基于51单片机智能小车的设计与实现

刘志娴 江敏 阮玲玉

摘要:本文提出一种基于51单片机的智能小车设计,可实现循迹、追光、避障、记录磁片个数(记录路程)等功能。本设计的硬件结构主要由单片机小系统板、电机驱动板、追光板等构成,软件部分主要完成循迹、追光、记录磁片个数等程序设计。通过对本设计的软硬件实时测试,其功能能稳定运行,达到设计的预期目标。通过对本设计可提高电子设计和单片机编程的兴趣和能力,具有一定的现实和实用价值。

关键词:单片机;智能小车;循迹;追光

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2018)21-0273-02

1 系统方案

本系统设计主要包括七大部分:寻迹模块、追光模块、避障模块、记录磁片模块、驱动模块、电源模块和显示模块。系统框图如图1所示。

本设计是基于51单片机的智能小车系统,通过对小系统控制板,驱动板,追光电路板等的硬件制作构建实物平台,并采用Keil软件编程实现循迹,追光,记录路程等功能。

本设计主要完成的功能:

1)小车从起跑线出发,沿黑色引导线直走。在引导线区域检测到磁片时,小车停下并且数码管显示遇到的磁片个数。

2)小车进入无引导线区域,按其设定的路线行走,实现避障功能。

3)小车在光源区域中,在光源的引导下进入停车区。停车后,能准确显示磁片个数。

2 硬件电路设计

2.1 单片机小系统设计

设计并制作单片机的最小系统,硬件电路包括:51单片机及其外围电路、四个发光二极管电路、四位七段LED数码管显示电路、供电电路、蜂鸣器电路、ISP程序下载口等。系统的I/O资源分配:P0连接数码管的段码引脚;P1.0—P1.3连接4个发光二极管;P2.0—P2.3连接四位数码管的位选引脚;P2.4—P2.7连接电机驱动控制;P3.0控制蜂鸣器;P3.1—P3.7连接各类传感器。

在设计中需要考虑到上拉电阻与下拉电阻的应用。上拉电阻和下拉电阻的共同作用是避免电压的悬浮,造成电路的不稳定,同时起到限流的作用。上拉是对元器件注入电流,即灌电流,当一个接有上拉电阻的I/O口作输入时,它的常态为高电平。上拉电阻的接法是:电阻一端接VCC,一端接逻辑电平接入引脚(如单片机引脚)。下拉是对元器件输出电流,即拉电流,当一个接有下拉电阻的I/O口作输入时,它的常态为低电平。下拉电阻的接法是:电阻一端接GND,一端接逻辑电平接入引脚(如单片机引脚)。单片机的每个引脚向引脚灌入的最大电流为10mA;拉电流不到1mA。图2、图3分别为灌电流和拉电流的接法。

图2发光二极管的正极接上一个上拉电阻,实现分压,保护二极管且限流;负极接单片机I/O口,当I/O口为低电平时,5V的电源接入电路,产生正向压降,二极管发光。图3的源输出是单片机I/O口的输出电流低于5V电源的驱动电流,所以图3的二极管发光亮度较图2暗淡,并且使用I/O口直接驱动时,容易烧毁单片机的I/O口。类似的还有蜂鸣器电路和数码管显示电路的设计。

2.2 电机驱动电路设计

L298N是一种常用的电机驱动芯片,它具有高电压,大电流的特点。该芯片内的两个全桥式驱动器,可以用来驱动直流电机和步进电机。由于L298N的输出电流较大,一般需要安装散热片。ISENA、ISENB是反馈端,一般接地,将这两端与小系统板的接地端接在一起。IN1、IN2、IN3、IN4四个输入端,接单片机端口,通过编程来控制小车的运动。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4与IN对应的输出端接电机; EN A为使能端,高电平有效,控制OUT1、OUT2;EN B为使能端,高电平有效,控制OUT3、OUT4。L298电路设计如图4所示。

2.3 循迹电路设计

设计中的循迹部分使用漫反射式光电开关来实现,它可用于识别黑白物体,用于循迹和避障白色障碍物。当被检测物体是白色时,由于白色将光线反射就回来光敏三极管导通,不稳定的输出经过施密特整形电路变得稳定,输出低电平。当被检测物体是黑色时,光敏三极管截止,用于循迹。具体连接:棕色接正,蓝色接电源负极,黑色为传感器输出,接单片机I/O口。单片机初始化为高电平,同时也可用光电开关来控制继电器的通断。

2.4 追光电路设计

设计中利用光敏二极管进行光源检测(追光), 光敏二极管的基本工作原理是:当光敏二极管加上反向电压时,光照强度越大,二极管中的反向电流越大;光照强度越小,二极管中的反向电流小。追光电路設计如图5所示:

3 软件设计

本设计的总体程序设计框图6如下,简要介绍循迹功能程序设计、记录磁片个数程序设计、追光程序设计的思路。

3.1 循迹功能

通过光电传感器寻找小车运行路迹 ,该光电传感器内含光敏三极管。遇到白色物体反射光线,光敏三极管导通,光敏三极管工作,输出低电平;遇到黑色物体吸收光线,光敏三极管截止,光敏三极管不工作,输出高电平。用P3.1 、P3.2分别控制两个传感器,具体程序段如下:

当P3.1 、P3.2同时高电平,小车停止;当P3.1 、P3.2同时低电平,小车直走;当P3.1低电平、P3.2高电平,小车左转;当P3.1 高电平、P3.2低电平,小车右转。

3.2 记录磁片个数功能

金属传感器检测磁片有无,该传感器采用三线制的结构,内部集成LC高频振荡电路。常用的有两个状态:无金属传感器则输出高电平,小车继续循迹;有金属时传感器则输出则低电平,此时声光报警,数码管显示金属块数量。引脚连接为棕色接电源正极,蓝色接电源负极,黑色为信号线接单片机IO口。

3.3 追光功能

追光电路内含光敏二极管,光敏二极管处于反向工作状态,光照强度越大,反向电流越大,电压降增大。小车追光时,硅光电池在有光线照射时,会产生电动势,光照越强,电动势越大。当超过LM393比较器的参考电压时,输出高电平。通过判断与输出端连接的单片机引脚P3.5、P3.6的高低电平实现小车追光的功能。

4 结语

本设计通过测试实现了循迹、追光、记录磁片个数的所有功能。综合设计了单片机最小系统设计、L298驱动电路及系统调试、传感器选择、小车车体等软硬件,运用了DXP电路设计,单片机C语言编程设计以及机械实践设计等综合知识,对提高电子专业学生学习的兴趣和积极性有一定的帮助,具有一定的现实和实用价值。

参考文献:

[1] 周淑娟.基于单片机智能寻迹小车的设计方案[J].工业技术与职业教育,2011(02).

[2] 张馨月.基于51单片机的简易智能小车设计[J].科技创新,2017(16).

[3] 李欢.基于51单片机的智能小车设计[J].信息与电脑(理论版), 2016(23).

[4] 邵泽军,张秋菊.基于单片机的智能小车[J].今日科苑,2011(16).

[5] 李柠,张殿富.基于单片机的智能小车速度控制设计[J].科技视界, 2012(28).

[6] 林碧琴.基于单片机的智能避障小车的设计和制作[J].电子测试,2013(15).

【通联编辑:梁书】

《基于51单片机智能小车的设计与实现》转载自《电脑知识与技术》学术期刊,2018年21期 ,作者:刘志娴,江敏,阮玲玉。

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