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
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
) M9 {. |2 \) ~: g4 y5 @8 f5 v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
: ~* Q) t; a2 l5 D0 Q3 r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
秀。
: ]* G  D9 y  t0 T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
9 ?; j- i, F9 O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
; W7 {* y7 E  Q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
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
1 N+ B* [$ X5 h( a) y, W( Y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
6 u9 s$ M7 L0 g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
" Q+ d+ h1 V5 z& [9 R5 p3 ^9 E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
- C5 C' t, A' Z- v3 G$ M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。
' ?* Y: [9 H8 h9 M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
. c$ e1 T% {  {4 k- [" z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。
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
  V! A) D1 N' y7 O0 v3 j% c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
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，
  J; B. Z. h$ U6 v. l- i( e) u0 n对我国电子信息行业的发展产生一定的促进作用。
' q9 m* f7 C7 G* H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
& F9 L9 Q6 g$ K, N3 h9 a5 E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
段应具有的专业素养和动手能力。
0 t& |# q  k2 j# _" Y0 _基于单片机的智能小车的设计
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1 设计任务及方案
/ @6 Z7 Z" }6 w% i8 u: M# k8 b1.1 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
, ?. E2 u' K; g( u- f8 l车。设计要求如下：
' u- D7 J1 g+ q# m0 S; r* H8 w●具有单片机核心控制模块；
●具有红外遥控解码模块；
●具有电机驱动模块；
, J2 j: g- C  l* d●具有路况检测模块；
1 C% u/ m) U* j8 X/ P●具有光感模块；
6 z2 B7 W  @& e" K# b●具有声控模块；
●具有7 段数码管显示模块；
6 ]+ L/ k* W% z1 h●具有报警模块；
1.2 设计方案论证
8 B6 [1 I# w* V8 r- g1.2.1 控制器选择
8 K, _" |7 K* G! \( u, J" a方案一：采用MSP430单片机
  D$ t* i$ ], P6 r7 xMSP430是德州仪器 (TI) 生产的一种RISC 混合信号处理器，这个
$ z3 B3 |* O8 E, `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
* V( R/ s5 p+ a+ ~5 A4 s  A( r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。
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
- Y* z) S1 Q) ]* F- l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
( L5 D2 V" D+ m/ R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
; e! e) p* A3 Y* I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
& F1 e3 M# e; b; u; U* R2 _4 ?机。
' Q$ ]7 G, R5 T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]
# A- K! d( A! B: x* v: E与MSP430不同， AT89S51在低功率的基础上，能够保持其性能在
  l; |6 W) F8 x, z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
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
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。
9 E: m* ^! o. P5 t: c3 i2 K; CAT89S51具有以下标准功能： 8k 字节Flash ，256 字节 RAM，32
( q' O7 w8 ~8 z0 @- t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
- s" Z* M) m* j, X" Y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。
" A. T' S+ S" X* ]. M. l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
+ g* _) A# a/ ?0 a, f1 |  x4 i/ 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
RAM 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
件能够恢复正常工作。
: H* V% g1 Q7 h4 b! h; ?8 w方案选择：
# `& K2 I# Z) m( ?+ k0 D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
: w; w+ _. |, j) H异，符合设计最初的期望值。
0 k5 _  W5 X+ P1.2.2 电机驱动芯片的选择
方案一：采用L298N
, S7 q) a9 e' |2 q% }) BL298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进
8 `, K  M' p" m& s5 }7 w电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4 信道逻辑驱
; d" Q0 A, S9 ?3 ~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
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
: r0 l/ P( R8 Q& C  l9 e4 F% s的高电压、大电流双全桥式驱动器，用来接收标准TTL 逻辑准
+ T& C- J9 v8 s* B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。
方案二：采用LG9110
0 A+ m; ?. H1 c$ Y1 OLG9110 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
基于单片机的智能小车的设计
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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
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
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，
: t& t9 x" A* P0 @& y; k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
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
较大，因此不选用这种方法。
0 V1 `" m7 P( ^9 ~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
5 ?2 o# G. H, L$ X) E( S! K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
& M" e! a. K' [0 m" U优秀，因此决定使用第二种芯片LG9110。
/ d1 k$ B7 B" t& {3 v, @2 H1.2.3 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。
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