自动往返电动小汽车设计毕业设计论文.doc

一、 设计任务
设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。允许用玩具汽车改装，但不能用人控括有线和无线遥控）。跑道宽度0.5m，表面贴有白纸，两侧有挡板，挡板与地面垂直，其高度不低于20cm。在跑道的B、C、D、E、F、G各点处画有2cm宽的黑线，各段的长度如图1所示。
二、设计的基本要求
（1）车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。
（2）到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以
线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值）；
（3）D～E间为限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，
但不允许在限速区内停车；　　
（4）自动记录、显示当前的行驶距离（记录显示装置要求安装在小车上）；
（5）自动记录、随时显示当前的行车时间（记录显示装置要求安装在小车上）；
（6）其它特色与创新。

图1 预设跑道的视图

三、方案的选择与论证
   根据题目要求，系统可以划分为几个基本模块，如图 2所示。

图 2
对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案:
1. 电动机驱动与调速模块
   方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大;分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
   方案二:采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
   方案三:采用由达林顿管组成的H型PWM电路。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;由于在本设计中小车速度有两种情况，可以采用不同的直流电源来控制电动机的驱动。
   基于上述理论分析，拟选择方案三。
2. 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，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱判断是否到达黑线。
   方案一:可见光发光二极管与光敏二极管组成的位置传感器。在安装时，发光二极管与光敏二极管应互成45度角。可采取超高亮发光管可以降低一定的干扰。
方案二: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;但如果直接用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率要求，工作电流只能在1OM左右，仍然容易受到干扰。
   基于上述考虑，拟采用方案一较为简单。
3. 车轮检速及路程计算模块
   方案一:采用霍尔传感器。当磁铁正对金属板时，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片，而将霍尔传感器安装在固定轴上，小汽车车轮没转一圈，霍尔传感器便输出一脉冲，通过对脉冲的计数进行车速测量。
   方案二:受鼠标的工作原理启发，采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀地固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。通过脉冲的计数，对速度进行测量。
   以上两种都是比较可行的转速测量方案。尤其是霍尔元件，在工业土得到广泛采用，并且安装也较简单，因此采用方案一。
4. 电源选择
   方案一:所有器件采用单一电源(6节M电池)。这样供电比较简单;但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰。
   方案二:双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电藕合器传输信号。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。
   我认为本设计的稳定可靠性更为重要，一般采用方案二。但考虑到方案一在仿真时比较简单，顾采用了方案一。
二、系统的具体设计与实现
1. 系 统 硬 件 电 路 的 设 计
自 动 往 返 行 驶 小 汽 车 的 控 制 系 统 采 用 AT89C51单 片 机 ； 显 示 系 统 采 用芯片8279控制的 6位 LED 数 码 管来显 示 里 程 数和当前的行车时间； 电 机 正 反 转 采 用 桥 式 驱 动 控 制 ， 2 挡 电 压调 速 ； 里 程 记 录 采 用 霍 尔 传 感 器 ； 跑 道 标 志 线 采 用 光 敏 管 检 测 并 使 用 软 件 整 形 消 抖 措 施 ；单 片 机 、 电 机 采 用 独 立 稳 压 电 源 供 电 。
(1) 电 机 驱 动 电 路
本 系 统 的 电 机 驱 动 电 路 采 用 两 对 互 补 三 极 管 ， 利 用 单 片 机 16,17 脚 电 位
的 高 低 去 控 制 三极 管 的 截 止 和 导 通 状 态 ， 从 而 实 现 小 汽 车 驱 动 电 机 的
正 反 转 功 能 。 为 了 防 止 电 机 转 动 时 对 单片 机 的 干 扰 影 响 ， 提 高 单 片 机
的 稳 定 性 ， 本 电 路 在 电 机 的 两 端 加 了 抗 干 扰 电 容 ，其 电 路 如 图3所 示 。

图3电机驱动电路

(2) 电 机 调 速 电 路
电 机 驱 动 电 压 由 AT89C52 单 片 机 的 Pl.7 和 Pl.6 分 别 控 制 。 当 Pl.7 为 O,Pl.6 为 1时 ， 电 机 驱 动 电 压 为 +7.5 V, 小 车 进 人 高 速 行 驶 状 态 ； 当 Pl.7 为 1, P1.6 为 0时 ， 电 机 驱 动 电压 为 ＋ 4.3 V, 小 车 进 人 低 速 行 驶 状 态 。 当 P1.0 为 高 电 位 时 ， 电 机 供 电 三 极 管 D880 截 止 ， 关闭 电 机 电 源 实 现 停 车 功 能 ； 当 P1.0 为 0时 ,D880 输 出 电 机 驱 动 电 压 ， 小 车 按 单 片 机 的 指 令 执行 各 种 功 能 。 电 机 调 速 控 制 电 路 如 图 4所 示 ，但在仿真时为了形象简单地观察出是否到达限速区，利用一个发光二极管来表示是否换挡位即限速。

图4电机调速控制电路

(3) 传 感 脉 冲 检 测 电 路
用 于 检 测 跑 道 标 志 的 脉 冲 信 号 由 光 敏 二 极 管 、 发 光 二 极 管 电 路 组 成 。 当 小 车 在 白 纸 上 时 ，输 出 为 高 电 平 ； 当 遇 到 黑 条 时 ， 输 出 低 电 平 脉 冲 ， 作 中 断 计 数 判 断 用 ，仿真时用开关来表示输出。
(4) LED 显 示 电 路
对 多 位 LED 显 示 器 采 用 动 态 扫 描 的 方 法 进 行 显 示 。 系 统 采 用 6位 数 码 管 显 示 ， 前 三 位 数码 管 显 示 的 数 值 表 示 里 程 ， 显 示 的 范 围 为 1～999 m ； 后 3位 数 码 管 的 数 值 表 示 当前的时间， 其 中 前 两 位 表 示 分 ， 后 一位 表 示 秒 。 往 返 到 起 点 时 显 示 的 数 值 是 一 次 往 返 的总 时 间 。 PO 口 作 数 据 输 出 ，利用 8279驱动数码管的显示，可以节省89c51的端口。
2. 系统的软件设计
⑥主程序流程图。如图5所示。

图 5

17

总程序编程如下：
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0030H
LJMP SCAR
ORG 000BH
LJMP TIM0
MAIN: CLR P1.3
CLR P1.4
CLR P1.5
CLR F0
ST: MOV TMOD,#51H
MOV TL0, #0F0H
MOV TH0, #0D8H
MOV TH1,#00H
MOV TL1,00H
MOV R6, #00H
MOV R7,#00H
MOV 50H,#03H
MOV 51H,#0E8H
SETB P1.3
SETB TR0
SETB TR1
SETB IT0
SETB EX0
SETB ET0
SETB EA
SETB PT0
BLB: MOV C,P1.0
JC BLB1
LCALL DISP
SJMP BLB
BLB1:MOV C,P1.1
JC BLB1
INC R6
CJNE R6,#01H,BLD
SJMP BLB
BLD:CJNE R6,#03H,BLD0
SETB P1.5
SJMP BLB
BLD0:CJNE R6,#04H,BLG
CLR P1.5
SJMP BLB
BLG:MOV C,P1.1
JC STPG
LCALL DISP
SJMP BLG
STPG: MOV C,P1.1
JC STPG
CLR P1.3
SETB F0
W10S:MOV R6,#00H
JNB F0,T10S
LCALL DISP
SJMP W10S
T10S: SETB P1.4
FBLG: MOV C,P1.1
JC FBLG0
LCALL DISP
SJMP FBLG
FBLG0:MOV C,P1.1
JC FBLG0
INC R6

CJNE R6,#01H,FBLF
SJMP FBLG
FBLF: CJNE R6,#02H,SLWE
SJMP FBLG
SLWE:CJNE R6,#03H,SLWD
SETB P1.5
SJMP FBLG
SLWD: CJNE R6,#04H,FBLC
CLR P1.5
SJMP FBLG
FBLC:CJNE R6,#05H,STPB
SJMP FBLG
STPB:MOV C,P1.0
JC RET0
LCALL DISP
SJMP STPB
RET0:MOV C,P1.0
JC RET0
CLR P1.4
CLR TR0
CLR TR1
LCALL DISP
LJMP MAIN
DISP:MOV DPTR,#7FFFH
MOV A,#0D1H
WAIT: MOVX @DPTR,A
JB ACC.7,WAIT
MOV A,#34H
MOVX @DPTR,A
MOV A,#90H
MOVX @DPTR,A
MOV R4,TH1
MOV R5,TL1
MOV R2,#00H
MOV R3,00H
MOV R0,30H
MOV R1,06H
CLR0: MOV @R0,#00H
INC R0
DJNZ R1,CLR0
MOV R1,#05H
LCALL DIVX
MOV R0,#30H
LCALL BTOD0
MOV A,R7
MOV B,#20
MUL AB
MOV R5,A
MOV R4,B
MOV R1,#100
LCALL DIVX
MOV R0,#33H
LCALL BTOD0
MOV R0,#30H
MOV R4,#06H
MOV DPTR ,#TAB
LOAD0: MOV A,@R0
MOVC A,@A+DPTR
MOV @R0,A
INC R0
DJNZ R4,LOAD0
MOV A,#80H
ORL 31H,A
ORL 34H,A
MOV DPTR7FFEH
MOV R0,#30H
MOV R4,#06H
LOAD1: MOV A,@R0
MOVX @DPTR,A
INC R0
DJNZ R4,LOAD1
RET
DIVX: CLR C
MOV A,R5
SUBB A,R1
MOV R1,A
MOV A,R4
SUBB A,#00H
MOV R4,A
JC END0
MOV A,R3
ADD A,#01H
MOV R3,A
MOV A,R2
ADDC A,#00H
MOV R2,A
SJMP DIVX
END0:RET
BTOD0: CLR C
MOA A,R3
SUBB A,#64H
MOV R3,A
MOV A,R2
JC RES0
INC @R0
SJMP BTOD0
RES0: MOV A,R3
ADD A,#64H
MOV R3,A
INC R0
BTOD1:CLR C
MOV A,R3
SUBB A,#0AH
MOV R3,A
JC RES1
INC @R0
SJMP BTOD1
RES1: MOV A,R3
ADD A,#0AH
INC R0
MOV @R0,A
RET
SCAR: INC R7
RETI
TIM0:MOV TL0,#0F0H
MOV TH0,#0D8H

PUSH PSW
CPL P1.2
JNB F0,END1
CLR C
MOV A,51H
SUBB A,#01H
MOV 51H,A
MOV A,50H
SUBB A,#00H
MOV 50H,A
JNZ END1
MOV A,51H
JNZ END1
CLR F0
END1: POP PSW
RETI
TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH
DB 7DH,07H7FH ,6FH,77H,7CH
END

(3) 软件的其他特色
①刹车时，借鉴了车辆制动装置ABS(自动防抱死)功能，将整个刹车过程分割为几个子过程，有效防止了轮胎打滑。
②原路返回时，充分利用上次正向行驶时得到的跑道长度数据，进一步优化性能。
③正向行驶时使用前部传感器，逆向行驶时使用中部传感器。在压线时，则同时利用两个传感器判断当前位置，提高停车精度，并保证黑线计数正确。
3. 其他功能的设计与实现
(1)数码管显示 为了减少外部锁存器和译码模块，数码管全部使用软件进行动态显示。在限速区内，数码管显示8s倒计时;在行驶过程中，显示已驶路程;在终点停车时和返回起点后，交替显示桂返时间与距离。
(2)车头方向的调整 由于原玩具车前轮装有弹簧很容易发生随机偏转。为了精确调整方向，我们拆除了车上原有的转弯控制电动机，设计了一个机械装置固定了车轮的方向杆，且留出一个螺丝作为接口，实现对方向杆的微调。其机械结构如图14所示。

图 14
(3)车速指示灯 在车尾两端装有两对车速指示灯，当小车加速时，绿灯亮;当小车刹车减速时，红灯亮。因此在限速区时，可明显体会到算法的运
行过程。在终点停留时，红灯闪烁10次代表10s倒计时。
4. 总的电路图如下：
注释：（1） 车头与车尾的光电传感器分别用两个按钮开关来替代， 分别与P1.0 与P1.1相连，通过按键来表示小车是否通过黑线与是否该到减速行驶即转换开关。
（2）用一个发光二极管来替代速度

心 得 体 会
经过一个月的思考和资料查找，终于完成了该课程设计任务。通过课程设计锻炼了我们的实践能力，也是对以后我们实际工作能力的训练和考察过程。现在是一个高科技的时代，单片机的应用无处不在，已深入到国民经济众多技术领域，从天上到地下，从军事、工业到家庭日常生活。在人类进入信息时代的今天，难以想象没有单片机的世界将会怎样！这更坚定了我要学好单片机的决心。
在此次的单片机设计过程中我认真看了单片机课本和相关资料，巩固以前学过的知识的同时也学会了课本上所没有的东西。该课题是2001年的全国电子科技大赛的C题，尽管只有软件编程和硬件的理论连接图，但是我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论的知识是远远不够的，只有把所学的和实践结合起来，然后在实践中得到真理。在设计的过程中我遇到了很多困难，特别是芯片8279的扩展与其LED的驱动，是经过翻阅好多资料书才掌握其扩展方法，还好在最后关头解决了。还有就是PROTUS的单片机软件仿真，由于对该软件不熟悉，花费了大量时间来学习。在这次课设中，我学会了坚持不懈，不轻言放弃。虽然在整个的设计中经历了不少的艰辛，但收获也同样巨大。
单片机课程设计虽然结束了，但通过这次的设计所学到的东西却很多，相信这次设计带给我的严谨的学习态度和一丝不苟的科学精神将影响着我以后的学习生活。
参 考 文 献
1 全国大学生电子设计竞赛组委会编. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编.北京：北京理工大学出版社，2004
2 何立民主编. MCS-51单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1999
3 胡寿松主编.自动控制原理.北京：科学教育出版社，2001
4 陈杰和黄鸿编著.传感器与检测技术. 北京：高等教育出版社，2002
5 许建国主编.电机与拖动基础.北京：高等教育出版社，2004