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    [基于8051的智能小车设计课程设计] 智能小车课程设计

    时间：2021-10-17 09:07:11来源：百花范文网本文已影响人

    测控电路 课程设计 题目名称：
    智能循迹小车 专业班级：
    学生姓名：
    学 号：
    指导教师：
    成绩：
    评语：
    指导老师签名：
    日期：
    测控电路 课 程 设 计 课程设计名称：
    智能循迹小车 专 业 班 级 ：
    学 生 姓 名 ：
    学 号 ：
    指 导 教 师 ：
    课程设计地点：
    课程设计时间：
    同 组 人 员：
    目录 引言 4 一，设计目的 5 二，设计任务和要求 5 三，整体方案设计 6 3.1 车体设计 6 3.2 单片机控制模块设计 6 3.3 循迹模块设计 6 3.4 驱动模块设计 7 3.5 电源模块设计 7 四，整体电路分析 8 4.1 循迹小车硬件框图 8 4.2 单片机部分 8 4.3 红外传感器循迹模块 10 4.4 稳压以及电机驱动模块 12 五，系统运行流程图 14 六，单片机内部程序 15 七，设计总结 19 参考文献 20 引言 随着汽车工业的迅速发展，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。关于汽车的研究尤其是智能汽车的研究越来越受人关注。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。

    智能小车作为现代的新发明，是以后的发展方向，它可以按照预先人为设定的程序自动的运作，无需管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能小车能够实时显示时间、速度、里程、具有自动寻迹、寻光、避障功能、可程控行驶速度、准确定位停车，远程传输图像等功能。

    本设计就是在这样的背景下提出的，为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易的基于51单片机的智能循迹小车的构想，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。设计的智能电动小车应该能够具有自动寻迹，按照设定好的路线行驶等功能。

    关键词：机电一体化 51单片机 智能小车 一，设计目的 通过实际动手操作实践来锻炼自己的动手能力，从而更好地掌握《测控电路》这本书上面所学到的知识。《测控电路》是测控技术与仪器教学环节当中十分重要的一步。通过测控电路课程设计，利用所学的基础知识，与所学习的《单片机原理接口与技术》以及《传感器原理与应用》课程里面的知识相结合，从电路设计，程序设计，原理分析，电路元器件选择等各方面来掌握相关电路的设计与调试技术，培养自己综合运用所学知识来进行工程设计的实际动手能力，从而学以致用。

    二，设计任务和要求 任务：设计可以按照设定的路线自动循迹行驶的基于51单片机的智能小车 要求：通过在51单片机内部设定好的程序，使得其控制小车以及外部传感器进行扫描，从外界获取所设定路线的相关信息，从而控制小车按照所设定的路线进行行驶，达到循迹行驶功能。

    三，整体方案设计 3.1 车体设计 对于循迹智能小车来说，外部车体不需要多余的功能，能够实现平面范围内的自由移动或者按照设定好的路线行驶即可，故选择一般的玩具车作为智能小车的车体即可 3.2 单片机控制模块设计 在本设计中，由于单片机控制模块所要完成的工作就是对外部传感器所送进来的信号进行分析，之后来做出相应的“动作”从而达到循迹行驶的功能，即单片机所要处理的程序并不复杂，故可以选用51单片机来作为整个小车的控制模块。

    89C51单片机芯片的强大的位操作功能应付这项工作绰绰有余。

    3.3 循迹模块设计 方案(一)：通过光敏电阻来检测外围跑道。光敏电阻能够检测外界光线的强弱，外界光线越强光敏电阻的阻值越小，外界光线越弱阻值越大，当红色LED光投射到白色区域和黑色跑道时因为反光率的不同，光敏电阻的阻值会发生明显区别，便于后续电路进行控制。

    方案（二）：通过红外传感器来检测外围跑道。利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射率的特点来设计循迹电路。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收产生控制信号；
    如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号此时无控制信号。

    方案选择：对于方案（一），在实际过程中并不理想，受到小车在行驶过程中稳定性的影响容易产生错误的测量信号从而使小车偏离设定的路线，易受路面介质以及光线的影响。方案（二）相对于方案（一）则显得更加可靠，在安装位置适当的情况下，可以有效地识别所设定的路线。故循迹模块选择红外传感器来检测外围跑道。

    3.4 驱动模块设计 循迹小车的驱动模块选择的是恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N。 L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；
    可以直接用单片机的IO口提供信号；
    而且电路简单，使用比较方便。

    L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机 3.5 电源模块设计 用6节充电镍氢电池（电压1.2V）串联成7.2V的电池组，直接为电机驱动模块供电。采用L7805稳压元件将7.2V电压降压到5V为控制模块和循迹模块供电。

    四，整体电路分析 4.1 循迹小车硬件框图 该循迹小车主要的硬件组成部分为外部车体，内部单片机控制电路，红外循迹传感器模块处理电路以及驱动电机模块，电源模块等相关部分组成。系统框图如图4.1所示。

    图4.1 循迹小车系统框图 4.2 单片机部分 在本设计中，智能循迹小车采用的是AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机最小系统原理图如图4.2所示。

    图4.2 单片机最小系统 4.3 红外传感器循迹模块 无论是一体式还是分离式，其检测原理都相同，由于黑色吸光，当红外发射管照射在黑色物体上时反射回来的光就较少，接收管接收到的红外光就较少，表现为电阻大，通过外接电路就可以读出检测的状态；
    同理，当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻较小，此时通过外接电路就可以读出另外一种状态，如用电平的高低来描述上面两种现象就会出现高低电平之分，也就是会出现所谓的0和1两种状态，此时再将此送到单片机的I/O口，单片机就可以判断是黑白路面，进而完成相应的功能，如循迹、避障等。

    上面介绍了红外光电管检测黑线的基本原理，但光只有红外发射和接收管不行，必须加外部电路才能实现功能，这里使用到了LM339。LM339为内部集成了四路比较器的集成电路。因为内部的四个比较电路完全相同，这里仅以一路比较电路进行举例。如图4所示为单路比较器组成的红外检测电路图，比较器有两个输入端和一个输出端，两个输入端一个称为同输入端，用“+”号表示，另一个称为反相输入端，用“－”表示。用作比较两个电路时，任意一个输入端加一个固定电压作参考电压（也叫门限电压），另一端则直接接需要比较的信号电压。当“+”端电压高于“－”端电压时，输出正电源电压，当“－”端电压高于“+”端电压时，输出负电源电压（注意，此处所说的正电源电压和负电源电压是指接比较正负极的电压）原理图如图4.3所示。

    图4.3 红外传感器原理图 4.4 稳压以及电机驱动模块 采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，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。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型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。在本设计中选用了L298N。  这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

    图4.4.1 H桥式电路 图4.4.2 电机驱动模块原理图 五，系统运行流程图 当循迹小车开始运行时，外部传感器开始扫描外围跑道，将扫描到的相关信息转换为相应电信号之后送入单片机中，单片机根据所设定程序对送来的信息进行判断从而操纵车轮做出相应的动作，从而实现循迹的功能。流程图如图5.1所示 是否检测到黑线？ 开始 左转 右转 前进 左还是右？ 否 是 右 左 结束 图5.1 整体流程图 六，单片机内部程序 #include<reg51.h> #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit qz0=P1^4; //前轮左电机控制口（使能端） sbit qz1=P1^0; //电机控制1 sbit qz2=P1^1; //电机控制2 sbit qy0=P1^5; //前轮右电机控制口（使能端） sbit qy1=P1^2; //电机控制1 sbit qy2=P1^3; //电机控制2 sbit hz0=P2^4; //后轮左电机控制口（使能端） sbit hz1=P2^0; //电机控制1 sbit hz2=P2^1; //电机控制2 sbit hy0=P2^5; //后轮右电机控制口（使能端） sbit hy1=P2^2; //电机控制1 sbit hy2=P2^3; //电机控制2 sbit hw1=P3^0;//红外传感1 sbit hw2=P3^1;//红外传感2 sbit hw3=P3^2;//红外传感3 sbit hw4=P3^3;//红外传感4 uchar s; /******前轮电机控制函数******/ void go_qz()//前左电机前进 { qz0=1; qz1=1; qz2=0; } void back_qz()//前左电机后退 { qz0=1; qz1=0; qz2=1; } void go_qy()//前右电机前进 { qy0=1; qy1=1; qy2=0; } void back_qy()//前右电机后退 { qy0=1; qy1=0; qy2=1; } /******前轮电机控制函数******/ void go_hz()//后左电机前进 { hz0=1; hz1=1; hz2=0; } void back_hz()//后左电机后退 { hz0=1; hz1=0; hz2=1; } void go_hy()//后右电机前进 { hy0=1; hy1=1; hy2=0; } void back_hy()//后右电机后退 { hy0=1; hy1=0; hy2=1; } /******循迹小车运动函数***/ void advance()//前进 { go_qz(); go_qy(); go_hz(); go_hy(); } void left_turn()//左转 { back_qz(); //左侧轮子后退 back_hz(); go_qy(); //右轮子前进 go_hy(); } void right_turn()//右转 { go_qz(); //左侧轮子前进 go_hz(); back_qy(); //右轮子后退 back_hy(); } /******延时函数******/ void delayms(uint xms) { uint i,j; for(i=xms;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--); } /******循迹小车红外检测函数******/ void hw_scan()//红外检测 { if(hw2==1&&hw3==1)//直线 s=1; if(hw2==1&&hw3==0)//偏左 s=2; if(hw2==0&&hw3==1)//偏右 s=3; if(hw2==0&&hw3==0)//压线 s=4; } /******循迹小车主函数******/ void main()//主函数 { hw_scan(); if(s==1)//直线 { advance();//前进 delayms(5); } if(s==2)//偏左 { right_turn();//右转 delayms(5); } if(s==3)//偏右 { left_turn();//左转 delayms(5); } if(s==4) { left_turn();//左转 delayms(5); right_turn();//右转 delayms(10); } } 七，设计总结 经历过这为期两周的测控电路的课程设计，使我收获了不少东西，在设计过程中深刻地体会到了理论与实践的差距。测控电路里面不少内容都牵扯到了模拟电子技术的相关知识，而这些知识虽然早已学过，但是在真正用的时候却感觉和没学过没什么两样。这就是书本理论与动手实践之间的差距。

    作为一名理工科学生，仅仅学习课本知识去完成一个考试是远远不够的，我们需要的是熟练的动手能力，能够把书本上所学的知识运用到实际的生活当中去，这是作为一名理工科学生的基本能力。然而，这也恰恰是现在最为缺乏的能力。

    通过这一次课程设计，让自己再一次去温习之前所学的相关电路知识，有了不少的收获。当然这还远远不够，应该在平常的学习过程中注重实际应用，而不仅仅只停留在书本上面。对于以后无论是考研还是就业来说，熟练的实际操作能力还是十分重要的，我们应该多予以关注重视。

    参考文献 [1].《测控电路》.张国雄. 机械工业出版社，2004 [2].《模拟电子技术基础》.华成英. 高等教育出版社，2007 [3]. 《51单片机C语言教程》. 郭天祥.电子工业出版社,2009

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