单片机课程设计--智能小车—硬件设计

实验报告

课程名称单片机课程设计

实验名称智能小车—硬件设计

专业通信工程

班级

学号

姓名

指导教师

2011年12 月12 日

课程设计任务书

课程名称单片机课程设计

课题智能小车—硬件设计

专业班级

学生姓名

学号

指导老师

审批

任务书下达日期2011 年12 月12 日任务完成日期2011 年12 月26日

设计课题六：基于51单片机的智能小车设计

一、问题描述：

小车模型采用玩具小车，电机采用步进电机，以51单片机为核心的控制电路，控制小车前进、后退、加速、减速。采用红外传感器检测电路，实现小车在行驶中自动循迹的功能。

二、功能要求：

1、基本部分：

小车能做前进、后退、加速、减速等简单运动。

2、发挥部分：

小车能在设计的线路上完成循迹功能。

三、主要器件准备：

51单片机最小系统板、电池、稳压电源模块、红外传感器、玩具小车、步进电机、电机驱动模块

目录

一、课题的主要功能 (3)

二、功能模块的划分及工作原理 (3)

1、硬件模块总体设计 (3)

2、电源模块 (4)

3、单片机系统模块 (4)

4、电机驱动模块 (5)

5、循迹模块 (6)

三、智能小车的制作流程 (7)

1、元件的准备 (7)

2、制作原理图 (7)

3、制作PCB图 (9)

4、制作电路板 (10)

5、组装 (11)

6、接线 (14)

四、硬件调试 (14)

五、总结 (14)

六、评分表 (16)

一、课题的主要功能

本次课程设计要求结合《51单片机原理及应用》课程所学内容，完成智能小车的设计。通过智能小车的设计进一步掌握51单片机的原理及应用。通过软件设计和硬件设计最终使小车实现基本部分和发挥部分的功能。其中小车实现功能的基本部分包括小车能做前进、后退、加速、减速等简单的运动。发挥部分包括小车能在设计的线路上完成循迹功能。小车模型采用玩具小车，电机采用直流电机。核心控制电路为52单片机，采用模块化的设计方案，运用红外传感器检测电路，实现小车在行驶中自动循迹的功能。

二、功能模块的划分及工作原理

1、硬件模块总体设计

电路分为电源模块、单片机系统模块，电机驱动模块，循迹模块。 智能小车设计的原理框图如下：

工作原理：利用循迹模块中的红外发射接收对管检测路面上的轨迹，将轨迹信息发送给单片机系统模块；单片机系统模块采用模糊推理求出转向的角度和行走速度，对电机驱动模块发出相应的控制信号；电机驱动模块接到单片机系统的控制信号后对电机进行驱动，最终完成智能小车在设计线路上的自动循迹。

电源模块

电机驱动模 块

单 片 机 系 统 模 块

循迹模块

电 机

输出信号

电压转换后供电

控 制 信 号

供 电

控制电压

2、电源模块

本次设计中，单片机和直流电机要求的供电电压均为5V。而由6个1.2V干电池串联而组成的电源实际提供的电压为7.2V，超过需求电压，所以通过电压转换芯片将电压转换为5V的直流电压后再给单片机和电机供电，保证单片机和电机工作在安全电压之内。

工作原理：由六节干电池串联组成电源，然后利用电压转换芯片7805进行电压转换，取得安全稳定电压。

3、单片机系统模块

智能小车的核心控制电路为ATMEL公司生产的AT89C52单片机芯片。本次设计的单片机最小系统电路包括：电源电路、时钟电路、复位电路、按键和插针电路。其中各个部分的功能如下：

电源电路：通过电压转换芯片后为单片机和电机提供5V稳定电压。

时钟电路：由一个外接的11.0592MHz的石英晶振为单片机提供时钟信号。

复位电路：在电压达到高电平时给单片机芯片发送一个复位信号。

按键：各按键分别具有复位功能、前进后退控制功能、加速功能、减速功能、模式转换功能。

插针：插针对外显示为单片机的接口。

工作原理：单片机系统模块是小车的核心电路。其上有电源转换芯片7805、AT89C52芯片、电源按键，复位按键，前进后退键、加速减速键、模式转换键等，这些功能的实现是通过单片机编程实现。循迹模块和电机驱动模快分别接到单片机的P1口和P2口，通过从循迹模块传输到单片机电平的变化来控制电机驱动进而控制小车进行各个行驶状态转化。

对时钟电路而言，单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡。89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益的反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。由于采用内部方式时电路简单，所得时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式。在片外接晶体振荡器或陶瓷振荡器就构成了内部振荡方式。片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

对复位电路而言，为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位时靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个周期以上的高电平，即可起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出（0/1）端寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H，SBUF内置为不定值，其余寄存器全部清零，内部ＲＡＭ的状态不受复位的影响，在系统上电时ＲＡＭ的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动复位。本系统采用手动复位。

4、电机驱动模块

电机有两种选取方案。它们是步进电机和直流电机。

步进电机具有一个显著的特点是具有快速的启停能力，如果负荷不超过步进电机动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高正反转控制灵活。

直流电机转动矩力大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。除此之外，直流电机具还有优良的调速特性，调速平滑，方便，调节范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无数快速启动、制动和反转。这些特性刚号满足课设中“小车能做前进、后退、加速、减速等简单运动”的要求应具有的特性。同时由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速齿轮组，可以产生较大扭力。采用左右两轮分别驱动，前万向轮转向的方案。左右轮分别用两个转速和力矩基本相同的直流电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。由此可以轻松实现小车不同角度的转弯。所以本次课设中我们采用了直流电机驱动。

电机驱动芯片为L298，其驱动电流大，为电机驱动专门设计，工作稳定可靠。L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298，内部同样包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机。

工作原理：驱动模块向内与电源直接相连，再连接到电源转换芯片，为电机和单片机提供电压。驱动模块的核心芯片是L298，通过单片机的I/O口输入改变芯片控制端的电平，即可对电机进行正反转，停止的操作。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号。L298的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机。IN1 、IN2、IN3、 IN4引脚从单片机接输入电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能