自动往返电动小汽车设计(编辑修改稿)

自动往返电动小汽车设计(编辑修改稿)内容摘要：

驱动芯片供给电源电压。 L298N 接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS， VSS 可接 4． 5～ 7 V 电压。 因此采用单一电源（ 4 节 AA 电池）为单片机、 Vss 端和传感器供电。 这样供电比较简单采用 可充电动力电池组。 动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足 系统的要求。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 9 基于以上分析 ,小车系统选用蓄电池和 AA 电池的双电源供电方式。 167。 路面黑线探测模块 探测路面黑线的大致原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱判断车子是否到达黑线。 采用集成电路技术制造的新一代光电开关器件具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高和工作区域稳定等优良性能。 这种光电开关采用脉冲调制的主动式光电探测系统，可在物位检测、速度检测、液位控制、计数、宽度判别等诸多领域。 使用光电传感器来采集路面信息。 使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实 现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。 但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。 在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。 经过综合考虑，在本项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。 光电开关按检测方式可分为对射式和反射式两种。 167。 采用对射式红外光电传 感器 用可见发光二极管与光敏二极管组成的发射－接收分立对管光电传感器。 这种方案的缺点在于，其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判。 虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。 在跑道上设置检测装置很不方便，故无法应用对射式光电开关探测跑道标志，只能采用反射式光电开关。 167。 采用反射式红外光电传感器 1. 不调制的反射式红外发射－接收器。 由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰；但如果直接使用直流电压对管子进行供电，限河南科技大学本科毕业设计（论文） 10 于管子的 平均功率要求，工作电流只能在 10mA 左右，仍然容易受到干扰。 2. 脉冲调制的反射式红外发射－接收器。 采用带有交流分量的调制信号，可以减少环境光源的直流分量的干扰。 考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。 另外，红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大（ 50～ 100mA），这样也大大提高了信噪比。 基于上述考虑， 考虑到本系统的传感器主要是安装在小车的底部检测黑线，拟采用经脉冲调制的反射式红外 传感器检测路面黑线。 167。 测速及里程计量模块 167。 采用霍尔传感器 霍尔传感器内部由三片霍尔金属板组成，当磁钢正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁钢，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。 此方案的优点是霍尔传感器响应速度快，结构简单，但精度不够高。 167。 采用 U 型红外光电传感器 采用 U 型红外光电传感器， 在车轮上贴上白纸黑条，当作光电编码盘，当车轮转动时，带动码盘转动，利用红外传感器对不同颜色的物体反射的光线强度的不同，从而导致接收管的导通和截止。 用中断对 接收到的信号进行计数。 码盘形状如图 22 所示： 图 22 测速 码盘 河南科技大学本科毕业设计（论文） 11 以上两种都是比较可行的转速测量方案。 尤其是霍尔元件，在工业上得到广泛采用。 但是在本题中，小车的车轮较小，方案一的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。 相反，方案二适用于精度较高的场合，可以车轮上加较多的黑线来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案二。 167。 计时模块 对于定时器，由于我们选用的单片机内部已经有定时器了，使用单片机内部的定时器已经可以实现系统的总计时和倒计时功能，而且可以简化系统硬件，虽然定时时间没有专用的计时芯片精确 ，但误差也不会很大。 故我们采用单片机内部的定时器作为计时模块。 167。 显示模块 167。 采用 LED 数码管 LED显示具有硬件电路结构简单、价格便宜、调试方便、软件实现相对容易等优点，但占用单片机 IO口太多，而且显示的信息不多。 由于我们计划要显示小车运行时间、速度、路程等内容。 LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。 167。 采用 LCD 液晶显示 采用 LCD液晶显示。 用自带中文字符库的液晶显示模块，显示方便美观，而且人机交互界面也很友好。 采用串口通讯的显示方式，可以大大节省单片机的 IO口。 LCD液晶具有功 耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等而得到广泛应用，因此我们选择此方案。 通过以上方案论述我们选择方案二，显示小车运行时各个测量参数的任务。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 12 第 3章 智能小车 系统 设计 167。 主控单片机功能设计 智能小车系统的核心模块即为主控单片机。 选择一片数据处理 能力强大、 片内资源丰富的单片机，对设计各功能的更好实现具有极大意义。 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如 ROM﹑ RAM﹑ I/O口﹑定时 /记数器﹑中断系统等。 若不能满足应用系统的要求时， 必须在片外进行扩展。 二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如液晶显示器﹑ A/D﹑ D/A转换器等，且需要设计合适的接口电路。 SST89E516RD是 SST公司 8位微处理器 FlashFlex51系列的成员，是采用先进的闪存 CMOS半导体技术设计和制造，芯片采用 8051的指令集，并和标准的 8051控制器管脚兼容。 芯片内部带有 72Kbyte的片内 FLASH EEPROM存储器，使用了 SST公司专利的 CMOS闪存技术。 单片机已经预先烧录一段引导下装（ BOOT STRAP LOADER）的代码，通过 IAP 操 作，实现开始的用户程序代码烧录和以后的用户代码升级。 CHIPERASE 操作会擦除该引导下装程序。 使用在线 SoftICE模式，不需要反复的将调试程序下载到单片机中，避免了单片机的老化损坏，可方便的与 Keil C实现 SoftICE在线仿真调试功能。 故 本次毕业设计选用 SST89E516RD作为智能小车主控单片机。 167。 单片机硬件结构 SST89E516RD 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。 如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存 储器、并行 I/O 口、串行口、定时器 /计数器、中断系统及特殊功能寄存器。 它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式。 但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 1．中断系统 ： 具有 5 个中断源， 2 级中断优先权。 2．定时器 /计数器 ： 片内有 2 个 16 位的定时器 /计数器， 具有四种工作河南科技大学本科毕业设计（论文） 13 方式。 3．串行口 ： 1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。 可用来进行串行通讯，扩展并行 I/O 口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 4． P1 口、 P2 口、 P3 口、 P4 口为 4 个并行 8 位 I/O 口。 图 31为单片机的功能方框图： 图 31 SST89E516RD 功能方框图 由上可见， SST89E516RD 单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点 ，在数据采集，运算处理方面有明显的长处。 丰富的外部中断、 I/O口资源 满足 智能小车 的各种控制需求。 167。 单片机引脚锁定 SST89E516RD单片机具有丰富的 I/O口资源 和外部中断。 小车运行过程中需要实时进行黑线探测和测速、里程计量， 当 CPU正在处理某项事务时，如果外界或内部发生了紧急事件， 例 如小车检测到黑线或测速传感器检测到车河南科技大学本科毕业设计（论文） 14 轮转动等， 要求 CPU暂停正在处理的工作转而处理这个紧急事件，待处理完成后再回到被中断的地方，继续执行原来被中断的程序。 SST系列单片机允许有5个中断源，提供两个中断优先级（能实现二级中断嵌套）。 ， 端口 ，可分别用来检测黑线和测速 、里程计量。 设定 0INT 、 1INT 为跳变触发方式，电平发生由高到低的跳变时触发，置 IT0、 IT1为 1，在 CPU响应中断后，由内部硬件自动复位 中断标志 TF0、 TF1和 IE0、 IE1，而自动撤出中断请求。 下面图 32为两个外部中断接收、处理并发出相应控制指令流程框图 ： 图 32 外部中断控制 引脚锁定及 流程 框图 0INT 来自 （外中断 0）。 1INT 来自 （外中断 1）。 P2口是一个多功能的八位口，可以字节访问也可以位访问，其字节访问地址为 A0H，位访问地址为 A0H~A7H。 由于 P2口的输出锁存功能，在取值周期内或外部储存器读 /写选通期间，输出的高八位地址是锁存的，故无需外加地址锁存器。 由于 P2口作为输出端口，无需外接地址锁存器，连接电路简单，因此，将 P2口引脚作为小车行进状态控制端 ，控制小车电机驱动芯片工作在不同方式下。 SST89E516RD 单片机 黑线检测 测速、里程计量 （ 0INT ） （ 1INT ） 单片机控制小车相应运动方式 液晶显示 河南科技大学本科毕业设计（论文） 15 下图 33为控制小车运行状态的引脚锁定及流程图： 图 33 小车运行控制引脚锁定及 流程 框图 IN IN2控制左侧两个电机正转及反转， IN IN4控制右侧两个电机正转及反转。 EN1为左侧两电机控制使能端， EN2为右侧两电机控制使能端。 下 表 31为 ~。 表 31 小车运行状态表 IN1 IN2 IN3 IN4 EN1 EN2 小车状态 1 0 1 0 1 1 直行 0 1 0 1 1 1 倒车 1 0 0 0 1 1 左转 0 0 1 0 1 1 右转 X X X X 0 0 停车 167。 电机 驱动控制设计 智能小车区别于普 通的电动玩具小车的最大特点是：可以智能调节小车运行状态。 如改变其运动方向、运动速度。 在接收到外部主控单片机发出的指令后，能迅速做出“应答”，这就需要电机驱动芯片发挥作用。 主控单片机发出指令给电机驱动芯片，驱动芯片接收到单片机指令后，通过输出端口控制电机迅速作出相应动作。 本设计采用 PWM调速技术来实现小车转向、调速控制， 因为设计的电动 IN1 IN2 IN3 IN4 EN1 EN2 SST89E516RD 电动小车 控制 河南科技大学本科毕业设计（论文） 16 小车为四驱控制，装配 4个直流电机，采用左、右侧两组 4个电机独立控制。 图 34 L298N Multiwatt 封装 外形图 经过之前论证分析后，决定选用 L298电机驱动芯片。 L298双全桥步进电机专用驱动芯片 ， 比较常 见的是 15脚 Multiwatt封装的 L298如图 34所示 ，内部包含 4信道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。 恒压恒流桥式 2A驱动芯片 L298内含二个 HBridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL逻辑准位信号，可驱动 46V、 2A以下的步进电机，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。 图 35 电机。