河南科技大學畢業(yè)設計智能車設計課題

1、智能循跡小車的設計與實現(xiàn)摘 要 智能小車可在預先設定的場景模式中自動運作，其設計主要集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體，可應用于工業(yè)控制等領域，是機器人研究領域的一項重要內容。本設計以玩具小車為車體，硬件是以STC12C5A60S2單片機為主控芯片，配合直流電動機、光電傳感器、超聲波傳感器、無線收發(fā)器、LED數(shù)碼管等器件構成，并通過相應的軟件代碼實現(xiàn)控制小車的前進、轉彎、加速、減速等動作；系統(tǒng)選用單片機作為主控器，利用STC內部的PWM模塊對小車進行速度調節(jié)；采用TCRT5000 紅外反射式光電傳感器對信號進行檢測，實現(xiàn)小車循跡功能；利用單片機與L298N驅動模塊結合來對檢測信號進行有效控

2、制。兩車之間主要采用2個E18-D80NK 紅外避障傳感器和超聲波傳感器進行通信實現(xiàn)了精準地完成兩小車同時起動，并在行車道同向而行，在超車區(qū)實現(xiàn)兩車交替超車領跑功能，并由LED顯示系統(tǒng)的行駛時間和通信節(jié)能等指標。實驗表明，本設計結構簡單，在一定程度上體現(xiàn)了小車的智能化運作，基本達到畢業(yè)設計課題要求。關鍵詞：STC12C5A60S2單片機, 智能小車；場景模式；超聲波傳感器；無線收發(fā)器；交替超車DESIGN OF INTELLIGENT CARABSTRACTIntelligent car can operate automatically at a preset scene modes , d

3、esigned primarily mechanical, electronic , detection technology and intelligent control in one, can be used in industrial control and other fields, is an important part of robotics research. The design of the toy car body , the hardware is STC12C5A60S2 master chip microcontroller , with DC motors ,

4、photoelectric sensors , ultrasonic sensors, wireless transceiver , LED digital control devices form , and through the corresponding software code control car forward , turning, acceleration, deceleration and other actions ; system selected as the master microcontroller using the internal PWM module

5、STC adjust the speed of the car ; using TCRT5000 infrared reflective photoelectric sensor detects the signal , realize the car tracking function ; using SCM L298N driver module in conjunction with the detection signal to effective control . Between the two vehicles used mainly two E18-D80NK infrared

6、 obstacle avoidance sensors and wireless communication modules to achieve a precise nrRF24L01 completed two car started simultaneously and in the same direction and the line carriageway , overtaking zone to achieve the two vehicles to overtake leader alternately function by travel time LED display s

7、ystem and communications and energy saving targets. KEY WORDS: STC12C5A60S2, Intelligent Car,Prospects Mode,Ultrasonic Sensors,Wireless Transceiver,Overtaking Alternately,Energy Saving目錄前 言III第一章系統(tǒng)方案11.1控制系統(tǒng)的選擇11.2調速模塊的論證與選擇51.3電機驅動的論證與選擇51.4信號檢測的論證與選擇51.5兩車之間通訊的論證與選擇6第二章系統(tǒng)理論分析與計算82.1兩車同時啟動分析82.2信號檢

8、測的分析82.2.1信號（黑線）的檢測82.2.2標志線的檢測分析82.3小車行走的分析8第三章電路設計103.1電路的設計103.1.1系統(tǒng)總體框圖113.1.2L298N驅動模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖123.1.3TCRT5000紅外循跡子系統(tǒng)框圖與電路原理圖133.1.4超聲波傳感器子系統(tǒng)框圖15第四章程序的設計164.1開發(fā)環(huán)境keil uvision2介紹164.1.1軟件介紹164.1.2系統(tǒng)功能164.2程序設計174.2.1程序設計思路:174.2.2總體程序介紹174.3程序流程圖204.3.1主程序流程圖204.3.2循跡內環(huán)檢測子程序流程圖214.3.3循跡外環(huán)子程序流程

9、圖234.3.4超車子程序流程圖25第五章測試分析與結論30參考文獻31第六章致謝32附錄1：電路原理圖33附錄2：源程序34前 言自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。 隨著科學技術的發(fā)展，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術而言圖像處理技術已相當發(fā)達，而基于圖像的理解技術還很落后，機器視覺需要通過大量

10、的運算也只能識別一些結構化環(huán)境簡單的目標。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。 機器人要實現(xiàn)自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引線相當給機器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導引小車（AVGauto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應的執(zhí)行動作。 該智能小車可以作為機器人的典型代表。它可以分為

11、三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU。機器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導引線和障礙物。可以實現(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避。基于上述要求，傳感檢測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器來充當。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機來充當?shù)?，主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有PWM功能的單片機，這樣可以實現(xiàn)精確調速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調制，需要占用單片機資源，難以精確調速?？紤]

12、到實際情況，本文選擇第一種方案。CPU使用STC12C5A60S2單片機，配合軟件編程實現(xiàn)。第一章 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由電機模塊、電機驅動模塊、信號檢測與控制模塊、小車通訊模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。兩車通信模塊信號檢測模塊電機驅動模塊控制器調速模塊 圖 1-1 系統(tǒng)電路設計在硬件的設計前期，根據(jù)框圖對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的電路，進行了模擬實驗，并根據(jù)實驗結果對后期的硬件設計進行了合理化的修改完善。分析了系統(tǒng)并繪制了框圖，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計部分采用模塊化的設計思想，將整個系統(tǒng)分成幾大模塊。通過模塊化的方法先焊接和調試各個單元模塊，最后進行組裝和測試，從而使復雜的問題簡單化，提高了系

13、統(tǒng)設計的效率。1.1 控制系統(tǒng)的選擇方案：采用STC公司的STC12C5A60S2。內部含有PCA模塊可對電機進行調速。此單片機價格低，資源多，高性價比，應用廣泛，無論是從內部構造，還是編程方面51系列單片機都相對簡單，容易掌握和使用。簡單介紹下STC12C5A60S2。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。1.增強型805

14、1 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051;2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V(5V單片機)STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V(3V單片機);3.工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當于普通8051的 0420MHz;4.用戶應用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié);5.片上集成1280字節(jié)RAM;6.通用I/O口(36/40/44個)，復位后為：準雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)，可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉

15、，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55Ma;7. ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片;8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內部EEPROM);9. 看門狗;10.內部集成MAX810專用復位電路(外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地);11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器，5V單片機為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機為1.30V，誤差為+/-3%;12.時鐘源：外部

16、高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機為：11MHz15.5MHz，3.3V單片機為：8MHz12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準;13.共4個16位定時器 兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器;14. 2個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由

17、T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘;15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設置到P4.3);16. PWM(2路)/PCA(可編程計數(shù)器陣列,2路)：也可用來當2路D/A使用也可用來再實現(xiàn)2個定時器也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持);17.A/D轉換, 10位精度ADC，共8

18、路，轉換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口;19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設置到P4.3);20.工作溫度范圍：-40 - +85(工業(yè)級) / 0 - 75(商業(yè)級)21.封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接 74HC164/165/595(均可級聯(lián))來擴展I/O口, 還可用A/D做按鍵掃描來

19、節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。各引腳功能簡單介紹如下：VCC：供電電壓;GND：接地;P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每個管腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳寫“1”時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部電位必須被拉高;P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，電位被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內

20、部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收;P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳電位被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時，P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉的優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號;P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻

21、的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)，也是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 INT0(外部中斷0)P3.3 INT1(外部中斷1)P3.4 T0(記時器0外部輸入)P3.5 T1(記時器1外部輸入)P3.6 WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7 RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)同時P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號;RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持R

22、ST腳兩個機器周期的高平時間;ALE / PROG ：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效;PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每

23、個機器周期PSEN兩次有效。但在訪問內部部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn);EA/VPP：當EA保持低電平時，訪問外部ROM;注意加密方式1時，EA將內部鎖定為RESET;當EA端保持高電平時，訪問內部ROM。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP);XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入;XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。1.2 調速模塊的論證與選擇方案一：用單片機STC12C5A60S2內部的PCA模塊進行PWM調速，調速準確，程序編寫容易，控制方便。方案二：采用L9110馬達控制驅動芯片搭建硬件電路進行調速?？紤]到控制的靈活性，采用方

24、案一。1.3 電機驅動的論證與選擇本系統(tǒng)設計需要對小車電機進行更為精確的控制，使小車迅速反應，以實現(xiàn)小車在軌道 內準確的直行、轉彎，超車、減速的控制。針對本設計有以下方案可供選擇：方案一：采用大功率三極管，二極管，電阻電容等元件。采用上述元件搭建兩個H橋，通過對各路信號放大來驅動電機，原理簡單。但由于放大電路很難做到完全一致。當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，很難精確控制。方案二：采用L298N驅動芯片。L298N芯片是較常用的電機驅動芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性能，可用單片機的I/O口提供信號，電路簡單、易用、穩(wěn)定，具有較高的性價比。1.4 信號檢

25、測的論證與選擇為了使小車在規(guī)定的軌道內運行，需要對路面情況進行探測，本設計采用黑線尋跡探測 的方式保證小車在規(guī)定軌道內運行。探測路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由 于黑線和白紙對光的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強弱來判斷是否是黑線。利用 這個原理，可以控制小車行走的路跡。下面幾種可行的方案是根據(jù)本原理設計的：方案一：TCRT5000紅外光電傳感器是一款紅外反射式光電開關。傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出信號經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠，而且價格便宜。方案二：RPR220 是一種一體化反射型光電探測器。其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是

26、一個高靈敏度，硅平面光電三極管。優(yōu)點：塑料透鏡以提高靈敏度；內置的可見光過濾器以減小離散光的影響；體積小結構緊湊。缺點：價格較高，是方案一紅外對管的3倍。由以上兩種方案比較可知。方案一要比方案二優(yōu)勢大，市場上很多紅外觀點探頭也都基于這個原理。其電路簡單，工作可靠，性能比較穩(wěn)定。從而避免了電路的復雜性，因此本系 統(tǒng)選用方案一作為小車的監(jiān)測系統(tǒng)。1.5 兩車之間通訊的論證與選擇在小車行駛過程中，為防止兩車在直行，轉彎及超車時發(fā)生碰撞，本設計進行障礙物參 照對比，以一輛車作為參考障礙物，另一輛車進行避障處理，進行減速，防止行進過程中可 能發(fā)生的碰撞現(xiàn)象。針對本設計有以下幾種方案：方案一：用超聲波傳感

27、器。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。超聲波測距原理是利用超聲波從發(fā)射到接收過程中傳播的時間來計算出傳播距離。設l為測量距離，t為往返時間差，超聲波的傳播速度為c，則有t=2lc，而聲波在空氣中傳輸速率為（m/s）。式中T為環(huán)境溫度；cO為絕對溫度時的速度，是常數(shù)。從上述兩式可以推出。超聲波測距方便，計算簡單，易于做到實時控制，并且在測量精度方面達到實用的要求。方案二：用漫反射式光電開關。光電開關的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當有光線反

28、射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平?？紤]到本系統(tǒng)不但要檢查黑線，還要測距離。故放棄此方案。方案三：使用視頻采集處理裝置進行探測。使用 CCD 實時采集小車前進路線上的圖像并進行實時傳輸及處理，可以對障礙物進行精 確定位和測距。但是使用視頻采集會大大增加小車成本和設計開發(fā)難度，而且考慮到本設計 小車行進轉彎的精確度并未達到視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實際應用中是個很大 的浪費，所以本設計放棄了這一方案。綜上所述，選擇方案一。第二章 系統(tǒng)理論分析與計算2.1 兩車同時啟動分析啟動前打開乙車電源，當按下甲車電源時，通過超聲波傳感器返回數(shù)據(jù)給單片機，通過單片機給乙車發(fā)送指令，

29、啟動乙車的程序運行。2.2 信號檢測的分析 本次課程設計需要主要檢測的是跑道兩側的黑線和起步終點標志線，通過對左邊的標志線檢測并計數(shù)判斷位置。 2.2.1 信號（黑線）的檢測 TCRT5000紅外對管發(fā)射出紅外線，在非黑色區(qū)域發(fā)射紅外并被接收，與電壓比較器LM339比較后得到高低電平輸送給單片機，從電平的高低判斷是否檢測到黑線。本次設計由四根紅外對管做出檢測，根據(jù)每根紅外對管返回的電平值的高低來判斷小車在跑道上的位置，從而做出相對的反應、2.2.2 標志線的檢測分析小車需要識別的標志線和邊界線以控制小車的行走。因此，當循跡內環(huán)時，用右邊的紅外對管檢測檢測標志線并進行計數(shù)。當循跡外環(huán)時，用左邊的

30、紅外對管檢測標志線并進行計數(shù)。2.3 小車行走的分析小車檢測到起點標志線后左轉一定度，使小車左方紅外管檢測到內環(huán)內的黑線，并循跡內環(huán)黑線行走。并用右方紅外對管檢測標志線并計數(shù)，當一超過超車標志線后轉而循跡外環(huán)，直至跑回到終點。跑道如圖2-1所示，摘自電子設計大賽要求。圖2-1 電子設計大賽規(guī)則圖小車在行駛過程中還應該避免相撞，小車前方設置一紅外避障傳感器，小車后方設置一擋板，當兩車接近到一定距離時，紅外避障傳感器檢測到對方尾部的擋板，輸送低電平通知單片機，由單片機控制PWM調制脈沖使小車減速。超車：當甲車檢測到超車標志后，轉而循跡外環(huán)的同時，甲車減速。乙車與甲車保持紅外避障傳感器設置的距離轉檢

31、測完超車標志后，轉而循跡超車區(qū)內環(huán)的黑線，速度超過甲車并循跡黑線返回起點。而甲車循跡檢測到轉彎標志線后繼續(xù)循跡外環(huán)返回原點。第三章 電路設計3.1 電路的設計Altium Designer介紹Altium Designer是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計，熟練使用這一軟件必將使電路設計的質量和效率大大提高。目前最高版本為：Altium Designer

32、 14。電路設計自動化 EDA（Electronic Design Automation）指的就是將電路設計中各種工作交由計算機來協(xié)助完成。如電路原理圖（Schematic）的繪制、印刷電路板（PCB）文件的制作、執(zhí)行電路仿真（Simulation）等設計工作。隨著電子科技的蓬勃發(fā)展，新型元器件層出不窮，電子線路變得越來越復雜，電路的設計工作已經(jīng)無法單純依靠手工來完成，電子線路計算機輔助設計已經(jīng)成為必然趨勢，越來越多的設計人員使用快捷、高效的CAD設計軟件來進行輔助電路原理圖、印制電路板圖的設計，打印各種報表。Altium Designer 是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體

33、化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows XP操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計，熟練使用這一軟件必將使電路設計的質量和效率大大提高。Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、Protel DXP在內的先前一系列版本的功能和優(yōu)點外，還增加了許多改進和很多高端功能。該平臺拓寬了板級設計的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現(xiàn)功能，從而允許工程設計人員能將系統(tǒng)設計中的FPGA與PCB設計及嵌入式設計集成

34、在一起。 由于Altium Designer 在繼承先前Protel軟件功能的基礎上，綜合了FPGA設計和嵌入式系統(tǒng)軟件設計功能，Altium Designer 對計算機的系統(tǒng)需求比先前的版本要高一些。本次設計的原理圖與PCB主要用ALTIUM DESIGNER繪制。3.1.1 系統(tǒng)總體框圖本次設計中需要用兩塊單片機對兩輛車進行控制，整體結構如圖3-1所示 乙車 甲車TCRT5000紅外循跡模塊TCRT5000紅外循跡模塊L298N驅動模塊L298N驅動模塊STC12C5A60S2STC12C5A60S2超聲波模塊STC12C5A60S2單片機內部PWM調速模塊圖3-1 系統(tǒng)總體框圖 由上圖可

35、以看出甲乙兩車分別通過紅外對管循跡模塊判斷位置，由單片機輸出PWM波控制電機，兩車之間通信由超聲波模塊傳遞完成。脈沖寬度調制（PWM）介紹脈寬調制的全稱為：Pulse WidthModulator，簡稱PWM，由于它的特殊性能，常被用于直流負載回路中、燈具調光或直流電動機調速。 脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(1)，要么完全無(0)。電壓或電流源是以一種通(1)或斷(0)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的

36、時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。 脈寬調制（PWM），控制方式就是采用脈沖寬度調制技術，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機電樞上的電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機的轉速。因此，我們可以通過單片機，生成固定頻率的脈沖信號，通過改變脈沖信號中的“占空比”來控制電機的轉速。 PWM控制可分為單極性調制和雙極性調制兩種方式，為了實現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)的H型單極模式同頻PWM可逆控制，一般需要產(chǎn)生四路驅動信號來實現(xiàn)電機的正反轉切換控制。當PWM控制電路工作時，其中H橋一側的兩路驅動信號

37、的占空比相同但相位相反，同時隨控制信號改變并具有互鎖功能；而另一側上臂為低電平，下臂為高電平.3.1.2 L298N驅動模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、 L298N子系統(tǒng)框圖L298N是本次課程設計電機驅動模塊的關鍵芯片，由單片機四個I/O口輸出的PWM來驅動，PWM占空比的大小來控制電機轉速。小車做出相對應的加速減速的動作來完成課題所規(guī)定的任務。L298N子系統(tǒng)如圖3-2所示步進直流電機外圍器件芯片四個輸出口L298N驅動芯片單片機I/O口輸入圖3-2 L298N子系統(tǒng)框圖L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片 L298N 可以分別 控制兩個直流電機，而且還帶有控

38、制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩(wěn)定性好， 性能優(yōu)良。 綜合考慮本設計選擇方案二。具體電路圖見附錄簡單介紹下L298N芯片。輸入類型 ： 非反相輸出數(shù) ：4電流-輸出/通道 ：2A電流-峰值輸出 ：3A電源電壓 ：4.5 V 46 V工作溫度 ：-25C 130C安裝類型 ： 通孔封裝/外殼 ：Multiwatt-15（垂直，彎曲和錯列引線）供應商設備封裝 ：15-Multiwatt包裝 ：管件器件型號 L298N制造商 STMicroelectronics產(chǎn)品型號 Motion Motor Control圖1-2 L298N實物3.1.3 TCRT5000紅外循跡子系統(tǒng)框圖與電路原

39、理圖1、 循跡系統(tǒng)系統(tǒng)框圖TCRT5000紅外對管是循跡模塊的關鍵硬件，我通過LM339芯片設置高低電平的比較閾值，根據(jù)TCRT5000的返回的數(shù)值和設定閾值比較，根據(jù)高低電平的不同返回1 0值，單片機根據(jù)高低電平的做出相對應的PWM輸出。左二紅外對管右二紅外對管右一紅外對管左一紅外對管LM339比較器輸出高低電平至單片機圖3-3 紅外循跡子系統(tǒng)框圖TCRT5000(L)具有緊湊的結構發(fā)光燈和檢測器安排在同一方向上，利用紅外光譜反射對象存在另一個對象上，操作的波長大約是950毫米。探測器由光電晶體三極管組成的。本次實驗中兩輛車共用8根紅外對管，每輛4根，通過2、 循跡系統(tǒng)電路 圖3-4 循跡系

40、統(tǒng)電路循跡系統(tǒng)主要由紅外管經(jīng)過外部光感反射后與LM339設定的外部閾值比較，形成高低電平再由單片機處理。上圖中CON接紅外對管和LM339。3.1.4 超聲波傳感器子系統(tǒng)框圖1 超聲波傳感器子系統(tǒng)框圖穩(wěn)壓部分超聲波傳感器無線部分晶振部分圖3-5 超聲波傳感器系統(tǒng)由于在本項目中超聲波傳感器關鍵核心，下面詳細介紹下超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透

41、幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是指頻率高于20kHz的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。第四章 程序的設計4.1 開

42、發(fā)環(huán)境keil uvision2介紹4.1.1 軟件介紹Keil uVision2是德國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，您可以在關鍵的位置嵌入，使程序達到接近于匯編的工作效率。KEILC51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強， 使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVi

43、sion2的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。4.1.2 系統(tǒng)功能Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面，使您能在很短的時間內就能學會使用keil c51來開發(fā)您的單片機應用程序 。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。4.2 程序設計4.2.1 程序設計思路:啟動小車后直走，小車右邊的紅外對管

44、檢測到起始標志線后向左拐，在進入轉彎標志線前左邊的紅外對管檢測到內環(huán)2CM的黑線，假如左1和左2檢測到黑線，則往里拐，進入行車區(qū)，紅外對管有反射，則往外拐，同時，經(jīng)過轉彎標志線時，右邊的紅外對管檢測并計數(shù)，當進入到超車標志線時，右邊紅外對管檢測到黑線的次數(shù)為4，檢測完5條超車標志，計到的次數(shù)則為8，此時甲車直走轉而減速循跡外環(huán)返回終點，乙車則繼續(xù)循跡內環(huán)，循跡超車區(qū)的內環(huán)線比甲車更快的速度前進，直到乙車超車完畢，循跡內環(huán)返回起點。為防止兩車速度不一樣而造成追尾相撞，設置紅外避障傳感器設置一安全距離，也為超車標志轉彎時內由于乙車快，甲車慢容易相撞提供了保障。4.2.2 總體程序介紹總體上講整個程

45、序由void initPWM_line() void init_timer0() void right() void left() void go() void stop()等初始化函數(shù)和void xunji_nei() void xunji_wai()void bizhang1()xunji_neinei()等主要子函數(shù)組成。兩輛車各有一組主函數(shù)分別由上述函數(shù)構成。詳細介紹下right(), eft() go() stop()函數(shù)的定義。首先定義紅外對管端口sbit Right1 = P02;sbit Right2 = P03;sbit Left1 = P00;sbit Left2 = P0

46、1;sbit zuo1 = P23;sbit zuo2 = P22;sbit you1 = P20;sbit you2 = P21;sbit led = P10;其中主要通過返回的1 0值來判斷高低電平應用于以下幾個函數(shù)：void right()Right1 = 0; Right2 = 0; Left1 = 1; Left2 = 0;當左一紅外對管檢測到黑線且右邊兩個紅外對管都沒有檢測的黑線的時候。的時候右轉void left() Right1 = 1; Right2 = 0; Left1 = 0; Left2 = 0;當右一紅外對管檢測到黑線且左邊兩個紅外對管都沒有檢測到黑線的時候的時候左轉

47、。void go()Right1 = 1; Right2 = 0; Left1 = 1; Left2 = 0;當兩側紅外對管同時檢測到黑線且中間兩個紅外對管沒有檢測到黑線的時候說明小車處于正中間，小車直行。void stop()Right1 = 1;Right2 = 1; Left1 = 1; Left2 = 1;當四個紅外對管同時檢測到黑線說明檢測到停止線。4.3 程序流程圖4.3.1 主程序流程圖主程序流程圖如圖4-1所示開始執(zhí)行下一步程序后車減速紅外檢測是否安全距離檢測超車標志甲車直走后循跡外環(huán)乙車循跡超車區(qū)內環(huán)是否計數(shù)看是否到8左轉循跡內環(huán)監(jiān)測標志線并計數(shù)直走停止 圖4-1 主程序流程

48、圖由圖4-1可以看出程序主要由甲乙兩車同時啟動，甲車首先檢測安全距離確定是否安全乙車減速在后面行駛，甲車做左轉循跡乙車跟隨甲車，當甲車外環(huán)計數(shù)到達8時，甲車開始循跡外環(huán)，而乙車進入超車區(qū)檢測超車標志，然后先后通過終點線。所以程序共可分為甲車乙車啟動程序，甲車等待減速程序乙車超車程序三部分組成。4.3.2 循跡內環(huán)檢測子程序流程圖循跡內環(huán)檢測子程序如圖4-2所示否否往左轉往右轉是是左邊兩個檢測不到黑線直走開始結束左邊兩個檢測到黑線 圖 4-2循跡內環(huán)子程序流程循跡內環(huán)子程序主要由void xunji_nei()這部分組成。void xunji_nei() if(zuo1=1)&(zuo2=1)i

49、f(!flag_speed)CCAP0H = CCAP0L = 0;CCAP1H = CCAP1L = 0;flag_speed=1;right();else if(zuo1=0)&(zuo2=0)left();elsego();其中right() left() go()等函數(shù)定義在附錄中有詳細介紹分別代表右轉，左轉，和前進三種狀態(tài)。zuo1 zuo2 分別代表紅外對管返回的高低電平進行判斷。4.3.3 循跡外環(huán)子程序流程圖循跡外環(huán)子程序流程圖如圖4-3所示開始否否是是結束直走往右轉往左轉右邊兩個檢測不到黑線右邊兩個檢測到黑線 圖4-3 循跡外環(huán)程序流程循跡外環(huán)程序主要由void xunji_

50、wai()組成。void xunji_wai() if(you1=1)&(you2=1)lefta();else if(you1=0)&(you2=0)right();elsego();其中you1 you2代表右邊兩只紅外對管高低電平的反饋4.3.4 超車子程序流程圖乙車超車子程序流程如圖4-4所示右邊紅外對管檢測到8次 否是 甲車直走減速循跡外環(huán)乙車繼續(xù)內循跡內環(huán)超車區(qū)內環(huán)乙車超過甲車，先出超車區(qū)，甲乙檢測到終點標志線結束開始結束圖4-4 超車子程序流程圖當乙車檢測到右側紅外對管計數(shù)達到8次的時候，同時甲車已經(jīng)達到8次，通過超聲波檢測器把自己的位置傳回去，此時甲車減速循跡外環(huán)等待，而乙車繼

51、續(xù)內循環(huán)進入超車區(qū)，然后超過乙車先于甲車出超車區(qū)，先后通過終點。整個乙車超車主函數(shù)程序主要由xunji_wai() xunji_nei()組成，關鍵判斷if(flag=8)是否成立，一旦成立，甲車減速循跡外環(huán)xunji_wai();，乙車進入超車區(qū)內環(huán)超過甲車并且先于甲車出超車區(qū)xunji_nei()。直到檢測到標志線停止。第五章 測試分析與結論系統(tǒng)任務完成情況如表5-1所示表5-1 系統(tǒng)任務完成情況任務要求完成情況跑道制作完成基礎部分甲乙兩車分別行使一圈完成第一圈甲乙兩車同時起跑完成第一圈乙車在超車區(qū)超甲車完成第一圈乙車先到終點完成發(fā)揮部分第二圈甲車在超車區(qū)超乙車完成第二圈甲車先到終點完成第

52、三、四圈甲乙兩車交替領跑完成重新設定甲車起始位置，實現(xiàn)甲乙兩車四圈交替領跑完成 根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，加上是實際情況我們知道：1. 速度太快會導致檢測標志線檢測不到，就會造成程序錯亂，不能完成，因此，我們在能檢測到得情況下調到一個最大的可行速度。2. 當跑多圈時，電池的電壓降低，因此循跡模塊的芯片比較器的比較電壓下降，紅外循跡會出現(xiàn)錯誤，而且，電壓降低，小車的速度降低，轉動的彎度也減少，因此，我們在一圈內完成超車。由此可以得出以下結論：（1）甲車和乙車分別從起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈。 （2）甲、乙兩車按圖 1 所示位置同時起動，乙車通過超車標志線后在超車區(qū)內實現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現(xiàn)乙車超過甲車。綜上所述，本設計達到設計基本要求。參考文獻【1】 郭天祥51單片機C語言教程M電子工程出版社2009/01起止頁碼26-35【2】 康華光電子技術基礎模擬部分M高等教育出版社2005/7起止頁碼75-83【3】 康華光電子技術基礎數(shù)字部分