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1、单片机电子秤计系（分院）： 电子信息工程系 专业班 级： 应用电子3091 学生姓名： 学 号： 指导教师： 二一二年 四 月一 日摘 要整个小车平台主要以51单片机为控制核心，通过无线遥控实现前进后退和转向行驶；通过红外线传感器,实现小车的自适应巡航、避障等功能。设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。从电机车体，最小系统到无线遥控，红外线对管的自动寻迹再到红外线自动避障和语音控制，完成各模块设计。 关键词：智能，红外线传感器，自动寻迹，语音控制目 录引言.1
2、1 系统总体方案设计.2 1.1 系统的工作原理及设计基本思路.2 1.1.1 系统的工作原理.3 1.1.2 系统的设计基本思路.6 1.2 系统总体方案比较与论证.7 1.3 单片机的选型.9 1.4 数据采集部分的方案确定.11 1.5.1 传感器.12 1.5.2 前级放大器.14 1.5.3 AD转换器.15 1.5 人机交互部分.15 1.6.1 键盘输入.16 1.6.2 输出显示.16 1.6 实时时钟功能.162 系统硬件设计.17 2.1 AT89S52主控电路.18 2.1.1 芯片介绍.20 2.1.2 主控电路.20 2.2 压力传感器放大电路.21 2.2.1 压力
3、传感器介绍.21 2.2.2 压力传感器放大电路.22 2.3 人机交换界面.23 2.3.1 键盘控制电路.24 2.3.2 液晶控制电路.24 3 系统软件设计.25 3.1 主程序流程图.26 3.2 键盘中断流程图.27 谢辞.28 参考文献.29 附录A 原理图.30 引言该智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普
4、及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。通过调试检测各模块，得到正确的信号输出，实现其应有的功能。最后将各个调试成功的模块结合到小车的车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各模块有效整合在一起，达到所预期的目标，完成最终设计与制作，能使小车在一定的环境中智能化运转。1系统简介1.1 系统方案根据课题的设计要求，本方案主要由电源模块、微控制器模块、寻迹模块、电机驱动模块、发射模块和接收模块组成。系统框图如图3所示。为了较好的实现各个模块的功能，我们做了如下的比较。1.1.1 小车车体的选择第一种方案是自己用覆铜板
5、和电机自制一个小车，前轮使用两个步进电机做转向，后轮用直流电机做动力。第二种方案也是自制一个小车，不过小车前面使用万用导向轮做转向，小车后面用两个直流电机驱动，通过调节直流电机的转速，调节小车的速度。这两种方案中心都是自制一个小车，考虑到传动装置的缺乏和购买传动装置的费用较高，而且组装出来的装置传动效果可能不太理想，就放弃了自制小车的两个方案。第三种方案是购买成品小车，由于得到老师提供的一款玩具小车的底座，通过分析该小车的转向角和带负载能力，都可以满足本系统的要求。试验时，在小车上放置一斤以上的重物，小车的速度还需要通过PWM降速，使其速度满足红外寻迹的要求。前两种方案的中心都是自制一个小车，
6、考虑到传动装置的缺乏和购买传动装置的费用较高，而且组装出来的装置传动效果可能不太理想，于是放弃了自制小车的两种方案。通过对三种方案的仔细研究与比较，我们最终选择了第三种方案。1.1.2 驱动电机电路的选择所选的小车底座有两个直流电机。单片机的驱动能力无法直接驱动直流电机，所以要使用电机驱动电路。第一种方案是，选用H桥电路驱动两个直流电机。H桥驱动电路较复杂，电路的性能无法保证，且电能的利用率较低。最后不做考虑。第二种方案是用电机驱动芯片驱动电机。电机驱动芯片可以减少电路的复杂度，使电路美观，且电能的利用率较高。直流电机所需的驱动电压、驱动电流均比较大，因此采用双H桥高电压大电流驱动芯片L298
7、N作为电机驱动芯片。L298N是推挽式功率放大专用集成电路器件，直流驱动电流总和可达4A，其内部具有2个完全相同的PWM功率放大回路，拥有PWM调速功能。通过考虑各种驱动芯片的性能和我校实验室的现有资源，选择了L298N驱动芯片，它可以驱动两个直流电机，并对两个直流电机进行PWM调速。在设计电路时，控制电路中，考虑到单片机会受到驱动部分的干扰，因此采用了光电藕合器TLP521，把控制部分和驱动部分在电气上隔离开来。采用8个1N5822高速大电流肖特基二极管组成续流保护电路，消除电机在起停、制动及换向时产生的反电势。系统工作时，单片机引脚输出的控制信号经过光电耦合器之后输入电机驱动芯片L298N
8、，控制电机动作。当需要调速时，只需改变PWM波(本设计中由单片机P2.1和P2.3端口产生)的占空比即可，理论上可以实现256级调速。1.1.3 小车电源的选择第一种方案是选用多块串联的可充电锂电池。考虑到此种电池的价格较高，且充电时极为不便，于是放弃此方案。第二种方案是使用12V的铅蓄电池，12V铅蓄电池质量较重，大约800克，担心小车的带负载能力有限，通过试验得知，小车带同样重量的负载时，还需要进行PWM调速，速度才可以满足要求。通过调整重心的位置，使重心后移，小车可以自由的进行转向，从而对自动寻迹的转向没有任何影响，最后选择了该方案。1.1.4 寻迹模块的选择第一种方案是选择精准度较高的
9、红外探测传感器，考虑到红外探测传感器价格较高，放弃了这个方案。第二种方案是使用红外对管，特点是价格低，质量轻，对小车的转向不会造成影响。在使用时，测试的效果不够理想，外界的光线对其灵敏度有较大的影响，检测的灵敏度非常低，不能够满足自动寻迹的要求。在后来的实验中，在每个红外对管的外面套上热缩管，减少外界光线对红外对管的干扰，使得红外对管的检测灵敏度大大提高，达到了寻迹检测的要求，所以最后选择了该方案。1.1.5 遥控模块的选择第一种方案是红外遥控。红外遥控的电路比较简单，实现起来比较方便。但是红外遥控的弊端是容易受到外界光线的干扰，并且红外遥控必须使遥控端和被遥控端相对且处于接近一条直线上，这样
10、根本不能实现对小车的全方位遥控。所以最后放弃了这个不太合理的方案。第二种方案是使用无线电遥控。一般的无线电电路制作出来之后的效果太理想，为了保证遥控的效果，选择了集成的无线电收发模块电路（315M发射和接收模块）。为方便对无线电的控制，最后选择了PT2262-L4芯片和PT2272芯片来实现无线电的编解码。1.1.8 智能遥控寻迹小车的最终方案1）车体为成品玩具车的底座，包括两个直流电机。2. 电机驱动电路选择为光耦隔离的L298N驱动电路。3. 电源选择12V的铅蓄电池。4. 智能寻迹模块选用红外对管。5. 使用编解码芯片进行无线遥控。1.2硬件系统设计1.2.1电机驱动模块驱动芯片使用的是
11、SGS公司的产品LM298N，15脚Multiwatt封装的。内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机。其驱动直流电机电路的优点是电路简单可靠，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚接电源电压，电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。L298可驱动2个直流电动机，在本模块中，我们把OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间分别接电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。6（EnA），11（EnB）脚分别接PWM控制端，调节电机的转速。
12、图4为L298N的功能逻辑图，图5为电机控制电路原理图，其中1,15脚为输出电流反馈引脚，通常在使用中可以直接接地。图5 直流电机驱动模块1.2.2寻迹模块电路本模块选用的器件是比较便宜的反射式红外对管，通过电位器调节红外发射管的功率改变发射的红外线的强弱，接收管根据接收到经过地面反射回来的红外线的强弱导通或截止，经过接收模块产生高低电平的变化。为了使其产生稳定的电平信号，在电路中加入史密斯触发器74LS14对接收模块的输出信号整形。其实循迹原理很简单,如下图,就是红外反射照到黑线上方时光都被黑线吸收了(注意要调节好反射管到地面的距离),接着接收模块就输出一个低电平给控制器(单片机),然后单片
13、机就根据这个低电平执行动作(左转或者右转)。74LS14内部逻辑图如图6所示。红外寻迹电路原理图如图7所示。图7 红外循迹电路在红外对管的外面加设热缩管，大大提高了红外对管的灵敏度，实物图如图8所示。1.2.3 无线电遥控模块315M发射模块得电时会发射出稳定的频率为315MHZ的高频信号。发射模块如图9所示，接收模块如图10所示。PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端
14、管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。 编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射
15、电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制为100的调幅。 PT2262特点： 、CMOS工艺制造，低功耗 、外部元器件少 、RC振荡电阻 、工作电压范围宽：2.6-15v 、数据最多可达6位 、地址码最多可达531441种 应用范围 ：、车辆防盗系统 、家庭防盗系统 、遥 控 玩 具 PT2262-L4引脚图如图11所示,PT2272引脚图如图12所示。在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。我们选用这种组合方式。遥控器电路图如图13所示
16、，接收模块电路图如图15所示。315M发射模块原理图如图14所示，315M接收模块原理图如图16所示。图13 遥控器原理图图14 315M发射模块电路图图15无线接收模块电路图图16 315M接收模块原理图制作后的遥控器为图15所示。1.2.5 软件流程图主程序程序流程图如图16所示。执行部分流程图如图17所示。开始初始化等待按键有键按下？否是判断键值K4按下K3按下K2按下K1按下K4_M+确认命令右转命令左转命令K4_M=3K4_M=2K4_M=1寻迹模式后退模式前进模式结束图16 主程序流程图否否否否开始左侧检测到黑线？右侧检测到黑线？两侧没检测到黑线？两侧都检测到黑线？是结束前进左转前
17、进前进右转刹车是是是图18 智能寻迹子函数流程图2 特色列举本设计选用的集成元件L298N，PT2262,PT2272等，简化了硬件设计，缩小了硬件空间，提高了系统稳定性，软件设计使用PWM调制技术，在实现原有功能的基础上，减小了电功率，更加节能。系统设计时，基本上都使用现在比较通用的电路模块和集成芯片，利于系统的维护。设计选用的器材实用性强，价格较合理，成本适中。本系统小车是智能和人工控制并存，适合单片机初学者的制作与学习。3 系统使用范围智能小车不仅生动有趣还牵涉到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制甚至单片机编程等诸多学科知识，学生通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力，而且智能小车还是一个很好的硬件平台，只要增加一些控制电路就能完成救火机器人、足球机器人、避障机器人、遥控汽车等课题。本系统还可作为单片机初学者对单片机功能的了解及进一步学习的实训教材，提高他们学习单片机的兴趣和动手能力；也可开发汽车的自动避障功能，提高道路安全的模拟实验；部分功能模块，可应用于工厂的自动控制，例如无线遥控机器设备、工业产品的自动往返运输。系统的自动寻迹为智能模块，也可作为机器人爱好者的学习基础材料。3、 总结
