基于单片机的简易智能电动车设计

news2025/1/21 9:40:52

一、项目介绍

智能交通工具在现代社会中起着越来越重要的作用，电动车作为一种环保、便捷的交通工具，受到了广泛的关注和应用。本设计基于单片机技术，设计一款简易智能电动车，实现基本的控制和功能，并提供良好的用户体验。

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二、硬件选型

【1】主控芯片：STC89C52

  • STC89C52是一款功能强大的单片机，具有51系列兼容性和丰富的外设接口。
  • 它具有8位CPU，可运行高达12MHz的时钟频率，提供了丰富的IO口、定时器和串口等功能，非常适合用于电动车控制。
  • STC89C52具有低功耗和高性能的特点，能够满足电动车系统的控制需求。

【2】电动机驱动芯片：选择L298N驱动芯片

  • 根据电动机的参数，如电压、电流和功率进行匹配选择L298N驱动芯片。
  • 常用的电动机驱动芯片有L298N、TB6612FNG等，都具有较高的工作电压和电流能力，适合于小型电动车的驱动。

【3】电源管理模块：

  • 电源管理模块用于电动车的电源供应和电池管理。
  • 选择TP4056电源管理芯片，TP4056充电管理芯片，用于电池的充电管理和保护。
  • 使用LM2596开关电源芯片，LM2596可以提供稳定的电源电压给各个模块。

【4】用户界面：

  • 用户界面模块采用LCD显示屏和按键元件。
  • LCD显示屏选择LCD1602字符型液晶显示屏，用于显示电动车的状态信息。
  • 按键用于用户的输入和操作。

【5】传感器：

  • 传感器模块用于实时监测电动车的状态和环境信息。
  • 选择速度传感器、温度传感器、倾斜传感器。
  • 速度传感器选择霍尔传感器，用于测量电动车的速度。
  • 温度传感器选择DS18B20数字温度传感器，用于测量电动车的温度。
  • 倾斜传感器选择倾斜传感器模块，用于检测电动车的倾斜状态。

三、系统框架总结

【1】主控单元
主控单元使用STC89C52单片机，负责整个系统的控制和协调。通过编程控制IO口和定时器等功能，实现电动车的速度控制、转向控制和状态监测等操作。主控单元还负责与其他模块之间的通信和数据交换。

【2】电动机驱动
电动机驱动模块使用适当的电机驱动芯片，根据主控单元的指令控制电动机的启动、停止和速度调节。通过PWM信号调节电机的转速，实现电动车的前进、后退和制动等功能。

【3】电源管理
电源管理模块负责电动车的电源供应和电池管理。包括电池充电管理、电池电量检测和电源开关控制等功能。通过合理管理电池的使用和充电，保证电动车的正常运行和安全性。

【4】用户界面
用户界面模块提供给用户操作和显示的接口。采用LCD显示屏和按键元件，用于显示电动车的状态信息和用户输入的指令。用户可以通过按键来控制电动车的启动、停止和速度调节等操作。

【5】传感器
传感器模块用于实时监测电动车的状态和环境信息。选择速度传感器、温度传感器和倾斜传感器。通过传感器获取的数据，可以用于电动车的自动控制和保护。

【6】功能实现
本设计的功能包括电动车的启动和停止、速度调节、转向控制和状态监测等。用户可以通过按键来启动和停止电动车，通过调节速度控制电动车的前进和后退，通过转向控制实现电动车的转向操作。同时，系统可以实时监测电动车的状态，如电池电量、速度和温度等，并进行相应的保护和提示。

四、代码实现

4.1 电机控制代码

#include <reg52.h>  // 引入STC89C52头文件

// 定义IO口连接
sbit motorPin1 = P1^0;  // 电动机引脚1
sbit motorPin2 = P1^1;  // 电动机引脚2
sbit buttonStart = P2^0;  // 启动按钮
sbit buttonStop = P2^1;  // 停止按钮

// 定义全局变量
bit isRunning = 0;  // 电动车运行状态

// 函数声明
void delay(unsigned int time);
void motorForward();
void motorBackward();
void motorStop();

// 主函数
void main() {
    buttonStart = 1;  // 设置启动按钮为输入
    buttonStop = 1;  // 设置停止按钮为输入

    while (1) {
        if (buttonStart == 0) {  // 按下启动按钮
            motorForward();  // 电动车前进
            isRunning = 1;  // 设置运行状态为1
        }

        if (buttonStop == 0) {  // 按下停止按钮
            motorStop();  // 电动车停止
            isRunning = 0;  // 设置运行状态为0
        }

        if (isRunning) {
            // 电动车正在运行，可以进行其他操作
            // 可以根据需要添加其他功能的代码
        }
    }
}

// 延时函数
void delay(unsigned int time) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < time; i++)
        for (j = 0; j < 120; j++);
}

// 电动车前进函数
void motorForward() {
    motorPin1 = 1;  // 设置电动机引脚1为高电平
    motorPin2 = 0;  // 设置电动机引脚2为低电平
}

// 电动车后退函数
void motorBackward() {
    motorPin1 = 0;  // 设置电动机引脚1为低电平
    motorPin2 = 1;  // 设置电动机引脚2为高电平
}

// 电动车停止函数
void motorStop() {
    motorPin1 = 0;  // 设置电动机引脚1为低电平
    motorPin2 = 0;  // 设置电动机引脚2为低电平
}

4.2 LCD1602显示屏驱动代码

#include <reg52.h>  // 引入STC89C52头文件

// 定义LCD1602连接的引脚
sbit RS = P1^0;  // RS引脚
sbit EN = P1^1;  // EN引脚
sbit D4 = P2^4;  // 数据线D4引脚
sbit D5 = P2^5;  // 数据线D5引脚
sbit D6 = P2^6;  // 数据线D6引脚
sbit D7 = P2^7;  // 数据线D7引脚

// 函数声明
void delay(unsigned int time);
void lcdCommand(unsigned char command);
void lcdData(unsigned char data);
void lcdInit();
void lcdDisplayString(char *string);

// 主函数
void main() {
    lcdInit();  // 初始化LCD1602显示屏

    // 显示字符 "20k/h"
    lcdDisplayString("20k/h");

    while (1) {
        // 可以在此处添加其他代码，实现其他功能
    }
}

// 延时函数
void delay(unsigned int time) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < time; i++)
        for (j = 0; j < 120; j++);
}

// 发送指令到LCD1602
void lcdCommand(unsigned char command) {
    RS = 0;  // 设置RS引脚为低电平，表示发送指令
    EN = 1;  // 设置EN引脚为高电平，使能LCD
    P2 = command;  // 将指令写入数据线
    delay(1);  // 延时一段时间
    EN = 0;  // 设置EN引脚为低电平，禁止LCD
}

// 发送数据到LCD1602
void lcdData(unsigned char data) {
    RS = 1;  // 设置RS引脚为高电平，表示发送数据
    EN = 1;  // 设置EN引脚为高电平，使能LCD
    P2 = data;  // 将数据写入数据线
    delay(1);  // 延时一段时间
    EN = 0;  // 设置EN引脚为低电平，禁止LCD
}

// 初始化LCD1602
void lcdInit() {
    lcdCommand(0x38);  // 初始化，设置显示模式为2行、5x8点阵
    lcdCommand(0x0C);  // 开启显示，关闭光标
    lcdCommand(0x06);  // 设置光标移动方向为右移
    lcdCommand(0x01);  // 清屏
}

// 在LCD1602显示屏上显示字符串
void lcdDisplayString(char *string) {
    while (*string) {
        lcdData(*string++);
    }
}

4.3 MPU6050驱动代码

#include <reg52.h>  // 引入STC89C52头文件

// 定义MPU6050连接的引脚
sbit SDA = P2^0;  // I2C数据线引脚
sbit SCL = P2^1;  // I2C时钟线引脚

// 定义MPU6050的地址
#define MPU6050_ADDRESS 0xD0

// 函数声明
void delay(unsigned int time);
void i2cStart();
void i2cStop();
bit i2cSendByte(unsigned char byte);
unsigned char i2cReceiveByte();
void mpu6050Init();
void mpu6050ReadData(short *accelData, short *gyroData);

// 主函数
void main() {
    short accelData[3];  // 存储加速度值的数组
    short gyroData[3];  // 存储陀螺仪值的数组

    mpu6050Init();  // 初始化MPU6050模块

    while (1) {
        mpu6050ReadData(accelData, gyroData);  // 读取加速度值和陀螺仪值

        // 打印加速度值和陀螺仪值到串口
        printf("Accelerometer: X=%d, Y=%d, Z=%d\r\n", accelData[0], accelData[1], accelData[2]);
        printf("Gyroscope: X=%d, Y=%d, Z=%d\r\n", gyroData[0], gyroData[1], gyroData[2]);

        delay(1000);  // 延时一段时间
    }
}

// 延时函数
void delay(unsigned int time) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < time; i++)
        for (j = 0; j < 120; j++);
}

// I2C起始信号
void i2cStart() {
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    delay(1);
    SDA = 0;
    delay(1);
    SCL = 0;
}

// I2C停止信号
void i2cStop() {
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    delay(1);
    SDA = 1;
    delay(1);
}

// I2C发送字节
bit i2cSendByte(unsigned char byte) {
    unsigned char i;
    bit ack;

    for (i = 0; i < 8; i++) {
        if ((byte & 0x80) == 0x80)
            SDA = 1;
        else
            SDA = 0;

        SCL = 1;
        delay(1);
        SCL = 0;
        delay(1);

        byte <<= 1;
    }

    SDA = 1;
    SCL = 1;
    ack = SDA;
    delay(1);
    SCL = 0;
    delay(1);

    return ack;
}

// I2C接收字节
unsigned char i2cReceiveByte() {
    unsigned char i, byte = 0;

    SDA = 1;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        byte <<= 1;
        SCL = 1;
        delay(1);
        byte |= SDA;
        SCL = 0;
        delay(1);
    }

    return byte;
}

// 初始化MPU6050模块
void mpu6050Init() {
    i2cStart();
    i2cSendByte(MPU6050_ADDRESS);
    i2cSendByte(0x6B);  // PWR_MGMT_1寄存器地址
    i2cSendByte(0x00);  // 将PWR_MGMT_1寄存器写为0，唤醒MPU6050
    i2cStop();
}

// 读取MPU6050的加速度值和陀螺仪值
void mpu6050ReadData(short *accelData, short *gyroData) {
    unsigned char i;

    i2cStart();
    i2cSendByte(MPU6050_ADDRESS);
    i2cSendByte(0x3B);  // ACCEL_XOUT_H寄存器地址
    i2cStop();

    i2cStart();
    i2cSendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);  // 切换到读模式
    for (i = 0; i < 6; i++) {
        if (i < 5)
            accelData[i] = (i2cReceiveByte() << 8) | i2cReceiveByte();
        else
            gyroData[i - 5] = (i2cReceiveByte() << 8) | i2cReceiveByte();

        if (i < 5)
            i2cSendByte(0x00);  // 给出ACK，继续读取下一个数据
        else
            i2cSendByte(0x01);  // 给出NACK，停止读取
    }
    i2cStop();
}

代码实现说明:

【1】引入头文件和定义引脚：

  • 引入了 reg52.h 头文件，该头文件包含了 STC89C52 的寄存器定义和常用函数。
  • 使用 sbit 定义了 MPU6050 模块的 SDA 和 SCL 引脚。

【2】延时函数：

  • delay 函数用于产生一段延时，具体延时时间根据实际情况进行调整。

【3】I2C通信函数：

  • i2cStart 函数用于发送 I2C 总线的起始信号。
  • i2cStop 函数用于发送 I2C 总线的停止信号。
  • i2cSendByte 函数用于通过 I2C 总线发送一个字节的数据，并返回从设备的应答状态。
  • i2cReceiveByte 函数用于通过 I2C 总线接收一个字节的数据。

【4】初始化 MPU6050 模块：

  • mpu6050Init 函数通过 I2C 总线向 MPU6050 发送初始化命令，唤醒 MPU6050 模块。

【5】读取 MPU6050 的加速度值和陀螺仪值：

  • mpu6050ReadData 函数通过 I2C 总线向 MPU6050 发送读取命令，并接收加速度值和陀螺仪值。
  • 通过 i2cSendByte 发送寄存器地址，然后通过 i2cReceiveByte 接收数据。
  • 加速度值和陀螺仪值分别存储在 accelData 和 gyroData 数组中。

【6】主函数：

  • 在 main 函数中，首先声明了存储加速度值和陀螺仪值的数组。

  • 调用 mpu6050Init 函数初始化 MPU6050 模块。

  • 进入无限循环，循环中调用 mpu6050ReadData 函数读取加速度值和陀螺仪值，并通过串口打印输出。

  • 使用 delay 函数进行延时。

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