自动往返电动小汽车设计方案报告
时间：2020-10-22 16:21:34 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
中国海洋大学课程设计汇报
题 目：自动往返电动小汽车
组 员：莫锦河、李鹏飞
指导老师：谷健
自动往返电动小汽车
摘要
本设计以一片单片机AT89C52作为关键来控制自动往返小车，加以控制芯片L298N和单片机联合控制小车前进和后退。路面黑带检测使用光电传感器，经过AT89C52对输入信号进行处理，经过PWM调制使电机转速能自动调整，从而实现电动小汽车快慢速行驶，和自动停车、往返控制要求。
关键字：电动小车、AT89C52单片机、光电传感器、PWM调速
一、系统方案论证
1.1最小系统控制器选择方案
方案一：AVR ATMEGA16单片机。AVR 系列单片机采取RISC结构，实施速度较快，而且内部资源丰富，能够方便使用C语言编程，而且开发环境很方便，不过功耗较高，在超低功耗方面显著不能满足题目要求。
方案二： MSP430G2553 系列超低功率微控制器包含多个器件，这些器件特有针对多个应用不一样外设集。这种架构和5 种低功耗模式相组合，专为在便携式测量应用中延长电池使用寿命而优化。MSP430G2x13 和MSP430G2x53 系列是超低功耗混合信号微控制器，含有内置16 位定时器、多达24 个支持触摸感测I/O 引脚、一个通用型模拟比较器和采取通用串行通信接口内置通信能力。另外，MSP430G2x53系列组员还含有一个10 位模数(A/D) 转换器。
方案三：经典51系列单片机AT89C52。51系列单片机操作较为简单，程序简单易学，开发很方便。
综合比较，我们采取方案三，采取经典51系列单片机AT89C52，方便实现。
1.2电动机模块
方案一：选择步进电动机，将电脉冲信号转变为角位移或线位移开环控制元步进电机件。在非超载情况下，电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数，而不受负载改变影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度，称为“步距角”，它旋转是以固定角度一步一步运行。能够经过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达成正确定位目标；同时能够经过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度，从而达成调速目标。
方案二：选择伺服电动机，在伺服系统中控制机械元件运转发动机，是一个补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度很正确，能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作实施元件，且含有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特征，可把所收到电信号转换成电动机轴上角位移或角速度输出。
方案三：选择直流电动机，直流电机里边固定有环状永磁体，电流经过转子上线圈产生安培力，当转子上线圈和磁场平行时，再继续转受到磁场方向将改变，所以此时转子末端电刷跟转换片交替接触，从而线圈上电流方向也改变，产生洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。
综上比较，我们采取方案三，方便实现直流驱动小车运动。
1.3升压模块
方案一：使用UCC38C43芯片交错式升压。交错式升压电路中，每个相工作方法全部和上述单相升压相同。两个功率级会以反相 180°方法运行，使得输入和输出电容纹波电流相互抵消，不过功耗比较大。
方案二：使用直流升压。其基础工作过程是：高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流取得高压直流电，电路简单、低成本、而且功耗比较低。
综上比较，我们采取方案二，更有利于实现超低功耗。
1.4降压模块
方案一：使用二极管降压电路。
\o "二极管" 二极管导通时有一个止向压降，且该压降为固定值（硅管为0.7V，锗管为0.3V），不过电压太高轻易被击穿。
方案二：使用TPS54331芯片降压电路。其110μA 工作电流和极低 1μA 关断电流，拥有 3.5V～28V 宽泛输入电压范围、低至 0.8V 可调输出电压和高达 3A 输出电流，能显著降低 LCD 电视负载点电路板设计方案功耗。
综合比较，采取方案二，结合AT89C52单片机共同实现超低功耗功效。
1.5黑带检测模块
方案一：选择反射式红外传感器，利用红外线物理性质来进行测量传感器。红外线又称红外光，它含有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身含有一定温度（高于绝对零度），全部能辐射红外线。
方案二：选择光电传感器，光电传感器是采取光电元件作为检测元件传感器。它首先把被测量改变转换成光信号改变，然后借助光电元件深入将光信号转换成电信号。
光电检测方法含有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器结构简单，形式灵活多样等优点。
综上比较，我们采取方案二，材料轻易获取，切简单轻易操作。
二、系统硬件设计及工作原理
依据题目标要求，该系统关键由电动机模块、升压模块、降压和黑带检测模块组成，其结构框架以下图1所表示。
图1 系统方案图
2.1 AT89C52单片机
AT89C52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存放空间，支持最大64K外部存放扩展。依据不一样运行速度和功耗要求，时钟频率能够设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口3个定时器、8个中止、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。能够在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不停发展半导体工艺也让该单片机功耗不停降低。具体电路见附图1。
2.2 电动机模块
电机驱动电压由AT89C52单片机P1.0和P1.1分别控制。当P1.0为0，P1.1为1时，电机驱动电压为+5.0V，小车进入高速行驶状态；当P1.0为1，P1.1为0时，电机驱动电压为+3.3V，小车进入低速行驶状态。当P1.0为高电位时，电机供电三极管截止，关闭电机电源实现停车功效；当P1.0为1时，D880输出电机驱动电压，小车按单片机指令实施多种功效。具体电路见附图2。
2.3升压模块
直流升压工作过程是：高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流取得高压直流电，根据这个原理可是实现使用干电池给电容充电，从而取得题目要求25V电压，而且利用这种方法其功耗和成本全部比较低，而且简单方便易操作。具体电路图见图3。
2.4降压模块
TPS54331芯片，拥有 3.5V～28V 宽泛输入电压范围、低至 0.8V 可调输出电压和高达 3A 输出电流，对于实现超低功耗起到关键作用。具体电路见图4。
2.5黑带检测模块
光电传感器是经过把光强度改变转换成电信号改变来实现控制。它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射光束通常起源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。具体电路图见附图5。
2.6方向控制模块
因为小车本身存在问题，比如车轮有摩擦、车身设计结构不够合理等原因，能够会影响小车在前进时偏离原定方向，最终影响到小车运行速度，从而得不到正确效果。所以，我们在设计中选择了4个双刀双掷开关，分别安装在小车前轮和后轮四个方位，并将开关触角延长。当开关S1或S3碰到挡板时，转向电动机正转，车头左拐，离开挡板；当开关S2或S4碰到挡板时，转向电动机反转，车头右拐，离开挡板。具体电路图见附图6。
软件设计部分
系统软件设计采取C语言编程实现各项功效。软件部分采取模块化设计方法，由主菜单控制模块、电动机模块、电源模块、黑带检测模块等程序组成。
开始
开始
初始化
延时，小车运动
读取count数目
其它均全速前进
第
3
条限速前进
第
5
条刹车前进
第6条停车10S后返回，计数加一
第
10
条限速前进
第
12
条刹车倒车
第13条，停车10S后返回，计数,清零
图2 程序步骤图
四、测试方案和测试结果
自动小车为玩具遥控小汽车改装品，在改装过程中最关键是考虑设计光电检测管位置，检测黑带光电管放在车体中央，用遮光管将其以一定反射角度压到跑道上。旅程检测用槽型光耦，放在小车从动轮上。在组装前对每一个单元电路进行测试，以确保外部硬件电路无误，有利于最终统调。调整是以点到线，最终到整体调试方法。在调整过程中我们发觉了很多问题，如响应中止次数调整等。而且为了小车碰到墙壁不至于停车，我们在设计中选择了4个双刀双掷开关，分别安装在小车前轮和后轮四个方位，并将开关触角延长。当开关S1或S3碰到挡板时，转向电动机正转，车头左拐，离开挡板；当开关S2或S4碰到挡板时，转向电动机反转，车头右拐，离开挡板。
五、总结
本系统以单片机AT89C52芯片为关键部件，利用光电检测、传感器检测技术并配合软件实现了小车黑线检测等功效，最终使小车完成设计题目要求各项任务。在设计系统中，努力争取硬件线路简单，充足发挥软件编程方便灵活特点，来满足系统设计要求。该系统还有很多值得改善地方：电机驱动和电机调速部分能够采取桥式PWM电路来实现电动机正反转，从而实现小车往返行驶功效。光耦合器也应用到设计中，完成了电—光—电转换起到输入、输出、隔离作用。因为本设计较小，没有采取该设备，但在实际工业生产中这一步是必不可少。
经过一段时间锻炼，我认为自己对单片机知识掌握又进了一层。对单片机硬件结构研究和软件编程爱好增加不少。归纳起来，关键有以下两点：
1、有两年多时间全部是在学习单片机原理知识，并未真正地去应用和实践。平时不过经过这次毕业设计，我接触到了更多平时没有接触到仪器设备、元器件发觉了自己很多不足之处。我还体会到了所学理论知识关键性：知识掌握得越多，设计得就更全方面、更顺利、愈加好。
?2、了解进行一项相对比较大型科技设计所必不可少多个阶段。课程设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识和培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全方面培养学生全方面素质。我经过这次系统毕业设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和试验过程。这些在我们在未来工作和学习当中全部会有很大帮助。
附录
部分硬件电路图
附图1：AT89C52电路图
附图2：电动机调速电路
附图3：升压模块电路图
附图4：降压模块电路图
附图5：黑带检测电路
附图6：方向控制电路
