单片机控制的电动小车-学位论文.doc

攀枝花学院本科毕业设计（论文）

单片机控制的电动小车

摘 要 电动小车，是一种具有智能化的能够通过通信技术或编程等手段完成特定任务的智能化小车。随着电子技术的不断发展，人们发明了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的智能小车。本设计是基于自动控制原理，针对多通道多样化传感器的综合控制；采用Atmel公司生产的AT89S51为主控制器，其中，采用光敏二极管用来检测光源，超声波传感器用来检测障碍物，红外传感器用来寻线，金属传感器用来检测金属。以此为基本框架，使用C语言来编写单片机应用程序，主要是因为C语言有较好的可移植性和硬件控制能力，并且其表达和运算能力也较强。这样最终实现了电动车从起跑线出发，经过一定的路线即直道区、弯道区、障碍区最后进入到指定的车库中，实现了具有一定自适应能力的电动车。
关键词 电动小车，自动控制，传感器

1 绪 论
全部或部分由电机驱动、并配置大容量电能储存装置的小车统称为电动小车，包括纯电动小车、混合动力电动小车和燃料电池电动小车三种类型。小车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。经过多年的讨论和探索，国内外对于小车工业未来发展比较一致的看法是：21世纪是一个面临能源和环境巨大挑战的世纪，传统燃油小车将向高效低排放的电动小车方向发展。
研究电动小车有十分重要的意义，因为 “零排放”的电动小车可减少对环境的污染， 减少石油资源的消耗，充分利用晚间富余电力充电，提高经济效益，提高能源利用效率，能够促进科技进步和产业结构的改组，总之，发展电动小车不仅对全球而且对我国都具有重大的长远和现实意义。
2 电动小车系统
智能电动小车是一种具有智能化的能够通过通信技术或编程等手段完成特定任务的智能化小车，随着电子技术的不断发展，人们发明了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的智能小车。它可以理解为机器人的一种特例，比机器人的智能化程度稍微低了一点。而众所周知的机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活领域应用的不断扩大，给人们的生产生活产生了巨大的贡献。
2.1 系统功能简介
电动小车需完成如下功能：在如图2.1所示的小车行驶路线中，电动小车从A点出发，经过一定得路线进入到指定的车库中，其路线可以分为4个区。

图2.1 电动小车行驶路线
直道区：在直道区，电动车从A点出发后，沿黑色路线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1～3快长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时须立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。
弯道区：在弯道区，电动车沿圆弧引导线从B点到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。C点下埋有正方形薄铁片，要求电动小车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。
障碍区：在障碍区，电动小车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区。电动小车必须在两个障碍物之间通过而且不得与其接触。
车库：障碍区过后就是电动小车的最后目的地——车库，经过了障碍区后，电动小随后进入车库，在电动小车进入车库后立即停车，停车后会显示行驶时间。
2.2 系统总体设计
电动小车的中安装光敏二极管用来检测光源，超声波传感器用来检测障碍物，红外传感器用来寻线，金属传感器用来检测金属，后边将介绍这些传感器的设计与制作。
电动小车的的控制部分主要包括主控制器、电机驱动与步进电机、供电电源、寻线电路、金属检测、障碍物检测、光源检测、声光报警以及显示9个部分。
（1）主控制器
主控制器负责控制与协调各种传感器的检测以及电机的控制，并实现简单的控制算法。在电动小车中，主控制器是实现只能的中心部件，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。51系列单片机成本低，稳定性好，且运行速度基本能满足该系统的要求。本系统中采用Atmel公司生产的AT89S51来实现。
（2）电机驱动与步进电机
电动小车需要由电机来驱动其运动，根据系统对速度以及定位精度的要求，选择了步进电机作为其驱动设计问题。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。本系统采用了35BY48S03型永磁式步进电机，驱动采用了ULN2003。
（3）供电电源
电动小车中有两大部分需要供电，一个是单片机以及检测传感器部分，这个部分一般式TTL电平，需要单+5V电源来供电；另一个是步进电机需要的电源，根据上述步进电机的选型，需要采用+9V～+12V的电源。而考虑到电动小车不能采用外部有线连接为其供电，这样就需要采用蓄电池来供电。同时，由于电动小车一次运行时间不长，功耗小，蓄电池的容量处于成本的考虑可以允许选择小点的。本系统采用了两个+9V，400mAh的蓄电池，而用7805来降压给单片机供电。
（4）寻线电路
寻线电路采用红外对管进行检测并且寻线运动。引导线是黑颜色，不宜反光，利用这一特性选用红外对管，当其输出信号照射到黑色引导线上时输出一个非常微弱的低电平。这个过程是一个辐条变的过程，通过对此信号高低电平的检测就可以知道小车是否在沿着引导线行驶。在实际系统中，需要在电动小车上的不同位置安装多个红外对管来检测引导线，并且使得小车沿着引导线前进。在本系统中，在电动小车的前部朝地面方向安装了3个红外对管，分别是“左、中、右”，而红外对管采用了常用的ST188红外对管。
（5）金属检测
交流电流过具有电感的电路时，电感有阻碍交流电流过的作用，这种作用叫做感抗。利用金属会改变电感的感抗原理，当有金属接近电感时，电感值会发生相应的变化。只要能检测电感的变化，就可以完成对金属的检测。根据LC振荡电路的原理，当电路中的L或者C的大小发生变化将引起振荡电路的工作形态的变化。在本系统中设计了电容三点式振荡电路。该电路主要由放大电路、选频网络、反馈网络和非线性元件（晶体管）4个部分构成。
（6）障碍物检测
利用超声波的测距院里可以判断出小车的前方是否有障碍物，可以根据判断的距离远近来进行躲避处理。
利用超声波探测器测距时，常用的两种方法为：强度法和反射时间法。
本系统中，采用了超声波发射时间法来检测障碍物，同时采用的超声波探头的中心频率为40kHz。
（7）光源检测
当小车绕过障碍物时，要想小车能够准确的进入仓库停车，这是必须要有光源的引导。一般感光的元件有光敏电阻和光敏二极管。
光敏电阻的阻值随照射在光敏电阻的光强的变化而变化，通过测量阻值的大小可以测量光的强度。光敏电阻的线性度比较好，一般用于定量的光强测量场合中，由于其电路相对比较复杂，而在本系统中不需要精确的测量光强，因此，不采用光敏电阻，而采用了光敏二极管。
（8）声光报警
根据系统的功能，在一些特定的场合，如检测到金属，需要发出声光报警。在系统中，考虑到系统的性价比，采用了一般的LED与蜂鸣器。
（9）显示
小车需要显示运动过程中的信息，如位置等，以及到达了车库后，需要显示运动所需要的时间。出于成本的考虑，采用一般的数码管可以满足要求。
3 系统硬件设计
电动小车的总体系统主要包括主控制器、寻线电路、金属检测、障碍物检测、光源检测、声光报警、显示7个部分。
3.1 主控制器设计
主控制器即为一个51系列单片机的最小系统，在此单片机选择了Atmel公司的AT89S51，智能电动小车的主控制器如图3.1所示。
单片机AT89S51的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。

图3.1 智能电动小车的主控制器
3.2 电机驱动与步进电机
在智能电动小车中，采用了35BY48S03型步进电机，这是一种永磁式步进电机。电机中有4组线圈，4组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有5根引出线，要使得电机转动，只要轮流给各引出端通电既可。35BY48S03型步进电机的典型参数为：步距角，7.5°；相数，4；电压，12V；电流，0.26A；电阻，47Ω。步进电机的驱动电路如图3.2所示。

图3.2 步进电机的驱动电路
3.3 供电电源设计
采用两个+9V，400mAh的蓄电池作为智能电动小车上电量的“存储器”。但单片机系统需要的供电为+5V电源。设计中，采用非常普遍的7805来降压至+5V，7805是常用的三端稳压器件，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。输出电压为5V，可以微调，其输出波纹很小。本设计供电电源电路如图3.3所示。

图3.3 电源电路
3.4 寻线电路设计
3.4.1 电路设计
寻线电路采用的是红外对管ST188（光电传感器），反射式红外光电传感器是利用被测物体对红外光的反射和吸收来实现对被测物体的测量和计数的，要求被测物体的取样标记与其本身的光洁度和颜色反差大，尽量减少外界光的干扰，光电传感器的前端面与被测物体的最佳检测距离为8±1.5mm。

图3.4 红外对管检测电路
在小车的前端安装了3个红外对管，红外对管检测电路如图3.4所示。由于黑色物体和白色物体反射系数不同，调节红外对管和被测物体之间的距离，使光敏三极管只能接收到白色物体发射回来的光束。而对于黑色物体，由于其反射的系数小，几乎所有的光线都会被黑色的物体所吸收，所反射回来的光束很弱，所以光敏三极管无法接受足够的反射光。利用反射光可以使光敏三极管导通和关断，从而实现对黑色物体的分辨。
当检测的物体为黑色物体时，红外光管二极管U1发射出的光线大部分被检测的黑色物体所吸收，反射的光线已经很微弱，光敏三极管无法导通。所以LM311的2脚为高电平，并且与3脚的输出电压同时送入比较器LM311进行比较。由于U2>U3,使得LM311的7脚电平输出为高，发光二极管不亮，最后输出Vout为高。当被检测的物体为白色物体时，红外光电二极管U1发射的光线会被白纸反射回来，这时在红外线传感器的接收端会得到很强的光照，这是光敏三极管就会导通。比较器LM311的2脚就会接地，为低电平，与3脚的电压比较后再7脚的输出端输出一个低电平。这时发光二极管就会形成回路，发出红光，输出端Vout为低。将比较器的输出Vout送入单片机中进行判断就可以判断出此时被检测的轨迹是白色还是黑色的，从而驱动电机进行相应的运动。
3.5 金属检测电路设计
金属检测电路如图3.5所示。电路分成振荡电路、比较电路、输出整形电路和检波电路。具体的电路工作过程如下：当没有金属时，振荡电路工作正常，比较起的两端接收到的是一个高电平，与3脚电压比较后在7脚输出一个高电压。

图3.5 金属检测电路
3.6 障碍物检测电路设计
障碍物的检测采用了40kHz的超声波发射与接收探头来实现，通过测量发射与接收波之间的时间间隔来检测障碍物，即通过超声波测距的方法来检测障碍物。

图3.6 超声波发射电路
超声波发射电路如图3.6所示，采用了NE555(Timer IC)来实现对超声波发射探头的驱动，当P1^0为高电平时，NE555电路将输出40kHz的信号，通过超声波发射探头发射出去。
集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成的分压器提供。ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。ne555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。
超声波接受电路如图3.7所示，先用运算放大器对超声波接受探头接收到的信号进行放大，然后利用锁相环LM567对信号进行跟踪，当接收到会波信号时，将输出一个低电平，若没有接受到回波信号则输出为高电平。通过检测发射与接受波之间的时间间隔即可完成对障碍物的检测。

图3.7 超声波接收电路
3.7 光源检测电路设计
根据光敏二极管有光时和无光时电流可变的原理，设计了如图3.8所示的光源检测电路。电路的工作过程如下：当有光照射时，光敏二极管电流变大，光敏二极管电流变大，相应地加载到比较器两端的电压就会变大，这个电压和3脚的固定电压同时送入比较器LM311进行比较输出，这是输出端7脚会输出一个高电压Vout，发光二极管DS1亮。当无光照射时，光敏二极管电流变小，比较器两端的电压就会变小，这时输出端7脚会输出一个低电压Vout，发光二极管DS不亮。比较器输出端7脚的状态送入单片机进行分析就可以知道光源的位置是否是在此检测线路的前端。
为了使小车能够精确地判断光源的位置，在小车的前端安装了多个这样的光源检测模块，并且各个模块都用黑色纸卷成的圆筒套住，这样只有当光源正对着某个模块的检测单元时，光源发出的光线才能进入圆筒照射到光敏二极管上，此模块的状态为高，而其余的检测模块都为低电平。将这几个检测电路输出的状态同时送入单片机进行判断，就可以知道哪个方向上有光源，这是单片机在驱动电机进行左转或者右转知道正对着光源行驶。

图3.8 光源检测电路
3.8 声光报警电路设计
在检测到金属以及小车到达一定的位置时，都需要有声光报警。在这里，可以采用高亮的LED以及蜂鸣器来实现。
3.9 显示电路设计
电动小车需要西安的内容并不是很多，选择一般的数码管就可以显示，包括行驶时间、状态信息等。在系统中，采用了两位数码管动态显示信息。
4 软件设计
4.1 系统的软件结构
智能电动小车的软件结构如图4.1所示。主要包括顶层文件、电机控制、寻线管理、金属检测管理、障碍物检测管理、光源检测管理、声光报警管理、显示管理8个部分。

顶层文件System.c

电
机
控
制
障碍物检测管理
金属检测管理

寻线管理
光源检测管理
声光报警管理

显示管理

图4.1 智能电动小车的软件结构
4.2 总体流程
智能电动小车的总体流程如图4.2所示（略）。
4.3 程序设计
根据控制故能，按照流程图的思路，编制程序（程序略）。
5 结束语
21世纪是一个面临能源和环境巨大挑战的世纪，传统燃油小车将向高效低排放的电动小车方向发展。电动小车减少了对环境的污染和石油资源的消耗，提高能源利用效率，发展电动小车不仅对全球而且对我国都具有重大的长远和现实意义。
在本设计中，采用Atmel公司生产的AT89S51为主控制器，光敏二极管检测光源，超声波传感器检测障碍物，红外传感器寻线，金属传感器检测金属。以此为基本框架，使用C语言来编写单片机应用程序，最终实现了电动车从起跑线出发，经过一定的路线即直道区、弯道区、障碍区最后进入到指定的车库中，实现了具有一定自适应能力的电动车。然而，本设计本身还存在不足之处，例如在基本方面中没有加入速度检测、语音识别等装置，使得本设计的电动小车限制在给定的功能里，显得简单，还需要再补充和加强。

参 考 文 献
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[12] Texas Instruments. Code Composer Studio User’s Guide.

Electrically Operated Motor Car under the control of Single Chip Computer
Wang Qing Instructor: Feng Mingchin

Abstract： Electric car, is an intelligent car by communications technology or by means of programming to complete specific tasks. With the constant development of electronic technology, people have invented all kinds of perception, decision-making, action and interactive smart car capacity. The design is based on the automatic control theory, the diversification of multi-channel sensor for the integrated control；Using Atmel Corporation AT89S51-based controller produced, where，Photodiode used to detect the use of light and ultrasonic sensors to detect obstacles, infrared sensors used to find lines, metal sensors to detect metal. As a basic framework, the use of C language to write single-chip applications, mainly because the C language have better portability and hardware control capabilities, and its expression and also strong computing power。This ultimate realization of the electric vehicles starting from the starting line, after a certain area of the line that is straight, bend area, the final obstacle to entering the garage designated to achieve with a certain self-adaptive capacity of electric vehicles.
Key words：Electric car,automation,Sensor,

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