摘要該系統以AT89C51為主控核心，以實現按鍵控制功能。運用PWM直流電機調速技術，通過L298N芯片來驅動直流電機的轉動，完成對汽車運動速度和運動方向的控制，同時還利用霍爾傳感器實現了對運動距離的測量，并用靜態顯示電路顯示小車的運動路程。基于一些完備而可靠的硬件設計，實現了小車的自動控制。關鍵詞PWM直流電機調速AT89C51速度和方向的控制目錄摘要I第一章緒論1第二章總體設計方案221總體設計222系統原理圖2第三章智能小車硬件設計431小車控制芯片選擇4311AT89C51芯片介紹4312L298N芯片介紹732驅動電源833PWM調速原理及工作方式934直流電機構成及工作原理935單片機最小系統10第四章智能小車軟件設計1241軟件程序組成1242軟件的編程1343系統仿真及PCB圖16第五章總結19參考文獻20附錄硬件原理圖21第1章緒論自第一臺工業機器人誕生以來，機器人的發展已經遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領域近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，由此發展起來的智能小車引起了眾多學者的廣泛關注和極大的興趣。智能小車，也就是輪式機器人，最適合在那些人類無法工作的環境中工作，該技術可以應用于無人駕駛機動車，無人生產線，倉庫，服務機器人，航空航天等領域。作為20世紀自動化領域的重大成就，機器人已經和人類社會的生產、生活密不可分。因此為了使智能小車工作在最佳狀態，進一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。在環境信息獲取方面，采用攝像頭、超聲波兩種非接觸式傳感器。攝像頭主要采集智能小車前方的實時畫面，超聲波主要采集智能小車與障礙物的距離信息。以上各種模塊實現了智能小車與前方路障的距離、信息無線傳輸等功能，從而在遠端PC上對獲取的信息進行實時顯示。由于時間和水平有限，我們暫選最基本按鍵實現小車的調速和左右轉彎。本設計通過小車這個載體再結合由AT89C51為核心的控制板可以達到其基本功能，小車的左右輪分別由2只舵機提供動力,作為驅動輪和導向輪使。AT89C51單片機的PWM發生器產生2路（分為兩組）占空比可變的方波。控制2路PWM的比例，不僅可以調節小車向前運動的速度，還可通過2路PWM占空比的差異，改變小車運動方向。再輔加電源電路、差分驅動電路就可以完善整個設計。第二章總體設計方案21總體設計本次的課程設計是由我們一個小組9個人來分工完成的，智能小車被分為四個主要模塊，主要是小車的控制、通信、檢測和上位機存儲與顯示。由于時間的原因和個人的學習水平，本次設計我主要是對小車的控制作為研究對象。根據題目的要求，確定如下方案首先設計出小車的基本模形以及傳動方案，實現對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車的智能控制。這種方案能實現對電動車的運動狀態進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統的各項要求。智能小車的執行部分，是由直流電機來充當的，主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅動直流電機一般有兩種方案第一，勿需占用單片機資源,直接選擇有PWM功能的單片機，這樣可以實現精確調速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調制，需要占用單片機資源，難以精確調速，但單片機型號的選擇余地較大。考慮到實際情況，CPU使用AT89C51單片機，配合軟件編程實現。22系統原理圖根據我們所設計的要求和參考所學的知識，要想控制小車的加速前進和停止，我們就必須用L298N芯片來驅動直流電機的運轉，通過按鍵來調控小車的速度。運用單片機AT89C51為核心，完成我們所設計的智能小車。此部分是整個小車的大腦，是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有運行狀態的作用。考慮到小車必須能夠前進、轉彎、停止，并能靈活專性，在左右兩輪各裝一個舵機分別進行驅動。當左輪電機轉速高于右輪電機轉速時小車向右轉，反之則向左轉。為了能控制車輪的轉速，左右兩輪的轉速，可以采取PWM調速法，在單片機中編程改變輸出方波的占空比，從而可以改變電機的轉速，左右兩輪兩個電機轉速的配合就可以實現小車的前進、倒退、轉彎等功能。其硬件總體結構如圖21所示單片機按鍵左電機右電機圖21硬件總體結構圖第三章智能小車硬件設計31小車控制芯片選擇311AT89C51芯片介紹AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。單片機結構如圖31所示。圖31單片機結構1主要特性與MCS51兼容4K字節可編程閃爍存儲器壽命1000寫/擦循環數據保留時間10年全靜態工作0HZ24HZ三級程序存儲器鎖定1288位內部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內振蕩器和時鐘電路2管腳說明VCC供電電壓。GND接地。P0口P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示口管腳備選功能P30RXD（串行輸入口）P31TXD（串行輸出口）P32/INT0（外部中斷0）P33/INT1（外部中斷1）P34T0（記時器0外部輸入）P35T1（記時器1外部輸入）P36/WR（外部數據存儲器寫選通）P37/RD（外部數據存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。/PSEN外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2來自反向振蕩器的輸出。3振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10MS來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。312L298N芯片介紹L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯，從而很方便地受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制兩路電機，并可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。本模塊具有體積小，控制方便的特點。采用此模塊定會使電機控制自如，可以應對需要大功率直流電機的題目。L298N結構如圖32所示圖32L298N結構板上的ENA與ENB為高電平時有效，只有當ENA與ENB為高電平時，電機才旋轉，否則電機不轉，這里的電平指的是TTL電平。ENA為IN1和IN2的使能端，ENB為IN3和IN4的使能端。當ENA1，IN11IN20時電機1正轉，ENA1，IN10IN21電機1反轉。同理，當ENB1，IN13IN40電機2正轉，ENB1，IN30IN41電機2反轉。OUT1、OUT2接電機1，OUT3、OUT4接電機2。SENSA、SENSB接地，電源正端為VCC，電源負端為GND。L298N的控制表格電機旋轉方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4正轉10/反轉01/M1左電機停止00/正轉/10反轉/01M2右電機停止/0032驅動電源采用四節干電池降壓至5V后給單片機及其他邏輯單元電機及光電開關供電。這樣電機啟動及制動時的短暫電壓干擾不會影響到邏輯單元和單片機的工作。干電池用電池盒封裝，體積和重量較小，同時玩具車底座可以安裝四節干電池，正好可為單片機及其他邏輯單元供電。在穩壓方面，起始時考慮使用7805芯片對6V的電池電壓進行降壓穩壓。但考慮到這樣使得7805芯片消耗大量能量，降低電池壽命；同時，由于AT89C51、光電開關、小車電機對于供電電壓要求并不苛刻，故我們將6V電池電壓接一個二極管降壓后直接給單片機及其他邏輯單元供電。這樣只需在小車遙控上加兩個調速按鈕，根據電池電量選擇合適功率即可。33PWM調速原理及工作方式方案一雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉向和轉速。方案二單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調節決定電動機的轉向和轉速。由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。PWM調速電路如圖33所示。圖33PWM調速電路圖為了實現小車的加速前進，我們使用PWM調速系統，其主要原理就是調節輸出電壓所占用的時間。這樣我們就用到了占空比這一詞。所謂占空比就是指周期電信號中有電信號輸出的時間與整個信號周期之比，即占空比電信號不為“0”的時間/（電信號為“0”的時間電信號不為“0”的時間）100。占空比越大，輸出電壓越高，占空比的作用是調整開關管的導通時間。占空比是指高低電平所占的時間的比率，占空比越大，電路開通時間就越長，整機性能就越高。34直流電機構成及工作原理驅動智能小車能直線加速和轉彎主要是靠兩個直流電機來操控的。其主要構成有磁場N和S是一對靜止的磁極，用以產生磁場，其磁感應強度沿圓周為正弦分布。勵磁繞組容量較小的發電機是用永久磁鐵做磁極的。容量較大的發電機的磁場是由直流電流通過繞在磁極鐵心上的繞組產生的。用來形成N極和S極的繞組稱為勵磁繞組，勵磁繞組中的電流稱為勵磁電流IF。電樞繞組在N極和S極之間，有一個能繞軸旋轉的圓柱形鐵心，其上緊繞著一個線圈稱為電樞繞組圖中只畫出一匝線圈，電樞繞組中的電流稱為電樞電流IA。換向器電樞繞組兩端分別接在兩個相互絕緣而和繞組同軸旋轉的半圓形銅片換向片上，組成一個換向器。換向器上壓著固定不動的炭質電刷。電樞鐵心、電樞繞組和換向器所組成的旋轉部分稱為電樞。其主要的工作原理為給電刷旋加一直流電壓，一段導體中就有電流流過，由電磁力定律可知導體會受到電磁力作用。導體處于N極下與電刷接觸電流向里流，產生電磁力矩為逆時針；導體處于S極下與電刷接觸電流向外流，產生電磁力矩仍為逆時針。轉子在該電磁力矩作用下開始旋轉向外輸出機械功率。如圖35直流電機驅動框圖。圖35直流電機驅動框圖35單片機最小系統為了保證單片機系統能正常工作，單片機最小系統主要由AT89C51單片機、外部振蕩電路、復位電路和5V電源組成。在外部振蕩電路中，單片機的XTAL1和XTAL2管腳分別接至由12MHZ晶振和兩個30PF電容構成的振蕩電路兩側，為電路提供正常的時鐘脈沖。單片機最小系統原理如圖36。圖36單片機最小系統原理圖第四章智能小車軟件設計41軟件程序組成在進行微機控制系統設計時，除了系統硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機控制系統設計中占重要地位。對于本系統，軟件更為重要。在單片機控制系統中，大體上可分為數據處理、過程控制兩個基本類型。數據處理包括數據的采集、數字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產。在軟件設計當中我們是以C語言作為計算機語言，實現小車的控制。KEILC51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具。KEILC51生成的目標代碼效率非常高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。我們可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及C51編譯器編譯生成目標文件OBJ。目標文件可由LIB51創建生成庫文件，也可以與庫文件一起經L51連接定位生成絕對目標文件ABS。ABS文件由OH51轉換成標準的HEX文件，運用仿真軟件PROTEU進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。程序流程圖如圖41所示初始化掃描鍵盤是否有鍵按下解碼勻速加速再加速停止NY圖41程序流程圖42軟件的編程INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUNSIGNEDCHARZKB10/左邊電機的占空比UNSIGNEDCHARZKB20/右邊電機的占空比UNSIGNEDCHART0/定時器中斷計數器SBITENAP10SBITIN1P11/電機SBITIN2P12SBITENBP13SBITIN3P20SBITIN4P21SBITSPEED1P15SBITSPEED2P16SBITSPEED3P17SBITSTOP0P14UCHARM/初始化定時器中斷/VOIDINITTMOD0X01TH0655362500/256TL0655362500256EA1ET01TR01/中斷函數脈寬調制/VOIDTIMER0INTERRUPT1IFT8T0/速度1/VOIDSUDU0ZKB12ZKB22/速度2/VOIDSUDU1ZKB15ZKB25/速度3/VOIDSUDU2ZKB18ZKB28/停止/VOIDSTOPZKB10ZKB20VOIDMAINUCHARFINITENA1ENB1IN11/給電機加電啟動IN20IN31IN40ZKB10ZKB20M3WHILE1IFSPEED10M0IFSPEED20M1IFSPEED30M2IFSTOP00M3FMSWITCHFCASE0SUDU0BREAKCASE1SUDU1BREAKCASE2SUDU2BREAKCASE3STOPBREAKDEFAULTBREAK43系統仿真及PCB圖經過硬件和軟件的結合，將編譯好的C語言通過KEIL生成HEX文件，然后通過PROTEUS仿真系統是否能運行。系統仿真如圖41所示。圖41系統仿真圖經過系統的仿真之后能夠穩定的運行。這樣我們可以將所編好的程序下載到智能小車里，這也就完成了我所對于小車控制部分的設計。對于智能小車的超聲波測距、數據的通信和上位機的存儲與現實部分，由我們組的另外幾個同學完成，在這里我也不多介紹其它部分的內容。經過PROTEL軟件畫出原理圖后生成PCB圖，以便將來的制版。PCB生成如圖42所示。圖42PCB生成圖第五章總結經過了一個多月的緊張設計，我們的智能儀表課設也告一段落了，這不是我們對課程實習的結束而是一個新的開始。在以后的比賽和工作中更是需要這些基本的技能。在這里，我首先要感謝的是李剛老師的指導。在李剛老師的幫助和指導下，我才有信心完成這次課程設計。在我遇到設計瓶頸的時候，是老師在旁邊給我指導和引導我的思路。經過五星期的努力，老師和我的付出終于得到了回報我所設計的結果終于出來了。雖然設計的有一些簡單，但是我想這也是我的一個小小的進步。只有小小的努力最后才能有更大的收獲。這次畢業設計讓我明白了只有理論和實踐相結合起來才能更好的更快的更深刻的學會某一種知識，以后出了社會也應該這樣，要把理論和實踐結合起來才是最好的。本次畢業設計就是我真正意義上的實踐，可以算是為我出社會作了一個實踐上的鋪墊吧，當然設計中還有很多很多的不足之處。希望各位老師們批評指正。參考文獻1孫玉才單片微型計算機及其應用M電子工業出版社20012何立民單片機應用系統設計M北京航天航空大學出版社,2005,1671683方建軍,何廣平智能機器人M化學工業出版社,20044潘新民,王燕芳微型計算機控制技術M北京電子工業5孟慶春,齊勇,張淑軍等智能機器人及其發展J中國海洋大學學報,2