中国海洋大学课程设计报
告
题 目：自动往返电动小汽车 组 员：莫锦河、李鹏飞 指导教师：谷健
自动往返电动小汽车
摘要
本设计以一片单片机AT89C52作为核心来控制自动往返小车，加以控制芯片L298N和单片机联合控制小车的前进与后退。路面的黑带检测使用光电传感器，通过AT89C52对输入的信号进行处理，通过PWM调制使电机转速能自动调节，从而实现电动小汽车的快慢速行驶，以及自动停车、往返的控制要求。
关键字：电动小车、AT89C52单片机、光电传感器、PWM调速
一、系统方案论证
1.1最小系统控制器的选择方案
方案一：AVR ATMEGA16单片机。AVR 系列单片机采用RISC结构，执行速度较快，并且内部资源丰富，可以方便的使用C语言编程，并且开发环境很方便，但是功耗较高，在超低功耗方面明显不能满足题目要求。
方案二： MSP430G2553 系列超低功率微控制器包含几个器件，这些器件特有针对多种应用的不同的外设集。这种架构与5 种低功耗模式相组合，专为在便携式测量应用中延长电池的使用寿命而优化。MSP430G2x13 和MSP430G2x53 系列是超低功耗混合信号微控制器，具有内置的16 位定时器、多达24 个支持触摸感测的I/O 引脚、一个通用型模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信能力。此外，MSP430G2x53系列成员还具有一个10 位模数(A/D) 转换器。
方案三：典型的51系列单片机AT89C52。51系列单片机操作较为简单，程序简单易学，开发非常方便。
综合比较，我们采用方案三，采用典型的51系列单片机AT89C52，方便实现。
1.2电动机模块
方案一：选用步进电动机，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
方案二：选用伺服电动机，在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
方案三：选用直流电动机，直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。
综上比较，我们采用方案三，方便实现直流驱动小车的运动。
1.3升压模块
方案一：使用UCC38C43芯片的交错式升压。交错式升压电路中，每个相的工作方式都与上述单相升压相似。两个功率级会以反相 180°的方式运行，使得输入和输出电容的纹波电流互相抵消，但是功耗比较大。
方案二：使用直流升压。其基本的工作过程是：高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流获得高压直流电，电路简单、低成本、而且功耗比较低。
综上比较，我们采用方案二，更有利于实现超低功耗。
1.4降压模块
方案一：使用二极管降压电路。二极管导通时有一个止向压降，且该压降为固定值（硅管为0.7V，锗管为0.3V），但是电压太高容易被击穿。
方案二：使用TPS54331芯片降压电路。其110μA 工作电流以及极低的 1μA 关断电流，拥有 3.5V～28V 的宽泛输入电压范围、低至 0.8V 的可调输出电压以及高达 3A 的输出电流，能显著降低 LCD 电视负载点电路板设计方案功耗。
综合比较，采用方案二，结合AT89C52单片机共同实现超低功耗的功能。
1.5黑带检测模块
方案一：选用反射式红外传感器，利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。
方案二：选用光电传感器，光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光
信号转换成电信号。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样等优点。
综上比较，我们采用方案二，材料容易获取，切简单容易操作。
二、系统的硬件设计及工作原理
根据题目的要求，该系统主要由电动机模块、升压模块、降压以及黑带检测模块组成，其结构的框架如下图1所示。
图1 系统方案图
2.1 AT89C52单片机
AT89C52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。具体电路见附图1。
2.2 电动机模块
电机驱动电压由AT89C52单片机的P1.0和P1.1分别控制。当P1.0为0，P1.1为1时，电机驱动电压为+5.0V，小车进入高速行驶状态；当P1.0为1，P1.1为0时，电机驱动电压为+3.3V，小车进入低速行驶状态。当P1.0为高电