基于51单片机智能小车的设计与实现

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基于51单片机智能汽车的设计和实现

作者：未知

摘要：本文提出了基于51台单片机的智能汽车设计，可实现跟踪、追光、避障、记录磁片数量（记录距离）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、追光板等组成，软件部分主要完成跟踪、追光、记录磁片数量等程序设计。实时测试本设计的软硬件，其功能稳定运行，达到设计的预期目标。对电子设计和单片机编程的兴趣和能力有一定的现实和实用价值。

关键词:单片机；智能车；跟踪；追光；

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

1 系统方案

系统设计主要包括七个部分：搜索模块、追踪模块、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单片机的智能汽车系统，通过小系统控制板、驱动板、追光电路板等硬件生产构建物理平台，并采用Keil实现跟踪、追光、记录路程等功能的软件编程。

本设计的主要功能：

1)汽车从起跑线出发，沿着黑色导线直行。当导线区域检测到磁片时，汽车停下来，数字管显示磁片数量。

2)车辆进入无导线区域，按设定路线行走，实现避障功能。

3)汽车在光源区域，在光源的引导下进入停车区。停车后，磁片数量可以准确显示。

2 硬件电路设计

2.1 单片机小系统设计

单片机最小系统的设计和制造包括：51单片机及其外围电路、四个发光二极管电路、四位七段LED数字管显示电路、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―P1.三连接四个发光二极管；P2.0―P2.位选引脚连接四位数码管；P2.4―P2.7连接电机驱动控制；P3.控制蜂鸣器；P3.1―P3.7连接各种传感器。

上拉电阻和下拉电阻的应用应考虑在设计中。上拉电阻和下拉电阻的共同作用是避免电压悬浮，导致电路不稳定，限流。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，其常态为高电平。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)。当有下拉电阻时，下拉是对元器件的输出电流，即拉电流I/O口作输入时，其常态为低电平。下拉电阻的连接方式为：电阻一端连接GND，一端接逻辑电平接入引脚(如单片机引脚)。单片机每个引脚注入引脚的最大电流为10mA；拉电流不到1mA。图2和图3分别是灌电流和拉电流的连接方式。

图2发光二极管正极连接上拉电阻，实现分压，保护二极管，限流；负极单片机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的二极管比图2暗，使用I/O当口直接驱动时，很容易烧毁单片机I/O口。蜂鸣器电路和数字管显示电路的设计也很相似。

2.2 电机驱动电路设计

L298N它是一种常用的电机驱动芯片，具有高压、大电流的特点。芯片中的两个全桥式驱动器可用于驱动直流电机和步进电机。由于L298N散热器一般需要安装，输出电流大。ISENA、ISENB是反馈端，一般接地，两端与小系统板接地端连接。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相应的输出端接电机； EN A有效控制能量端、高电平OUT1、OUT2；EN B有效控制能量端、高电平OUT3、OUT4。L如图4所示，298电路设计。

2.3 循环电路设计

漫反射光电开关实现了设计中的循环部分，可用于识别黑白物体，用于循环和避免白色障碍物。当被检测物体为白色时，由于白色反射光，光敏三极管导通，不稳定的输出通过施密整形电路变得稳定，输出低电平。当被检测物体为黑色时，光敏三极管用于跟踪。具体连接:棕色连接，蓝色连接电源负极，黑色输出传感器，单片机连接I/O口。单片机初始化为高电平，光电开关也可用于控制继电器的通断。

2.4 追光电路设计

光敏二极管用于光源检测(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，光强越大，二极管中的反向电流越大；光强越小，二极管中的反向电流越小。追光电路O如图5所示：

3 软件设计

本设计总体程序设计框图6如下，简要介绍了跟踪功能程序设计、记录磁片数量程序设计、追光程序设计的理念。

3.1 循迹功能

通过光电传感器寻找汽车的运行路径 ，光电传感器包含光敏三极管。遇到白色物体反射光，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，光敏三极管截止，光敏三极管不工作，输出高电平。P3.1 、P3.具体程序段如下：

当P3.1 、P3.同时高电平，停车；当P3.1 、P3.2同时低电平，小车直行；当P3.1低电平、P3.2高电平，汽车左转；当P3.1 高电平、P3.低电平，汽车右转。

3.2 记录磁片的个数功能

金属传感器检测磁片是否存在。传感器采用三线结构，内部集成LC高频振荡电路。常用的状态有两种：无金属传感器输出高电平，汽车继续跟踪；当有金属时，传感器输出低电平，此时声光报警，数字管显示金属块的数量。引脚连接棕色电源正极，蓝色电源负极，黑色信号线单片机IO口。

3.3 追光功能

追光电路含有光敏二极管。光敏二极管处于反向工作状态。光强越大，反向电流越大，电压下降越大。当汽车追逐光线时，硅光电池产生电势。光越强，电势越大。LM当393比较器的参考电压时，输出高电平。通过判断连接到输出端的单片机引脚P3.5、P3.6高低电平实现汽车追光功能。

4 结语

该设计通过测试实现了跟踪、追逐和记录磁片数量的所有功能。单片机最小系统设计的综合设计，L采用298驱动电路及系统调试、传感器选择、车身等软硬件DXP电路设计、单片机C语言编程设计、机械实践设计等综合知识有助于提高电子学生的学习兴趣和热情，具有一定的现实和实用价值。

参考文献：

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[5] 张殿富，李柠.智能车速控制设计基于单片机[J].科技视界， 2012(28).

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【通联编辑:梁书】