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
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
# F" m" t& l0 v3 }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
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
5 \3 }3 p' \5 S6 m, ?- _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
3 J; `" `# u0 s- Z; z% F* O$ @8 o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
0 R5 f; v% w3 l1 V: n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
1 q( S; Z' y! e' O1 W) F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
" v5 [+ c6 T" z% S, D使智能小车的行驶保持灵敏迅速的状态。
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
, R. u+ R$ W0 s8 C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
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
且它还有一定的智力，能够与六岁的孩童相比。
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
# l( G$ r% |: \6 L- [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
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
7 l1 f3 V! q8 L) |: G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。
3 G: k4 }7 f8 U7 e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
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
9 v  d+ j1 `+ _: Z' [5 v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，
对我国电子信息行业的发展产生一定的促进作用。
本设计是以杨老师所给出的小车为框架，以AT89C52单片机为控
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
3 f4 h% {! s$ k3 L0 W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
+ Y/ e7 T0 f9 o+ b0 A) G段应具有的专业素养和动手能力。
基于单片机的智能小车的设计
3 N! f+ o! F% Q* l) B  n2 S28
# f9 M5 W) ?' H; c6 ]0 o1 设计任务及方案
1.1 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；
+ L$ V4 j5 h1 e1 n8 q0 V●具有红外遥控解码模块；
8 c9 G; ?' y  {" f  L●具有电机驱动模块；
" N$ ~+ ^3 X' |! R4 i●具有路况检测模块；
: n2 m% I+ d9 B; h. a; r. M$ ]4 K●具有光感模块；
●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
, q( i1 D3 H! w方案一：采用MSP430单片机
& o* J6 J1 \, a- b7 ~9 m' XMSP430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
8 H' n9 v$ z. v$ E, k交上了一份完美的答卷。
MSP430 优点： 0.1uA RAM 保持； 0.8uA 实时时钟模式；
250uA/MIPS 有效；高性能模拟器件；是精确测量的理想选择； 其处理
+ ]+ [$ s0 h  E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
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
1 T  R0 n" ?0 [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
机。
1 l; T+ Y# p, I+ d1 J$ E& p7 u基于单片机的智能小车的设计
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' m+ ]2 J4 w9 C, q) s) f3 {方案二：采用AT89S51单片机[1]
! d, |" Z' h9 y) g0 C+ _与MSP430不同， AT89S51在低功率的基础上，能够保持其性能在
9 G* H3 |$ e& o; ~1 T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
+ o$ q) u9 ^! ^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
5 b" g" @) r0 o( K0 h# P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
+ a: w2 G7 `7 ?9 i$ V, }% @嵌入式产品，兼容性更好。
AT89S51具有以下标准功能： 8k 字节Flash ，256 字节 RAM，32
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。
7 C( F9 }$ k- g: Z! W) Z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
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
# d. Y9 t1 d7 F0 ^/ 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
3 D2 o' W4 L  S) VRAM 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
, k/ ~. L9 i  @2 j( x$ M件能够恢复正常工作。
( ~3 `1 K" {7 _$ c方案选择：
/ X& I' }" t# E' D9 W" F8 z& W9 @综上所述：经过对MSP430和AT89S51的各项条件比较，本设计将
采用MSP430作为处理器，其物美价廉，上手更容易，性能表现也优
+ n1 E* Q5 x3 H8 n. c4 d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
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
4 u& e8 y, n9 Q8 U" t8 G  z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
) f1 A+ v* S& t0 E/ u的高电压、大电流双全桥式驱动器，用来接收标准TTL 逻辑准
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
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
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。
6 u( g3 R  _  k) H9 R* X方案二：采用LG9110
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
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
0 x, D$ G4 i' R4 N( D基于单片机的智能小车的设计
  D+ X- O$ P% G& Y3 s! O30
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
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
1 _+ k0 u1 Z/ K, b1 L2 S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
+ l, F9 B( ?' G6 q6 t8 `5 Q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，
! G6 D. q# [2 {+ }- J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
电机驱动以及开关功率管等电路上。
方案三：使用分立原件搭建电机驱动电路
) ]& s6 ~. {& K$ L" P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
7 a' ^: X* @7 H) J! X' k较大，因此不选用这种方法。
* X% y: y" T; K/ K% ~( v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
) H8 m6 h  q( ~( J# ~1 Q& c7 O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。
7 u# n& D' o+ k1 k0 S1.2.3 路况检测模块
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
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
断，以这样的一个模式， 来判断整体路况信息。
8 T& b8 S# ]5 T7 {9 R! R

2 M% }! M+ Q4 M' j, _: T: u' }

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