内蒙古科技大学 - 智能仪表课设-智能小车

内蒙古科技大学智能仪表课程设计

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摘要

该系统以AT89C51为主控核心，以实现按键控制功能。运用PWM直流电机调速技术，通过L298N芯片来驱动直流电机的转动，完成对汽车运动速度和运动方向的控制，同时还利用霍尔传感器实现了对运动距离的测量，并用静态显示电路显示小车的运动路程。基于一些完备而可靠的硬件设计，实现了小车的自动控制。

关键词：PWM直流电机调速; AT89C51 ; 速度和方向的控制

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目录

摘要 ............................................................................................................................. I 第一章 绪论 ............................................................................................................... 1 第二章 总体设计方案 ............................................................................................... 2

2.1总体设计 ........................................................................................................ 2 2.2 系统原理图 ................................................................................................... 2 第三章 智能小车硬件设计 ....................................................................................... 4

3.1小车控制芯片选择 ....................................................................................... 4

3.1.1 AT89C51芯片介绍 .............................................................................. 4 3.1.2 L298N芯片介绍 .................................................................................. 7 3.2 驱动电源 ..................................................................................................... 8 3.3 PWM调速原理及工作方式 .......................................................................... 9 3.4直流电机构成及工作原理 ............................................................................ 9 3.5 单片机最小系统 ......................................................................................... 10 第四章 智能小车软件设计 ..................................................................................... 12

4.1 软件程序组成 ............................................................................................. 12 4.2 软件的编程 ................................................................................................. 13 4.3系统仿真及PCB图 ..................................................................................... 16 第五章：总结 ........................................................................................................... 19 参考文献 ................................................................................................................... 20 附录 硬件原理图 ..................................................................................................... 21

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第一章 绪论

自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域.近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，由此发展起来的智能小车引起了众多学者的广泛关注和极大的兴趣。

智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。

在环境信息获取方面，采用摄像头、超声波两种非接触式传感器。摄像头主要采集智能小车前方的实时画面，超声波主要采集智能小车与障碍物的距离信息。以上各种模块实现了智能小车与前方路障的距离、信息无线传输等功能，从而在远端PC上对获取的信息进行实时显示。

由于时间和水平有限，我们暂选最基本按键实现小车的调速和左右转弯。本设计通过小车这个载体再结合由AT89C51为核心的控制板可以达到其基本功能，小车的左右轮分别由2只舵机提供动力,作为驱动轮和导向轮使。AT89C51单片机的PWM发生器产生2路（分为两组）占空比可变的方波。控制2路PWM的比例，不仅可以调节小车向前运动的速度，还可通过2路PWM占空比的差异，改变小车运动方向。再辅加电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。

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第二章 总体设计方案

2.1总体设计

本次的课程设计是由我们一个小组9个人来分工完成的，智能小车被分为四个主要模块，主要是小车的控制、通信、检测和上位机存储与显示。由于时间的原因和个人的学习水平，本次设计我主要是对小车的控制作为研究对象。

根据题目的要求，确定如下方案：首先设计出小车的基本模形以及传动方案，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源,直接选择有pwm功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟pwm输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，cpu使用AT89c51单片机，配合软件编程实现。

2.2 系统原理图

根据我们所设计的要求和参考所学的知识，要想控制小车的加速前进和停止，我们就必须用L298N芯片来驱动直流电机的运转，通过按键来调控小车的速度。运用单片机AT89C51为核心，完成我们所设计的智能小车。此部分是整个小车的大脑，是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。考虑到小车必须能够前进、转弯、停止，并能灵活专性，在左右两轮各装一个舵机分别进行驱动。当左轮电机转速高于右轮电机转速时小车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，左右两轮的转速，可以采取PWM调速法，在单片机中编程改变输出方波的占空比，从而可以改变电机的转速，左右两轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。其硬件总体结构如图 2.1所示

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左电机单片机图2.1硬件总体结构图

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右电机按键

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第三章 智能小车硬件设计

3.1小车控制芯片选择

3.1.1 AT89C51芯片介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机结构如图3.1所示。

图3.1 单片机结构

1.主要特性： ·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器 .寿命：1000写/擦循环 .数据保留时间：10年 ·全静态工作：0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定

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·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器 ·5个中断源 ·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路 2．管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，

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由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于

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施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3．振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4．芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.1.2 L298N芯片介绍

L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。本模块具有体积小，控制方便的特点。采用此模块定会使电机控制自如，可以应对需要大功率直流电机的题目。L298N结构如图3.2所示

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图3.2 L298N结构

板上的ENA与ENB为高电平时有效，只有当ENA与ENB为高电平时，电机才旋转，否则电机不转，这里的电平指的是TTL电平。ENA为IN1和IN2的使能端，ENB为IN3和IN4的使能端。当ENA=1，IN1=1 IN2=0时电机1正转，ENA=1，IN1=0 IN2=1电机1反转。同理，当ENB=1，IN1=3 IN4=0电机2正转，ENB=1，IN3=0 IN4=1电机2反转。OUT1、OUT2接电机1，OUT3、OUT4接电机2。SENSA、SENSB接地，电源正端为VCC，电源负端为GND。

L298N的控制表格

电机

旋转方式 正转 停止

正转 停止

控制端IN1

1 0 0 / / /

控制端IN2

0 1 0 / / /

控制端IN3

/ / / 1 0 0

控制端IN4

/ / / 0 1 0

M1(左电机) 反转

M2(右电机) 反转

3.2 驱动电源

采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。干电池用电池盒封装，体积和重量较小，同时玩具车底座可以安装四节干电池，正好可为单片机及其他逻辑单元供电。在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量，降低电池寿命；同时，由于at89c51、光电开关、小车电机对于供电电压要

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求并不苛刻，故我们将6V电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他逻辑单元供电。这样只需在小车遥控上加两个调速按钮，根据电池电量选择合适功率即可。

3.3 PWM调速原理及工作方式

方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。

方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM 信号，两口的输出切换和对PWM 的占空比调节决定电动机的转向和转速。

由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。PWM调速电路如图3.3所示。

图3.3 PWM调速电路图

为了实现小车的加速前进，我们使用PWM调速系统，其主要原理就是调节输出电压所占用的时间。这样我们就用到了占空比这一词。所谓占空比就是指周期电信号中有电信号输出的时间与整个信号周期之比，即：占空比=电信号不为“0”的时间/（电信号为“0”的时间+电信号不为“0”的时间）*100%。占空比越大，输出电压越高，占空比的作用是调整开关管的导通时间。占空比是指高低电平所占的时间的比率，占空比越大，电路开通时间就越长，整机性能就越高。

3.4直流电机构成及工作原理

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驱动智能小车能直线加速和转弯主要是靠两个直流电机来操控的。其主要构成有：磁场： N和 S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。 励磁绕组——容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。 电枢绕组：在N极和 S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。 电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。其主要的工作原理为给电刷旋加一直流电压，一段导体中就有电流流过，由电磁力定律可知导体会受到电磁力作用。导体处于N极下与电刷接触电流向里流，产生电磁力矩为逆时针；导体处于S极下与电刷接触电流向外流，产生电磁力矩仍为逆时针。转子在该电磁力矩作用下开始旋转向外输出机械功率。如图3.5直流电机驱动框图。

图3.5直流电机驱动框图

3.5 单片机最小系统

为了保证单片机系统能正常工作，单片机最小系统主要由AT89C51单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。单片机最小系统原理如图3.6。

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图3.6 单片机最小系统原理图

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第四章 智能小车软件设计

4.1 软件程序组成

在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。

在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。

在软件设计当中我们是以c语言作为计算机语言，实现小车的控制。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具。Keil C51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。我们可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，运用仿真软件proteu进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。 程序流程图如图4.1所示

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初始化扫描键盘N是否有键按下Y解码匀速加速再加速停止 图4.1 程序流程图

4.2 软件的编程

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

unsigned char zkb1=0 ; //左边电机的占空比 unsigned char zkb2=0 ; //右边电机的占空比 unsigned char t=0; //定时器中断计数器

sbit ENA=P1^0; sbit IN1=P1^1; sbit IN2=P1^2; sbit ENB=P1^3; sbit IN3=P2^0; sbit IN4=P2^1; sbit speed1=P1^5; sbit speed2=P1^6;

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//电机

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sbit speed3=P1^7; sbit stop0=P1^4; uchar m;

//**********初始化定时器中断***********// void init() {

TMOD=0x01; TH0 =(65536-2500)/256; TL0 =(65536-2500)%6; EA=1; ET0=1; TR0=1; }

//***********中断函数+脉宽调制***********// void timer0() interrupt 1 {

if(t=8) t=0; }

//****************速度1******************// void sudu0() { zkb1=2; zkb2=2; }

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//***************速度2***************// void sudu1() {

zkb1=5; zkb2=5; }

//***************速度3***************// void sudu2() {

zkb1=8; zkb2=8; }

//***************停止***************// void stop() {

zkb1=0; zkb2=0; }

void main() { uchar f; init();

ENA=1; ENB=1;

IN1=1; //给电机加电启动 IN2=0; IN3=1; IN4=0;

zkb1=0; m=3; zkb2=0; while(1) {

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if(speed1==0) m=0; if(speed2==0) m=1; if(speed3==0) m=2; if(stop0==0) m=3;

f=m;

switch(f) {

case 0: sudu0(); break; case 1: sudu1(); break; case 2: sudu2(); break; case 3: stop(); break; default: break; } } }

4.3系统仿真及PCB图

经过硬件和软件的结合，将编译好的c语言通过keil生成hex文件，然后通过proteus仿真系统是否能运行。系统仿真如图4.1所示。

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图4.1系统仿真图

经过系统的仿真之后能够稳定的运行。这样我们可以将所编好的程序下载到智能小车里，这也就完成了我所对于小车控制部分的设计。对于智能小车的超声波测距、数据的通信和上位机的存储与现实部分，由我们组的另外几个同学完成，在这里我也不多介绍其它部分的内容。

经过protel软件画出原理图后生成PCB图，以便将来的制版。PCB生成如图4.2所示。

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图4.2 PCB生成图

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第五章：总结

经过了一个多月的紧张设计，我们的智能仪表课设也告一段落了，这不是我们对课程实习的结束而是一个新的开始。在以后的比赛和工作中更是需要这些基本的技能。在这里，我首先要感谢的是李刚老师的指导。在李刚老师的帮助和指导下，我才有信心完成这次课程设计。在我遇到设计瓶颈的时候，是老师在旁边给我指导和引导我的思路。经过五星期的努力，老师和我的付出终于得到了回报——我所设计的结果终于出来了。虽然设计的有一些简单，但是我想这也是我的一个小小的进步。只有小小的努力最后才能有更大的收获。

这次毕业设计让我明白了只有理论和实践相结合起来才能更好的更快的更深刻的学会某一种知识，以后出了社会也应该这样，要把理论和实践结合起来才是最好的。本次毕业设计就是我真正意义上的实践，可以算是为我出社会作了一个实践上的铺垫吧，当然设计中还有很多很多的不足之处。希望各位老师们批评指正。

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参考文献

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+A-+A-21

3456ABU1P1VCCOUT1B1ENAOUT1OUT2ENBOUT3OUT4P1.0(T2)P1.1(T2EX)P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.3(INT1)P3.2(INT0)P3.5(T1)P3.4(T0)EA/VPPXTAL1XTAL2RSTP3.7(RD)P3.6(WR)AT89C52C3ELECTRO(AD0)P0.0(AD1)P0.1(AD2)P0.2(AD3)P0.3(AD4)P0.4(AD5)P0.5(AD6)P0.6(AD7)P0.7

12AB

附录 硬件原理图

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Motor ServoOUT3B2L298Motor ServoC1VCC12MXTAL9R11KGNDVCC1716191831100pFC2100pF1514OUT4GNDGND1312(A8)P2.0(A9)P2.1(A10)P2.2(A11)P2.3(A12)P2.4(A13)P2.5(A14)P2.6(A15)P2.72122232425262728VCCGND(RXD)P3.0(TXD)P3.1ALE/PROGPSEN40201011302934IN1OUT2IN2IN3IN4ENAENB12345678OUT1OUT2OUT3OUT4S1S2S3S4910111213141516123456783938373635343332SW-PBSW-PBSW-PBSW-PBCGNDCDTitleSizeBDate:File:5D智能小车控制系统设计Number10671123282013/10/25F:\\电路图\\BACKUP OF SHEET1.SCHSheet ofDrawn By:6Revision贺军12

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