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基于C51智能小车设计.doc

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.35M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1. 传感器的分类与选择
    2. 电机的分类与选择
    3系统硬件设计
    3.1 设计总体要求
    4 系统软件设计
    基于 STC89C51 智能小车设计
    智能小车设计 智能小车的工作原理是以单片机为控制核心的一阶闭环控制系统。在实验室 条件下，在一张白纸上用黑色胶纸制出机器车预先设定的运行轨迹。本文设计采 用的前端传感器具有识别黑、白颜色的能力。因此，由前端光电传感器，单片机 和驱动单元共同作用，保证小车能够在预先设定的轨迹上行驶。本文设计智能小 车主要实现自动循迹的功能。 1. 传感器的分类与选择 实现寻迹小车的“视觉”功能有多种方式： (1) 可使用 CCD 摄像头进行图象采集和识别方法，但是不适用在小体积系统 使用，并且还涉及图象采集、图象识别等领域。 (2)电容式接近传感器，基于检测对象表面靠近传感元件时的电容变化。 (3)超声波传感器，根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测 物体的接近程度。 (4)红外反射式光电传感器，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管 和一个用作接收器的固态光敏二极管(或光敏三极管)。 为此作出以下几种方案： 方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。 当发光二极管发出的可见光照射到黑带时，光线被黑带吸收，光敏二极管为 检测到信号，呈高阻抗，使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到 地面时，它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到，其阻抗迅速降低，此时 输出端为高电平。但是由于光敏二极管受环境中可见光影响较大，电路的稳定性 很差。 方案二：采用光敏电阻接受可见光检测。 四组光敏电阻用于检测可见光信号。当光敏电阻检测到黑带时，输出端为 低电平，当光敏电阻没有检测到黑带时，输出端为高电平，信号返回给单片机， 通过单片机控制前轮的转向。光敏电阻易受环境影响，稳定性也很差。 方案三：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。
    采用四组红外光敏耦合三极管发射和接受红外信号，外面可见光对接收信 号的影响较小。接收的红外信号转换为电压信号经 LM324 进行比较，产生高电平 或低电平返回给 AT89S52。本设计采用方案三。 2. 电机的分类与选择 可以作为寻迹小车驱动单元的电机有如下两种： (1)采用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果 负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反 转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。 (2)采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便， 调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、 制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。 由于普通直流电机更易于购买，小车对于精度要求不是特别高，同时电路 和控制相对简单，所以本设计采用直流电机作为驱动单元。 在电机选择结束后，要对电机的驱动进行选择，电机驱动有两种方案： 方案一：采用分立元件的 H 桥驱动电路。 方案二：采用集成的 H 桥驱动电路芯片。 由于集成的 H 桥驱动电路芯片体积小，稳定性高，因此选用集成的驱动电 路芯片作为电机的驱动芯片，型号为 L298，L298 芯片有如下特点： (1)内含二个H-Bridge 大电流双全桥式驱动器； (2)可驱动46V、2A以下的步进电机； (3)1.2A 峰值每通道输出电流； (4)使用简易； (5)温度过高保护； (6)内置钳位二极管。
    封装如图 1 所示： 图 1 L298 元件封装图 内置电路如图 2 所示： 图 2 L298 内置电路图
    3 系统硬件设计 3.1 设计总体要求 设计一个基于直流电机的自动寻迹小车，使小车能够自动检测地面黑色轨 迹，并沿着黑色车轨迹行驶。系统方案方框图如图 3 所示。 3.2 整体硬件设计框图的设计 图 3 系统方案框图 此设计的整体方案是：用 AT89C51 单片机做信号的采集和处理。在 AT89C51 芯片的 P0 口连接信号的采集；经过单片机的处理，然后在 P1 口输出处理后的信 号，送给驱动电路（驱动电动机的芯片）。整体设计框图如图 4 所示。 图 4 系统的总体架构图
    3.2.1 最小系统设计 最小系统用的元器件有：电阻（100Ω和 8.2kΩ各一个）、晶振（12MHZ）、 瓷片电容（30pF，两个）、电解电容（10µF 一个）。单片机最小系统电路图如 5 所示。 图 5 最小系统示图 3.2.2 信号采集电路设计 此设计中，在 AT89C51 单片机中信号采集的管脚是：P0.0、P0.1、P0.2。采 集信号光电对管的器件是 TCRT5000，此元件采集的信号在经过比较器 LM324 的 处理，然后再传输到单片机中进行处理。信号采集电路如图 6 所示。 图 6 信号采集电路图
    3.2.3 驱动电动机电路设计方案 由于电动机的工作电压为 12V，所以，此时必须经过驱动芯片，给电动机提 供工作电压。此设计中，用的是 L298 芯片，并且还需要用二极管保护电动机和 L298 芯片，此时，把采集的信号经过单片机的处理，输入到电动机驱动芯片的 IN1、IN2、IN3、IN4 引脚上，如果为高电平，则对应的输出引脚上输出为 Vs， 如果为低电平，则输出为 0V，此芯片的输出引脚为 OUT1、OUT2、OUT3、OUT4, 与输入引脚一一对应。例如：IN1 为高电平，则对应的 OUT1=Vs；IN1 为低电平， 则对应的 OUT1=0V。此设计中，由于电动机的工作电压为 12V，所以 Vs=12V，也 就是，Vs 引脚上接 12V 电压。驱动电动机电路如下图 7 所示。 图 7 驱动电机电路图
    3.3 系统整体电路设计 系统设计整体电路如图 8 所示。 图 8 整体电路图 4 系统软件设计 小车通过光电传感器获得路径信息，通过 AT89C51 进行判断小车所处的状 态，通过控制 H 桥驱动芯片来控制前进电机前行及转向电机进行相应的动作。小 车的前行通过光电对管（TCTR5000）采集信号控制进行改变工作状态。 小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机 I/O 口，一 旦检测到某个 I/O 口有信号，即进入判断处理程序，先确定 3 个探测器中的哪一 个探测到了黑线，如果左面的光电传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线， 车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是右面的光电传感器探测到了黑线， 即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。如果是右面 和右边的光电传感器探测到了白线，而中间的光电传感器探测到黑线，即车身端 正压住黑线，小车向没有偏出轨迹，则应使小车向前行。在经过了方向调整后， 小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。循迹流程图如下图 9 所示。
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