智能小车设计_智能小车的设计

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新型便携式

井下巡迹探测小车

作者：黄浩 彭江

摘要

80C51 单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何使用8051系列单片机来实现武汉理工大学科技文化节的设计，该设计是以煤井气体探测而确定的设计类课题。该设计采用80C51单片机为控制核心，利用红外传感器检测 路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。

采用的技术主要包括：

（1）通过控制主芯片来控制各模块功能的实现

（2）红外传感技术（巡迹模块、测速模块、路程检测模块等）（3）气体检测技术（4）新型显示芯片的采用

目 录

第一章 前 言...........................................................1 第二章 方案设计与论证..............................................6 一 系统基本方案.................................................6 二 各模块方案的选择和论证...............................6 三 各模块的最终方案----11 四 系统原理图-------------12 第三章 系统的硬、软件设计与实现....................------13 一 寻迹模块-----------------14 二 金属探测模块-----------15 三 障碍物检测--------------17 四 光源检测-----------------18 五 电机驱动------------------18 六 动态显示-----------------19 七 甲烷气体检测------------20 八 系统主程序流程图------20 第四章 测试数据、测试结果分析及结论...................21 参 考 文 献.........................................................---.23

第一章

前言

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题 目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的。本题目是结合社会实际情况而确定的设计类课题。设计的智能电动小车能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能、金属检测功能、准确定位停车和检测有害气体。

根据要求，确定如下方案：在现有的小车模型的基础上，加装光电、红外 线、红外传感器、金属探测器及甲烷气体检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量和甲烷气体检测。并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电 动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用STC系列中的80C51和80c52单片机。以其为

控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹，金属检测和寻光功能。

80C51 是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。

第三代单片机包括了 Intel 公司发展 MCS-51 系 的新一代产品，如 8ｘC152﹑

80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了 Philips﹑Siemens﹑ADM﹑

Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL 等公司以 80C51 为核心推出的大量各具特色﹑

与 80C51 兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩

展，以实现 Microcomputer 完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如 A/D ﹑PWM﹑PCA(可编程计数器阵)﹑WDT(监视定时器)﹑高速 I/O 口﹑计数器的捕获/

比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips 公司还为这一代

单片机 80C51 系 8ｘC592 单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线

----CAN(Controller Area Network BUS).新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了

良好的基础。

本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很

低。该设计具有 际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是

在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进 行检测。所以本设计与实际相结合，意义很强。

第二章

2.1 系统基本方案

方案论证与设计

2.2 各模块方案的选择和论证

2.2.1 控制器模块

作用：各传感器信号的接收和辨认，控制小车的电机动作、显示车速、运行时间以及小车停车时发出的声光信号等。

方案1：采用FPGA或CPLD作为系统的控制器。

优点：可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高，体积小，稳定性高，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：成本高，引脚多，PCB布线复杂。

方案2：采用CPU（51MCU)方案。

优点：算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，技术成熟，体积小，成本低，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：速度相对较低。

本设计拟采用此方案。

方案3：采用嵌入式处理器（ARM)方案。

优点：运算功能强大，速度较快，编程灵活，自由度大，外围器件少，成本适中，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：PCB设计及焊接技术要求高。

本设计可采也用此方案，取决于对相关技术的熟悉程度。

2.2.2 金属探测模块

作用：跑道中金属块的探测。

金属探测原理：采用电涡流式传感器，利用电涡流对L、Q、Z的影响探测金属。

测量电路：Q值测量电路，Z测量电路，L测量电路 本设计选择电感测量电路。

2.2.3 障碍物探测模块 作用：判断前进方向是否有障碍物，并确定小车与障碍物的距离。方案1：激光测距技术

优点：方向性强、亮度高、单色性好、传输速度快、抗干扰性强、测量精度高，反映速度快等。

缺点：小车与障碍物的距离短最大不超过2m，而激光以光速传播导致检测技术上的困难。

方案2：超声波测距技术

优点：方向性较强、传输速度V=345m/s，在s≤2m时，T ≤11.6ms，远大于MCU的机器周期，便于逻辑判断。

因此采用方案2。其原理框图如下：

2.2.4 行程测量模块

作用：测量小车从启动到任意时刻所走的路程。测量原理：S=n×C（S为行程，C为车轮周长，n为圈数）n可以用透射式或反射式光电传感器获得计数脉冲。2.2.5 路面轨迹探测模块

作用：实现小车跟踪黑色轨道行使。

方案1：采用热探测器

优点：电路简单。缺点：易受外界干扰。

方案2：采用红外光电探测器

优点：抗干扰能力较强。

缺点：结构较复杂，需2～3对传感器。

传感器小车状态

脱离导引线 正常行驶 轻微偏左 严重偏左 轻微偏右 严重偏右0 0 0 0 1 10 1 1 0 1 00 0 1 1 0 0

二状极态 管A 二极管B 二极管C

光源与车之间的位置

非常远 在车的右方

小车动作0 0 0 2 0 0 1

－ 右转（大）3 0 1 0 4 0 1 1 5 1 0 0 6 1 1 0 7 1 1 1

在车的正前方 在车的右方 在车的左方 在车的左方 非常近

直线行驶 右转（小）左转（大）左转（小）

减速直线行驶

2.2.6电机驱动模块

作用：控制电机正转、反转和停止控制。方案1：继电器法 优点：电路简单可靠 缺点：不容易实现精细控制 方案2：晶体管组成的PWM法 优点：电路较复杂 缺点：容易实现精细控制 2.2.7 显示模块

作用：显示时间和路程。方案1：使用LCD显示屏 优点：功耗小，显示形式多样 缺点：编程难度较高，亮度较低 方案2：使用LED数码管 优点：编程难度低

缺点：功耗较大，电路连接相对较复杂 2.2.98计时模块

作用：计算小车从启动到停止的过程进行计时。方案1：直接利用MCU的定时器实现精度为0.1s的计时。2.2.10 状态标志模块

作用：产生声光信号。

方案：用LED产生光信号，用蜂鸣器产生声信号。

2.3 各模块的最终方案

（1）控制模块：AT89C51和AT89C2051或PIC系列MCU；（2）金属探测模块：采用电涡流式传感器；（3）障碍物探测模块：采用红外传感器；

（4）行程检测模块：采用光电传感器（透射式）；（5）光源探测模块：采用光敏二极管；

（6）路面检测模块：采用光电传感器（反射式）；（7）电机驱动模块：采用PWM技术控制电机转速；（8）显示模块：采用LED数码管；

（9）计时模块：采用AT89C51内部定时器/计数器；（10）状态标志模块：采用蜂鸣器和发光二极管。

2.4 系统原理图

第三章

本题是一个光、机、电一体的综合设计，在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术，系统可分为传感器检测部分和智能控制部分。

传感器检测部分：系统利用光电、电涡流、红外等传感器完成对路面、障碍物、路程、光源、金属物和甲烷的探测或检测。

智能控制电路部分：根据传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制小车的电机、显示数码管、蜂鸣器以及发光二极管，完成小车的自动寻迹、探测金属、逃避障碍物、寻找光源、显示路程等各项任务。控制部分包括MCU电路、电机驱动电路和数码管动态驱动电路。

系统的硬、软件设计与实现 检测部分的单元电路设计 3.1寻迹模块电路设计

3.2金属探测电路的设计

金属探测流程图

金属块检测流程图

3.3 障碍物检测电路设计

绕障碍物程序流程图

3.4 光源检测电路设计

3.5 电机驱动电路设计

3.6 动态显示电路

3.7甲烷气体检测电路设计

3.8系统主程序流程图

第四章 测试数据、测试结果分析及结论

测试方法与仪器：

1、测试仪器

测试仪器包括秒表、数字万用表、信号发生器、示波器、51单片机开发板、直流稳 压电源等。

2、测试方法

数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参 数；

信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输； 51单片机开发板用于测试软件；

直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电；

秒表用于产品测试，按照任务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试。

测试数据及测试结果分析：

⑴ 计时精度分析 计时系统采用了新型显示芯片。理论上的误差不到 5秒/年。

⑵ 测距精度分析 测速系统采用了电机轴光电码盘检测技术。电机轴与车轮轴之间

采用了齿轮箱二级减速，变比 1/16。车轮周长 200mm,光电码盘与电机轴安装在一起，电机轴每一转产生 2 个脉冲，车轮每转产生 32 个脉冲，理论测量精度可达

200mm/32=6.25mm ⑶ 定位精度分析 本设计采用实际测量与软件补偿技术，理论上可使定位精度提高到 误差

（4）红外传感器里障碍物最近距离约为20mm，符合要求

参考文献

基于SPI的CAN总线控制器与MCS-51单片机的接口设计[J];《电子设计应用》;2010年01期

基于8051单片机的多功能汽车开车控制器[J];《自动化与仪器仪表》;2010年01期

存贮式井下数据采集系统的设计[A];中国地球物理学会年刊——《中国地球物理学会第十五届年会论文集》[C];1999年

用CMOS芯片取代CCD器件[N];《中国电子报》;2000年

;基于ARM的嵌入式电火花加工图形界面系统研究[D];《东华大学》;2010年;;基于单片机的智能型金属探测器的设计[J];内蒙古大学学报(自然科学版);2006年02期

基于AT89C51单片机的脉象信号采集系统研究[D];东北师范大学;2007年

AT89S52单片机和nRF903芯片在RFID系统中的应用[A];2006北京地区高校研究生学术交流会——通信与信息技术会议论文集（上）[C];2006年