機(jī)電專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于單片機(jī)的智能循跡小車

西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第 1章 緒 論 1.1課題背景 目前 ，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高、對自動化技術(shù)要求不斷加深的環(huán)境下，智能車輛以及在智能車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上許多國家都在積極進(jìn)行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計(jì)。移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，出現(xiàn)于 20世紀(jì) 06年代。當(dāng)時(shí)斯坦福研究院 (SRI)的 Nils Nilssen和 charles Rosen等人，在 1966年至 1972年中研制出了取名 shakey的自主式移動機(jī)器人，目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下，完成機(jī)器 人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動機(jī)器人從無到有，數(shù)量不斷增多，智能車輛作為移動機(jī)器人的一個(gè)重要分支也得到越來越多的關(guān)注。 智能小車，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及白動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。 智能車輛也叫無人車輛，是 一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng) 。它具有道路障礙自動識別、自動報(bào)警、自動制動、自動保持安全距離、車速和巡航控制等功能。智能車輛的主要特點(diǎn)是在復(fù)雜的道路情況下，能自動地操縱 和駕駛車輛繞開障礙物并沿著預(yù)定的道路 (軌跡 )行進(jìn)。智能車輛在原有車輛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一些智能化技術(shù)設(shè)備 : (1)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，主要完成對來自攝像機(jī)所獲取的圖像的預(yù)處理、增強(qiáng)、分析、識別等工作 ； (2)攝像機(jī)，用來獲得道路圖像信息 ； (3)傳感器設(shè)備，車速傳感器用來獲得當(dāng)前車速，障礙物傳感器用來獲得前方、側(cè)方、后方障礙物等信息。 智能車輛技術(shù)按功能可分為三層，即智能感知 /預(yù)警系統(tǒng)、車輛駕駛系統(tǒng)和全自動操作系統(tǒng)團(tuán)。上一層技術(shù)是下一層技術(shù)的基礎(chǔ)。三個(gè)層次具體如下 : (1)智能感知系統(tǒng)，利用各種傳感器來獲得車輛 自身、車輛行駛的周圍環(huán)境及 駕駛員本身的狀態(tài)信息，必要時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。主要包括碰撞預(yù)警系統(tǒng)和駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。碰撞預(yù)警系統(tǒng)可以給出前方碰撞警告、盲點(diǎn)警告、車道偏離警告、換道 / 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 并道警告、十字路口警告、行人檢測與警告、后方碰撞警告等 .駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包括駕駛員打噸警告系統(tǒng)、駕駛員位置占有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等。 (2)輔助駕駛系統(tǒng)，利用智能感知系統(tǒng)的信息進(jìn)行決策規(guī)劃，給駕駛員提出駕駛建議或部分地代替駕駛員進(jìn)行車輛控制操作。主要包括 :巡航控制、車輛跟蹤系統(tǒng)、準(zhǔn)確泊車系統(tǒng)及精確機(jī)動系統(tǒng)。 (3)車輛自動駕駛系統(tǒng)，這是智 能車輛技術(shù)的最高層次，它由車載計(jì)算機(jī)全部自動地實(shí)現(xiàn)車輛操作功能。目前，主要發(fā)展用于擁擠交通時(shí)低速自動駕駛系統(tǒng)、近距離車輛排隊(duì)駕駛系統(tǒng)等。 這種智能小車的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面 : (1)軍事偵察與環(huán)境探測 現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事偵察提出了更高的要求，世界各國普遍重視對軍事偵察的建設(shè)，采取各種有效措施預(yù)防敵方的突然襲擊，并廣泛應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷研制多用途的偵察器材和探測設(shè)備，在車上裝備攝像機(jī)、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備，通過光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報(bào)收集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)， 進(jìn)一步擴(kuò)大偵察的范圍，提高偵察的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。 (2)探測危險(xiǎn)與排除險(xiǎn)情 在戰(zhàn)場上或工程中，常常會遇到各種各樣的意外。這時(shí)，智能化探測小車就會發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場上，可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷。民用方面，可以探測化學(xué)泄漏物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。 (3)安全檢測受損評估 在工程建設(shè)領(lǐng)域，可對高速公路自動巡跡，進(jìn)行道路質(zhì)量檢測和破壞分析檢測 ；對水庫堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷，裂紋等缺陷的探尋 ，對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點(diǎn)的查找和定位等。 (4)智能家居 在家庭中，可以用智能小車進(jìn)行家具、遠(yuǎn)程控制家中的家用電器，控制室溫等等。對這種小車的研究，將為未來環(huán)境探測術(shù)上的有力支持 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 1.2課題研究的目的和意義 目前，國內(nèi)外的許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都在積極投入人力、財(cái)力研制開發(fā)針對 特殊條件下的 安全監(jiān)測系統(tǒng)。其中包括研究使用 遠(yuǎn)程、無人的 方法來 進(jìn)行實(shí)現(xiàn) ，如 機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控 等。 無線傳輸 的發(fā)展使得測量變得相對簡單而且使得處理數(shù)據(jù)的速度變得很快甚至可以達(dá)到實(shí)時(shí)處理”。 該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。 它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、 CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動躲避。 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認(rèn)識。 1.3 本設(shè) 計(jì)的內(nèi)容及意義 1.3.1 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 （ 1） 路面檢測模塊 （ 2） 電源模塊為 5V； （ 3） 直流電機(jī)的驅(qū)動模塊電路，及相應(yīng)的驅(qū)動程序； （ 4） 控速模塊 （ 5） 循線功能電路及程序； （ 6） 復(fù)位電路模塊 1.3.2 本設(shè)計(jì)的意義 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。本設(shè)計(jì)就采用了比較先進(jìn)的 C51為控制核心， C51采用 CHOMS工藝，功耗很低 。該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應(yīng) 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)。智能小車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 : 世界各國在智能微型車領(lǐng)域進(jìn)行了很多研究，己經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在探測和軍事領(lǐng)域使用特別多。近年來，我國也開展了很多研究工作，以滿足不同用途的需要。 世界各國開發(fā)、研制星球探測車系統(tǒng)己經(jīng)有了多年的歷史。美國和前蘇聯(lián)是從 20世紀(jì) 60年代末期開始進(jìn)行月球表面探測任務(wù)的。美國曾在 1966-1968 年間，向月球成功發(fā)射了兩次無人巡游探測器。 1997年，由美國 JPL(全稱 JetPropulsion Laboratory，美國太空總署噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 )研制的 Sojourner號探測車登上了火星。它驗(yàn)證了小型火星車的性能，并完成了一系列技術(shù)試驗(yàn)。 2004年 1月，美國的 “ 勇氣號 ” 和 “ 機(jī)遇號 ” 火星探測車再度登陸火星。前蘇聯(lián)在 1959-1976 年間，總共成功發(fā)射了兩個(gè)月球探測車。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，無論是在生活，生產(chǎn)上，單片機(jī)無處不在。 ATMEL公司的 AT89S51單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備 、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 AT89S51可以說是單片機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品 ，其應(yīng)用如此廣泛，所以有必要去學(xué)習(xí)和應(yīng)用該單片機(jī)，以滿足實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的需要， 也是適應(yīng)社會智能化、自動化的趨勢。 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認(rèn)識。 1.4 論文各部分的主要內(nèi)容 第一章 對智能循跡小車的現(xiàn)狀、研究意義和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行簡單闡述。 第二章介紹了該智能循跡小車系設(shè)計(jì)方案比較和選擇，分析了各模塊的功能。 第三章闡述了智能小車系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)，其中包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路、電機(jī)驅(qū)動模塊電路、以及附帶的信號提示電路等。 第四章首先介紹了該系統(tǒng)程序調(diào)試過程中所用到的程序調(diào)試軟件及其調(diào)試環(huán)境。 最后總結(jié)部分說明了本論的主要內(nèi)容，舉出了在系統(tǒng)測試過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，并提出了可能的解決方案。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 第 2章 智能循跡小車系統(tǒng) 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求 2.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù) 1.熟悉 51單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用 C語言編寫工程文件； 2.熟練應(yīng)用所選用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、資源，以及軟硬件調(diào)試設(shè)備的基本方法； 3.自行構(gòu)建基于單片機(jī)的最小系統(tǒng)，完成相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)； 4.了解電機(jī)、路面檢測的原理和實(shí)現(xiàn)方法。 2.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 1.完成單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 2.完 成外圍應(yīng)用電路（包括系統(tǒng)供電單元、運(yùn)動控制單元、循跡檢測單元） 的 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)； 3.完成軟件對硬件檢測和調(diào)試工作； 4.查閱國內(nèi)外的研究動態(tài)和發(fā)展前沿信息，閱讀相關(guān)外文文獻(xiàn)。 2.2 系統(tǒng)方 案論證 2.2.1 控制器方案論證 按照 題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)， 通過相關(guān)傳感器 對 路面的軌跡信息 進(jìn)行處理， 并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的前進(jìn)和后退，保證在允許范圍類實(shí)現(xiàn)蹺蹺板的平衡 。 方案一：可以采用 ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成度搞密度高， 提高了穩(wěn)定性 ， 系統(tǒng)的處理速度 也很高 ，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。 方案二： 采用 AT89S52 作為系統(tǒng)控制的方案。 AT89S52單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大， 功耗低、體積小、技術(shù)成熟 ， 成本 也比 ARM 低 。 考慮到性價(jià)比問題，本設(shè)計(jì)選擇 用 AT89S52 單片機(jī)做控制器。 2.2.2 供電單元方案論證 方案一：采用單電源供電，通過單電源同時(shí)對單片機(jī)和 直流電機(jī)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少機(jī)身的重量，操作簡單，其缺點(diǎn)是，這樣會使單片機(jī)的波動變大， 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 影響單片機(jī)的性能，穩(wěn)定性比較弱。 方案二：采用雙電源供電，通過兩個(gè)獨(dú)立的電源分別對單片機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少波動，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運(yùn)作起來，唯一的缺點(diǎn)就是會增加小車的重量。 綜合以上的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定采用第二種方案。 2.2.3 運(yùn)動單元方案論證 方案一： 采用直流電機(jī)，配合 LM293驅(qū)動芯片組合。優(yōu)點(diǎn)在于硬件電路的設(shè)計(jì)簡單。 當(dāng)外加額定直流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機(jī)用于錄音機(jī)、錄相機(jī)、唱機(jī)或激光唱機(jī)等固定轉(zhuǎn)速的機(jī)器或設(shè)備中。也用于變速范圍很寬的驅(qū)動裝置 。容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。電路如 圖 2-1： 圖 2-1 直流電機(jī) +LM293 組合電路原理 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，配合 LM298驅(qū)動芯片組合。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)腳輸出， 只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進(jìn) 行連續(xù)的轉(zhuǎn)動 ， 便于控速 ，但是軟件程序的編寫較直流電機(jī)稍顯復(fù)雜。但是 LM298芯片的硬件電路比較復(fù)雜。如圖 2-2： 圖 2-2 步進(jìn)電機(jī) +LM298 組合電路原理 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 方案三：采用 直流電機(jī)配合 由雙極性管組成的 H橋電路。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H橋電路保證了可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)， 其電路原理 簡 圖如圖 2-3所示。 圖 2-3電 機(jī)驅(qū)動原理簡圖 綜合 3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)， 鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積較小，自身重量 較輕 ，對電機(jī)功率輸出要求不高， 決定選擇方案 3。 2.2.4 循跡單元方案論證 方案一 ：用光敏電阻組成光敏探測器 用光敏電阻組成光敏探測器 ， 光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。 方案二 ：采用 RPR220 型光電對管。 RPR220 是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。 綜上所述，我們采用方案二。 2.3 系統(tǒng)總體方案 經(jīng)過對方案的設(shè)計(jì)要求的分析和方案論證， 采用 51 單片機(jī)控制平臺，經(jīng)過紅外傳感模塊檢測路面的信息，控制運(yùn)動模塊 的電機(jī)運(yùn)動方式 ， 近而 控制 這個(gè)智能小車系 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 統(tǒng)的運(yùn)動。 系 統(tǒng)框圖如圖 2-4。 圖 2-4 系統(tǒng)總體框圖 H 橋電機(jī)驅(qū)動模塊 左電機(jī) 車體 右電機(jī) AT89S51 最小系統(tǒng) 時(shí)鐘振蕩電路 路面檢測電路 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 第 3 章 智能循跡小車硬件部分 3.1 系統(tǒng)硬件電路介 紹 智能小車采用 AT89S51單片機(jī)進(jìn)行智能控制， 開始由手動啟動小車， 并復(fù)位。當(dāng)有紅外遙控信號時(shí)，根據(jù)信號進(jìn)入相應(yīng)的行駛狀態(tài)，在運(yùn)動過程中由紅外光電傳感器檢測，通過單片機(jī)控制小車進(jìn)行循跡，系統(tǒng)的自動循跡功能通過紅外線傳感器正前方檢測，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn) 在小車行駛過程中，通過 接收 的信號脈沖控制直流電機(jī)，以提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能。 系統(tǒng)功能原理圖如圖 3-1所示 。 運(yùn)動系統(tǒng) 電路 包括 供電電路、電機(jī)驅(qū)動和控制電路兩部分。 圖 3-1 系統(tǒng)功能原理 圖 供電電路：運(yùn)動系統(tǒng)供電采用雙電源分別對電機(jī)和控制器供電?？紤]到小車是個(gè)不斷運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采用干電池供電?？偟墓╇娤到y(tǒng)是有 9V 的大功率電池儲能，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換單元。由一個(gè) 9V 轉(zhuǎn)為 5V 對控制單元供電；另一個(gè) 9V 電池直接對電機(jī)的供電端連接。供電部分的分析將在后 面 3.3 節(jié)結(jié)合 整個(gè)系統(tǒng)的供電電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。 電機(jī)驅(qū)動和控制電路：通過 51 單片機(jī)，控制端口對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來對電機(jī)進(jìn)行控制。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩電路、數(shù)據(jù)采集接口和電機(jī)控制接口組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)圖如圖 3-2所示 。 圖 3-2 圖 3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 3.2.1 單片機(jī)使用資源規(guī)劃 由于 51 單片機(jī)具有比較強(qiáng)大的系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了它的自身特性，并進(jìn)行合理規(guī)劃。 見表 3-3。 表 3-3 單片機(jī)資源分配表 系統(tǒng)資源類型 用途 備注 看門狗 防止系統(tǒng)跑飛 定時(shí)器 0 定時(shí)喂狗 P1 端口 路面檢測 輸入 P3 端口 電機(jī)控制 輸出 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 3.2.2 單片機(jī)功能模塊介紹 單片機(jī)本電路的控制核心，它接收傳感器測得 的信號，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動與停止。傳感器的 輸入 有兩根信號線，接單片機(jī)的 P3.6與 P3.7引腳。傳入放入信號為高低電平，在小車沒有走到黑線上時(shí)，輸入都為低電平，此時(shí)單片機(jī)會驅(qū)動兩個(gè)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動，不需要轉(zhuǎn)彎，當(dāng)某端輸入高電平時(shí)，表明小車的相應(yīng)一側(cè)一走到黑線上，單片機(jī)便使改側(cè)的電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，另一側(cè)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到兩側(cè)都不走到黑線上，程序采用輪詢的方式，可以及時(shí)的檢測到是否走到黑線上 。 3.3 供電單元介紹 高性能的電源管理系統(tǒng)對于電子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的。作為智能車源，電源模塊為系統(tǒng)的控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器等 各個(gè)模塊提供可靠的工作電壓。設(shè)計(jì)中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進(jìn)行優(yōu)化，電源管理模塊的功能是對電池進(jìn)行分配和電壓調(diào)節(jié)，為其他各個(gè)模塊的正常工作提供可靠的工作電壓。 3.3.1系統(tǒng)供電單元介紹 智能車控制系統(tǒng)中，不同電路模塊需要的工作電壓和電流容量各不相同。芯片需要提供 5V的工作電壓，而電機(jī)所需的電壓為 9V，本設(shè)計(jì)中用到的是 9V的電源供電，然后通過三端穩(wěn)壓器 LM7805將電壓變換為 5V 電壓供給電路系統(tǒng)。電源系統(tǒng)的電路圖如圖 3-4所示。 圖 3-4穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換電路 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 3.3.2 穩(wěn)壓芯片簡介 三端穩(wěn)壓集成電路 lm7805 電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸 出的 lm78 系列和負(fù)電壓輸出的 lm79 系列。顧名思義，三端 IC 是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有 lm9013樣子的 TO-92封裝。 圖 3-5 lm7805 樣品 用 lm78/lm79 系 列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號中的 lm78 或 lm79 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 lm7806 表示輸出電壓為正 6V， lm7909 表示輸出電壓為負(fù)9V。 因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率 的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。 當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出 1.5A 以上電流 的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為 N 個(gè) 1.5A，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個(gè)別集成穩(wěn)壓電路失效時(shí)導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。 3.4 運(yùn)動單元介紹 本系統(tǒng)采用 9V 直流電動機(jī)作為智能玩具車的動力源。用電機(jī)驅(qū)動專用芯片 L298作為電機(jī)的驅(qū)動。 L298N 是 SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個(gè) H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動 46V、 2A以下的電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動模塊硬件電路圖如圖 3-6所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 圖 3-6 電機(jī)驅(qū)動模塊硬件電路圖 3.5 循跡單元介紹 3.5.1 循跡單元工作原理 循跡是指小車在白色地板上循黑線行走通常采取的方法是紅外探測法 ,紅外探測法即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn) ,在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光 ,當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射反射光被裝在小車上的接收管接收 ,如果遇到黑線則紅外光被吸收小車上的接收管接收不到紅外光 ,單片機(jī)就是否收到反射回來的紅 外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線 ,從而實(shí)現(xiàn)小車的循跡功能。 紅外探測器探測距離有限一般最大不應(yīng)超過 3cm。 循跡功能如圖 3-7所示 圖 3-7 循跡功能圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 本設(shè)計(jì)需要檢測 小車的運(yùn)行狀態(tài)，沿著路面黑線運(yùn)動。 采用反射取樣式，單光束紅外傳感器接收信號，再分別用運(yùn)放 LM393比較電壓信號進(jìn)行放大。圖 3-5的電路在5V 電壓下工作，根據(jù)該型號傳感器紅外發(fā)射管所需的工作壓降（紅外發(fā)射管的正向壓降在 1 1.3V）和工作電流（紅外發(fā)射管的電流為 2 10mA），選取負(fù)載電阻R1=2.2K ，紅外 發(fā)射 管負(fù)載電阻 R2=220 。 調(diào)節(jié)電位器使檢測信號能被識別。 3.5.2 LM393比較器簡介 比較器是將一個(gè)模擬電壓信號與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進(jìn)制信號，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。因此，也可以將其當(dāng)作一個(gè) 1位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）。 對路面檢測的電路設(shè)計(jì)就是通過電位器設(shè)定一個(gè)閾值，以此確定是否有光反射。并且以此閾值為標(biāo)準(zhǔn)，向單片機(jī)輸入滿足 TTL電平的數(shù)字信號 。如圖 3-8所示 。 圖 3-8 LM393芯片示意圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 第 4章 智 能循跡小車軟件部分 4.1 軟件調(diào)試平臺 Keil for C51 是美國 Keil Software 公司出品的 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil for C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細(xì)介紹 Keil for C51 開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 C51 開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的源程序要變?yōu)?C51可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。隨著 C51 開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件 除了致力于單片機(jī)的編程開發(fā)平臺外，還針對 目前最流行 C51 開發(fā) 項(xiàng)目出品了Keil for 51 軟件 平臺以及支持在線調(diào)試的 串口燒寫 。 從近年來各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提 供了包括C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision2）將這些部份組合在一起。 如圖4-1 所示。 圖 4-1 Keil for 51 開發(fā)平臺截圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 16 KEIL for C51 編譯平臺對 51 單片機(jī)的器件選型設(shè)置。如圖 4-2 所示。 圖 4-2 MCU 選型設(shè)置 4.2 系統(tǒng)軟件流程 系統(tǒng)軟件流程圖如圖 4-3所示 。 圖 4-3 系統(tǒng)流程圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 4.3 系統(tǒng)軟件 程序 #include /包含單片機(jī)寄存器的頭文件 #include /包含延時(shí)子程序的頭文件 /宏定義 #define uchar unsigned char /無符號八位字符型數(shù)據(jù) #define uint unsigned int /無符號 16 位整形數(shù)據(jù) #define ulong unsigned long /無符號三十二位長整型 /狀態(tài)定義 uchar go=0xFA； /1111_1010 前進(jìn) uchar back=0xF5； /1111_0101 后退 uchar left=0xFE； /1111_1110 左轉(zhuǎn) uchar right=0xFB； /1111_1011 右轉(zhuǎn) /延時(shí)函數(shù) void delay() uint i,j； for(i=0；i500；i+) for(j=0；j800；j+)； 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 /啟動軟件看門狗 WDTRST 防止程序跑飛增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性 sfr WDTRST=0xA6； /看門狗寄存器 0xA6 /喂狗程序 void FeedDog() WDTRST=0x1e； /給寄存器裝值 WDTRST=