【正文】 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 基于 80C51 單片機(jī)的電動(dòng)智能小車(chē)設(shè)計(jì) 電動(dòng)智能小車(chē) 摘 要 80C51 單片機(jī)是一款八位單片機(jī)他的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)本系統(tǒng)采用 80C51 單片機(jī)為控制核心主要完成了超聲波檢測(cè)避障模塊反射式紅外光電檢測(cè)黑白跑道模塊里程檢測(cè)模塊 LED 顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用左右獨(dú)立的傳動(dòng)模式行駛采用 PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速光電紅外傳感器通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)決策智能車(chē)的行駛狀態(tài) PWM 調(diào)速電動(dòng)小車(chē) Design and create an intelligence electricity motive small car Abstract 80C51 is a 8 bit single chip puter Its easily using and multifunction suffer large users This article introduces the CCUT graduation design with the 80C51 single chip puter This design bines with scientific research object This system regards the request of the topic adopting 80C51 for controlling core super sonic sensor for test the hinder It can run in a high and a low speed or stop automatically It also can record the time distance and the speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple the function is dependable Experiment test result satisfy the request this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze The adoption of technique as Keywords 80C51 single chip puter light electricity detector PWM speed adjusting Electricity motive small car 目 錄 前 言 1 第 1 章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 3 11 直流調(diào)速系統(tǒng) 3 12 檢測(cè)系統(tǒng) 4 13 顯示電路 11 14 系統(tǒng)原理圖 11 第 2 章 硬件設(shè)計(jì) 13 21 80C51 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 13 22 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 23 前向通道設(shè)計(jì) 16 24 后向通道設(shè)計(jì) 18 25 顯示電路設(shè)計(jì) 21 第 3 章軟件設(shè)計(jì) 20 31 主程序設(shè)計(jì) 20 32 顯示子程序設(shè)計(jì) 24 33 避障子程序設(shè)計(jì) 25 34 軟件抗干擾技術(shù) 26 35 看門(mén)狗技術(shù) 29 36 可編程邏輯器件 32 第 4 章測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果分析 33 41 測(cè)試 方法及儀器 32 42 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析 32 附錄 A 程序清單 33 附錄 B 硬件原理圖 41 外文資料翻譯 42 前 言 我設(shè)計(jì)的題目是電動(dòng)智能小車(chē)隨著社會(huì)的發(fā)展汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越與人們的日常生活密切相關(guān)全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車(chē)這方面的題目全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究可見(jiàn)其研究意義很大本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準(zhǔn)備本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類(lèi)課題設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車(chē)應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間速度里程具有自動(dòng)尋跡尋光避障功能可程控行駛速度準(zhǔn)確定位停車(chē) 根據(jù)題 目的要求確定如下方案在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車(chē)的基礎(chǔ)上加裝光電紅外線(xiàn)超聲波傳感器及金屬探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的速度位置運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的智能控制 本次設(shè)計(jì)采用的是 MCS51 系列的 80C51 單片機(jī)以 80C51 為控制核心利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙控制電動(dòng)小汽車(chē)的自動(dòng)避障快慢速行駛以及自動(dòng)停車(chē)并可以自動(dòng)記錄時(shí)間里程和速度自動(dòng)尋跡和尋光功能 80C51 是一款八位單片機(jī)它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)它是第三代單片機(jī)的代表 新一代的單片機(jī) 的最主要的技術(shù)特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)Microputer 完善的控制功能為己任將一些外部接口功能單元如 AD、 PWM、 PCA 可編程計(jì)數(shù)器陣列 、 WDT 監(jiān)視定時(shí)器 、高速 IO 口、計(jì)數(shù)器的捕獲比較邏輯等這一代單片機(jī)中在總線(xiàn)方面最重要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線(xiàn)為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式 Philips 公司還為這一代單片機(jī)80C51 系列 8ｘ C592 單片機(jī)引入了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線(xiàn) 本設(shè)計(jì)采用了新芯片 EM78P458 作為顯示驅(qū)動(dòng)器用兩片 4 位八段數(shù)碼管gem4561ae 作為顯示器并具有雙重功能在小車(chē)行駛時(shí)其中一片顯示年月另一片顯示時(shí)、分采用紅外測(cè)距儀檢測(cè)行車(chē)距離采用直流電機(jī)控制小車(chē)的前行后退利用超聲波障礙檢測(cè)利用其特性超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩其頻率超過(guò)20KHZ 分橫向振蕩和縱向振蕩兩種超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播其傳播速度不同 最后的整體電路圖用畫(huà)圖軟件 Protel 99 SE 來(lái)畫(huà)我在此設(shè)計(jì)中對(duì)此軟件有了更多的了解對(duì)此軟件的應(yīng)用也更加熟練整個(gè)電路圖都是我一人完成我感覺(jué)這個(gè)畫(huà)圖軟件真的是很有用我很有必要熟練掌握此軟件的應(yīng)用會(huì)對(duì)以后的工作學(xué)習(xí)有很大幫助的 第 1 章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 11 直流調(diào)速系統(tǒng) 方案一串電阻調(diào)速系統(tǒng) 方案二靜止可控整流器簡(jiǎn)稱(chēng) VM 系統(tǒng) 方案三脈寬調(diào)速系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變所以GM 系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)設(shè)備多體積大費(fèi)用高效率低維護(hù)不方便等缺點(diǎn)且技術(shù)落后 因此擱置不用 VM 系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式它可以是單相三相或更多相數(shù)半波全波半控全控等類(lèi)型可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速 VM 系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦运辉试S電流反向給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高維護(hù)運(yùn)行麻煩最后當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的功率因數(shù)很低并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是在這里晶閘管不受相位控制而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流兩端電壓接近于零 脈沖寬度調(diào)制 Pulse Width Modulation 簡(jiǎn)稱(chēng) PWM 脈沖周期不變只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間即通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速 與 VM 系統(tǒng)相比 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn) 1由于 PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流電樞電流容易連續(xù)系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)調(diào)速范圍較寬可達(dá)110000 左右由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好在相同的平均電流下電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小 2 同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶因此快速響應(yīng)性能好動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng) 3 由于電力電子 器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)主電路損耗較小裝置效率較高 根據(jù)以上綜合比較以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向本設(shè)計(jì)采用了 H 型單極型可逆 PWM 變換器進(jìn)行調(diào)速 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用制式變換簡(jiǎn)稱(chēng) PWM 變換器器脈寬調(diào) 脈寬調(diào)速也可通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)但是驅(qū)動(dòng)能力有限為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車(chē)的前行與倒車(chē)本設(shè)計(jì)采用了可逆 PWM變換器可逆 PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H型 T型等類(lèi)型我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式 H型變換器它是由 4 個(gè)三極電力晶體管和 4 個(gè)續(xù)流二極管組成的 12 檢測(cè)系統(tǒng) 檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢 測(cè)即利用各種傳感器對(duì)電動(dòng)車(chē)的避障位置行車(chē)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量 1 及光線(xiàn)檢行車(chē)起始終點(diǎn)測(cè) 本系統(tǒng)采用反射式紅外線(xiàn)光電傳感器用于檢測(cè)路面的起始終點(diǎn) 2cm 寬的黑線(xiàn)玩具車(chē)底盤(pán)上沿黑線(xiàn)放置一套以適應(yīng)起始的記數(shù)開(kāi)始和終點(diǎn)的停車(chē)的需要利用超聲波傳感器檢測(cè)障礙光線(xiàn)跟蹤采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線(xiàn)當(dāng)感受到光線(xiàn)照射時(shí)其 ce 間的阻值下降檢測(cè)電路輸出高電平經(jīng) LM393 電壓比較器和74LS14 施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)控制 本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管分別放置在電動(dòng)車(chē)車(chē)頭的左右兩個(gè)方向用來(lái)控制電動(dòng)車(chē)的行走方向當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)單片機(jī) 控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時(shí)單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)當(dāng)左右兩側(cè)光電管都受到光照時(shí)單片機(jī)控制直行見(jiàn)圖 11 電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路 行車(chē)方向檢測(cè)電路采用反射接收原理配置了一對(duì)紅外線(xiàn)發(fā)射接收傳感器該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線(xiàn)照射物體紅外光敏三極管在接收到反射回來(lái)的紅外線(xiàn)后導(dǎo)通發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào) 此套紅外光電傳感器固定在底盤(pán)前沿貼近地面正常行駛時(shí)發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面光線(xiàn)經(jīng)白紙反射后被接收管接收輸出高電平信號(hào)電動(dòng)車(chē)經(jīng)過(guò)黑線(xiàn)時(shí)發(fā)射端發(fā)射的 光線(xiàn)被黑線(xiàn)吸收接收端接收不到反射光線(xiàn)傳感器輸出低電平信號(hào)后送 80C51 單片機(jī)處理判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來(lái)控制玩具車(chē)的行駛狀態(tài)前進(jìn)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn)進(jìn)入減速區(qū)時(shí)由單片機(jī)控制進(jìn)行 PWM 變頻調(diào)速通過(guò)軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車(chē)前行與倒車(chē)控制電路的核心是橋式電路和繼電器電橋上設(shè)置有兩組開(kāi)關(guān)一組常閉另一組常開(kāi) 圖 11 電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路 電橋一端接電源另一端接了一個(gè)三極管三極管導(dǎo)通時(shí)電橋通過(guò)三極管接地電機(jī)電樞中有電流通過(guò)三極管截止時(shí)電橋浮空電機(jī)電樞中沒(méi)有電流通過(guò)系統(tǒng)通過(guò)電橋的 輸出端為轉(zhuǎn)向電機(jī)供電通過(guò)對(duì)繼電器開(kāi)閉的控制即可控制電機(jī)的開(kāi)斷和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車(chē)前行與倒車(chē)的目的實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏功能如圖 12 前行與倒車(chē)控制電路所示 圖 12 前行與倒車(chē)控制電路 2 直流電機(jī)的基本工作原理 直流發(fā)電機(jī)的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理在磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中一根長(zhǎng)度為 L的導(dǎo)體以勻速 V作垂直切割磁力線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)則在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)其值的大小按法拉第定律來(lái)計(jì)算 e BLV 直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型是一對(duì)在空間固定不變的磁極 abcd 是安裝在可以 轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱體上的一個(gè)線(xiàn)圈線(xiàn)圈兩端分別接到兩個(gè)相互絕緣的半圓型銅環(huán) 1和 2上換向片分別與固定不動(dòng)的電刷 A和 B保持滑動(dòng)接觸這樣旋轉(zhuǎn)著的線(xiàn)圈可以通過(guò)換向片、電刷與外電路接通 當(dāng)原動(dòng)機(jī)托著電樞以一定的速度在磁場(chǎng)中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)根據(jù)電磁感應(yīng)原理線(xiàn)圈邊 ab 和 cd 切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)其方向用右手定則確定假設(shè)線(xiàn)圈 ab邊處于 N 極下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從 b 指向 a 線(xiàn)圈的 cd邊處于 S 極下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從 d指向 c從整個(gè)線(xiàn)圈來(lái)看電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)?d→ c→ b→ a反之當(dāng) ab邊轉(zhuǎn)到S 極下 cd 邊轉(zhuǎn)到 N 極下時(shí)每個(gè)邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向都要隨之改變于是整個(gè) 線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向變?yōu)?a→ b→ c→ d 所以線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交變的假設(shè)磁場(chǎng)在電樞圓周上按正弦規(guī)律分布 B Bsin 則 e BLVsin 表明線(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)按正弦規(guī)律變化 那么如何在電刷上得到直流電動(dòng)勢(shì)呢這就要靠換向器的作用了當(dāng)線(xiàn)圈的 ab邊處于 N極下電動(dòng)勢(shì)的方向從 b向 a引到電刷 A所以電刷 A的極性為正當(dāng)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)過(guò) 180176。線(xiàn)圈