简易智能电动车控制系统设计

简易智能电动车控制系统设计
摘要
AT89S52单片机是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。

现在，单片机已广泛地应用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。

随着单片机的发展以及它在各种复杂的控制系统、智能化系统中的广泛应用，它将渗透到生产和生活的各个领域。

本设计的理论设计方案、调试方法、测试数据分析方法及设计中的特色与创新.点等对自动运输机器人、家用清洁机器人、灭火机器人等自主及半自主机器人的设计与实现有一定的参考意义。

本文介绍了基于AT89S52单片机，利用红外传感器检测道路上的障碍，控制电动小车的自动避障，用PMW调速方式控制车子快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录和显示时间、里程和速度，自动寻迹、检测铁片、发出声光信息和寻光功能。

整个系统的电路逻辑结构简单，可靠性能高，实现功能强大。

本文着重介绍了该系统的组成、硬件配置、软件设计、工作原理、功能以及技术性能。

本设计的特色就在于它利用AT89S52作为中心芯片对外部进行控制，在外部信号采集后经LM324电压比较器后能够给单片机输入稳定的高低电平，在小车行驶动力采用L293芯片具有足够的驱动力，选LCD1602做为显示器增加了本设计的显示功能，改变了传统的LED显示信息量小的局限性。

关键词：AT89S52单片机电动小车PMW调速红外传感器自动避障LM324
L293 LCD1602
目录
1 前言 (1)
1.1 本论文的主要工作 (1)
1.2 预期目标 (2)
2 系统设计可行性分析 (2)
2.1 总体方案 (2)
2.2 电源模块方案 (2)
2.3 智能车驱动方案 (3)
2.4 直流调速方案 (3)
2.5 检测放大器方案 (4)
2.6 检测黑线方案 (6)
2.7 检测铁片方案 (6)
2.8 避障方案 (6)
2.9 寻光方案 (6)
2.10 停车方案 (7)
2.11 行车距离检测方案 (7)
2.12 声音提示方案 (8)
2.13 显示部分 (8)
2.14 系统工作原理 (8)
2.15 本章小结 (9)
3 系统硬件电路 (9)
3.1 电源电路 (9)
3.2 驱动电路 (10)
3.3 检测电路 (11)
3.3.1 黑线检测 (11)
3.3.2 铁片检测 (11)
3.3.3 障碍物检测 (12)
3.4 单片机最小电路 (12)
3.5 声光电路 (13)
3.6 显示电路 (13)
3.7 系统总电路图 (16)
3.7 本章小结 (17)
4 系统软件电路 (17)
4.1 系统软件设计说明 (17)
4.2 软件流程图 (17)
4.3 本章小结 (29)
5 硬件电路的制作与调试 (30)
5.1 电路板的制作 (30)
5.1.1 电路图的绘制 (30)
5.1.2 制作电路板 (30)
5.2 电路板的焊接 (31)
5.2.1 手工焊锡要点 (31)
5.2.2 焊锡操作要领 (31)
5.3 电路的调试 (31)
5.3.1 测试方法与仪器 (31)
5.3.2 电源模块调试 (32)
5.3.3 单片机模块调试 (32)
5.3.4 检测模块调试 (32)
5.4 本章小结 (34)
6 结论 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
英文摘要 (37)
附录
成绩评定表
1 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。

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。

单片机的应用在于实现计算机控制。

而在线控制应用方面，由于计算机身处系统之中，因此对计算机有体积小、功耗小、成本低以及控制功能强等要求，对这些要求真可谓是非单片机莫属了。

现在单片机的应用日益广泛深入，诸如在智能仪器仪表、家用电器和军事设备的智能化以及实时过程控制等方面，单片机都扮演着越来越重要的角色，具有广阔的应用前景。

从上述可以看出，单片机应用的意义绝不限于它的功能，以及所带来的经济效益上。

更重要的意义在于单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了，这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。

这标志着一种全新概念的建立。

综观近三十年的发展过程，单片机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。

预计其今后的发展趋势有以下几个方面：
（1）微控制器的CPU核仍以CISC为主，但向RISC演化
（2）提升指令执行速度
（3）集成大容量片上FLASH存储器，实现ISP、IAP
（4）普遍使用混合信号(数字-模拟相混合)集成技术
（5）增加可联网的外设接口
（6）追求低电压、低功耗、低价位、LPG(少腿芯片)
本设计就采用了比较先进的AT80S52为控制核心，AT80S52采用CHOMS工艺，功耗很低。

该设计具有实际意义，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红外传感器进行检测。

所以本设计与实际相结合，现实意义很强。

1.1 本论文的主要工作
在现有玩具电动车的基础上，加装红外线传感器、霍尔传感器及金属探测器，实现
对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，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。

1.2 预期目标
根据设计目的，选出合适的芯片和设计方案，实现设计的智能电动小车能够显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。

2 系统设计可行性分析
2.1 总体方案
方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，黑带检测信号，铁片检测信号，各路趋光信号进行处理。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。

方案二：采用AT89S52单片机来作为整机的控制单元。

红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收。

铁片检测采用电感式接近开关TL-Q5MCL检测，黑带采用红外线发射管对光源信号采集，再经过LM324转化为数字信号送到单片机系统处理。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。

比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。

2.2 电源模块方案
由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。

方案一：采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。

但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。

方案二：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V经过7812的电压变换后给电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。

锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。

但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算，因此，我们放弃了这种方案。

方案三：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。

蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。

虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了
足够的空间，并且蓄电池的价格比较低。

因此我们选择了此方案。

2.3 智能车驱动方案
方案一：采用分立元件组成的平式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立元件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想。

方案二：采用市面易购的电机驱动芯片L293D，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。

2.4直流调速方案
方案一：串电阻调速系统。

串电阻调速能简单的实现要求，但是不稳定，在电动车行走时产生大的功耗，影响其他芯片的工作，故放弃此方案。

方案二：静止可控整流器，简称V-M系统。

V-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。

方案三：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 Modulation），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PWM方式进行调速，脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现。

2.5 检测放大器方案：
方案一：使用普通单级比例放大电路。

其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。

但是也存在着许多不足。

如抗干扰能力差、共模抑制比低等。

方案二：采用差动放大电路。

选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。

例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。

这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。

但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。

方案三：电压比较器方案。

电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压U1和一个参考电压Ur进行比较，在U1>Ur和U1<Ur两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。

而U1变化经过Ur时，比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。

比较器有各种不同的类型。

对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。

比较器的特点：
（1）工作在开环或正反馈状态。

放大、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。

因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。

（2）非线性。

由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。

（3）开关特性。

比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳
变到另一个电平。

由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。

由于比较器的上述特点，在分析时既不能像对待放大电路那样去计算放大倍数，也不能像分析运算电路那样去求解输出与输入的函数关系，而应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。

如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。

但实际集成运放的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的阶跃信号。

电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。

响应时间越短，响应速度越快。

减小比较器响应时间的主要方法有：
（1）尽可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近理想阶跃且幅度足够大。

（2）选用集成电压比较器。

（3）如果选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子会进入深饱和区。

具体的措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。

如图1电压比较器电路所示。

图1电压比较器电路
在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我们尝试采用了一种滞回比较器。

简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。

如果用这样的输出电压控制电机或继电器，将出现频繁动作或起停现象。

这种情况，通常是不允许的。

而滞回比较器则解决了这个问题。

滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出电压就不会来回变化。

所以抗干扰能力强。

综上比较选择方案三。

2.6 检测黑线方案
方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。

由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差，故不用此方案。

方案二：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。

采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。

本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。

此套红外发射管固定在底盘前沿，贴近地面。

正常行驶时，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；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，由此引起电压变化，再经电压比较器处理，输出信号经单片机处理控制车子转向。

2.7 检测铁片方案
方案一：采用电涡流原理自制的传感器，取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成功率比较低，难以准确输出传感信息。

方案二：采用市面易购的电感式接近开关，本系统采用市面比较通用电感式接近开关TL-Q5MCL完成铁片检测的任务。

虽然电感式接近开关占的体积大，对本设计是可以接受的，且输出信号较可靠，稳定性好，受外界的干扰小，故采用方案二。

2.8 避障方案
方案一：采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。

方案二：采用红外线避障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出TTL电平。

此方案虽价格比较便宜，但外界对红外信号有一定的干扰。

方案三：集成F&G公司的DR-100N光电开光，工作距离合适，稳定，受外界环境影响小，结构简单，故采用此方案。

2.9 寻光方案
方案一：在小车前面装上几个光电开关，通过不同方向射来的光使光电开关工作，从而对小车行驶方向进行控制，根据光电开关特性，只有当光达到一定强度时才能够导通，因此带有一定的局限性。

方案二：在小车前面装上参数一致的光敏电阻，再通过比较电路转换成数字量送入单片机，单片机再对读入的数据进行处理，对外围进操作。

对方案一、二进行比较，方
案二硬件稍为复杂，但能够对不同强度的光进行采集以及比较，操作灵活，所以采用方案二。

2.10 停车方案
方案一：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。

当车子到达终点的时候，发射管检测到黑线，电路电平发生变化，再输入单片机处理，控制车子停车。

此方案需要车子后退一段距离，而且之前的黑线也回对其造成一定得影响。

方案二：一个连接有光敏电阻的比较电路，当靠近车库的时候，光敏电阻达到一定得变化，从而输出电平变化，再经单片机控制小车停。

此方案稳定性高，故采用。

2.11 行车距离检测方案
方案一：由于红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强故采用红外光电码盘测速方案。

具体电路同图2行车距离检测电路所示。

图2 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，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整形器后送入计数器或直接送入单片机中。

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89S52单片机的内部计数器计数，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。

方案二：采用霍尔传感器测距与测速，使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。

每次车轮转动一周探头和磁片垂直一次，霍尔传感器将检测到的信号传递给单片机，单片机将小车转动的次数记录下来，小车车轮的周长测试后写入单片机程序后，小车行驶的距离就等于转动的次数与周长的乘积，因单片机有计数功能，故可测试小车开始运动到停止时的时间间隔，由此可以知道小车的行驶速度。

综上所述，由于霍尔传感器原理简单易行，经济实惠，设计要求的精度不高，采用霍尔传感器既简化电路结构又能达到设计要求，故采用了霍尔传感器作为测距装置。

霍尔传感器原理图3所示。

图3霍尔传感器原理
2.12 声音提示方案
方案一：采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但DS1420录放音模块价格比较高，也可以采用此方案来处理。

方案二：采用蜂鸣器，在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高，故采用方案二。

2.13 显示部分
方案一：采用LED七段数码管，驱动电路比较复杂，占用单片机资源较多，不容易调试。

方案二：采用LCD显示，用单片机可实现显示数据，容易驱动，故采用LCD显示。

2.14 系统工作原理
简易智能电动车采用AT89S52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，由红线线传感器检测，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DR-100N传感器正前方检测，由单片机控制实现；在电动车进驶过程中，用光敏电阻确定停车位置，采用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。

系统原理图如图4所示。

图4 系统原理图
2.15 本章小结
本章通过比较，从技术可行性，性能，电路布局和经济使用等方面综合考虑各个模块方案，得出了各个模块的最佳方案，不同方案功能几乎都可以实现，但是本着经济适用的原则，最终选定了本文所使用的方案，使整辆车的开发费用降到最低。

3 系统硬件电路
系统的硬件电路由六部分组成，分别是：电源电路、驱动电路、检测电路、显示电路、单片机最小系统、信号电路。

以下对这六个电路详细描述。

3.1电源电路
系统电路采用L7805和L7812三端稳压管对电源进行稳压，输出的5V给芯片和红外提供电压，12V为电机、TL-Q5MCL和DR-100N提供足够电压。

如图5所示，L7805与L7812的接法一样，输入电压与地、输出电压与地分别接电容滤波和去耦。

图5 电源电路图
L293D是著名的SGS公司的产品。

为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，步进马达)，和开关电源晶体管。

内部包含4通道逻辑驱动电路。

其额定工作电流为1A，最大可达1.5A。

其工作电路如图6。

图6 L293D的驱动的电路图
L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。

通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。

调试时在依照下图，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。

图7 L293D码表图
检测电路包括黑线检测、铁片检测、障碍检测、光线检测。

采用先由传感器采集外部信号，由外部信号的变化引起电路的电压U1变化，根据不同的电压变化设定一个电压参考值U2，把这2个电压都接入LM324进行比较，从而输出高低电平，当U1>U2时输出高电平，当U1<U2时输出低电平，再把这电平的变化送入单片机进行处理，就可以控制电机的左右转，前后行走，每一个传感器都可以采用如图8所示的信号放大电路图。

只是采用的电压比较值不一样。

图8 信号放大电路
以下对不同的检测器件及接法进行分析。

3.3.1黑线检测
采用2个红外发射接收管分别安装在电动车的车头左右两端，当探测到黑色线的时候，输出高电平，通过单片机对该传感器的输出电平进行处理，改变电动车的行驶路线，当左边探测到黑线时，车子左转，反之右转，这样车子就可以沿正确的路线行驶。

电路图如图9。

图9 红外检测电路
3.3.2铁片检测。