基于单片机的智能小车设计-传感器电路的设计和相关程序设计和调试

基于单片机的智能小车设计——传感器电路的设计和相关程序设计和调试摘要80C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用80C51单片机来实现智能壁障寻迹小车，该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用红外传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。关键字：电动小车、80C51单片机、光敏检测器、PWM调速Abstract80C51isa8bitsinglechipcomputer.It’seasilyusingandmulti-functionsufferlargeusers.Thisarticleintroducesintelligentvehiclewiththe80C51singlechipcomputer.Thisdesigncombineswithscientificresearchobject.Thissystemregardstherequestofthetopic,adopting80C51forcontrollingcore,redsensorfortestthehinder.Itcanruninahighandalowspeedorstopautomatically.Italsocanrecordthetime,distanceandthespeedorsearchinglightandmarkautomaticallytheelectriccircuitconstructionofwholesystemissimple,thefunctionisdependable.Experimenttestresultsatisfytherequest,thistextemphasizesintroducedthehardwaresystemdesignsandtheresultanalyze.Keyword：Electricitymotivesmallcar80C51singlechipcomputer,lightelectricitydetector,PWMspeedadjusting,目录第一章概述…………………………………………………………………………11.1课题研究背景与意义…………………………………………………………..11.2课题设计内容……………………………………………………………………2第二章方案设计与论证…………………………………………………………….32.1总体方案设计……………………………………………………………………32.2系统方案设计与比较…………………………………………………………….42.2.1寻迹模块选择方案…………………………………………………………4LM̤324芯片介绍………………………………………………………..52.2.2语音识别模块………………………………………………………………62.2.3电源模块……………………………………………………………………72.2.4电机驱动系统………………………………………………………………7第三章系统硬件设计……………………………………………………………….83.1总体硬件原理图………………………………………………………………….83.2单片机模块………………………………………………………………………93.2.180C51单片机硬件结构………………………………………………………93.2.2最小应用系统设计…………………………………………………………..103.3前向通道设计……………………………………………………………………113.4后向通道设计……………………………………………………………………14第四章软件设计……………………………………………………………………164.1软件设计框图……………………………………………………………………164.2模糊控制算法……………………………………………………………………174.2.1模糊控制算法的发展………………………………………………………17.4.2.2模糊控制算法的原理………………………………………………………174.2.3智能小车中的模糊控制算法………………………………………………184.3寻迹的相关程序…………………………………………………………………18第五章制作安装与调试……………………………………………………………215.1使用的仪器仪表及软件………………………………………………………….215.2系统制作…………………………………………………………………………215.3系统调试…………………………………………………………………………215.3.1硬件调试…………………………………………………………………..215.3.2软件调试…………………………………………………………………..225.3.3联合调试…………………………………………………………………….22设计总结……………………………………………………………………………….23致谢辞………………………………………………………………………………….24参考文献…………………………………………………………………………….25附录………………………………………………………………………………….27第1章概述1.1课题研究背景与意义随着控制技术，计算机技术，信息处理技术和传感器检测技术以及汽车工业的飞速发展，智能小车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色，近年来，智能小车在野外，道路，现代物流及柔性制造系统中都有广泛应用，已经成为人工智能领域研究和发展的热点之一。智能小车作为移动式机器人的一个重要分支，具有环境感知规划决策，自动行驶等功能，它是计算机控制和电子技术的融合，集传感器探测（光源，障碍物），单片机自动控制，电机调速等议题，可以说是计算机，传感器，信息，通讯，导航，人工智能及自动控制等于一体高新技术综合体。现在，电子，机械，电子信息已经不在明显分家，自动控制在专业领域的地位已经越来越重要。特别是作为机械行业的代表产品——汽车，与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：1，电子装置占整车的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化发展，2，汽车开始向电子化，智能化和多媒体化方向发展，使其不仅作为一种代步工具，同时还具有交通娱乐等功能。另外，大学生各种大型的创新比赛中，智能车已经是一个不可缺少的部分。比如，亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛，全国大学生“飞思卡尔”智能汽车竞赛等众多重要竞赛都有智能车的登场，设计和制作智能车能很好的培养学生对机电一体化的相关知识。为了适应机电一体化的发展和自己所学知识的结合，提出循迹与遥控与一体的智能车的构想。1.2课题设计内容本课题是基于单片机智能小车的设计，本课题的任务主要是采用80C51为控制核心，利用光敏传感器自动寻迹，设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用光电等传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。第2章方案设计与论证2.1总体方案设计此系统是以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测得到的电平信号，其中外部信号有三部分得到：寻迹模块，遥控模块和语音模块。最后把处理结果传递给小车电机，使得到相应效果。总体设计框图如下：图2-1总体模块设计框图复位电路STC80C51光敏探测器电机驱动时钟电路2.2系统方案选择与比较2.2.1寻迹模块选择方案方案一：采用光敏电阻组成光敏探测器，光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线反射强烈，光线照射到黑线上时，光线反射较弱，因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化，将阻值的变化值经过比较器可以获得高低电平。方案二：采用红外对管TCRT5000光电寻线传感器，TCRT5000由红外发射管和接收管两部分组成，红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色地面时，地面将红外线反射到接收管，接受三极管导通，输出低电平，当发出的红外线照射到黑色地面时，黑色地面将光线吸收。接收管没有接收到反射后的红外线而使三级管截止，输出高电平，这样外接一个比较器，可以与单片机连接，减少电路的连接，给设计带来了方便，但周围环境对其有一定的影响。方案三：采用RPR220型光电对管，RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发射管，而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管，其具有灵敏度高，体积小，工作性能稳定的特点，但是其价格高，购买不方便。综合各个方面的考虑，本次设计采用方案一。光敏探测器工作原理图为下图1.1寻迹电路分析方法V2的电压计算公式V2=(Vcc／R1+R6).R6=Vcc.R6／(R1+R6)R6不变，有光照R1变小，则V2变大。无光照，R1变大，则V2变小1，有光照情况光敏电阻R1变小，V2变大假设V2=4.6VtV3电压4VV2＞V3反向端大于同向端，则out5输出低电平为0给单片机识别，单片机通过if扫描out5的引脚2，无光照情况3，光敏电阻R1变大，V2变小假设V2=3.2V，V3电压不变还是4V。V2＜V3同向端大于反向端，则out5输出高电平1给单片机识别，单片机通过if扫描out5给的引脚LM324芯片介绍LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324引脚排列如图所示LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。LM324引脚图2.2.2语音识别模块本模块为小车的附加功能模块，主要采用柱极式话筒接收声波信号，通过三极管放大电路放大信号，使信号经过电容和整流的二极管得到一个电压峰值为一伏的脉冲信号，并经过74HC04取反后供单片机控制，实现语音控制。如图3-1语音控制模块原理图。图3-1语音控制模块原理图电源其中图中P15为连接柱极式话筒的接口，P16为电源接口，R23的作用是调节话筒的灵敏度，C7则是用来滤除波形中的直流部分。中间电路为典型的三极管共e极放大电路，其放大倍数可以根据R24和R25来确定。但由于9013管的自身特性，使的其最大的放大电压为1伏，经过电容的整形形成直流电压输入二极管。当话筒没有接受到一定强度的声波时，由于二极管的管压降，使电压不能经过其到非门芯片而让芯片输出电平为数字“1”，但当话筒接收到的声波信号经放大后超过二极管的管压降，非门的输入端上有一个正电压，而使输出端为低电平