基于单片机的多功能探测小车的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的多功能探测小车的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

YCH208）配合码盘作为小车行驶路程的检测 等部分硬件设计，通过查找资料，和实际相结合 基本上实现了自动寻黑线，过程中具有火源检测及灭火功能，障碍物检测及放下硬币作为过路费功能，金属检测功能，路程测量功能。 最终顺利完成了本次设计要求的多功探测小车。 第 2 页 共 49 页 1 设计内容和 意义 设计要求 以单片机作为 主 控制单元， 小车能根据所设定的黑线行驶； 能用 LED 发光二极管作为小车左右拐及直走指示； 具有测量路程并利用 LED 数码管或 LCD1602 液晶屏显示； 当小车遇到障碍物时能自动停车发出报警，并能准确放一块硬币在黑线上作为过路费，当障碍物消除后，小车又能正常行驶； 在行驶的过程中遇到火源，能停车并起动风扇吹灭火源； 当小车走完路线后能自动停车在最终点，并发出声光报警； 具有金属探测功能（选做）。 根据任务书上的要求进行 综合分析，总设计方案分为以下几个步骤： 根据 探测小车 功能，选用合理元器件并画出总体原理图。 制作 PCB 版。 硬件电路的焊接及调试。 画出各个程序流程图的各模块。 根据流程图编写出各模块的程序。 硬件软件的综合调试及程序烧制。 系统设计思路 基于单片机的智能探测小车是能实现根据黑线循迹、及在过 程中所设定的相关作业。 以单片机作为 主 控制单元 接收各传感器的采集回来的信号然后再去控制小车相关 作业 ； 采用 光电耦合器 4N25 作为黑线检测 ，根据黑线可吸收红外线来判断是否检到了黑线，进而 转到 相关的拐向 ，采用反射式光电开关作为避障检测 该开关也是利用红外的原理，若检测到障碍物则反馈一个信号回来，使得 CPU 判断是否要小车停下来。 采用红外接收管检测火源， 这个的原理与检障碍物的原理相同。 采用接近开关作为金属探测， 此传感器内部装有磁性器件，对检到金属则会有相关的动作。 采用 U 形光电开关配合码盘作为路程检测； 利用 LED 数码管或液晶屏显示所走的路程 ， 用蜂鸣器作为报警提示； 采用 LED 发光二极管作为左右拐 向 及前走的方向指示。 第 3 页 共 49 页 2 系统的硬件方案 主要模块设计方案论证与比较 的 选择 在选择 主控制单 时，要考虑到我们所选的是否能够做为主控系统来对整个系统进行控制，还要 考虑到器件的价格 、现有资源 和对器件的掌握程度，控制器模块 来进行 选择。 方案一： 选用一片 CPLD（如 EPM7128LC8415）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。 CPLD 具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL 语言进行编写开发。 但 CPLD 在控制上较单片机有较大的劣势。 同时， CPLD 的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上， MCU 就已经 可以胜任了。 若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。 为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。 方案二： 采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。 充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势 —— 控制简单、方便、快捷。 这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。 因此，这种方案是一种较为理想的方案。 针对本设计特点 —— 多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处 理多开关量的标准单片机，而不能用精简 I/O 口和程序存储器的小体积单片机， D/A、 A/D 功能也不必选用。 根据这些分析 ， 我选定了 AT89S52 单片机作为本设计的主控装置， 52 单片机具有功能强大的位操作指令， I/O 口均可按位寻址，程序空间多达 8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是 52 单片机价格非常低廉。 在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用 A89S52 单片机的资源。 综合以上分析，采用 AT89S52 单片机为主控系统。 我们做的很多产品都是在 51 的基础上完成，对 51 系列的单 片机相对来说较为熟悉。 所以选择的芯片都是我们熟知的，以上两种单片机编程都是通用的。 方案选择 探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和 地板 对光的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断 是否检测到 黑线，可实现的方案有以下几种： 方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，电路如图 所示。 该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。 主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。 虽 第 4 页 共 49 页 然可采取超高 亮度发光二极管降低一定的干扰，但这有增加额外的功率损耗。 方案二： 采用红外线对管，利用其 中的红外 管发射出光，而另一只则负责接，由于白纸的黑线和白纸的反射系数不一样，白纸则反射回来，而黑线则被吸收了。 这个再由外围电路对信号进行检测，同时接到单片机口，由单片来检测识别，控制小车的行驶。 当对着黑线时，则 单片机的 I/O 口 一直检测到高电平，而白纸则 为 低电平。 这样一来检测 反映灵敏，外围电路也很简单。 电路如图 所示。 比较以上两种方案，方案二占有很大的优势，这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性， 所以 选择方案 二。 图 方案一电路 图 方案二电路 在选择单片机动力驱动常用的外围器件 电动机时 ，相关的引脚，工作电源电压，与其他器件是否匹配，性价比等都要进行相关的考虑选择。 方案一：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。 方案二：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，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源。 在选择显示时，我们要考虑到我们所选的显示器首先要能完成显示我们所要求 测量路程的功能。 其次是显示电路是否简单合适，工作 电源电压 ， 与其他器件是否匹配，编程是否简便等都要进行相关的考虑选择。 方案 一 ：采用 1602LCD 液晶屏显示。 采用 LCD 显示，用单片机可实现显示数据， 第 5 页 共 49 页 另外，液晶显示有 环保，低 功耗，寿命长， 美观， 不产生电磁辐射污染等优点。 不过其体积 大 ，质量 重。 显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵。 方案 二 ：采用 LED 数码管显示。 采用 LED 七段数码管， 可以完成显示 测量路程的功能， 采用经典电路译码和驱动，电路结构简单，并且可以实现单片机 I/O 口的并用，显示效果直观，明亮，调试容易。 并且经济耐用 故采用 LED 数码管显示。 综合比较二者的优缺点，本设计最终采用 4 位共阳的数码管 作为显示器。 驱动 方案选择 方案一： 采用继电器对电动机的开或关进行控制 ， 通过开关的切换对小车的速度进行调整。 此方案的优点是电路较为简单 ， 缺点是继电器的响应时间慢 ， 易损坏 ， 寿命较短 ， 可靠性不高。 方案二： 采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。 但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂 贵。 更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅 降低效率，而且实现很困难。 方案三： 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。 现有很多此种芯片，我选用了 L298N。 大大的降低了电路的复杂性。 还能 使 电路工作稳定有效。 方案一：采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件 组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。 方案二：采用光电码盘进行检测。 旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接受元件接受。 用计数器对接受到的信号进行计数。 用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。 制作起来也简单。 以上两种都是比较可行的转速测量方案， 码盘制作在比赛中也得到了相当 广泛 的 采用， 且制作简单。 因而选择方案 二。 方案 一 ：采用超声波传感器，如果传感器接受到反射的超声波，则通知单片机 两旁有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。 但该电路复杂，而且易受干扰，稳定性不是 第 6 页 共 49 页 很好。 方案二：采用 反射式 光电传感器，这个电路结构十分简单，当遇到障碍物时，则反馈回一个较高电平，从而驱动外围指示电路，灵敏度也良好，特别是加大一定电压时，效果明显，所以最终采用了这个方案。 总体 方案 设计 根据系统功能的要求和系统构成的需要来设计 小车行驶驱动 ， 经过以上各部分的方案论证与比较， 综合考虑 ，我们选择出比较合适的总体方案。 选 用了 AT89S52 作为 CPU控制器 ， TCR5000 作为黑线检测的器件 ， LED 数码管 作为显示器件 ， 直流电机配合 L298N作为驱动器。 这个只在完成基本的寻线功能而以，其它功能在以下的硬件设计方案中提出。 总体的系统框图如图 所示。 图 系统框图 3 系统 检测 模块设计 数据采集、处理和转换部分 包括 ： 黑线检测 采用 TCR5000 传感器 、路程检测采用对射式光电开关 、障碍物检测采用反射式光电开关 、铁片检测采用电感式接近开关LJ18A38Z/BX、 火源的检测采用 红外接收管组成。 模块设计方案 控制电路 如下图 所示为四 个红外线对管及一些外围元件构成的红外线对管检测电路，用来检测黑线。 红外对管内部有两个“眼睛”，一个用来发射红外线，另一个则接收反射回来 的红外线（当红外线遇到黑线则被吸收，三极管集电极输出高电平，遇到白纸则反 第 7 页 共 49 页 射回来，三极管集电极输出低电平）。 其输出端通过排线接到单片机 IO 口，把信号送到单片机里面，由单片机进行识别处理。 单片机再输出控制 L298 的信号，通过 L298 来驱动两个 电机 的速度进而可以实现直走，左拐，右拐等动作。 四个都检测到黑线则停下来，因为在终点站作了一条横黑线，长度跟车宽那么长就可以了，左一或左二传感器检测到黑都要向左拐，右一或右二传感器检测到黑都要向右拐，剩下的任何情况都属于向前走。 具体请看程序。 图 黑线检测电路 测模块 图 所示的 U1 是 U 型的光电开关，而在真实 测量路程的过程中，码盘是放在U 型中的，码盘只留一个隙，码盘的隙每转到发射管与接收管的正对面时，会间产生一个脉冲再经过 Q1 三极管（ 9013）的 变换送到单片机的 I/O，再由单片机控制数码管 显示。 图 所示 为其实物图 图 光电开关实物 图 光电开关电路 第 8 页 共 49 页 图 中的 CON3 是反射式光电开关， 该电路接法简单，检测灵敏，除。