單片機課程設計--智能小車—硬件設計

1、<p><b>　　實 驗 報 告</b></p><p>　　課程名稱 單片機課程設計 </p><p>　　實驗名稱 智能小車—硬件設計 </p><p>　　專 業(yè) 通信工程 </p><p>

2、　　班 級 </p><p>　　學 號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　2011年 12 月 12 日</p

3、><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　　課程名稱 單片機課程設計 </p><p>　　課 題 智能小車—硬件設計 </p><p>　　專業(yè)班級 </p><p>　　學生姓名 </p&g

4、t;<p>　　學 號 </p><p>　　指導老師 </p><p>　　審 批 </p><p>　　任務書下達日期 2011 年 12 月 12 日</p><p>　　任務完成日

5、期 2011 年 12 月 26日</p><p>　　設計課題六：基于51單片機的智能小車設計</p><p><b>　　一、問題描述：</b></p><p>　　小車模型采用玩具小車，電機采用步進電機，以51單片機為核心的控制電路，控制小車前進、后退、加速、減速。采用紅外傳感器檢測電路，實現小車在行駛中自動循跡的功能。<

6、/p><p><b>　　二、功能要求：</b></p><p><b>　　1、基本部分：</b></p><p>　　小車能做前進、后退、加速、減速等簡單運動。</p><p><b>　　2、發(fā)揮部分：</b></p><p>　　小車能在設計的線路上

7、完成循跡功能。</p><p><b>　　三、主要器件準備：</b></p><p>　　51單片機最小系統(tǒng)板、電池、穩(wěn)壓電源模塊、紅外傳感器、玩具小車、步進電機、電機驅動模塊</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　課題的主要功能......................

8、............................................................................3</p><p>　　功能模塊的劃分及工作原理..............................................................................3</p><p>　　硬件模塊總體

9、設計................................................................................................3</p><p>　　電源模塊..............................................................................................

10、..................4</p><p>　　單片機系統(tǒng)模塊....................................................................................................4</p><p>　　電機驅動模塊.........................................

11、...............................................................5</p><p>　　循跡模塊................................................................................................................6</p><

12、p>　　智能小車的制作流程..........................................................................................7</p><p>　　元件的準備.....................................................................................

13、.......................7</p><p>　　制作原理圖............................................................................................................7</p><p>　　制作PCB圖..............................

14、............................................................................9</p><p>　　制作電路板............................................................................................................10</

15、p><p>　　組裝........................................................................................................................11</p><p>　　接線.....................................................

16、...................................................................14</p><p>　　硬件調試..............................................................................................................14</p>

17、<p>　　總結......................................................................................................................14</p><p>　　評分表.............................................................

18、.....................................................16</p><p><b>　　一、課題的主要功能</b></p><p>　　本次課程設計要求結合《51單片機原理及應用》課程所學內容，完成智能小車的設計。通過智能小車的設計進一步掌握51單片機的原理及應用。通過軟件設計和硬件設計最終使小車實現基本部分和發(fā)揮部

19、分的功能。其中小車實現功能的基本部分包括小車能做前進、后退、加速、減速等簡單的運動。發(fā)揮部分包括小車能在設計的線路上完成循跡功能。小車模型采用玩具小車，電機采用直流電機。核心控制電路為52單片機，采用模塊化的設計方案，運用紅外傳感器檢測電路，實現小車在行駛中自動循跡的功能。</p><p>　　二、功能模塊的劃分及工作原理</p><p>　　1、硬件模塊總體設計</p>&

20、lt;p>　　電路分為電源模塊、單片機系統(tǒng)模塊，電機驅動模塊，循跡模塊。</p><p>　　智能小車設計的原理框圖如下：</p><p>　　工作原理：利用循跡模塊中的紅外發(fā)射接收對管檢測路面上的軌跡，將軌跡信息發(fā)送給單片機系統(tǒng)模塊；單片機系統(tǒng)模塊采用模糊推理求出轉向的角度和行走速度，對電機驅動模塊發(fā)出相應的控制信號；電機驅動模塊接到單片機系統(tǒng)的控制信號后對電機進行驅動，最終完成智

21、能小車在設計線路上的自動循跡。</p><p><b>　　2、電源模塊</b></p><p>　　本次設計中，單片機和直流電機要求的供電電壓均為5V。而由6個1.2V干電池串聯(lián)而組成的電源實際提供的電壓為7.2V，超過需求電壓，所以通過電壓轉換芯片將電壓轉換為5V的直流電壓后再給單片機和電機供電，保證單片機和電機工作在安全電壓之內。</p><

22、p>　　工作原理：由六節(jié)干電池串聯(lián)組成電源，然后利用電壓轉換芯片7805進行電壓轉換，取得安全穩(wěn)定電壓。</p><p><b>　　3、單片機系統(tǒng)模塊</b></p><p>　　智能小車的核心控制電路為ATMEL公司生產的AT89C52單片機芯片。本次設計的單片機最小系統(tǒng)電路包括：電源電路、時鐘電路、復位電路、按鍵和插針電路。其中各個部分的功能如下：<

23、/p><p>　　電源電路：通過電壓轉換芯片后為單片機和電機提供5V穩(wěn)定電壓。</p><p>　　時鐘電路：由一個外接的11.0592MHz的石英晶振為單片機提供時鐘信號。</p><p>　　復位電路：在電壓達到高電平時給單片機芯片發(fā)送一個復位信號。</p><p>　　按鍵：各按鍵分別具有復位功能、前進后退控制功能、加速功能、減速功能、模式

24、轉換功能。</p><p>　　插針：插針對外顯示為單片機的接口。</p><p>　　工作原理： 單片機系統(tǒng)模塊是小車的核心電路。其上有電源轉換芯片7805、AT89C52芯片、電源按鍵，復位按鍵，前進后退鍵、加速減速鍵、模式轉換鍵等，這些功能的實現是通過單片機編程實現。循跡模塊和電機驅動模快分別接到單片機的P1口和P2口，通過從循跡模塊傳輸到單片機電平的變化來控制電機驅動進而控制小車進

25、行各個行駛狀態(tài)轉化。</p><p>　　對時鐘電路而言，單片機的時鐘信號用來提供單片機內各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩和外部振蕩。89C52單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益的反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。由于采用內部方式時電路簡單，所得時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式。在片外接晶體振蕩器或陶瓷振蕩器就構成了內部振蕩方式。片內

26、高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷振蕩器一起可構成一個自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。</p><p>　　對復位電路而言，為了初始化單片機內部的某些特殊功能寄存器，必須采用復位的方式，復位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機的復位時靠外電路來實現的，在正常運行情況下，只要RST引腳上出現兩個周期以上的高電平，即可起系統(tǒng)復位，但如果RST引腳上持續(xù)為高電平，單

27、片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。復位后系統(tǒng)將輸入/輸出（0/1）端寄存器置為FFH，堆棧指針SP置為07H，SBUF內置為不定值，其余寄存器全部清零，內部ＲＡＭ的狀態(tài)不受復位的影響，在系統(tǒng)上電時ＲＡＭ的內容是不定的。復位操作有兩種情況，即上電復位和手動復位。本系統(tǒng)采用手動復位。</p><p><b>　　電機驅動模塊</b></p><p>　　電機有兩種選取方案。它們是步

28、進電機和直流電機。</p><p>　　步進電機具有一個顯著的特點是具有快速的啟停能力，如果負荷不超過步進電機動態(tài)轉矩值就能夠立即使步進電機啟動或反轉。另一個顯著特點是轉換精度高正反轉控制靈活。</p><p>　　直流電機轉動矩力大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。除此之外，直流電機具還有優(yōu)良的調速特性，調速平滑，方便，調節(jié)范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無數快

29、速啟動、制動和反轉。這些特性剛號滿足課設中“小車能做前進、后退、加速、減速等簡單運動”的要求應具有的特性。同時由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速齒輪組，可以產生較大扭力。采用左右兩輪分別驅動，前萬向輪轉向的方案。左右輪分別用兩個轉速和力矩基本相同的直流電機進行驅動，車體前部裝一個萬向輪。由此可以輕松實現小車不同角度的轉彎。所以本次課設中我們采用了直流電機驅動。</p><p>　　電機驅動芯片為L298

30、，其驅動電流大，為電機驅動專門設計，工作穩(wěn)定可靠。L298是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路，可以方便的驅動兩個直流電機。</p><p>　　工作原理：驅動模塊向內與電源直接相連，再連接到電源轉換芯片，為電機和單片機提供電壓。驅動模塊的核心芯片是L298，通過單片機的I/O口輸入改變芯片控制端的電平，即可對電機進行正反轉，停止的操作。L298N

31、內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號。L298的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接兩個電動機。IN1 、IN2、 IN3、 IN4引腳從單片機接輸入電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。</p><p>　　對于電機的調速，我們采用PWM調速的方法。PWM是脈沖寬度調制（Puse W idth Modulation），

32、它是指將輸出信號的基本周期固定，通過調整基本周期內工作周期的大小來控制輸出功率的方法。在PWM驅動控制系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“接通”和斷開“時間的長短。如下圖所示，在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通斷電的時間，即可讓電機轉速得到控制。其原理就是開關管在一個周期內的導通時間為t,周期為T，則電機兩端的平均電壓U=Vcc*(t/T)=aVcc。其

33、中a=t/T（占空比），Vcc是電源電壓。電機的轉速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快。在硬件電路的連接上，我們將單片機的P2.3~P2.7口分別連接到L298的IN1~IN4上，通過改變P2.3~P2.7口上的高低電平變化以控制小車的前進方向，改變P2.3~P2.7口上的高低電平的占空比以控制電機的轉速。</p><p>&l

34、t;b>　　循跡模塊</b></p><p>　　循跡模塊的電路板是雙面電路板，其接在下方的是紅外對管探頭和芯片74LS14。上面是5個可變電阻和200歐的限流電阻、1K的分壓電阻及施密特觸發(fā)器的輸出。</p><p>　　工作原理：探頭探測到發(fā)射光強的變化，從而引起可變電阻的變化，變化傳到施密特觸發(fā)器，改變輸出電平，再傳送到單片機，從而通過單片機控制小車的行駛。<

35、/p><p>　　為了保證小車沿黑線行駛，我們采用了5個紅外管并列采集信號。之所以采用奇數個紅外管，是因為這樣無論小車向左右任一方向偏向行駛都可以進行控制其及時自動進行方向調節(jié)。小車怎樣進行自動循跡呢？因為在小車行駛過程中，由于黑線具有吸收光線的作用其反射的光線較少，所以中間的紅外管感應的光線較少，光敏電阻小，分得的電壓小，為低電平。黑線兩邊的地面由于吸收光線較少的作用其反射的光線較多，黑線兩邊的紅外管感應的光線較多

36、，光敏電阻大，分得的電壓大，為高電平。循跡模塊中的斯密特觸發(fā)器將當前采集到的一組電壓值傳遞給單片機。一旦小車偏離路徑，單片機接收到的電壓值就會發(fā)生變化，進而單片機依據已編程序，調節(jié)兩個電機，從而控制小車的行駛路徑。進而完成小車的自動循跡功能。</p><p>　　三、智能小車的制作流程</p><p><b>　　元件的準備</b></p><p&

37、gt;　　智能小車的元件清單如下所示：</p><p>　　尋跡模塊：HD74LS14R（施密特觸發(fā)器） 2個</p><p>　　ST188（紅外管） 7個</p><p>　　W104（可變電阻） 7個</p><p>　　十芯有腳插座 3個</p><p>　　驅動模塊：L298芯片 1個</p&g

38、t;<p>　　單片機系統(tǒng)模塊：89C52芯片 2個</p><p>　　電源模塊：干電池 6節(jié)</p><p><b>　　7805 1個</b></p><p>　　小物件：1N4007（二極管） 16個</p><p>　　LED 8個</p><p>　

39、　以上元件數均按備份形式列出，實際應用按需要取即可。</p><p><b>　　制作原理圖</b></p><p><b>　　各模塊原理圖如下：</b></p><p>　　（1）單片機系統(tǒng)模塊電路圖</p><p>　?。?）循跡模塊電路圖</p><p>　　（3）電

40、機驅動模塊電路圖</p><p><b>　　3、制作PCB圖</b></p><p>　　根據原理圖畫出PCB圖。各模塊的PCB圖如下所示：</p><p>　　（1）單片機最小系統(tǒng)PCB圖</p><p>　?。?）探測模塊PCB圖</p><p><b>　　制電路板</b&

41、gt;</p><p>　　將單片機系統(tǒng)模塊和循跡電路模塊制成電路板，電機驅動模塊通過購買集成電路板獲得，故不再制板。制版包括影印，蝕刻，打孔。制板在實驗室完成。單片機系統(tǒng)模塊電路板采用單面印制電路板；探測模塊電路板是采用雙面印制電路板。</p><p>　　各模塊電路板如下圖所示：</p><p>　　單片機系統(tǒng)模塊電路板圖：</p><p&g

42、t;<b>　　循跡模塊電路板圖：</b></p><p><b>　　5、組裝</b></p><p>　　制板后，組裝小車。包括：兩個電機，三個輪子，電源模塊（見下圖），單片機系統(tǒng)模塊電路板，循跡模塊電路板，電機驅動模塊（見下圖）。每個電機上應引出兩條線，用來接電源驅動模塊。供電電源是采用六節(jié)1.2V的干電池串聯(lián)供電，電池的重量較大，故應裝在

43、車身中間以免使前輪或者后輪傾倒。循跡模塊電路板應裝在前面，這里我們是引出兩條鋁板以連接車子和電路板，用長螺釘固定。</p><p>　　單片機系統(tǒng)模塊電路板是固定在電池后面的，這個板子較電機驅動模塊大，為了不接觸輪子，在板子沒有印制線的空地方打了兩個孔用來固定電路板。而電機驅動模塊是固定在電源前面。這塊電路板不宜再打孔，故用線固定著。</p><p><b>　　萬向輪如下圖所示

44、：</b></p><p><b>　　電源模塊如下所示：</b></p><p>　　電機驅動模塊如下圖所示：</p><p>　　組裝完畢后小車整體模型圖如下圖所示：</p><p><b>　　接線</b></p><p>　　電源接口線是與驅動模塊的輸入線

45、相連接，將單片機模塊上的7805接線到驅動模塊的輸入，7805是電壓轉換芯片，將輸入7.2V轉換為5V，從而為單片機和電機提供電壓。L298的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接兩個電動機。循跡模塊的施密特觸發(fā)器共用了5個，其輸出y1~y5和GND、Vcc分別接單片機P1口的P1.3~P1.7和GND和Vcc。IN1 、IN2、 IN3、 IN4和ENA，ENB分別接單片機P2口的P2.0~P2.5，GND和Vcc接單片機模

46、塊上的GND和Vcc。</p><p><b>　　硬件調試</b></p><p>　　將循跡電路中的10KΩ電阻改為1KΩ電阻</p><p>　　因為該電阻主要用作保護電阻保護電路，1KΩ已經足夠保護電路，若取10KΩ則阻值過大不利于與之相串聯(lián)的64KΩ的可變電阻的調節(jié)控制。</p><p>　　在裝上斯密特觸發(fā)器

47、后發(fā)現其引腳電壓沒有按預想輸出相應電壓。</p><p>　　經檢查發(fā)現是雙面電路板的印制過程中，電路的正反面印顛倒了。拆下該觸發(fā)器將其按在電路板的另一面相應位置，該觸發(fā)器的引腳電壓正確。</p><p>　　在拆除斯密特觸發(fā)器后發(fā)現接接Vcc的電路電平為低電平。</p><p>　　經檢查是在拆卸過程中導致Vcc和接地相連，去除兩電路之間的錫線后，電壓正常。<

48、;/p><p><b>　　總結</b></p><p>　　本次課程設計要求我們采用玩具小車作為模型，自主設計電路，制作電路板，組裝小車，調試軟硬件，最終完成小車做前進、后退、加速、減速等簡單運動的基本功能和在設計的線路上完成自動循跡的拓展功能。</p><p>　　在設計的過程中我們小組的組員分工合作，密切配合，在智能小車臨時討論群里及時分享資

49、料、思路并就設計的各個環(huán)節(jié)進行了激烈討論。本次課程設計以小組為單位的分配任務方式，不同與以前的獨立進行課設的分配任務理念。它有助于我們養(yǎng)成良好的團隊意識和奉獻精神，但同時也有一定的弊端，造成整個設計了解不夠全面。這可能與小組內任務分配存在一定的關系。不過，我覺得以后的課程設計中這種任務分配方式還是可以適當的用一下的，它有利于我們將來參加工作后的任務完成。正所謂，術業(yè)有專攻，正是如此。</p><p>　　在本次設

50、計中我是負責硬件原材料的準備，配合組長進行原理圖的制作以及制板。在原材料的準備階段，我在圖書館翻閱了許多書籍，了解了智能小車硬件應具備的幾個模塊，包括單片機系統(tǒng)模塊，循跡模塊，電源模塊和電機驅動模塊。單片機系統(tǒng)模塊我們直接采用89C52芯片即可。電源模塊，考慮到小車的機動性能我選擇了用干電池而沒有用蓄電池。至于電機的選擇，我仔細考慮了直流電機和步進電機的特征是否滿足我們的任務要求選擇了直流電機。至于循跡模塊和電機驅動模塊的選取，雖然我對

51、這兩個模塊進行了一定的了解，但人不能確定準備何種元件，最終是在實驗室參考歷屆的智能小車模型做出的元件選取。對于原理圖的制作，我真的當了一把副手，在制作的過程中，我發(fā)現自己對一些方面的知識真的比較欠缺，因此也沒提出多少有建設性的建議。在制板的過程中，我主要根據PCB圖進行了循跡電路板的制作，因此對循跡電路的了解較其他模塊要多一些。同時在制板的過程中，我了解了制板的大致流程。在制作循跡模塊的電路板時，由于是雙面板，雖然很小心還是出現了一些差

52、錯，導致我轉孔的時候不得不小心翼翼，因為一不小心就會把銅盤給轉沒了。</p><p>　　這次課設我們組經過不懈的努力完成了任務書要求的基本功能和拓展功能。但是還是存在一些有待改進的地方。比如驅動能力較弱，小車反應不夠靈敏等。</p><p>　　通過這次課設，我了解了智能小車的制作流程，掌握了一些電路板制作的操作知識，加強了自己對單片機運用的能力，增加了對嵌入式設計的興趣。同時，在課設中

53、我也體會到團隊合作的力量，從組員身上看到了許多值得自己學習有點?？傊?，這次課設使我受益良多。</p><p><b>　　六、評分表</b></p><p><b>　　課程設計評分表</b></p><p>　　課程名稱： 智能小車設計 </p><p>　　教師簽名：