毕业论文--基于51单片机的电动轮椅智能速度控制系统的设计与实现.doc
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大连东软信息学院
本科毕业设计(论文)
论文题目:
基于51单片机的电动轮椅智能速度控制系统的设计与实现
系所:
电子工程系
专业:
电子信息工程(微电子制造方向)
学生姓名:
学生学号:
指导教师:
导师职称:
导师
完成日期:
2014年4月28日
大连东软信息学院
DalianNeusoftUniversityofInformation
毕业设计(论文)题目:
基于51单片机的电动轮椅智能速度控制系统的设计与实现
设计(论文)的基本内容:
本设计实现的电动轮椅智能速度控制系统,实现轮椅的前进、后退及停止等常规功能外,额外设计了轮椅行进速度测试模块,以便在轮椅行进速度过快的情况下可以做到提示报警,以便用户可以更安全的使用之。
本设计是以STC12C5A60S2单片机为核心,以数字集成电路技术为基础,软件、硬件相结合,组成电动轮椅速度控制电路、实现了轮椅速度实时显示、超速报警及当前时间显示等功能,方便坐轮椅的人可以随时了解当前时间及更好的控制速度,另外系统提供三个快捷键,主要用于遇到湿滑、颠簸和普通路况时,一键完成对速度的控制。
本设计主要实现一个电动轮椅智能速度控制系统,包括轮椅的前进、后退、停止及速度测试等功能模块,实物可完全演示常规轮椅的基本功能。
系统由硬件系统和软件系统两部分组成。
系统软件部分由C语音编写,易读,可移植性好。
要求实现对各个功能模块中的主逻辑芯片的时序控制;硬件部分主要设计一个正常工作的轮椅的程序控制器,轮椅在行进过程中,如果遇到不理想的路况,比如路滑、颠簸等状况,可以选择轮椅的对应按键,启动相应的模式,这种一键设置模式有助于老人及残疾人对轮椅速度的把握。
本系统主要包括红外测速模块、LCD显示模块、电机驱动控制模块、按键模块及实时时钟模块等五个部分组成。
毕业设计(论文)专题部分:
题目:
设计或论文专题的基本内容:
学生接受毕业设计(论文)题目日期
第1周
指导教师签字:
年月日
大连东软信息学院毕业设计(论文)摘要
基于51单片机的电动轮椅智能速度控制系统的设计与实现
摘要
随着人口老龄化问题越来越严重以及生活水平的提高,人们对高龄老年人和残疾人的关注度日渐提高,这是一个庞大的特殊群体,需要社会的关爱,对轮椅等辅助步行工具需求日益迫切。
因此面对这样一个市场,智能轮椅的研究越来越多,越来越多的电动式轮椅进入消费者的视线。
本设计实现的电动轮椅智能速度控制系统,实现轮椅的前进、后退及停止等常规功能外,额外设计了轮椅行进速度测试模块,以便在轮椅行进速度过快的情况下可以做到提示报警,以便用户可以更安全使用。
本设计是以STC12C5A60S2单片机为核心,以数字集成电路技术为基础,软件、硬件相结合,组成电动轮椅速度控制电路、实现了轮椅速度实时显示、超速报警及当前时间显示等功能,方便坐轮椅的人可以随时了解当前时间及更好的控制速度,另外系统提供三个快捷键,主要用于遇到湿滑、颠簸和普通路况时,一键完成对速度的控制。
系统软件部分由C语音编写,易读,可移植性好。
要求实现对各个功能模块中的主逻辑芯片的时序控制;硬件部分主要设计一个正常工作的轮椅的程序控制器,轮椅在行进过程中,如果遇到不理想的路况,比如路滑、颠簸等状况,可以选择轮椅的对应按键,启动相应的模式,这种一键设置模式有助于老人及残疾人对轮椅速度的把握。
本系统主要包括红外测速感知模块、LCD显示模块、电机驱动控制模块、按键模块及实时时钟模块等五个部分组成。
关键词:
智能轮椅,红外测速感知,霍尔传感器,电机驱动,单片机
IV
大连东软信息学院毕业设计(论文)Abstract
DesignandImplementationofIntelligentSpeedElectricWheelchairControlSystemBasedon51SingleChip
Abstract
Withthepopulationagingproblemisgettingworseandtheimprovementoflivingstandards,payattentiontotheelderlyanddisabledrising,thisisahugespecialgroupsandneedsocialcare,otherauxiliarytoolsfortheneedsofwheelchairincreasinglyurgent.
Thefaceofsuchamarket,moreandmoreresearchonintelligentwheelchair,electricwheelchairmoreandmoreintotheconsumer'sattention.Thedesignandimplementationoftheintelligentspeedelectricwheelchaircontrolsystem,thewheelchairforward,backward,stopandotherroutinefunctions,additionaldesignawheelchairtravelspeedtestmodule,sothatinthecaseofawheelchairtravelingtoofastcanbepromptedpolicetouserscanmoresafety.
ThedesignisbasedonSTC12C5A60S2microcontrollercore,technology-baseddigitalintegratedcircuits,softwareandhardwarecombinedwiththespeedcontrolcircuitconsistingofanelectricwheelchair,wheelchairtoachieveareal-timedisplayspeed,speedalarmandcurrenttimedisplayfunctiontofacilitatewheelchairpeoplecankeepabreastofthecurrenttimeandbettercontrolthespeedoftheothersystemprovidesthreeshortcutkeys,mainlyfortheencounterslippery,bumpyroadconditionsandthegeneral,akeytocompletethespeedcontrol.SystemsoftwarewritteninpartbyC++,readabilityandportabilityisgood.Requiredtoachievetimingcontrolforeachmoduleofthemainlogicchips;hardwaredesignofamajorpartoftheworkprogramcontrollernormalwheelchair,wheelchairintheprocessofmoving,iftheyarenotidealroadconditions,suchasslippery,bumpyandotherconditions.Youcanselectawheelchaircorrespondingbutton,activatethecorrespondingmode,thismodehelpstocaptureakeysettingfortheelderlyandthedisabledwheelchairvelocity.
Thesystemincludesaninfraredspeedsensingmodule,LCDdisplaymoduleiscomposedoffourparts,motordrivecontrolmoduleandreal-timeclockmodule.
Keywords:
Intelligentwheelchair,Infraredgunperception,Motordrivers,MCU
大连东软信息学院毕业设计(论文)目录
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1课题的发展概况 1
1.2课题研究目的与意义 1
1.3课题的主要内容 2
第2章 系统总体方案设计 3
2.1系统方案 3
2.2单片机简介 4
2.3AltiumDesigner10 4
2.4传感器介绍 5
2.5测速原理简介 5
2.5.1透光式测速传感器 5
2.5.2霍尔开关测速 5
2.6软件流程图 6
第3章 系统硬件设计 7
3.1单片机的选择 7
3.2.电机模块的选择 7
3.2.1电机的选择 7
3.2.2L293D参数 8
3.2.3L293D特性 8
3.3速度模块设计 8
3.4显示模块设计 9
第4章系统电路设计 10
4.1单片机最小系统电路设计 10
4.2LCD电路设计 12
4.3直流电机驱动电路的设计 14
4.4速度检测电路的设计 14
4.5实时时钟电路的设计 16
4.6按键模块电路设计 17
第5章 系统主要驱动程序 18
5.1DS1302主要驱动程序 18
5.2LCD1602主要驱动程序 19
5.3测速模块主要驱动程序 20
5.4按键模块主要驱动程序 21
第6章 系统调试 23
6.1系统硬件调试 23
6.2系统软件调试 24
6.3系统整体调试 24
第7章 结 论 25
参考文献 26
致谢 27
大连东软信息学院毕业设计(论文)
第1章绪论
随着人口老龄化问题越来越严重以及生活水平的提高,人们对高龄老年人和残疾人的关注度日渐提高,这是一个庞大的特殊群体,需要社会的关爱,对轮椅等辅助步行工具需求日益迫切。
为了帮助他们提高行动自由及更好的融入社会,本文介绍了一种新型的智能速度控制的电动轮椅。
1.1课题的发展概况
自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅以来,智能轮椅逐步发展起来。
由于各个研究的方法及目的不尽相同,每种轮椅解决的问题和达到的能力不同。
起初的研究,赋予轮椅都是简单运动、速度控制等低级控制。
随着机器人控制技术的发展,智能轮椅在原有的基础上有更好的适应性和交互性。
根据用户的残障程度及特殊需求而建造多功能的系统,研究了系统的模块化和灵活性,也着重开发了人机界面,使轮椅更加人性化,易于控制。
传统智能轮椅的开发,是基于语音的人机界面,有超声波和红外传感器组成的感知系统,可以探测障碍及突发不平地面。
随着智能轮椅的不断发展,认识到系统必须是多功能的,不仅应适应残障人士的生理和认知能力,也应该适应环境。
我国智能轮椅研究起步较晚,且较国外比起来,功能和灵活性上有一定的差距,虽然说智能轮椅技术也有了很大的发展,从技术上也能满足目前国内各种残障人士和高龄老年人的需要,但实用性上还需要进一步提高。
有些技术仍处于研发和试验阶段,成本也较高,结构化、系统化不强。
因此,功能全面而又价格合理的智能轮椅的开发成了当今重要的课题。
1.2课题研究目的与意义
因此面对这样一个市场,智能轮椅的研究越来越多,越来越多的电动式轮椅进入消费者的视线,但由于大多电动式轮椅存在多个弊端,进口轮椅大多拥有较好的性能但是价格昂贵,超出了普通民众的消费能力,而国内较为普遍的电动轮椅车功能华而不实,因此现在大多家用或者医院所用的仍然是传统手摇式轮椅。
而使用到电动轮椅的人群,电动轮椅只是靠电机来控制速度,而不能智能有效的去控制速度。
对于一些老年人和残疾人来说,电动轮椅在安全可靠性方面体现出不足的一面。
与现在市场上所出售的大部分的智能轮椅相比,本次设计中我们避开了一些华而不实的功能,更加看重的是系统的操作性,系统的实用性以及它的安全性。
系统中的简单几个按键:
前进、后退、左转、右转及停止按键设计的更加人性化,操作起来更为简单方便。
系统中的测速模块可以实时测得轮椅行进的速度,当轮椅超速时,可以及时对轮椅进行减速,避免危险发生,使用户的安全多了一份保障。
本设计实现的电动轮椅智能速度控制系统,实现轮椅的前进、后退及停止等常规功能外,额外设计了轮椅行进速度测试模块,以便在轮椅行进速度过快的情况下可以做到提示报警,以便用户可以更安全的使用之。
1.3课题的主要内容
MCU采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器,加上外围电源晶振电路、直流电机驱动模块、实时时钟模块、LCD显示和声音报警模块组成。
STC12C5A60S2单片机完全兼容8051系列单片机,系统资源十分丰富,完全满足本系统设计需要。
系统通过直流电机旋转模拟轮椅行进过程,通过直流电机的转速模拟轮椅的行进速度,通过红外光感,进而实现对轮椅行进速度的测量。
蜂鸣器、LCD1602显示屏、实时时钟的控制是使用单片机的IO管脚的TTL电平来驱动的。
在单片机中除了电源、晶振和接地端,其余管脚都可以直接和功能模块的驱动管脚直接相连。
本设计是以STC12C5A60S2单片机为核心,以数字集成电路技术为基础,软件、硬件相结合,组成电动轮椅速度控制电路、实现了轮椅速度实时显示、超速报警及系统时间显示等功能,方便坐轮椅的人可以随时了解当前时间及更好的控制速度,另外系统提供三个快捷键,主要用于遇到湿滑、颠簸和普通路况时,一键完成对速度的控制。
本设计主要实现一个电动轮椅智能速度控制系统,包括轮椅的前进、后退、停止及速度测试等功能模块,实物可完全演示常规轮椅的基本功能。
系统由硬件系统和软件系统两部分组成。
系统软件部分由C语音编写,易读,可移植性好。
要求实现对各个功能模块中的主逻辑芯片的时序控制;硬件部分主要设计一个正常工作的轮椅的程序控制器,轮椅在行进过程中,如果遇到不理想的路况,比如路滑、颠簸等状况,可以选择轮椅的对应按键,启动相应的模式,这种一键设置模式有助于老人及残疾人对轮椅速度的把握。
本系统主要包括测速感知模块、LCD显示模块、电机驱动控制模块及实时时钟模块与按键模块等五个部分组成。
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大连东软信息学院毕业设计(论文)
第2章 系统总体方案设计
2.1系统方案
本设计为基于51单片机的电动轮椅智能速度控制系统,是以数字集成电路技术为基础,以STC12C5A60S2单片机为核心,软件、硬件相结合,组成电动轮椅的速度测试系统、实现了实时时间显示、速度测试,超时报警,并且通过LCD来指示系统的工作状态。
本设计主要实现一个基于51单片机的电动轮椅智能速度控制系统,包括实时时钟的设置、当前系统时间的显示、直流电机的驱动、速度测试等,实物可完全演示轮椅的速度测试及调整等功能。
系统由硬件系统和软件系统两部分组成。
系统软件部分由C语言编写,易读,可移植性好。
要求实现对各个功能模块中的主逻辑芯片的时序控制;硬件部分主要实现电动轮椅速度控制电路、实现了轮椅速度实时显示、超速报警及当前时间显示等功能,方便坐轮椅的人可以随时了解当前时间及更好的控制速度,另外系统提供三个快捷键,主要用于遇到湿滑、颠簸和普通路况时,一键完成对速度的控制。
系统软件部分由C语音编写,易读,可移植性好[1]。
要求实现对各个功能模块中的主逻辑芯片的时序控制;硬件部分主要设计一个正常工作的轮椅的程序控制器,轮椅在行进过程中,如果遇到不理想的路况,比如路滑、颠簸等状况,可以选择轮椅的对应按键,启动相应的模式,这种一键设置模式有助于老人及残疾人对轮椅速度的把握。
系统结构框图如图2.1所示。
图2.1系统结构框图
本次系统结构由速度检测模块、实时时钟模块、电机驱动模块、液晶显示模块、蜂鸣器和键盘控制模块几部分构成。
2.2单片机简介
单片机是一台微型计算机。
大家对计算机都非常熟悉,只要安装相应的程序,它就能自动的完成相应的工作。
单片机是一台微型计算机,虽然功能没有普通计算机那么强大,可是它的体积很小,在很多场合下普通计算机不能完成的工作,单片机却能出色的完成[2]。
单片机虽然体积小,但“五脏俱全”,其内部结构与普通计算机结构类似,也是由中央处理器(CPU)、存储器和输入/输出(I/O)3大基本部分构成[3]。
实际上就是把一台普通计算机经过简化,浓缩在一小片芯片内,形成了芯片级的计算机(singlechipmicrocomputer),即单芯片微型计算机,简称单片机[4]。
单片机的特点:
首先,一片单片机从功能上讲相当于一台微型计算机,可是价格却很低,一片单片机价格一般在几元到几十元之间。
而且,随着科学技术的发展和市场竞争的需要,世界上生产单片机的各大公司都在不断地采用新技术来提高单片机的性能,同时又进一步降低其价格[5]。
其次,在单片机的片内,除了一般的必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外,还尽可能地把众多的各种外围功能器件集成在片内,减少了外部各芯片之间的连接,大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力[6]。
最后,一般单片机的工作电压为5V,有的单片机可以在1.8~3.6V的电压下工作,而且,功耗将至μA级[7],即具有低电压,低功耗的特点。
2.3AltiumDesigner10
最新发布的AltiumDesigner10带来了一个全新的管理元器件的方法。
其中包括新的用途系统、修改管理、新的生命周期和审批制度、实时供应链管理等更多的新功能。
可以更方便轻松地创建产品设计。
Altium的统一的设计架构以将硬件,软件和可编程硬件等等集成到一个单一的应用程序中而闻名。
AltiumDesigner10提供了一个强大的高集成度的板级设计发布过程,它可以验证并将你在设计和制造数据进行打包,这些操作只需一键完成,从而避免了人为交换中可能出现的错误[8]。
发布管理系统简化规范了发布设计项目的流程,或者更具体地说,是那些项目中定义的配置,直观,简洁而且稳定。
更重要的是,该系统可以被直接链接到后台版本控制系统。
新增的强大的预发布验证手段的组合,用以确保所有包含在发布中的设计文件都是当前的,与存储在版本控制系统中的相应的文件“主人”保持同步的文件,并且通过了所有特定的规则检查(ERC,DRC等等),从而可以在更高层面上控制发布管理,并可保证卓越的发布质量。
2.4传感器介绍
传感器(英文名称:
transducer/sensor)是一种检测装置,能检测到被测量的信息,并能将检测到的信息,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、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。
但是现在随着社会要求的逐渐提高,单靠人们自身的感觉器官往往不足以研究自然现象和规律。
要获取大量人类感官无法直接获取的信息,传感器是获取信息的主要途径与手段,但是没有相适应的传感器也是不可能的。
许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难。
为了满足人们的不断需求,因此就出现了传感器。
因此可以说,传感器是人类五官的延长。
所以传感器技术的发展对今后世界上经济的发展,社会进步等发面有着重要的意义。
正是因为如此,世界各国对传感器技术的发展有着重要的关注。
常见的传感器类型有电阻式传感器、称重传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器等。
传感器具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等特点。
本次设计中使用到的是光电传感器和霍尔传感器。
2.5测速原理简介
本次设计中,核心模块即为速度测试。
下面则介绍本次设计中使用到的两种测速方法。
2.5.1透光式测速传感器
透光式测速传感器由带孔或缺口的回盘、光源和光电管组成。
圆盘随被测轴旋转时,光线只能通过因孔或缺口照射到光电管上。
光电管被照射时,其反向电阻很低,于是输出一个电脉冲信号[9]。
光源被圆盘遮住时,光电管反向电阻很大,输出端就没有信号输出。
这样,根据圆盘上的孔数或缺口数,即可测出被测轴的转速。
圆盘孔或缺口数通常取为60,因此被测轴每转一周时,光电变换器便可输出60个脉冲信号。
若取电子计数器的时基信号为1s,则可直接读出被测轴转速。
2.5.2霍尔开关测速
霍尔开关测速利用的是霍尔传感器,而霍尔传感器则是利用霍尔效应为原理来进行测速的。
霍尔效应即当有带电粒子,电子或者是空穴穿过有磁场的领域时,电子或空穴会受到洛仑磁力的影响,从而发生了偏转,会导致在本来是垂直的电流和磁场在横向的方向产生一个新的电场。
我们就是利用传感器在表面接近磁场时产生一个磁场的变化,并将这个变化变成一个信号传递给单片机系统来进行测速的,具体的就是在轮子上一个固定位置安装传感器,在旋转部件上与之相对的地方安装一个小磁铁,每当旋转部件转一圈,传感器就会发出一个中断信号,这样我们就可以通过这些中断信号来进行测速了。
2.6软件流程图
系统上电后,软件会对系统进行初始化,包括对各种变量初始化,LCD1602液晶显示初始,串口和定时器的设置初始化,有了这些初始化才能保证系统数据的可靠性和正确性。
软件控制流程图如图2.2所示。
图2.2软件控制流程图
系统中包含按键对系统参数进行相关设置,实时时钟可以实现记录当前系统时间光电传感器用于实现轮椅转速的测速的测量,L293D用于实现直流电机的驱动,LCD1602用于显示系统的当前进程、相关参数及系统状态。
第3章 系统硬件设计
3.1单片机的选择
对于电动轮椅的CPU的选择方面,我们考虑选择价格低廉,接口资源丰富的一种性价比较高的CPU。
现阶段对于我们来说,51单片机是最为熟悉的。
51单片机按位数分可分为有低档的4位机、8位机、16位机、32位机。
其中,低档的4位机、8位机属于早期生产的初级单片机,寻址范围不大于4KB,且无串行口。
当前广泛应用的是高档的8位机,这类单片机已能满足控制领域中多数场合的需求[10]。
因此在本设计中采用处理数据的单片机
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