智能尋跡避障小車尋跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第二章 智能尋跡避障小車尋跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)1任務(wù) 任務(wù)一：產(chǎn)生智能尋跡避障小車沿黑線轉(zhuǎn)圈的控制程序；任務(wù)二：產(chǎn)生智能尋跡避障小車帶狀態(tài)顯示沿黑線轉(zhuǎn)圈的控制程序；2要求（1）能控制智能尋跡避障小車沿黑線實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)圈功能；（2）行走過程中小車一直壓著黑線走，不得沖出黑線圓圈之外或之內(nèi)；（3）智能尋跡避障小車可以從小于90度的任意方向?qū)ふ业胶诰€圓圈；2.1 項(xiàng)目描述該項(xiàng)目的主要內(nèi)容是：在智能尋跡避障小車電機(jī)控制系統(tǒng)之上擴(kuò)展尋跡電路，然后運(yùn)用C語言對系統(tǒng)進(jìn)行編程，使智能尋跡避障小車實(shí)現(xiàn)沿黑線轉(zhuǎn)圓圈的功能，并且在行走過程中小車一直壓著黑線走，不得沖出黑線圓圈之外或之內(nèi)；當(dāng)人為將小車拿開，再從小于90度的任意方向放

2、置小車，小車應(yīng)能重新找回軌道，并沿黑線繼續(xù)轉(zhuǎn)圈。通過該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，可以讓讀者獲得如下知識和技能： 繼續(xù)掌握單片機(jī)I/O端口的應(yīng)用； 掌握紅外線收、發(fā)對管的工作原理與控制方法； 掌握數(shù)碼管的工作原理與控制方法； 掌握單片機(jī)C語言的編程方法與技巧； 能夠編寫出智能尋跡避障小車沿黑線實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)圈功能的控制函數(shù)；2.1 必備知識 2.1.1 關(guān)于紅外線傳感器紅外線定義：在光譜中波長自0.76至400微米的一段稱為紅外線，紅外線是不可見光線。所有高于絕對零度（-273.15）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。現(xiàn)代物理學(xué)稱之為熱射線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠(yuǎn)紅外線。紅外線發(fā)射器：紅外線發(fā)射管在LED封裝

3、行業(yè)中主要有三個(gè)常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。根據(jù)波長的特性運(yùn)用的產(chǎn)品也有很大的差異，850NM波長的主要用于紅外線監(jiān)控設(shè)備，875NM主要用于醫(yī)療設(shè)備，940NM波段的主要用于紅外線控制設(shè)備。如：紅外線遙控器、光電開關(guān)、光電計(jì)數(shù)設(shè)備等。紅外線對管應(yīng)用：本項(xiàng)目中，小車的尋跡功能采用紅外線收、發(fā)對管實(shí)現(xiàn)。具體工作過程如下：兩對紅外線收、發(fā)對管安裝在智能尋跡避障小車底盤正前方，紅外發(fā)射管一直發(fā)射信號，接收管時(shí)刻準(zhǔn)備接收信號。兩對對著地的紅外管發(fā)射紅外信號，信號在白色的地面上反射回接收管，通過接收管把信號送回單片機(jī)進(jìn)行處理，完成相應(yīng)的動(dòng)作。假如在黑色的地面上，信號被地面吸收，就

4、無信號返回，單片機(jī)檢測到無信號，根據(jù)程序也會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作。如圖2.1所示為紅外線收、發(fā)對管外型示意圖。 圖2.1 紅外收、發(fā)對管外形圖2.3 案例設(shè)計(jì) 2.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本項(xiàng)目采用單片機(jī)最小系統(tǒng)+紅外尋線傳感器來實(shí)現(xiàn)小車尋線功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2.2所示。 圖2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2.3.2 硬件電路設(shè)計(jì)智能尋跡避障小車尋線電路原理圖如圖2.3所示：它是在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上直接由單片機(jī)的P3？礎(chǔ)_0ol_1連接紅外線收、發(fā)對個(gè)構(gòu)成的，其中單片機(jī)的P3.5端口控制左邊尋線電路模塊，右邊尋線電路模塊由P3.6控制。為了保準(zhǔn)巡線信號的準(zhǔn)確度，一般要求左、右紅外發(fā)射對管安裝時(shí)離地面高度控制

5、在0.5cm內(nèi)比較理想，距離太大，可能造成信號不靈敏，巡線不夠準(zhǔn)確，距離太小，也可能造成小車前進(jìn)會(huì)與地面產(chǎn)生刮擦，從而損壞器件；另外，左、右收、發(fā)對管安裝的距離應(yīng)保持在比黑線條的寬度多一點(diǎn)，做到夾在黑線條，并處于黑線條的邊緣，不能壓在黑線上。這樣巡線才能準(zhǔn)確。 圖2.3 智能尋跡避障小車尋線電路原理圖2.3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 任務(wù)一：產(chǎn)生智能尋跡避障小車沿黑線轉(zhuǎn)圈的控制程序； 1、源程序#include<at89x52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define out P2sbit zuo1=P01;

6、sbit zuo2=P00;sbit you1=P03;sbit you2=P02;sbit zuod=P35;sbit youd=P36;sbit qiand=P37;/左 右 前 3個(gè)紅外傳感器sbit jiao=P06;sbit D1=P20;sbit D2=P07;void delay(uint x)uchar i;while(x-)for(i=0;i<123;i+);void qian()zuo1=0;zuo2=1;/左邊往前you1=0;you2=1;/右邊往前void hou()zuo1=1;zuo2=0;/左邊往后you1=1;you2=0;/右邊往后void zuo()

7、zuo1=1;zuo2=0;/左邊往后you1=0;you2=1;/右邊往前void you()zuo1=0;zuo2=1;/左邊往前you1=1;you2=0;/右邊往后void main()while(1)if(zuod=0&youd=0)/如果左右兩個(gè)傳感器沒有檢測到黑線qian();/直走if(zuod=1&youd=0)/如果左邊的傳感器檢測到黑線while(1)zuo(); /左轉(zhuǎn)D1=0;if(zuod=0)/一直左轉(zhuǎn)到傳感器檢測不到為止D1=1;break;/跳出循環(huán)if(youd=1&zuod=0)while(1)you();D2=0;if(youd=

8、0)D2=1;break;/道理同上 2、程序運(yùn)行及調(diào)試按圖2.3連接智能尋跡避障小車控制電路，編譯以上程序，將產(chǎn)生的可執(zhí)行文件燒寫到智能尋跡避障小車的單片機(jī)程序存儲(chǔ)器，然后將小車放置在黑線圓圈的任意位置，開啟電源，小車會(huì)沿著黑線不斷轉(zhuǎn)圈；將小車從黑線上拿走，然后再放放置黑線旁邊，只要小車與黑線不成90度放置，則小車通過自我修正，會(huì)重新找到黑線軌跡，繼續(xù)轉(zhuǎn)圈。3、程序設(shè)計(jì)思路基本思路是：先判斷智能尋線小車左、右尋線傳感器是否夾在黑線邊緣，如果是說明尋線傳感器處于白色區(qū)域，則小車前進(jìn)；如果不是，則再判斷左、右傳感器所處的位置，如果左邊傳感器壓到黑線，左傳感器指示燈D1亮，說明小車已經(jīng)偏右，則應(yīng)調(diào)

9、左轉(zhuǎn)函數(shù)修正，使左邊傳感器退出黑色區(qū)域；當(dāng)退出黑色區(qū)域后，左傳感器指示燈D1滅；當(dāng)右邊傳感器壓到黑是，方法跟左邊處理類是：調(diào)用右轉(zhuǎn)函數(shù)修正，同時(shí)D2亮，修正完，D2滅?？傊≤囋谘睾诰€轉(zhuǎn)圈過程中，左、右尋線傳感器始終是夾在黑線邊緣（即白色區(qū)域）的，如果不在白色區(qū)域，就要根據(jù)情況調(diào)用左轉(zhuǎn)、或右轉(zhuǎn)函數(shù)進(jìn)行修正。程序流程圖如圖2.4所示：圖2.4 智能尋跡避障小車尋黑線轉(zhuǎn)圈流程圖 任務(wù)二：產(chǎn)生智能尋跡避障小車帶狀態(tài)顯示沿黑線轉(zhuǎn)圈的控制程序；1、源程序#include<at89x52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned ch

10、ar#define out P2sbit zuo1=P01;sbit zuo2=P00;sbit you1=P03;sbit you2=P02;sbit zuod=P35;sbit youd=P36;sbit qiand=P37;/左 右 前 3個(gè)紅外傳感器sbit jiao=P06;sbit D1=P20;sbit D2=P07;uchar code ZM=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09,;void delay(uint x)uchar i;while(x-)for(i=0;i<123;i+);void qian()z

11、uo1=0;zuo2=1;/左邊往前you1=0;you2=1;/右邊往前void hou()zuo1=1;zuo2=0;/左邊往后you1=1;you2=0;/右邊往后void zuo()zuo1=1;zuo2=0;/左邊往后you1=0;you2=1;/右邊往前void you()zuo1=0;zuo2=1;/左邊往前you1=1;you2=0;/右邊往后void main()while(1)if(zuod=0&youd=0)/如果左右兩個(gè)傳感器沒有檢測到黑線qian();/直走out=ZM1;if(zuod=1&youd=0)/如果左邊的傳感器檢測到黑線while(1)z

12、uo();out=ZM3;/左轉(zhuǎn)D1=0;if(zuod=0)/一直左轉(zhuǎn)到傳感器檢測不到為止D1=1;break;/跳出循環(huán)if(youd=1&zuod=0)while(1)you();out=ZM4;D2=0;if(youd=0)D2=1;break;/道理同上 2、程序運(yùn)行及調(diào)試程序的運(yùn)行與調(diào)試與任務(wù)一相同，當(dāng)程序下載到小車控制電路單片機(jī)中，開機(jī)運(yùn)行，小車除完成任務(wù)一的動(dòng)作外，還會(huì)在小車行進(jìn)過程中在數(shù)碼管上顯示小車的狀態(tài)，比如，小車前進(jìn)，則在數(shù)碼管上顯示“1”；小車左轉(zhuǎn)彎則在數(shù)碼管上顯示“3”；小車右轉(zhuǎn)彎則在數(shù)碼管上顯示“4”。3、程序設(shè)計(jì)思路 程序設(shè)計(jì)思路與任務(wù)一基本相同，只是在

13、小車直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)函數(shù)后面調(diào)用相應(yīng)的狀態(tài)顯示字符。其程序流程圖如圖2.5所示。 圖2.5 帶小車行走狀態(tài)顯示、轉(zhuǎn)圈程序流程圖2.4 相關(guān)知識 2.4.1 顯示模塊顯示器是最常用的輸出設(shè)備，其種類繁多，但在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的是發(fā)光二極管顯示器（LED）和液晶顯示器（LCD）兩種。由于這兩種顯示器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，接口容易實(shí)現(xiàn)，因而得到廣泛應(yīng)用。下面介紹發(fā)光二極管顯示器（LED）的結(jié)構(gòu)、工作原理及其接口電路。1、LED結(jié)構(gòu)與原理LED顯示器又稱為數(shù)碼管，它主要由8個(gè)發(fā)光二極管組成，如圖2.6（a）所示。圖中，ag為數(shù)字或字符顯示段，h段為小數(shù)點(diǎn)顯示，通過ag為7個(gè)發(fā)光段的不同組合，可以顯示

14、09和AF共16個(gè)數(shù)字和字母。例如，當(dāng)a、b、g、e、d段亮?xí)r，顯示數(shù)字“2”，當(dāng)a、f、e、g段亮?xí)r，則顯示字母“F”。LED可以分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，如圖2.6（b）和（c）所示。其中圖（b）為共陰極結(jié)構(gòu)。即把8個(gè)發(fā)光二極管陰極連在一起。這時(shí)如果需要點(diǎn)亮ag中的任何一盞燈，則只需要在相應(yīng)端輸入高電平即可；輸入低電平則截止。比如我們現(xiàn)在要顯示數(shù)字“3”，則只要在對應(yīng)的a、b、c、d、g段送入高電平，在其他端送入低電平即可，點(diǎn)亮為“3”。圖（c）為共陽極結(jié)構(gòu)。其顯示端輸入低電平有效，高電平截止。 （a）引腳分布圖 （b）共陰LED （c）共陽LED圖2.6八段LED顯示塊表2-1列出了共

15、陽極與共陰極LED顯示器顯示數(shù)字、字母與顯示代碼之間的對應(yīng)關(guān)系。表2-1顯示器顯示數(shù)字、字母與顯示代碼之間的對應(yīng)關(guān)系顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC656DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8F71H8EH2、LED顯示器顯示方式點(diǎn)亮LED顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示；二是動(dòng)態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。如圖2.7所示為4位靜態(tài)LED顯示器電路。該電路每一位可單

16、獨(dú)顯示。只要在要顯示的那位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持顯示相應(yīng)的顯示字符。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：在同一瞬間可以顯示不同的字符；但缺點(diǎn)就是占用端口資源較多。從圖2.8可以看出，每位LED顯示器需單獨(dú)占用8根端口線，也就是說需要占用單片機(jī)的1個(gè)端口，而對于MCS51單片機(jī)而言，端口資源是比較少的。因而，在顯示的數(shù)據(jù)位較多時(shí)往往不采用此種設(shè)計(jì)方法，而是采用動(dòng)態(tài)顯示方式。所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是將要顯示的多位LED顯示器采用一個(gè)8位的段選端口，然后采用動(dòng)態(tài)掃描方式一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器。如圖2.8所示為4位LED動(dòng)態(tài)顯示電路。圖2.7 4位靜態(tài)LED顯示器電路圖2.8 4位動(dòng)態(tài)LED顯示器電路在

17、此電路中，單片機(jī)的P1口用于控制4位LED的段選碼；P2口的P2.0P2.3用于控制4位LED位選碼。由于所有的段選碼連在一起，所以同一瞬間只能顯示同一種字符。但如果要顯示不同字符，則要借助位選口來控制。（如果LED為共陰，則P2.0P2.3輸出高電平，為共陽則P2.0P2.3輸出為低電平。）例如，現(xiàn)在要顯示5678四個(gè)數(shù)字，則首先應(yīng)該將“5”的顯示代碼（共陰LED的顯示代碼為6DH，共陽LED的顯示代碼為92H）由P1.0送出。然后P2.0P2.3輸出相應(yīng)位碼（共陰LED時(shí)P2.0P2.3輸出1000，共陽LED時(shí)P2.0P2.3輸出0111）時(shí)，則可以看到在數(shù)碼管1上的顯示數(shù)字“5”。再將

18、顯示的數(shù)字“5”延時(shí)510ms，以造成視覺暫留效果；同時(shí)代碼由P1.0送出。用同樣的方法將其余3個(gè)數(shù)字“678”送數(shù)碼管2、3、4顯示，最后則可以在4位LED上看到“5678”四個(gè)數(shù)字。為了使顯示效果穩(wěn)定，可以使每個(gè)數(shù)碼管顯示的數(shù)字不斷重復(fù)，當(dāng)重復(fù)頻率達(dá)到一定程度時(shí)，加之人眼視覺暫留作用，便可以看到相當(dāng)穩(wěn)定的“5678”四個(gè)數(shù)字。表2-2為模擬以上顯示的過程表（以共陰LED設(shè)置顯示代碼，共陽與此相反。）表2-2 4位動(dòng)態(tài)LED掃描顯示狀態(tài)段選碼P1.7至P1.0段選碼P2.3至P2.0LED顯示數(shù)碼管1數(shù)碼管2數(shù)碼管3數(shù)碼管46DH01H7DH02H07H04H7FH08H3、LED顯示器接口

19、實(shí)例 實(shí)例1：用LED數(shù)碼管顯示數(shù)字“6”本例用LED數(shù)碼管顯示數(shù)字“6”，接口電路如圖2.9所示（采用共陽極數(shù)碼管）。實(shí)現(xiàn)方法：圖2.9中數(shù)碼的電源由單片機(jī)P2.0引腳控制，當(dāng)P2.0為低電平時(shí)數(shù)碼管被點(diǎn)亮，然后由P0控制數(shù)碼管顯示的數(shù)字，根據(jù)表21輸出數(shù)字”6”。圖2.9數(shù)碼與單片機(jī)的接口電路程序設(shè)計(jì)如下：/實(shí)例1：用LED數(shù)碼管顯示數(shù)字“6”#include<reg51.h> / 包含51單片機(jī)寄存器定義的頭文件void main(void) P2=0xfe; /P2.0引腳輸出低電平，數(shù)碼顯示器接通電源準(zhǔn)備點(diǎn)亮 P0=0x82; /讓P0口輸出數(shù)字"5"

20、的段碼92H實(shí)例2：用4位數(shù)碼管靜態(tài)顯示“1234”實(shí)現(xiàn)方法：圖2.10為4位靜態(tài)顯示電路，在該電路中每一個(gè)數(shù)碼管占用1個(gè)單片機(jī)并行端口，因而可以同時(shí)顯示不同的數(shù)字，但這種方式由于過多地占用了單片機(jī)端口資源，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中不實(shí)用，特別是顯示數(shù)位數(shù)多時(shí)，不采用該種方式，而是采用動(dòng)態(tài)方式實(shí)現(xiàn)。 圖2.10 4位數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路程序設(shè)計(jì)如下：/實(shí)例2：靜態(tài)顯示數(shù)字“1234”#include<reg51.h> /包含51單片機(jī)寄存器定義的頭文件/*函數(shù)功能：主函數(shù)*/void main(void) P0=0x6d; /將數(shù)字5的段碼送P0口 P1=0x7d; /將數(shù)字6的段碼送P1口 P2=0x07; /將數(shù)字5的段碼送P2口 P3=0x7f; /將數(shù)字6的段碼送P3口 while(1) /無限循環(huán)，防止程序跑飛 ; 實(shí)例3：用4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示“1234”實(shí)現(xiàn)方法：上例雖然實(shí)現(xiàn)同時(shí)顯示不同數(shù)字的功能，但浪費(fèi)端口資源嚴(yán)重，故在實(shí)現(xiàn)多位同時(shí)顯示不同數(shù)字時(shí)多采用如圖2.11所示的動(dòng)態(tài)顯示