基于AT89S52单片机的设计论文

2 系统总体方案设计与论证 2 系统总体方案设计与论证

2.1 总体方案设计

根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装反射式红外光电传感器、超声波传感器、速度检测传感器以及光敏二极管阵列，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。

本方案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。系统整体方框图如图2-1所示。

图2-1 系统总体设计框图

2.2 方案选择论证

检测系统主要运用传感器作为外部敏感元件，进行外部信号的检测。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存

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学士学位论文 储、显示、记录和控制等要求[7]。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。选择合适的传感器可以使设计简便，还可以简化硬件电路。

2.2.1 循迹检测系统

循迹检测常用到传感器。根据小车功能的要求有两种方案，一种是使用红外光电传感器，另一种是使用CCD传感器。这两种方案都可以达到小车循迹要求，目前使用最为普遍的循迹检测方法是红外探测法。两种方案的主要区别是使用的传感器不同。具体区别见表2-1。

表2-1 循迹检测方案对比

受外界干扰程度

实时性

对主控芯片要求

成本

红外光电传感器

小 好 较低

较低

CCD传感器 较小 差 较高

高

从上表中可以很明显的看出，红外传感器相对于DDC传感器来说，在实时性和对主控芯片的要求方面都比CCD传感器要好。基于这些优势以及处于成本的考虑，本设计采用小车底部，距地面高度合适，可以达到很好的检测效果。

2.2.2 障碍物检测系统

根据题目功能的要求，小车在循迹行驶过程中要能准确的避开途中遇到的障碍物，因此对检测距离有一定要求。又考虑到在测障过程中小车车速及避障反应堆小车速度的限制，小车应在距障碍物10CM的范围内做出反应，这样才能在顺利绕过障碍物的同时还为下一步驶入车库寻找到最佳的位置和方向。否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。 障碍物检测可以有多种方法：红外光检测、超声波检测、甚至机械接触。这些方法都有各自的优缺点。常用的有红外检测和超声波检测，两种方案的区别见表2-2。

表2-2 障碍检测系统方案对比

检测距离 精确度

受外界环境干扰程度 硬件电路 成本

红外检测 4~10cm 1cm

易受外界环境干扰

超声波检测 0.10~4.00m 1cm

不易受外界环境干扰

所需元器件少，尺寸小，安装简便 稍复杂，安装简便 8元左右 6元左右

从上表可以看出，相对红外检测，超声波检测距离远，不易受外界环境干扰，由于小车需要在行驶过程中检测障碍物，颠簸，光照方面可能会对检测产生影响。所以需要选择稳定性较好的，故本设计选择超声波检测。

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2 系统总体方案设计与论证 2.2.3 光源检测系统

光源检测使用常见的光敏器件，光敏二极管。光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。这里我们就可以利用光敏二极管对光源变换的敏感反映，检测外部光源。当有光照射时，光敏二极管呈强电阻，经比较器输出一个高电平，反之则输出低电平。我们可以再外接一个LED作为检测指示灯，则可以明显观察到这个变化。即有光照时LED亮，无时则灭。

2.2.4 速度检测系统

在电机测速中，考虑了两种方案：一种是使用光电码盘，即透射式光电传感器（凹槽型，类似老式鼠标），另一种是霍尔传感器（适合较高速度）。两种方案的主要区别如表2-3。

表2-3 速度检测系统方案对比

抗干扰性 实时性 易用性 霍尔传感器 较强 较好 关电码盘 强 好 需和磁钢配对使用，较麻烦 较简单

由上表可以看出光电码盘在各方面都具有一定的优势，因此本设计采用关电码盘测速。

2.3 电机驱动系统

直流电机和步进电机都可以用于小车驱动。故有两种方案。

方案一：使用直流电机，加上适当减速比的减速器。直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放大器。常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式。此方法性能较好，电路和控制都比较简单。

方案二：使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一个

电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。去而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关[8]。但步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成。具体差别见下表2-4。

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学士学位论文 表2-4 电机控制方式对比

调速性能 位置控制精度

驱动

稳定性

直流电机 较好 较差 简单 较好

步进电机 较差 好 复杂

好，仅与控制脉冲有关

由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直流电机即可满足小车要求的精度。且直流电机易于控制，驱动电路十分简单。

2.4 单片机控制电路系统

此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。控制的方法有很多，大部分都采用单片机控制。单片机要完成电机控制、循线控制、避障控制金属检测控制和光源检测控制等工作。本设计中小车的主控采用我们最为熟悉的AT89S52单片机。虽然这款单片机本身没有PWM模块，但若采用本身有PWM模块的单片机就会产生资源浪费。我们可以通过软件编程产生PWM，既能充分利用可用资源，又不浪费。且能很好的满足题目要求。

2.5 显示模块

由于小车要显示速度和行驶距离，内容较多。数码管使用简单，价格低廉，但一个数码管只能显示一个数字，要显示多位数据时要使用多个数码管，这就增加了硬件电路的复杂度和额外功耗。故不予考虑。液晶显示电路简单，使用方便，一个液晶显示器就可以同时满足此处同时显示速度和距离的要求，且更加直观明了。

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