基于單片機的智能循跡小車

1、1.1課題背景目前，在企業(yè)生產(chǎn)技術不斷提高、對自動化技術要求不斷加深的環(huán)境下，智能 車輛以及在智能車輛基礎上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關鍵設備。世界上許多國家都在積極進行智能車輛的研究和開發(fā)設計。移動機器人是機器人學中的一個重要分支，出現(xiàn)于 20世紀06年代。當時斯坦福研究院(SRI) 的Nils Nilssen 和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的 自主式移動機器人，目的是將人工智能技術應用在復雜環(huán)境下， 完成機器人系統(tǒng)的自 主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動機器人從無到有，數(shù)量不斷增多，智能車輛作為移 動機器人的一

2、個重要分支也得到越來越多的關注。智能小車，是一個集環(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)， 它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航及白動控制等技術，是典型的高新 技術綜合體。智能車輛也叫無人車輛，是一個集環(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是在復雜的道路情況下，能自動地操縱和駕駛車輛繞開障礙物并沿著預定的道路 (軌跡)行進。智能車輛在原有車輛系 統(tǒng)的基礎上增加了一些智能化技術設備：(1)計算機處理系統(tǒng)，主要完成對來自攝像機所獲取的圖像的預處理、增強、

3、分 析、識別等工作；(2)攝像機，用來獲得道路圖像信息；(3)傳感器設備，車速傳感器用來獲得當前車速，障礙物傳感器用來獲得前方、 側方、后方障礙物等信息。智能車輛技術按功能可分為三層，即智能感知 /預警系統(tǒng)、車輛駕駛系統(tǒng)和全自 動操作系統(tǒng)團。上一層技術是下一層技術的基礎。三個層次具體如下：(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，必要時發(fā)出預警信息。主要包括碰撞預警系統(tǒng)和駕駛員狀態(tài) 監(jiān)控系統(tǒng)。碰撞預警系統(tǒng)可以給出前方碰撞警告、盲點警告、車道偏離警告、換道 /1 / 29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)

4、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行車輛控制操作。主要包括 ：巡航控制、車輛跟蹤系統(tǒng)、 準確泊車系統(tǒng)及精確機動系統(tǒng)。(3)車輛自動駕駛系統(tǒng)，這是智能車輛技術的最高層次，它由車載計算機全部自 動地實現(xiàn)車輛操作功能。目前，主要發(fā)展用于擁擠交通時低速自動駕駛系統(tǒng)、近距離車輛排隊駕駛系統(tǒng)等。這種智能小車的主要應用領域包括以下幾個方面 ：(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， 采取各種有效措施預防敵方的突然襲擊， 并廣泛應用先進科學

5、技術，不斷研制多用途 的偵察器材和探測設備，在車上裝備攝像機、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球 定位儀等設備，通過光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報收集、目標搜索和自主巡 邏等任務，進一步擴大偵察的范圍，提高偵察的時效性和準確性。(2)探測危險與排除險情在戰(zhàn)場上或工程中，常常會遇到各種各樣的意外。這時，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，可以探測化學泄漏物質，可以進行地鐵滅火，以及在強烈地震發(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領域，可對高速公路自動巡跡，進行道路質量檢測和破壞分析檢測；對水庫堤壩、海

6、岸護岸堤、江河大壩進行質量和安全性檢測。在制造領域，可用于工 業(yè)管道中機械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點的查找和 定位等。(4)智能家居在家庭中，可以用智能小車進行家具、遠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)境探測術上的有力支持 。2 / 291.2 課題研究的目的和意義目前，國內外的許多大學及研究機構都在積極投入人力、財力研制開發(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程、無人的方法來進行實現(xiàn)，如機器人、 遠程監(jiān)控等。無線傳輸?shù)陌l(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 快甚至可以達到實時處理”。該智能小車可以作為機器

7、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?？梢詫崿F(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。通過構建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中， 熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路，采用智能 控制算法實現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應用機電等相關學科的理論知識， 聯(lián)系實際電路 設計的具體實現(xiàn)方法，達到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解 和認識。1.3 本設計的內容及意義1.3.1 設計的內容(1)路面檢測模塊(2)電源

8、模塊為5V;(3)直流電機的驅動模塊電路，及相應的驅動程序；(4)控速模塊(5)循線功能電路及程序；(6)復位電路模塊1.3.2 本設計的意義隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。 全國電子大賽 和省內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。本設計就是在這樣的背景下提出的， 本題目是結合科 研項目而確定的設計類課題。本設計就采用了比較先進的C51為控制核心，C51采用CHOMS藝，功耗很低。該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器 械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應

9、3 / 29 用到了超聲波傳感器進行檢測。 所以本設計與實際相結合，現(xiàn)實意義很強。智能小車 國內外研究現(xiàn)狀：世界各國在智能微型車領域進行了很多研究，己經(jīng)應用于各個領域，在探測和軍事領域使用特別多。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60年代末期開始進行月球表面探測任務的。美國曾在1966A-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實驗室）研制的Sojourner號探測車登上了火星。 它驗證

10、了小型火星車的性能，并完成了一系列技術試驗。2004年1月，美國的“勇氣號”和“機遇號”火星探測車再度登陸火星。前蘇聯(lián)在1959A-1976年間，總共成功發(fā)射了兩個月球探測車。單片機的應用領域越來越廣泛，無論是在生活，生產(chǎn)上，單片機無處不在。ATMEL 公司的AT89S51單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、 通訊設備、家用電器等各個領域。 AT89S51可以說是單片機領域的主流產(chǎn)品,其應用如此廣泛，所以有必要去學習和應用該單片機，以滿足實際產(chǎn)品開發(fā)的需要，也是適應社會智能化、自動化的趨勢。通過構建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中， 熟悉以單

11、片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路，采用智能 控制算法實現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應用機電等相關學科的理論知識，聯(lián)系實際電路設計的具體實現(xiàn)方法，達到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解 和認識。1.4 論文各部分的主要內容第一章對智能循跡小車的現(xiàn)狀、研究意義和設計要求進行簡單闡述。第二章介紹了該智能循跡小車系設計方案比較和選擇，分析了各模塊的功能。第三章闡述了智能小車系統(tǒng)的硬件電路的設計，其中包括單片機最小系統(tǒng)模塊電 路、電機驅動模塊電路、以及附帶的信號提示電路等。第四章首先介紹了該系統(tǒng)程序調試過程中所用到的程序調試軟件及其調試環(huán)境。最后總結部分說明了本論的主要

12、內容，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。4 / 29第2章智能循跡小車系統(tǒng)2.1 系統(tǒng)設計任務與設計要求2.1.1 系統(tǒng)設計任務1 .熟悉51單片機集成開發(fā)環(huán)境，運用 C語言編寫工程文件；2 .熟練應用所選用單片機的內部結構、資源，以及軟硬件調試設備的基本方法；3 .自行構建基于單片機的最小系統(tǒng)，完成相關硬件電路的設計實現(xiàn)；4 .了解電機、路面檢測的原理和實現(xiàn)方法。2.1.2系統(tǒng)設計要求1 .完成單片機最小系統(tǒng)設計；2 .完成外圍應用電路（包括系統(tǒng)供電單元、運動控制單元、循跡檢測單元）的設計和實現(xiàn)；3 .完成軟件對硬件檢測和調試工作；4 .查閱國內外的研究動態(tài)和發(fā)展

13、前沿信息，閱讀相關外文文獻。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，通過相關傳感器對路面的軌跡信息進 行處理，并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應的處理，實現(xiàn)電機的前進 和后退，保證在允許范圍類實現(xiàn)蹺蹺板的平衡。方案一：可以采用ARM系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點是該系統(tǒng)功能強大，片上外設集成 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)模實時系統(tǒng)的控 制核心。方案二：采用AT89S52乍為系統(tǒng)控制的方案。AT89S52單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術成熟，成本也比ARM氐?？紤]到性價比問題，本設計選擇用

14、AT89S52單片機做控制器。2.2.2 供電單元方案論證方案一：采用單電源供電，通過單電源同時對單片機和直流電機進行供電，此方案的優(yōu)點是，減少機身的重量，操作簡單，其缺點是，這樣會使單片機的波動變大，5 / 29影響單片機的性能，穩(wěn)定性比較弱方案二：采用雙電源供電，通過兩個獨立的電源分別對單片機和直流電機進行供 電，此方案的優(yōu)點是，減少波動，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運作起來，唯一 的缺點就是會增加小車的重量。綜合以上的優(yōu)缺點，本設計決定采用第二種方案2.2.3 運動單元方案論證方案一：采用直流電機，配合LM293驅動芯片組合。優(yōu)點在于硬件電路的設計簡 單。當外加額定直流電壓時，轉速幾乎

15、相等。這類電機用于錄音機、錄相機、唱機或 激光唱機等固定轉速的機器或設備中。 也用于變速范圍很寬的驅動裝置。容易受到外11本本 +AV本部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉速和轉矩輸出。電路如圖 2-1 :EN1 外 VaEN2 Output 1 也叫W甲爪 5mz。叫儂NSInput?Inputs Ou甲hl4 一白占 Z上上N圖2-1直流電機+LM293組合電路原理方案二：采用步進電機，配合LM298驅動芯片組合。步進電機可以實現(xiàn)精確的轉 腳輸出，只要施加合適的脈沖序列，電機可以按照人們的預定的速度或方向進行連續(xù)的轉動，便于控速，但是軟件程序的編寫較直流電機稍顯復雜。但是LM298®片的硬件

16、電路比較復雜。如圖2-2:UItfl 曬£Hl fk*加 nODU e，的 oirn CKB ourcEIHi m DIKE01-圖2-2步進電機+LM298組合電路原理6 / 29方案三：采用直流電機配合由雙極性管組成的 H橋電路。用單片機控制晶體管使 之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電機轉速。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現(xiàn)轉速和方向的控制；電 子開關的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調速技術，其電路原理簡圖如 圖2-3所示。綜合3種方案的優(yōu)缺點，鑒于本系統(tǒng)設計體積較小，自身重量較輕，對電機功率 輸出要求不高，決定選

17、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。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較 弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時， 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RPR22理光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個神化錢紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，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)過對方案的設計要求的分析和

18、方案論證，采用51單片機控制平臺，經(jīng)過紅外傳感模塊檢測路面的信息，控制運動模塊的電機運動方式，近而控制這個智能小車系7 / 29統(tǒng)的運動。系統(tǒng)框圖如圖2-4圖2-4系統(tǒng)總體框圖8 / 29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AT89S5律片機進行智能控制， 開始由手動啟動小車， 并復位 當有紅外遙控信號時，根據(jù)信號進入相應的行駛狀態(tài)，在運動過程中由紅外光電傳感 器檢測，通過單片機控制小車進行循跡，系統(tǒng)的自動循跡功能通過紅外線傳感器正前 方檢測，由單片機控制實現(xiàn)在小車行駛過程中，通過接收的信號脈沖控制直流電機， 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。:

19、區(qū):M法工 IK運動系統(tǒng)電路包括供電E路、也機驅動和控制班路兩部分圖3-1系統(tǒng)功能原理圖供電電路：運動系統(tǒng)供電采用雙電源分別對電機和控制器供電。考慮到小車是個不斷運動的實驗設備，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)過電壓轉換單元。由一個 9V轉為5V對控制單元供電；另一個 9V電池直接對電機 的供電端連接。供電部分的分析將在后面3.3節(jié)結合整個系統(tǒng)的供電電路進行詳細介 紹。電機驅動和控制電路：通過 51單片機，控制端口對直流電機的轉速和轉向來對 電機進行控制。9 / 293.2 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)由復位電路、時鐘振蕩電路、數(shù)據(jù)采集接口和電機控制接口組成, 單片機最

20、小系統(tǒng)圖如圖3-2所示。MlIK-rL 口二藥 m3-2?以 iRG?<對 ijNT：P!J (1XTI P“7s " iO<J ir，正IAI83»1Cap PxjL! lOOfF! XIAL?i.T.CapJ.Z?Cap J Jpf 工P2 0P21ALT Pi'-X L'PFvccGND5V-n-iP12 PB P3網(wǎng) PL51MOSU PlSGZSOl PPfSCKl圖3-2單片機最小系統(tǒng)3.2.1 單片機使用資源規(guī)劃由于51單片機具有比較強大的系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)在設計時充分利用了它的自身 特性，并進行合理規(guī)劃。見表 3-3。表3-3單片機

21、資源分配表系統(tǒng)資源類型用途備注看門狗防止系統(tǒng)跑飛定時器0定時喂狗P1端口路面檢測輸入P3端口電機控制輸出10 / 293.2.2 單片機功能模塊介紹單片機本電路的控制核心，它接收傳感器測得的信號，并控制電機的轉動與停止。傳感器的輸入有兩根信號線，接單片機的 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，輸入都為低電平，此時單片機會驅動兩個電機同時轉 動，不需要轉彎，當某端輸入高電平時，表明小車的相應一側一走到黑線上，單片機 便使改側的電機停止轉動，另一側的繼續(xù)轉動，直到兩側都不走到黑線上，程序采用 輪詢的方式，可以及時的檢測到是否走到黑線上。3.3 供電單元介紹高性

22、能的電源管理系統(tǒng)對于電子系統(tǒng)穩(wěn)定運行是至關重要的。作為智能車源， 電源模塊為系統(tǒng)的控制器，執(zhí)行機構，傳感器等各個模塊提供可靠的工作電壓。設計 中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進行優(yōu)化， 電源管理模塊的功能是對電池進行分配 和電壓調節(jié)，為其他各個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，而電機所需的電壓為9V,本設計中用到的是9V的電源供電, 然后通過三端穩(wěn)壓器LM780酪電壓變換為5V電壓供給電路系統(tǒng)。電源系統(tǒng)

23、的電路圖如圖3-4所示1-2INGXD吟FonLM7S05ID：VCC-5T圖3-4穩(wěn)壓電源轉換電路11 / 293.3.2 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 XX系列和負電壓輸出的lm79XX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的標準封裝，也有l(wèi)m9013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，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可

24、靠、方便，而且價格便 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9V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。在實際應 用中，應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。當制作中需要一個能輸出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1.5A ,但應用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應采用 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

25、流上留有一定 的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。3.4 運動單元介紹本系統(tǒng)采用9V直流電動機作為智能玩具車的動力源。用電機驅動專用芯片L298 作為電機的驅動。L298N是SG鏤司的產(chǎn)品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種 二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器， 接 收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。電機驅動模塊硬件電路圖如 圖3-6所示。12 / 29圖3-6電機驅動模塊硬件電路圖累IK3.5 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

26、紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(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超過3cni循跡功能如圖3-7所示圖3-7循跡功能圖13 / 29本設計需要檢測小車的運行狀態(tài)，沿著路面黑線運動。采用反射取樣式，單光束紅外傳感器接收信號，再分別用運放LM393比較電壓信號進行放大。圖3-5的電路在 5V電壓下工作，根據(jù)該型號傳感

27、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11.3V）和工作電流（紅外發(fā)射管的電流為210mA,選取負載電阻R1=2.2KQ,紅外發(fā)射管負載電阻 R=220Q。調節(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模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。 比較器的兩路輸入 為模擬信號，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時， 其輸出保持包 定。因此，也可以將其當作一個1位模/數(shù)轉換器（ADC。對路面檢測的電路設計就是 通過電位器設定一個閾值，以此確定是否有光反射。并且以此閾值為標準，向單片機 輸入滿足TTL電平的數(shù)字信號。如圖3-8所示。Output

28、AdInputs A rGndR0vcc3 Output B31Inputs B圖3-8 LM393芯片示意圖14 / 29第4章 智能循跡小車軟件部分4.1 軟件調試平臺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、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而 易學易用。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。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 for 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

29、型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介 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)镃51可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，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)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件除了致力于單片機的編程開發(fā)平臺外，還針對目前最流行C51開發(fā)項目出品了Keil for 51軟件平臺以及支持在線調試的串口燒寫。從近年來各仿真機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

30、、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境( uVision2 )將這些部份組合在一起。如圖4-1所示。開發(fā)平臺截圖圖 4-1 Keil for 5115 / 29KEIL for C51 編譯平臺對51單片機的器件選型設置。如圖4-2所示。Opti for Tt , Tar£ptDevi ce Tarset Output Lt £ tine： C51 ASIDitibMS： iGeneric CPU Uala IKassVendor： Atm«l.Derice： ATS9C51MoiseiC&lBL51 Locate B

31、L51L Miec Debu Utilities8051-based Fulllv Static 24MHz CMOS controller with 32 I/O2 Ti 啟MjC6tkEiA叁好句 6 Ini. 4riru.p t Pri oiri ty 1>1叁甘心工同 UART, TikiPt v 砂 am Mciii wty Lue% 4K Bytes Fl Meitiui1Z6 6yt«s Ourchip RAMUs* Extended Linker "51) inEtead of ELloQQoQQa。c GGarATSTFS2aATGTFgMU ATS

32、QCIQISI ATRarinsnrAT69CZ051ATSQC4(K1nil “一K“ ！：" - i：，“a ATE9C51 ：TiiirtaniirnmiriwiAT69C5115AT8QC5131AT69C51AJC3AT69C51CC03確運 取消 DefaultsLi都助圖4-2 MCU選型設置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16 / 294.3 系統(tǒng)軟件程序#include<reg51.h> /包含單片機寄存器的頭文件#include<intrins.h> / 包含延時子程序的頭文件/宏定義 #define uc

33、har unsigned char /#define uint unsigned int /#define ulong unsigned long /狀態(tài)定義uchar go=0xFA; /1111_1010uchar back=0xF5; /1111_0101uchar left=0xFE; /1111_1110uchar right=0xFB; /1111_1011/延時函數(shù)void delay()uint i,j;for(i=0;i<500;i+)for(j=0;j<800;j+);無符號八位字符型數(shù)據(jù)無符號16位整形數(shù)據(jù)無符號三十二位長整型前進后退左轉右轉17 / 29/啟

34、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=0xe1;/定時器初始化程序void Initial。(TMOD=0x01; /定時器0工作在方式1TH0=0xf0; /高八位裝值 11110000TL0=0xf0; / 第八位裝值 1111_0000TR0=1; /啟動定時器ET0=1; / 定時器中斷允許EA=1 ; /開放總中斷/主程序/對傳感器輸入信號進行輪詢并決定當前小車行駛方式void main()18 / 29FeedDog

35、(); /剛入主程序喂一次狗Initial(); /定時器初始化P1=0xFF; /端口初始化用于控制電機P3=0xFF; /傳感器狀態(tài)接收while(1) /對傳感器輸入信號不斷地進行查詢(if(P3 = 0x7F)/0111_1111P1=left; /執(zhí)行左轉指令else if(P3 = 0xBF)/1011_1111P1=right; / 執(zhí)行右轉指令elseP1=go; / 否則就向前行駛/定時器中斷函數(shù)執(zhí)行喂狗定時器重裝初值void timer0() interrupt 1 /使用中斷(TH0=0xf0;TL0=0xf0; /定時器重載初值高八位第八位FeedDog();/每過一定

36、時間喂下狗，不然程序會自動復位19 / 294.4 循跡處理軟件流程在白色背景中有一條黑色的線，小車就是要沿著這條黑線行走，通過判斷反射式 光電傳感器所接收到的反射光來判斷小車所應行走的方向。 以三個反射式光電傳感器 為例進行說明循線的原理。光電傳感器與黑線位置關系示意圖如圖 4-4所示。圖4-4光電傳感器與黑線位置關系示意圖檢測環(huán)節(jié)中一共有6個這樣的傳感的紅外檢測單元，實現(xiàn)組合式的控制方向的檢 測。6個光敏傳感電路組合功能見表 4-1 o表4-1光敏傳感器狀態(tài)真值表、 傳、 感小 器車號狀、態(tài) 、左X右Y1號2號正常行駛11右轉0110脫離引導線00通過循環(huán)檢測輸入端口的檢測值， 判斷目前巡

37、線所處的位置，并且通過控制電機 輸出來實現(xiàn)左轉、右轉、直行運動。檢測部分函數(shù)說明while(1) /對傳感器輸入信號不斷地進行查詢(if(P3 = 0x7F)/0111_1111P1=left; /執(zhí)行左轉指令else if(P3 = 0xBF)/1011_111120 / 29P1=right; /執(zhí)行右轉指令elseP1=go; /否則就向前行駛)21 / 29第5章系統(tǒng)測試為了測試智能小車系統(tǒng)的正常運動情況，設計場景，對智能循跡小車系統(tǒng)進行測試。5.1 測試場景介紹設計采用環(huán)形的黑色軌道，對小車進行實際測試。設計測試圖如圖 5-1所示。圖5-1測試場景及參數(shù)5.2 實際測試結果系統(tǒng)測試過

38、程中，采取順時針和逆時針兩個方向的測試方法， 以此來檢測智能小 車左右轉的效果。經(jīng)過順時針、逆時針各 5次，每次2圈的實際測試，測試數(shù)據(jù)結果 如表5-1。（其中一表示為無效數(shù)據(jù)）表5-1智能循跡小車測試結果測試編號運動力向完成效果執(zhí)行時間起點位直1順時針完成2圈5分48秒直道處A2逆時針完成2圈6分01秒直道處A3順時針完成2圈6分33秒彎道起點D4逆時針完成2圈7分11秒彎道起點B5順時針完成2圈7分40秒彎道中段C6逆時針完成2圈7分33秒彎道中段C7順時針完成2圈6分21秒彎道末端B8逆時針完成2圈6分40秒彎道末端D9順時針完成2圈5分37秒直道處E10逆時針完成2圈5分50秒直道處E

39、22 / 295.3 測試結果分析由表5-1可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在順時針運動時，主要執(zhí)行右轉和直行這兩種運動控制； 在逆時針運動時，主要執(zhí)行左轉和直行這兩種運動控制。 在每組測試過程中，逆時針 的運動時間相對順時針的運動時間較長， 則可大致得出結論：左轉控制的響應時間慢 于右轉控制。另外，起點位于彎道的運行時間要長于起點位于直道的運行時間。 導致這個現(xiàn)象 出現(xiàn)的原因是由于彎道的曲率變化給小車的循跡調整帶來了比較大的影響， 對應消耗 的調整時間也比起于直道的測試過程要長些。23 / 29結 論加入了高新技術的智能循跡小車產(chǎn)品越來越多， 使得智能循跡小車的發(fā)展呈現(xiàn)多 循跡小車作為現(xiàn)代玩具產(chǎn)業(yè)的核心的一部

40、分，更需要不斷應用現(xiàn)代先進的技術開發(fā)出 更新穎的產(chǎn)品。本設計主要是把傳統(tǒng)智能循跡小車系統(tǒng)和可編程電子器件結合起來設計智能循 跡小車系統(tǒng)，并通過人工智能算法實現(xiàn)一定的智能化的方法。 論文介紹了該設計的總 體思想和一些用到的基本的原理及系統(tǒng)的硬件、軟件設計?，F(xiàn)將本文主要工作總結如 下：(1)本設計使用模塊化的設計方法。各個功能在硬件和軟件的設計上都實現(xiàn)了 模塊化。各個功能部件同時存在，小車在運行的過程中只有一個功能模塊發(fā)揮作用， 其余功能處屏敝狀態(tài)；在各個功能之間可通過人工切換。(2)本設計的創(chuàng)新之處在于把一個人工智能算法 (A*算法)引入小車的設計中， 實現(xiàn)控制小車的作用。這只是一個簡單的智能算

41、法，但有這樣的基礎之后，就可以把 更多的智能算法用于玩具的開發(fā)，這也是小車智能化的一個重要方法。(3)系統(tǒng)經(jīng)過測試，雖然存在著一定的問題，但能夠實現(xiàn)小車的循跡功能、尋 光功能，基本上能實現(xiàn)小車的路徑規(guī)劃功能。該智能玩具小車系統(tǒng)還存在一些不完善和需要改進的地方，可以有以下幾處需要 改進和完善：(1)在小車尋找最短路徑的功能中，雖然通過 A星算法能夠找到并標示出最短 路徑中的一條，但小車在根據(jù)這條路徑從起點到終點的過程中， 由于路面磨擦不同等 因素的影響，小車不能按預定的角度旋轉。在這種情況下可以增加舵機，控制舵機來 達到智能玩具車按照預定角度轉向的功能。(2)小車所行走的區(qū)域有可能并不是一個表格

42、，但在程序中已經(jīng)將該區(qū)域簡為了 一張表格并固定地存放在了程序中，這樣如果想改變區(qū)域中障礙物的位置必須改在程 序中改變存放的表格，即一個二維數(shù)組。可以改進為：用一個攝象頭把小車所要行走 的區(qū)域拍攝下來然后經(jīng)過圖像的處理， 把區(qū)域變成一張表格，再用一個二維數(shù)組來表 示這張表格，這就可以使小車在行走之前自動改變程序中的“地圖”，而不需要每一次都人為改變。用這種方法改進，也使 A星算法的應用范圍變廣了。(3)可以在該智能循跡小車中添加更多的有趣的功能。在小車系統(tǒng)中加上光電 傳感器讓小車可以實現(xiàn)避障功能，還可以在玩具小車上安裝喇叭讓小車播放音樂等，24 / 29 這樣小車更具有智能的特點，而且有更多的娛

43、樂和學習的特性。(4)該智能循跡小車系統(tǒng)具有循線、追光和路徑判斷的功能。但這些功能都是 用單獨的程序實現(xiàn)的，每運行一個功能就需要重新下載程序。 對于這個問題，可以用 多路開關與單片機的I/O 相連，通過檢測開關信號進行智能循跡小車功能的選擇。微控制器(如本設計中用到的51單片機)運于智能循的開發(fā)中，通過各種傳感器 的應用和程序的設計將有許多更具智能化、更加多樣的玩具面世。25 / 29致謝本論文是在張華老師的指導下完成的。在智能小車系統(tǒng)的設計、調試及論文 的寫作過程中，他給予了無數(shù)的指導和大力的支持。他不僅教了我知識還教了我 治學的態(tài)度，那就是嚴謹，把知識變?yōu)榧河?，棄其糟粕留其精華，用自己的方

44、式 去解決問題，而不是人云亦云。由于對硬件這方面比較感興趣，尤其對單片機這 塊。張老師可謂我的啟蒙老師，他那套獨特的編程分析理念對我的影響頗為深刻， 那就是軟件與硬件分離、功能獨立、功能分層、分時處理與實時處理、充分利用 C語言的宏定義。這改變了我以前編程時想到哪編到哪沒有一點思緒的編程方式， 編程前理出框架這一理念對我經(jīng)后的學習必有很大幫助。由于剛接觸單片機，問 題特別多，從硬件的認識到軟件的理解，都碰到了不少的問題。每次張老師和院 凱學長總是悉心的指導并提出了很多寶貴的意見和建議，張老師還通過授課的方式教會了我們很多知識，在他循循善誘的悉心教誨、無微不至的關懷和指導下， 我對基于單片機智能循跡小車的設置理念和運作過程都了解得非常清楚。對我論文的完成也提供了不小的幫助。在此再次向張老師和院凱學長表示忠心的感謝。在畢業(yè)設計中，我學會了對本專業(yè)所學的一些理論知識的應用， 學會了在應 用中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的方法