，这一领域的优秀产品已有很多，比如日本本田制造
出来的智能机器人，对于人类的步态模仿已达到非常自然的水平，并
4 L+ p6 j! ?' M0 w4 |2 k5 G且它还有一定的智力，能够与六岁的孩童相比。
+ s* a4 @2 E% q6 R在机械领域一直处于热门地位的汽车，也加入了越来越多的电子
信息元素，比如越来越多的汽车产品配置了电子装置，人们在车上不
仅可以办公，还能进行多种娱乐活动，这使得汽车向着更加娱乐化和
$ X9 N0 N+ h+ x# F+ n2 a1 I多功能的方向发展，而不仅仅发挥代步功能。另外，汽车的核心配置
也越来越电子化，自动控制技术让汽车工艺发展更进了一步。
; h( |( r; [! `! ?, s随着自动控制产业的发展，电子信息化的教育也渐渐在国际上被
5 @! s& O& I6 P( [5 ~6 |提上日程，越来越多的培养年前一代人才的科技竞赛也走入了人们的
视野，比如中国大学生方程式汽车大赛(FSC、FSEC)、全国大学生机器
4 |5 C, j  y- ]; g  k人大赛等， 都能够很好地激发学生群体的兴趣，促使他们主动学习，
9 O, c/ T7 k3 z1 d: U4 |1 R( ]对我国电子信息行业的发展产生一定的促进作用。
' [" M- |; b- ?' M* _" b6 ^3 G本设计是以杨老师所给出的小车为框架，以AT89C52单片机为控
4 y! K- Y) A6 C  u7 o5 Z  r6 E制器制作一辆简易的智能小车，希望达到小车能够按照引导线的路径
. u0 y: X0 l! [自动行驶的效果，以期跟上汽车产业自动化发展的脚步，并掌握本阶
" o1 a/ b9 Y4 o" P1 Y/ H4 V段应具有的专业素养和动手能力。
/ B1 J$ ?+ V( C! u5 g/ P0 C- \基于单片机的智能小车的设计
4 a7 [, L( G6 z1 C% ]28
1 设计任务及方案
* j9 u7 Y, L  N; ]- f1.1 设计任务及要求
本设计是以单片机作为控制核心制作的一个具有简单智能的小
车。设计要求如下：
●具有单片机核心控制模块；
●具有红外遥控解码模块；
) W, W, j, d  D$ Y' j$ G( R( a●具有电机驱动模块；
* L% D/ S) ~5 L●具有路况检测模块；
●具有光感模块；
9 y6 n8 m$ z, {●具有声控模块；
●具有7 段数码管显示模块；
●具有报警模块；
1.2 设计方案论证
1.2.1 控制器选择
方案一：采用MSP430单片机
MSP430是德州仪器 (TI) 生产的一种RISC 混合信号处理器，这个
系列的产品一方面在低功耗上表现极其优秀，另一方面又能够不影响
信号连接、传感器以及其他组件的正常运行，可以说为电池续航问题
交上了一份完美的答卷。
9 X+ `7 r: z4 O4 C* C% HMSP430 优点： 0.1uA RAM 保持； 0.8uA 实时时钟模式；
$ ?# Y* `" R! n250uA/MIPS 有效；高性能模拟器件；是精确测量的理想选择； 其处理
器能够达到仅需一串代码就使一个应用运转起来；而且还能够在系统
7 j' z& _. }8 Q内部更改、更新代码和数据。但系列单片机也有缺点，由于其功耗
低，导致几个管脚的驱动力不够，主频也不够高，处理数据的速度不
够快，达不到本设计对于单片机的预期，故不选用这一系列的单片
( }9 B* s7 m4 |; P4 T- X机。
- v: B% {7 V, n+ v. S基于单片机的智能小车的设计
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方案二：采用AT89S51单片机[1]
5 I; }$ n0 f2 W4 I, b) T8 T8 g与MSP430不同， AT89S51在低功率的基础上，能够保持其性能在
一个较高的水平上，其8K 字节的FLASH存储器能够与工业80C51产品
/ u6 |% D- p3 r) I指令和引脚完美融合，同时也能够兼容常规编程器。与MSP430的16
7 W" A4 s3 z) |; m9 c( [3 [' i# u位处理器相比， AT89S51的8 位处理器更加迷你灵活，适用于更多的
嵌入式产品，兼容性更好。
$ D& b. F. E) {* c# |AT89S51具有以下标准功能： 8k 字节Flash ，256 字节 RAM，32
  u4 v. a0 x! S/ U! j位I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三只16 位定时器/ 计数
器，一个6 向2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
除此之外他还能够实现0Hz 静态逻辑操作，有两款软件能开启省电模
) X& t: C6 p# d( s& x" ~* N式。在不需高效工作的时候，还能够保持处理器不运行， RAM、定时器
/ 计数器、串口、中断继续工作的状态。在低电量模式，还能够保证
9 S0 x: P; ~3 z6 J; FRAM 数据不丢失，振荡器停止，单片机不运行，持续该状态到各项条
5 z# b$ p9 d# C件能够恢复正常工作。
方案选择：
综上所述：经过对MSP430和AT89S51的各项条件比较，本设计将
; b  J, y. E& P1 x4 r采用MSP430作为处理器，其物美价廉，上手更容易，性能表现也优
异，符合设计最初的期望值。
1.2.2 电机驱动芯片的选择
方案一：采用L298N
L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进
电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4 信道逻辑驱
2 n+ I& U2 d. r2 z动电路， 是专门针对于二相和四相步进电机的一款驱动器，它能够在
, t5 J1 t7 f+ S$ ]) n同一时间调动两个二相或者一个四相的步进电机，它的内部有两个HBridge
% M2 n7 D; H. c0 Q1 m4 e9 n的高电压、大电流双全桥式驱动器，用来接收标准TTL 逻辑准
% m# O. b( }* J* h) R位信号，能够调动46V、2A 以下的步进电机， 且可以直接透过电源来
9 e$ c4 X# B/ o: m" G调节输出电压； 它还能够识别单片机IO 端口传来的模拟信号，但IO
" G; A: g7 j: X* B端口在智能小车中较为少见，不过这一芯片的优点是造价低廉。
# D" S5 Y  z. [9 J% O: z方案二：采用LG9110
# i$ ~5 F# H& l5 [LG9110 这种电路驱动芯片对电路的集成度更高，将各个电路集中
" B: m3 q$ i, u: Q+ f在一个芯片上，能够减少外部元件比例，减少造价。另外这种芯片有
基于单片机的智能小车的设计
0 r6 V- \$ W. I30
两个通道可以进行输入，且两个输出端都能保持750-800mA 较大电流
. D+ M+ u3 _0 C; N- i通过，峰值电流能力可达1.5-2.0A，从而保证了驱动能力，提供更高
+ T* [3 u2 r/ p的工作效率。而它所具有的低输出饱和压降以及内置钳位二极管释放
0 I1 I1 E2 r# G: `: ]2 s感性负载的反向冲击电流的功能，又保证了在使用中安全性。因此，
这种芯片作为集成电路器件已经普遍被用在玩具汽车电机驱动、步进
2 s1 ^1 N$ k! g* x, W电机驱动以及开关功率管等电路上。
% q0 Y$ v6 R4 R, O4 @/ i; F方案三：使用分立原件搭建电机驱动电路
这种方法成本非常低，普遍应用于规模化生作业中，但它有一个
缺点，即H 桥电路的运转状态不能保持稳定，发生硬件问题的几率比
8 L- h2 q# J  |# A! w% B' P较大，因此不选用这种方法。
综上所述： 经过对上面三种驱动芯片的比较，我们发现第二种芯
片不论是在驱动能力上、造价上，还是使用的难易程度上都表现较为
优秀，因此决定使用第二种芯片LG9110。
: F8 W" s2 z4 @4 \- y% X1.2.3 路况检测模块
0 E8 M- G/ s) ~* M$ H: [这个部分我们将使用红外发射探头来处理，当红外线检测到异物
- ]: u; \# \- C8 x3 T( D: K后，将信号返回到探头，探头再把信号传送给单片机控制器进行判
' Y' Z$ K# Q- w- `& P断，以这样的一个模式， 来判断整体路况信息。
9 w+ \; A8 ~/ d' F- Q! n& [
0 V3 ?/ ~: X1 O5 K7 \

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