1、1 方案设计与论证 - 2 -1.1 电动小车 - 2 -1.2 控制模块 - 3 -1.3 电机控制模块 - 3 -1.4 直流调速系统 - 3 -1.5 电机驱动模块 - 5 -1.6 信号检测模块 - 5 -1.7 行车距离检测 - 7 -1.8 系统原理 - 9 -2 硬件设计 - 10 -2.1 AT89S52单片机硬件结构 - 10 -2.2 最小应用系统设计 - 11 -3 软件设计 - 13 -3.1 主程序设计 - 13 -3.2 显示子程序设计 - 15 -3.3 避障子程序设计 - 15 -3.4 软件抗干扰技术 - 15 -3.4.1数字滤波技术： - 15 -3.4.
2、2开关量的软件抗干扰技术： - 16 -3.4.3指令冗余技术：3.4.4软件陷阱技术： - 17 -3.4.5程序区 - 18 -3.5 “看门狗”技术 - 18 -3.6 可编程逻辑器件 - 20 -4 测试数据、测试结果分析及结论 - 21 -致 谢 - 23 -参 考 文 献 - 24 -附录1 程序清单 - 25 -附录2 硬件原理图 - 34 -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。设计一款智能电动小车，智能电动小
3、车应该具有自动寻找轨迹的功能。根据题目的要求，本设计以AT89S52为控制核心，在现有电动小车的基础上，加装传感器，实现对电动车的运动状态进行实时控制。本系统控制灵活、可靠，精度高，满足各项要求。利用红外线传感器检测地上的特定轨迹，将数据传给AT89S52，经过AT89S52分析后做出反应控制电动机的运行使小车按照特定轨迹行驶。AT89S52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，其最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以完善控制功能。外部可接其他功能单元如A/DPWMPCAWDT计数器的捕获/比较逻辑等。在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片
4、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。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。 本设计采用的AT89S52采用CHOMS工艺，功耗很低，可用于很多小型设备中。该设计具有实际意义，稍作修改就可以应用于考古、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；在考古方面可用超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。1 方案设计与论证根据题目的要求，确定如下方案：在现有电动小车的基础上，加装传感器，实现对路面特殊轨迹的实时测量，并将测量数据传送至主控制器进行处理，然后由主控制器根据所检测的数据对电动车进
5、行控制，实现按照路径自动行驶。这种方案如图1.1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。图1.1自动寻迹小车原理图1.1 电动小车方案一：转向和动力分开的电动小车。转向和动力分开的电动小车是将轮胎分为两组，一组与点动机相连输出动力控制小车的行驶；另外一组控制小车的方向。（两组轮胎的前后顺序可调，其换影响不大。转向轮可使用单轮。）方案一只需一个电动机，一个转向器。由主控制器分别进行控制，控制程序较多。方案二：转向和动力结合的电动小车。转向和动力结合的电动小车是使用两个独立的电动机各自带动一个轮胎位于两侧，通过两个轮胎速度的改变实现小车的转向。控制所用
6、程序较少，控制器控制起来简单（这种转向方式类似于坦克的转向方式。）为了小车的平衡再装上万向轮。综上分析，本设计使用方案二。1.2 控制模块采用FPGA作为系统的主控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大集，成度高，体积小，稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，但是适用于大规模实时性要求较高的系统，价格高，编程实现难度大。本系统只需要完成信号检测和电机驱动的控制，逻辑功能简单，对控制器的数据处理能力要求不高，所以不选择此方案。采用嵌入式系统作为主控制器。嵌入式系统工作频率较高，速度较快，控制能力很强，也有较强的数据处理能力。但同样价格较高，编程实现难度大。方案三：采用
7、Atmel公司的AT98S52单片机作为主控制器。AT98S52是一款低功耗，高性能的8位单片机，片内含有8KB的Flash片内程序存储器，256 Bytes的RAM，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断等。价格便宜，使用方便。编程实现难度低，适合用来实现系统的控制功能。总上分析，本设计使用方案三。1.3 电机控制模块为了实现电动小车对行走路径的准确定位和精确测量，可以考虑一下两种方案：采用直流电机。直流电机转动力矩大，体积小，重量轻，转配简单，使用方便。主要适用于高速点击系统，本系统要求控制精度高，不易达到。采用步进电机。步进电机是数字控制电机，控制也比较简
8、单，具有瞬时启动和急速停止的优越性，比较适合本系统控制精度高的特点。总上分析，但由于实际原材料考虑，本设计使用方案一。1.4 直流调速系统旋转变流系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以旋转变流系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。静止可控整流器。简称V-M系统。V-
9、M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。脉宽调速系统。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Mo
10、dulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设
11、计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。1.5 电机驱动模块采用集成芯片L298N驱动步进电机。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，相应频率较高，稳定性较好。单本系统两个电机时序不同，会出现两个不同延
12、时程序的情况，系统处理负荷大，影响电机工作，同时价格相对较高。用功率管（如TP132，8A，70W）构成驱动电路来驱动电机。结构简单，价格低廉，经测试完全可以驱动电机，完成控制功能。综上分析，选择方案二。1.6 信号检测模块采用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻原理简单，使用方便，价格低廉，但受光照强度影响很大，可靠性不高。采用角度传感器。实用角度传感器来测量车体水平方向和竖直方向的角度，感测到的倾角信号经编码后传感给单片机，由单片机控制电动机的运行。角度传感器灵敏度合适，响应速度好，但使用复杂，价格高昂，且不易购买。采用光电传感器。光电传感器原理简单，实现方便，价格低廉，可集发射器和接收器于一
13、体。使用这类光电传感器电路简单，工作性能稳定，能完成需要的信号检测功能。综上分析，选择方案三。本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头的左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直行。见图1.2 电动车的方向检测电路（a）。行车方向检测电路（见图1.3 电动车的方向检测电路（b）采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管
14、在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。正常行驶时，图1.2 电动车的方向检测电路（a）图1.3 电动车的方向检测电路（b）发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号；电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送AT89S52单片机处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。前进时，驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。1.7 行车距离检测由于红外检测具有反应速度快、定位精度
15、高，可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点，故采用红外光电码盘测速方案。具体电路同图1.4 行车距离检测电路所示：图1.4 行车距离检测电路红外测距仪由测距轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。测长轮的周长为记数的单位，最好取有效值为单一的数值（如本设计中采用0.1米），精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安装在车轮上，这样能使记数值准确一些。遮光盘有一缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻挡。由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过
16、整形器后送入计数器或直接送入单片机中。为实现可逆记数功能，我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出玩具车的行驶方向（前进或后退）。遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里，以避免外界光线的干扰，使电路不能正常工作。测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动，同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点亮，在光栅的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于光栅随电机高速转动，则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。将该信号传输到80C51单片机的内
17、部计数器计数，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。1.8 系统原理简易智能电动车采用89S52单片机进行智能控制。开始由手动启动小车，并复位，当经过规定的起始黑线，由超声波传感器和红外光电传感器检测，通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速；系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测，由单片机控制实现；在电动车进驶过程中，采用双极式H型PWM脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能；采用动态共阴显示行驶时间和里程。如下图1.5。图1.5系统原理图2 硬件设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如R
18、OMRAMI/O口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。2.1 AT89S52单片机硬件结构AT89S52单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的
19、控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1、微处理器：该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。2、数据存储器：片内为256 Bytes RAM，片外最多可外扩至64K字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。3、程序存储器：由于受集成度限制，片内有8KB Flash存储器，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64K字节。4、中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。5、定时器
20、/计数器：片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。6、串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。7、输入/输出（I/O）口：P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。8、特殊功能寄存器：共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，AT89S52单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这
21、个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。2.2 最小应用系统设计AT89S52是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用AT89S52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：（1） 有可供用户使用的大量I/O口线。（2） 内部存储器容量有限。（3） 应用系统开发具有特殊性。1、 时钟电路AT89S52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路
22、。AT89S52单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片
23、安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。2、复位电路AT89S52的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位
24、。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200，RK取1K。3 软件设计系统软件设计说明在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过
25、程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：1、 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；2、 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；3、 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序定时子程序、避障子程序中断子程序显示子程序调速子程序算法子程序构成。3.1 主程序设计主程序清单见附表1。软件流程 如图3.1流程图所示：3.2 显示子程序设计程序清单见附表1。.3.3 避障子程序设计3.4 软件抗干扰技术提高玩具车
26、智能控制的可靠性，仅靠硬件抗干扰是不够的，需要进一步借助于软件抗干扰技术来克服某些干扰6。在单片机控制系统中，如能正确的采用软件抗干扰技术，与硬件干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑为了将大大提高控制系统的可靠性。经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术等。一般单片机应用系统的模拟输入信号中，均含有种种噪音和干扰，它们来自被测量本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰。对于这类信号，采用积分时间等于20ms的整数倍的双积分A/D转换器，可有效的消除其影响。后者为随机信号，它不是周期信号。对于随机干扰，我们可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比 ，有以下几个优点：数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便，功能强的特点。数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。数字滤波器具有以上优点，所以数字滤波在微机应用系统中得到了广泛应用。
