智能小车测速系统设计

内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题目：智能小车测速系统设计学生姓名：学号：专业：测控技术与仪器班级：2009-1 指导教师：孙采鹰讲师摘要近年来，随着我国经济建设的高速发展，机动车辆拥有量也在急剧增长，交通事故也日益增多，车辆超速成为了越来越严重的问题。

而我国生产的汽车、摩托车电机转速测量系统大多使用动圈式模拟测速。

这种测量系统存在精度差、过载能力弱等缺点。

本次的智能仪表综合训练的主要任务是设计一个智能小车，要求实现小车能够直走、通过光电传感器进行测速、通过PWM 电路模块进行调速以及通过LCD1602 液晶模
块进行脉冲、速度、PWM 的占空比三个参数的显示。

控制板的设计以8 位的STC89C52 单片机为控制核心，驱动板则以L289N 驱动芯片为核心，应用光电传感器和LCD 液晶模块，成功的实现了小车的测速、调速和显示功能这三大功能。

课题完成了光电传感器、单片机、控制板、驱动板选择，采购接口电路的设计和连接以传感器和电路的安装位置和方式的安排，并完成了整个硬件的安装工作。

除此之外，还对整个控制软件进行设计和程序的编制以及程序的调试，并最终完成了软件和硬件的融合，基本实现了智能小车要求实现的预期的功能。

关键词：智能小车；光电传感器；驱动芯片；LCD 液晶模块；单片机I 目录第一章绪论 1 1.1 问题的提出 1 1.2 设计思路2第二章方案论证 3 2.1 控制核
心的选择及其简介3 2.1.1 STC89C52RC单片机简介4 2.1.2 小车控制板简介7 2.2 小车驱动方式选择10 2.3 光电测速模块11 2.4 LCD1602 显示模块12第三章系统硬件设计16 3.1 车体结构及其驱动电路16 3.2 测速模块的设计18 3.3 PWM调速模块的设计21 3.3.1 PWM硬件电路的设计22 3.3.2 PWM电路的使用方式及连线23第四章系统软件的设计25 4.1 主程序的设计25 4.2 测速模块程序的设计26 4.3 PWM调速模块程序的设计28 4.4 LCD1602 液晶显示程序的设计28总结30参考文献31附录1 原理图32附录 2 源程序35附录 3 实物图41 II 第一章绪论1.1 问题的提出当今世界，科学技术日新月异。

传感器技术和自动控制正在飞速发展，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越“智能”这个词也已经成为了热门词汇。

现在国外的自动控制和传感来越重要，器技术已经达到了很高的水平，特别是日本，比如日本本田发明的机器人，其仿人双足行走已经做得十分的逼真了，而且还具有一定的学习能力，据说这机器人的智商已达到了 6 岁儿童的水平。

作为机械行业的代表产品——汽车，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整体（特别是轿车）的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展，汽车电子产业也很可能成为依托整车制造业和用车
提升配置而快速成为新的增长点：二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。

无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是在国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。

所以作为机电一体化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。

为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想，目的在于：通过独立设计一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。

所以立“基于单片机的智能小车测速设计”一题作为尝试。

这项设计是以采购的小车为基础，采用16 位STC89C52RC 单片机作为控制核心，逐步实现测速、调速、显示这三大功能。

本次设计主要解决问题是如何实现所要求的三大功能，最后完成硬件实物的组装，并编制相关程序，使其实现功能的融合，做出具有预先要求功能的实物。

11.2 设计思路本次设计的硬件框图如1-1 图所示电源LCD1602液晶PMW调速显示单片机STC89C52RC 测速电机驱动板
电机1-1 图这次的智能仪表综合训练是基于单片机的智能
小车测速系统，这次设计所使用的测速传感器为光电测速传感器，在单位时间内计算脉冲的次数，然后再进行转换和处理即得到所测量的速度。

通过PWM 调速模块结合软件进行调速，还有通过LCD1602 液晶屏显示脉冲、占空比和速度。

通过Keil 进行软件编程、编译、链接、调试以及用Proteus 画图进行仿真，编出能够满足要求的程序。

最后用STC-ISP V38A.exe 把生成的16 进制的文件下载到单片机即可。

2 第二章方案论证智能小车的总体结构如下：智能小车由各零部件组成，零部件主要有智能车底盘一个（TT 马达直流减速电机 2 个，电机固定座2 个，65MM 轮胎 2 个，万向轮2 个，有机玻璃板一块），单片机 1 块，LCD1602 液晶显示模块1 个，测速套装（模块100 线码盘）2 套，USB 转TTL 模块1 个，控制器 1 个，驱动器 1 个，6V 电池组2 块。

本次设计通过光电传感器进行测速、PWM 调速模块进行调速、LCD1602 液晶模块进行显示。

具体原理是：把100 线的光码盘安装在减速电机的转轴上，由于车轮也与减速电机的转轴连接，因此车轮与光码盘是同步的，它们具有相同的角速度。

光码盘与光电传感器是配套使用的，光电传感器安装在光码盘的旁边。

当电机转动时，光码盘也随之转动。

光电传感器输出TTL 电平，当光码盘无缝时输出高电平，光码盘有缝时输出低电平，轮动一圈输出的脉冲数根据码盘线数来决定。

因此当光码盘转动时，光电传感器就
会有脉冲输出。

光电传感器脉冲输出端接在单片机的P32、P33 口，也就是接到了外部中断0 和外部中断1 上。

通过外部中断服务在单位时间内进行脉冲数的计算。

在本次设计中采用定时器T1 进行 1 秒定时。

在这 1 秒钟的时间内把测量到的脉冲数进行处理，转换成速度。

调速部分需要硬件和软件结合。

L289N 驱动芯片里有两个H 型电桥，分别用来控制两个减速电机。

有两个使能端，分别是EN1 和EN2，它们分别控制着IN1 和IN2、IN3 和IN4。

当EN1 和EN2 为高电平时，两路电桥接通，减速电机运转，当EN1 和EN2 为低电平时，两路电桥截止，减速电机断电，停止运转。

本次设计的小车使用也很方便，只需打开一个开关按键，小车就跑起来，速度、脉冲和占空比都在LCE1602 液晶屏上显示出来。

下面根据设计要求，针对各模块需要完成的功能，本着简单、实用、廉价、容易操作、稳定的原则，对各个模块进行充分理论分析和方案论证。

2.1 控制核心的选择及其简介本次设计的小车具有测速、调速以及参数显示的功能。

由于需要实现的功能不多，因此用一般的51 系列的单片机就可以实现，由此选择了STC89C52RC单片机。

该单片机价格便宜、工作稳定、操作方便、功能齐全、性能稳定等优点深受广大单片机爱好者好评。

32.1.1 STC89C52RC 单片机简介STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。

在单芯片上，
拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得
STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、非常有效的解决方案。

具有以下标准功能：8k字节Flash，512 字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810 复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。

另外STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

特性方面：1.STC89C52RC单片机。

2.8K字节程序存储空间。

3.512 字节数据存储空间。

3.内带4K 字节EEPROM 存储空间。

5.可直接使用串口下载。

6.AT89S52 单片机。

7.8K 字节程序存储空间。

8.256 字节数据存储空间。

9．没有内带EEPROM 存储空间。

参数方面：1. 增强型8051 单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051. 2. 工作电压：5.5V～3.3V（5V 单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）3. 工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
4. 用户应用程序空间为8K 字节
5. 片上集
成512 字节RAM 4 6. 通用I/O 口（32 个），复位后为：
P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉，P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O 口用时，需加上拉电阻。

7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口
（RxD/P3.0TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。

8. 具有EEPROM 功能。

9. 具有看门狗功能。

10. 共有3 个16 位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2 。

11. 外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART 。

13. 工作温度范围：-40～85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。

14. PDIP 封装。

引脚说明单片机STC89C52 如下1-1
图所示2-1 图单片机 1. Vss：第20 个引脚，功能是电源地。

5 2. Vcc：第40 个引脚，功能是电源引脚。

正常操作、空闲、掉电以及对OTPROM、Flash ROM 编程或校验进的工作电压。

一般为2.76.0V（89C5X、89C5XX2 电源电压一般为5.0V）。

3. P00P17：作为I/O 口使用时，P0 口是漏极开路双向口，向口锁存器写入 1 时，I/O 口引脚悬空，是高阻输入引脚；在读写外部存储器时，P0 口作为低8 位地址/数据总线。

4. P10P17：内部带有弱上拉的准双向口I/O 口，作为输入引脚使用前，先使向P1 口锁存器写入1，P1 口引脚上拉至高电平。

P10P11 口除了作为一般I/O口使用
外，还具有第二输入/输出功能。

T2（P10）——定时器T2 的计数输入端或定时器T2 的时钟输出端。

T2EX（P11）——定时器T2 的外部触发输入端。

5. P20P27：内部带有弱上拉的准双向I/O 口，作输入引脚使用前，先向P2 口锁存器写入1，使P2 口引脚上拉至高电平。

在读写外部存储器时，P2 口输出高8 位地址信号A15A8。

6. P30P37：内部带有弱上拉的准双向I/O 口，作输入引脚使用前，先和向P3 口锁在器写入1，使P2 口引脚上拉至高电平。

P3 口除了可作为一般的I/O口使用外，还具有第二输入/输出功能。

RXD （P30）——串行数据接收（输入）端。

TXD（P31）——串行数据发送（输出）端。

INT0（P32）——外部中为0输入端。

INT1（P33 ）——外部中断 1 输入端。

T0（P34）——定时/计数T0的外部输入端。

T1（P35）——定时/计数T1 的外部输入端。

WR（P36）——外部数据存储器写选通信号，低电平有效。

RD（P37）——外部数据存储器读选通信号，低电平有效。

7. RST：第9 个引脚，功能是复位信号输入端，高电平有效。

8. ALE：第30 个引脚。

低8 位地址锁存信号。

9. PSEN：第29 个引脚。

外部程序存储器读选通信号，低电平有效。

从外部程序存储器取指令时，每个机器周期PSEN 信号被激活两次。

只有执行外部程序存储器中的指令时，PSEN 才有效，而执行其它操作时PSEN 无效。

10. EA/Vpp：第31 个引脚。

外部程序存储器读选通信号，低电
平有效。

11. XTAL1：第19 个引脚。

片内晶振电路反相放大器输入端，接CPU 内部时钟电路。

12. XTAL2：第18 个引脚。

片内部晶振电路反相放大器输出端。

62.1.2 小车控制板简介小车控制板如下2-2 图所示2-2 图控制板本控制器采用双层板设计，布局合理，线路精密，，40 位单片机卡座可兼容51 系统及STC 所有系列单片机，采用晶振12M，大电流供电端子设计及优质电源开关及优质复位开关设计，指示灯设计等。

单片机接口与电源和GND 采用三位一排方式排列，有效解决了常用三位引线传感器电源输入的问题，预留有串口无线模块接口排座、超声波接口、LCD1602 和LCD12864 液晶接口及（亮度可分别通过两个滑动变阻器调节）TTL程序下载接口等。

关于供电，外接电源69V，本控制板采用AMS-1117-5.0 稳压之后给单片机供电，使单片机工作更加稳定。

关于程序下载，本控制板是TTL 接口直接引出，下载程序必须接一个TTL转USB 的模块连接到电脑的USB 口，正常识别串口后，便可以下载。

下载时，先选择下载文件，其次点击下载按钮，最后再按开关接通电源便可正常下载，如果发现不能正常下载，首先要检查线路是否接对，其次调一下波特率，正常都能解决。

7 接口如下2-3 图所示2-3 图小车控制板接口说明标号1：电源供电端子，69V 输入，VCC 接正极，GND 接负极。

标号2：电源供电指示灯。

标号3：电源
开关。

标号4：复位按键。

标号5：串口数据接收指示灯。

标号6：串口数据发送指示灯。

标号7：程序下载接口，TTL 接口，从下到上的顺序依次为VDD，RXD，TXD，GND。

标号8：单片机IO 口，接口引脚说明请参考单片机说明资料。

标号9：VDD。

标号10：GND。

标号11：LCD1602 液晶屏亮度调节变阻器。

标号12：LCD12864 液晶屏亮度调节变阻器。

标号13：AMS-1117-5.0 稳压管。

标号14：LCD1602 液晶屏接口。

标号15：LCD12864 液晶屏接口。

8 标号16：超声波接口。

标号17：单片机IC 座。

标号18：串口无线模块接口。

标号19：单片机IO 口，接口引脚说明请参考单片机说明资料。

标号20：VDD。

标号21：GND。

标号22：晶振，12M。

标号23：P0 口上位排阻。

2.1.3 小车驱动板简介小车驱动板如2-4 图所示2-4 图
小车驱动板L289N 模块输入输出关系如下表所示ENA IN1 IN2 电机运转情况H H L 正转H L H 反转H IN1 IN2 快速停止9L X X 停止2-1 表产品参数说明 1.驱动芯片：
L298N 双H 桥直流电机驱动芯片。

2.带光耦驱动隔离功能，带正反转指示灯和电源指示灯。

3.驱动部分端子供电范围Vs：5V35V。

4.驱动部分峰值电流Io：2A。

5.逻辑部分端子供电范围Vss：5V7V。

6.逻辑部分工作电流范围：036mA。

7.输入电压范围：低电平：-0.31.5V ，高电平：2.3VVss。

8.使能信号输入电压范围：低电平：-0.31.5V（控
制信号无效），高电平：2.3VVss（控制信号有效）。

9.功耗：20W。

（温度T75 度时）。

10.存储温度：-25130 度。

11.驱动板尺寸：57mm50mm33mm（带固定铜柱和散热片高度）。

12.关于调速：PWMA 和PWMB 输入不同的占空比就可以分别调制两个电机的速度，如果不需要调速，悬空即可。

2.2 小车驱动方式选择方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制通过开关的切换对小车的速度进行调整，此方案的优点是电路较为简单缺点是继电器的响应时间慢
易损坏寿命较短可靠性不高。

方案二：采用由集成了双极性管组成的H 桥电路芯片L298N。

用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。

综合两种方案的优缺点，决定选择方案二。

102.3 光电测速模块光电测速模块如2-5 图所示2-5 图光电测速模块模
块参数 1.供电电压：5V。

2.输出信号：TTL 电平（码盘无缝隙时输出高电平，码盘有缝隙时输出低电平）。

转动一圈输出脉冲数根据码盘线数决定。

3.接线说明：红色接5V，黑色接GND，绿色接OUT。

100 线光码盘如2-6 图所示11 2-6 图光码盘注意事项：1.固定时需要轻拿轻放，以勉损坏光码盘。

2.固定时要确保码盘缝隙能够放在光电传感器
的凹槽里。

3.由于光码盘是安装在小车底盘的底部，尽量在水平的地面行走，以勉碰坏光码盘。

2.4 LCD1602 显示模块系统采用1602 液晶显示，它可以显示216 个字符，同时只用11 个I/O 端口，它不仅节省了单片机的资源，相比较数码管液晶显示更加直观、节能，同时在硬件上面液晶的驱动电路比数码管简单的多，故采用LCD 显示。

LCD1602 液晶屏如2-7 图所示。

12 2-7 图1602 字符型液晶显示LCD1602 液晶也叫1602 字符型液晶，它是一种专门来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它有若干个5X7 或者5X11 等点阵字符位能成，每个点阵字符都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此，所以它不能显示图形。

目前市场上字符液晶绝大多数是基于HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上在部分的字符型液晶。

LCD1602 液晶屏的特性 1.5V 电压，对比度可调。

2.内含复位电路。

3.提供各种控制命令。

如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。

4.内建有160 个57 点阵的字符型的字符发生器CGROM。

5.有8 个由用户定义的57 的字符发生器CGRAM。

接口信号说明：编号1：VSS，电源地。

13 编号2：VDD，电源正极。

编号3：VL，液晶显示偏压信号。

编号4：RS，数据/命令选择（H/L）。

编号5：R/W，读/写选择端（H/L）。

编号6：E，使能信号。

编号7：D0，Data I/O。

编号8：D1，Data I/O。

编号9：D2，Data I/O。

编号10：D3，Data I/O。

编号11：D4，Data I/O。

编号12：D5，Data I/O。

编号13：D6，Data I/O。

编号14：D7，Data I/O。

编号15：BLA，背光源正极。

编号16：BLK，背光源负极。

基本操作时序如下表所示1 读状态输入：RSL RWH，EH 输出：D0-D7状态字2 写指令输入：RSL RWL，D0-D7指令码，E脉输出：无冲3 读数据输入：RSH，RWHEH 输出：D0-D7数据4 写数据输入：RSH，RW1，D0-D7数据，EH 输出：无2-2 表2-8 图LCD1602 尺寸图14下图2-9 是LCD1602 液晶显示与单片机接口连接图。

2-9 图15 第三章系统硬件设计3.1 车体结构及其驱动电路车体驱动方式已经在前一章确定下来了，硬件部分则在采购的小车基础上进行，小车的实物图如图3-1 所示，控制板下的电路板.。