单片机控制的电动小车

《单片机控制的电动小车》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机控制的电动小车（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 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

2、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

3、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，

4、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。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 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13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

5、 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、

6、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

7、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攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 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

8、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

9、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

10、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

11、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）声光报警攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 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

12、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。35BY

13、48S03 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，47。步进电机的驱动电路如图 3.2所示。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 5 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

14、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81.5mm。 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

15、色的物体所吸收，所反射回来的光束攀枝花学院本科毕业设计（论文） 6 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U2U3,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