單片機課程設(shè)計--智能小車—硬件設(shè)計

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

2、　　班 級 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2011年 12 月 12 日</p

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

4、t;<p>　　學(xué) 號 </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　審 批 </p><p>　　任務(wù)書下達日期 2011 年 12 月 12 日</p><p>　　任務(wù)完成日

5、期 2011 年 12 月 26日</p><p>　　設(shè)計課題六：基于51單片機的智能小車設(shè)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(xiàn)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(shè)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(qū)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(shè)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(qū)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(diào)試..............................................................................................................14</p>

17、<p>　　總結(jié)......................................................................................................................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(shè)計要求結(jié)合《51單片機原理及應(yīng)用》課程所學(xué)內(nèi)容，完成智能小車的設(shè)計。通過智能小車的設(shè)計進一步掌握51單片機的原理及應(yīng)用。通過軟件設(shè)計和硬件設(shè)計最終使小車實現(xiàn)基本部分和發(fā)揮部

19、分的功能。其中小車實現(xiàn)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(shè)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(shè)計方案，運用紅外傳感器檢測電路，實現(xiàn)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(shè)計</p>&

20、lt;p>　　電路分為電源模塊、單片機系統(tǒng)模塊，電機驅(qū)動模塊，循跡模塊。</p><p>　　智能小車設(shè)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(zhuǎn)向的角度和行走速度，對電機驅(qū)動模塊發(fā)出相應(yīng)的控制信號；電機驅(qū)動模塊接到單片機系統(tǒng)的控制信號后對電機進行驅(qū)動，最終完成智

21、能小車在設(shè)計線路上的自動循跡。</p><p><b>　　2、電源模塊</b></p><p>　　本次設(shè)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(zhuǎn)換芯片將電壓轉(zhuǎn)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(nèi)。</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(zhuǎn)換芯片7805進行電壓轉(zhuǎn)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(chǎn)的AT89C52單片機芯片。本次設(shè)計的單片機最小系統(tǒng)電路包括：電源電路、時鐘電路、復(fù)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(zhuǎn)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(fù)位電路：在電壓達到高電平時給單片機芯片發(fā)送一個復(fù)位信號。</p><p>　　按鍵：各按鍵分別具有復(fù)位功能、前進后退控制功能、加速功能、減速功能、模式

24、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片7805、AT89C52芯片、電源按鍵，復(fù)位按鍵，前進后退鍵、加速減速鍵、模式轉(zhuǎn)換鍵等，這些功能的實現(xiàn)是通過單片機編程實現(xiàn)。循跡模塊和電機驅(qū)動?？旆謩e接到單片機的P1口和P2口，通過從循跡模塊傳輸?shù)絾纹瑱C電平的變化來控制電機驅(qū)動進而控制小車進

25、行各個行駛狀態(tài)轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)部振蕩和外部振蕩。89C52單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)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(nèi)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(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。片內(nèi)

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(gòu)成一個自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。</p><p>　　對復(fù)位電路而言，為了初始化單片機內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)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(fù)位時靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個周期以上的高電平，即可起系統(tǒng)復(fù)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(fù)位狀態(tài)。復(fù)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(nèi)置為不定值，其余寄存器全部清零，內(nèi)部ＲＡＭ的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時ＲＡＭ的內(nèi)容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動復(fù)位。本系統(tǒng)采用手動復(fù)位。</p><p><b>　　電機驅(qū)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(zhuǎn)矩值就能夠立即使步進電機啟動或反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點是轉(zhuǎn)換精度高正反轉(zhuǎn)控制靈活。</p><p>　　直流電機轉(zhuǎn)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(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)節(jié)范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無數(shù)快

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

30、，其驅(qū)動電流大，為電機驅(qū)動專門設(shè)計，工作穩(wěn)定可靠。L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機。</p><p>　　工作原理：驅(qū)動模塊向內(nèi)與電源直接相連，再連接到電源轉(zhuǎn)換芯片，為電機和單片機提供電壓。驅(qū)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(zhuǎn)，停止的操作。L298N

31、內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，接收標(biāo)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(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。</p><p>　　對于電機的調(diào)速，我們采用PWM調(diào)速的方法。PWM是脈沖寬度調(diào)制（Puse W idth Modulation），

32、它是指將輸出信號的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率的方法。在PWM驅(qū)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(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和斷開“時間的長短。如下圖所示，在脈沖作用下，當(dāng)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(zhuǎn)速得到控制。其原理就是開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(diào)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(jù)已編程序，調(diào)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(qū)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(shù)均按備份形式列出，實際應(yīng)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>　?。?）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(qū)動模塊電路圖</p><p><b>　　3、制作PCB圖</b></p><p>　　根據(jù)原理圖畫出PCB圖。各模塊的PCB圖如下所示：</p><p>　?。?）單片機最小系統(tǒng)PCB圖</p><p>　　（2）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(qū)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(qū)動模塊（見下圖）。每個電機上應(yīng)引出兩條線，用來接電源驅(qū)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(yīng)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(yīng)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)動模塊的輸入線

45、相連接，將單片機模塊上的7805接線到驅(qū)動模塊的輸入，7805是電壓轉(zhuǎn)換芯片，將輸入7.2V轉(zhuǎn)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(diào)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(jīng)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(diào)節(jié)控制。</p><p>　　在裝上斯密特觸發(fā)器

47、后發(fā)現(xiàn)其引腳電壓沒有按預(yù)想輸出相應(yīng)電壓。</p><p>　　經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)接接Vcc的電路電平為低電平。</p><p>　　經(jīng)檢查是在拆卸過程中導(dǎo)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(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計要求我們采用玩具小車作為模型，自主設(shè)計電路，制作電路板，組裝小車，調(diào)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(shè)計的線路上完成自動循跡的拓展功能。</p><p>　　在設(shè)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(shè)計的各個環(huán)節(jié)進行了激烈討論。本次課程設(shè)計以小組為單位的分配任務(wù)方式，不同與以前的獨立進行課設(shè)的分配任務(wù)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(shè)計了解不夠全面。這可能與小組內(nèi)任務(wù)分配存在一定的關(guān)系。不過，我覺得以后的課程設(shè)計中這種任務(wù)分配方式還是可以適當(dāng)?shù)挠靡幌碌?，它有利于我們將來參加工作后的任?wù)完成。正所謂，術(shù)業(yè)有專攻，正是如此。</p><p>　　在本次設(shè)

50、計中我是負責(zé)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(yīng)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(qū)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(wù)要求選擇了直流電機。至于循跡模塊和電機驅(qū)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(dāng)了一把副手，在制作的過程中，我發(fā)現(xiàn)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(shè)性的建議。在制板的過程中，我主要根據(jù)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(xiàn)了一些差

52、錯，導(dǎo)致我轉(zhuǎn)孔的時候不得不小心翼翼，因為一不小心就會把銅盤給轉(zhuǎn)沒了。</p><p>　　這次課設(shè)我們組經(jīng)過不懈的努力完成了任務(wù)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(qū)動能力較弱，小車反應(yīng)不夠靈敏等。</p><p>　　通過這次課設(shè)，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(shè)計的興趣。同時，在課設(shè)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(xué)習(xí)有點?？傊?，這次課設(shè)使我受益良多。</p><p><b>　　六、評分表</b></p><p><b>　　課程設(shè)計評分表</b></p><p>　　課程名稱： 智能小車設(shè)計 </p><p>　　教師簽名：