毕业论文-避障小车-基于80c51单片机的智能小车设计

毕业论文-避障小车-基于80c51单片机的智能小车设计内容摘要：

然后显示百位数，这样 一直循环下去，那么我们将会看到连续的数字显示 ,轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上四位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示而不会有闪烁感。 LED 数码管与单片机连接电路如图 3－ 7所示。 基于 80C51 单片机的智能小车设计 13 图 3－ 7 数码管 与单片机连接图 电机驱动电路的设计 智能小车驱动电机 的要求 控制电机是本次设计中的重要元件，如果控制电机的性能不佳或使用不当，将直接影响到整个系统的工作性能。 智能小车控制系统中对控制电机要求其体积小、重量轻、耗电少，另外还要求其有高可靠性、高精度和快速响应等特点，主要集中在以下几个方面 ● 高可靠性。 控制电机的可靠性对保证任何自动控制系统的正常工作极为重要，一旦发生故障，将会直接导致本 次 设计的失败。 ● 高精度。 在本次设计中对电机的响应精度要求较高，因为我们所加的脉冲宽度是毫秒级得，有时甚至是微秒级的。 从广义上而言，直流电机特性的线性度基于 80C51 单片机的智能小车设计 14 和失灵区会直接影响到系统的精度。 ● 启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性。 ● 正转 反转的特性相同，且运行特性稳定。 ● 良好的抗干扰能力、体积小、重量轻。 常用的控制电机有步进电机和直流电机两大类。 步进电机效率较低，功率较小，虽然近年来不断有小体积大功率的步进电机出现，但其价格昂贵， 因此在小车类控制中常用 的是直流电机。 直流电机能够将输入的电压信号变成转轴的角位移或角速度输出，改变控制电压即可改变电机转速和转向，用途很广泛，主要有如下优点 ： ● 宽广的调速范围。 直流电机的转速能够随着控制电压的改变在宽广的范围内连续调节。 ● 线性的机械特性和调节特性。 直流电机在控制电压一定时，转速随着转矩的变化 而变化。 转矩一定时，转速则随电压的变化而线性调节。 线性的机械特性和调节特性有利于提高自控系统的动态精度。 ● 与步进电机相比，小体积较易获得大功率。 直流电机调速 原理 直流电动机转速 可以用下式表示： n=(UIR)/Kφ 其中 U为电枢端电压， I 为电枢电流， R为电枢电路总电阻， φ 为每极磁通量， K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。 大多数应用场合都使用电枢电压控制法。 随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中 PWM(脉宽调制 )便是常用 的改变电枢电压的一种调速方法。 PWM 调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比 (占空比 )来改变直流电机电枢上电压的 占空比 ，从而改变平均电压，控制电机的转速。 在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。 只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。 而且采用 PWM 技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统基于 80C51 单片机的智能小车设计 15 无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，且设占空比为 D=t／ T，则电机的 平均速度 Vd 为： Vd=VmaxD 由公式可知，当改变占空比 D=t／ T时，就可以得到不同的电机平均速度 Vd，从而达到调速的目的。 严格地讲，平均速度与占空比 D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。 在直流电机驱动控制电路中，PWM 信号由 单片机产生 ，驱动 L298N 的 H桥 左右两边的三极管 开关来改变直流电机电枢上平均电压 的大小 ，从而控制电机的转速，实现直流电机 PWM 调速。 当用单片机 I/O 口输出 PWM信号时，可采用以下三种方法： 利用软件延时。 当高电平延时时间到时，对 I/O 口电平取反变成低 电平，然后再延时；当低电平延时到时，再对 I/O 口电平取反，如此循环就可得到 PWM信号。 利用定时器。 控制方法相同，只是在这里利用单片机定时器来定时进行高低电平的翻转，而不用软件延时。 利用单片机 单片机 自带的 PWM 控制器。 但 本实验用的 STC89C52并没有 PWM控制器，所以采用定时器产生 PWM 信号。 L298N 双 H 桥直流电机驱动芯片 简介 电机驱动模块主要功能是将主控芯片发出的信号通过电机控制芯片转化为小车实际的动作。 本设计中采用的电机专用驱动芯片 L298N。 L298N 是欧洲著名的SGS 公司的产品 ，为单块集成电路、高电压、高电流、四通道驱动。 设计用来接收 DTL 或者 TTL 逻辑电平，驱动感性负载 (比如继电器，直流电机 )，和开关电源晶体管。 L298N 芯片有一个电源引脚 VCC 和接地引脚 GND。 四个电机驱动引脚和四个 PWM 波控制引脚。 VCC 引脚可以接 +12V 电源用来给芯片和电动机供电。 还可从板内取＋ 5V 电压用来给单片机部分供电。 可实现电机正反转及调速、启动性能好 、 启动转矩大 、 可同时驱动两台直流电机。 L298N 驱动电路实物如图 38所示： 基于 80C51 单片机的智能小车设计 16 图 38 L298N 驱动电路实物 其 原理图 如图 39 所示。 . 图 39 L298N 原理图 图 直流电机由驱动芯片 L298N 提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。 L298N 可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。 由于需要驱动电路在接收到单片机发出的控制信号时就能立即做出动作因此使能端既 ENA、 ENB 引脚直接 +5v，即让电机直使能。 通过单片机基于 80C51 单片机的智能小车设计 17 的 I/0 输入芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转、停止的操作，表 31是其输入引脚和输出引脚的逻辑关系。 操作非常方便，能满足直流减速电机的大电流 要求。 L298N 是双 H桥驱动芯片，包含两个 H桥电路。 每个 H 桥电路原理大体如图 310所示： 图 310 H桥电路图 表 31输入引脚和输出引脚的逻辑关系 IN1(IN3) IN2(IN4) 电机运行情况 1 0 正转 0 1 反转 1 1 刹车 0 0 停止 若 H 桥的 1端为低电平， 2端为高电平时，三极管 Q4导通， Q1 截止，此时Q3 的基极为低电平， Q2 的基极为高电平，因此三极管 Q2 和 Q6 导通， Q3 和 Q5截止，电流流向如图 311所示，电机正转。 基于 80C51 单片机的智能小车设计 18 图 311 电机正转 示意图 若 H 桥的 1端为 高电平， 2端为低电平时，三极管 Q1导通， Q4截止，此时Q3 的基极为 高 电平， Q2 的基极为 低 电平，因此三极管 Q3 和 Q5 导通， Q2 和 Q6截止，电流流向如图 312所示，电机 反 转。 图 312 电机 反 转 示意图 HC— SR04 超声波测距模块 模块特点 HC— SR04 超声波测距模块可提供 2cm400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。 本模块性能基于 80C51 单片机的智能小车设计 19 稳定，测度距离精确。 能和国外的 SRF05,SRF02 等超声波测距模块相媲美。 模块高精度，盲区（ 2cm）超近。 主要技术参数 如表 32所示 表 32 HC— SR04 超声波测距模块 参数 实物图 如图 313 所示， 板上 各引脚 的含义： VCC供 5v 电源 、 Trig 触发控制信号输入 、 Echo 回响信号输出 、 out（空脚）、 GND 为地线。 Trig 引脚是内部上拉 10K的电阻，用单片机的 IO 口拉 高 Trig引脚，然后给一个 持续时间 10us 以上的脉冲信号 ,OUT 脚为此模块作为防盗模块时的开关量输出脚，测距模块不用此脚。 但是此模块应先插好在电路板上再通电，避免产生高电平的误动作，如果产生了，重新通 电方可解决。 图 313 HC— SR04 超声波测距模块实物图 基本工作原理 基于 80C51 单片机的智能小车设计 20 ● 采用 IO 口 Trig 触发测距 ,给至少 lOus 的低电平信号； ● 模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测足否有信号返回； ● 如果有信号返回，通过 IO 口 Echo 输出一个高电平脉冲，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 超声波测距模块与单片机相连的接线方法 把单片机的 P2 口的第四位定义为 Trig 位，单片机的 P3 口的第二位定义为Echo 位，然后单片机的引脚就可以直接用杜邦线接在超声波传感器的相应引脚上。 因为单片机的引脚用作输入口的时候需要先给单片机的相应引脚一个高电平，然后从才能输入信号，因此在发送触发脉冲的时候应先把单片机的相应引脚拉高。 在程序中先用指令产生 一个 持续时间 20us 的 低 电平 脉冲 ,就可以在接收口Echo 等待高电平输出。 一有 高电平 输出就可以开 启 定时器计时 ,当 Echo 引脚 变为低电平时 关闭定时器 T0， 就可以读 出 定时器的值 ,此时 定时器里面计下的数就是此 次测距 时超声波传播 的时间 ,就 可算出距离。 如此不断的 循环 测 量 ,就可以达到移动测量 的 目的了。 超声波时序图 图 314 超声波测距时序图 以上时序图表明我们只需要提供一个 10us 以上脉冲触发信号，该模块内部将自动发出 8 个 40kHz 周期电平并检测回波。 一旦检测到有回波信号则输出回响基于 80C51 单片机的智能小车设计 21 信号。 回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。 由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算得到距离。 距离 =高电平持续时间 *声速 (340m/s)/2 超声波测距原理及系统组成 超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的，设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为 t，超声波在空气中的传播速度为 c，则从传感器到目标物体的距离 D 可用下式求出： D = ct /2 相应的系统框如图 315 所示： 图 315 超声波测距原理框图 基本原理：经发射器发射出长约 6mm，频率为 40kHZ 的超声波信号。 此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。 它接收到信号后产生 mV级的微弱电压信号。 基于 80C51 单片机的智能小车设计 22 图 316 超声波检测电路 速度检测模块 采用光电编码器对驱动轮后轮的转速进行了实时检测，将反馈信号输入核心控制单元，并进 行处理，从而对直流电机的转速、加减速进行准确快速的调节。 本智能车的测速采用光栅编码器，它每转动一圈都会输出一定个数的脉冲，通过在单位时间内测量得到的脉冲数，就可以得出电机的转速。 光栅编码器由光栅盘和光栅式光电开关组成。 光栅盘可以自己制作，光栅式光电开关为配对并集成的LED 管和光敏三极管。 LED(发射端 )的出射光照射到一小段距离之外的光敏三极管 (接收端 )上，传感器的状态随出射光是否被遮挡而改变。 光电开关外围电路如图 317 所示。 图 317 经施密特触发器的光电开关外围电路 基于 80C51 单片机的智能小车设计 23 电路 A为传感器的发射端提供了限流电阻 R1。 Rl可以选 220Ω 一 1kΩ。 与反射式光电开关不同的是，在这里 LED 管的亮度不需要很高。 事实上，如果 LED管过亮，不仅增加功耗，而且红外光容易穿过阻光区域，造成误信号。 因此，可以从高阻值的电阻开始选用 (约 1 kΩ )，当发生误差信号问题时，只需将电阻值下调。 电路 B为传感器接收器 (光敏三极管 )的外围电路。 如果接收端使用的是 PNP型光敏三极管，则采用电路 C。 对 B与 C的两个电路来说， R3 决定着灵敏度，其取值范围由具体的接收端光敏三极管所决定，一般为 10 kΩ 一 20 MΩ。 但光电开 关直接输出的信号并不理想，为了使光电开关的输出信号数字化，提高抗噪声能力，应用施密特触发器。 使用施密特触发器后，可将所得信号直接送给单片机，由单片机对其计数，进而算出小车的速度。 电源模块的设计 智能小车的供电设施是一块充电电池，它有 低成本 ， 循环寿命长 ， 无污染 ，安全性能好 ， 温度使用范围广 等特点。 最高输出电压 8V,有很强的续航能力。 电机启动时产生的电压波动会严重影响单片机的正常工作，为了使系统更加稳定，系统采用两组电源供电如图 318， 319所示∶ 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i。