基于51單片機(jī)的循跡避障小車的設(shè)計(共37頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上清 華 大 學(xué)本 科 生 畢 業(yè) 論 文 題 目: 基于51單片機(jī)的循跡避障小車的設(shè)計 專業(yè)班級： 電子信息工程2012級02班 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 論文完成日期: 年 月 鄭 重 聲 明本人的畢業(yè)論文是在指導(dǎo)老師 的指導(dǎo)下獨(dú)立撰寫并完成的。畢業(yè)論文沒有剽竊、抄襲、造假等違反學(xué)術(shù)道德、學(xué)術(shù)規(guī)范和侵權(quán)行為，如果有此現(xiàn)象發(fā)生，本人愿意承擔(dān)由此產(chǎn)生的各種后果，直至法律責(zé)任；并可通過網(wǎng)絡(luò)接受公眾的查詢。特此鄭重聲明。畢業(yè)論文作者(簽名)： 年 月 日 專心-專注-專業(yè)目 錄基于51單片機(jī)的循跡避障小車的設(shè)計專業(yè)：電子信息工程 班級：*班 作者：* 指導(dǎo)老師：*摘

2、 要智能作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運(yùn)作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。本設(shè)計通過實(shí)時檢測各個模塊傳感器的輸入信號，利用紅外對管檢測黑線實(shí)現(xiàn)尋跡,通過光電傳感器實(shí)現(xiàn)避障，采用存儲空間較大的AT89C51作為主控制芯片，小車電機(jī)驅(qū)動采用L298N芯片，根據(jù)內(nèi)置的程序分別控制小車左右兩個直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車自動識別路線，能較有效的控制其在碰上障礙物時能轉(zhuǎn)彎角度及尋跡行駛。設(shè)計采用對比選擇，模塊獨(dú)立，綜合處理的研究方法。通過翻閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析整理出有關(guān)信息，在此基礎(chǔ)上列出不同的解決方案，結(jié)合實(shí)際情況對比方

3、案優(yōu)劣選出最優(yōu)方案進(jìn)行設(shè)計。最后將各個調(diào)試成功的模塊結(jié)合到小車的車體上，結(jié)合程序，通過單片機(jī)的控制，將各模塊有效整合在一起，達(dá)到所預(yù)期的目標(biāo)，完成最終設(shè)計與制作，能使小車在一定的環(huán)境中智能化運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，較容易實(shí)現(xiàn)，在一定程度上體現(xiàn)了智能化的科技。同時小車可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價值。關(guān)鍵詞：智能小車；AT89C51；光電傳感器；L298NDesign of Car for Automatic Tracking and Obstacle Avoidance Based on AT89C51 Microchip Compu

4、terSpeciality : Electronic Information Science and Technology Class:1202 Author: Tutor:AbstractAs a new product of modern society, intelligence is the trend in future development. It can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. Dispensing with behavior adjustmen

5、t management,but it can achieve the expected,even higher goal.The design of each module through the input signal real-time detection sensor, the detection line to realize tracing by using infrared, photoelectric sensor to achieve obstacle avoidance, use large storage space AT89C51 as the main contro

6、l chip, motor vehicle driver using L298N chip, respectively, to control the car about two DC motor with built-in procedures, to achieve automatic car identification route, can the hit obstacles can turn angle and tracing running effectively controlled. Using methods of contrast selection, module ind

7、ependence, integrated treatment; consulting a large number of related literature and data; and listing differnet solution; according to practical situation and choose the best scheme to design. And then, debugging and checking every single module, getting the correct signal output. Finally, combinin

8、g program, conforming every module efficiently to make it work. The design has simple structure easy realization to a certain extent intelligent technology.This car can be used as a model of development of toy, to make up the deficiency of technical content in the chinese toy market, to realize econ

9、omic profit and to form commercial value.Keywords: Smart car; AT89C51; Photoelectric sensor; L298N.1 緒論1.1 課題研究的背景從工業(yè)革命開始，人們就開始了機(jī)器人的研究發(fā)展，近一個世紀(jì)機(jī)器人在機(jī)械領(lǐng)域，電力電子，冶金，交通，航空航天，國防事業(yè)等多方面得到了迅猛的發(fā)展。智能化機(jī)器人的不斷發(fā)展，使得人們的生活方式也得到了不斷的改善。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的夢想1。目前，在不斷改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，不斷提高自動化技術(shù)的環(huán)境下，智能車的發(fā)展得到了空前的發(fā)展，且已

10、在眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，智能車及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)已日漸成熟。而且，在世界經(jīng)濟(jì)多元化的環(huán)境下，很多國家都在積極開展研究和開發(fā)智能車。在二十世紀(jì)高新技術(shù)不斷發(fā)展的時代，移動機(jī)器人是成為機(jī)器人技術(shù)的一個重要分支。從1966年開始，斯坦福研究院Nils Nilssen和charles Rosen等人經(jīng)過年的研究，終于開發(fā)出一種自主式的移動機(jī)器人，且完成了機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。自此時以來，從無到有的移動機(jī)器人產(chǎn)生了，伴隨著智能車數(shù)量的不斷增加，移動機(jī)器人越來越受到人們的關(guān)注，且人類的生活水平也得到了一個提升。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)用多個領(lǐng)域，

11、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)射了兩個月球探測車。

12、2014年7月24日,記者從百度證實(shí)，百度已啟動無人駕駛汽車研發(fā)計劃。根據(jù)規(guī)劃，該無人駕駛汽車可自動識別交通指示牌和行車信息，具備雷達(dá)、相機(jī)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航等電子設(shè)施，并安裝同步傳感器。車主只要向?qū)Ш较到y(tǒng)輸入目的地，汽車即可自動行駛，前往目的地。在行駛過程中，汽車會通過傳感設(shè)備上傳路況信息，在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時定位分析，從而判斷行駛方向和速度。百度方面證實(shí)，百度已經(jīng)將視覺、聽覺等識別技術(shù)應(yīng)用在無人汽車系統(tǒng)研發(fā)中，負(fù)責(zé)該項目的是百度深度學(xué)習(xí)研究院。2014年12月21日，谷歌宣布，其首款成型的無人駕駛原型車制造完畢，將會在2015年正式進(jìn)行路測。此次推出的原型車外型上并無太大差別，只是細(xì)節(jié)上有

13、一些變動，車頂上用于檢測路況的激光掃描系統(tǒng)更加精細(xì)，新車還裝上了車燈。這輛無人駕駛車將再次裝上剎車踏板和油門，畢竟按照加州汽車管理局的規(guī)定，當(dāng)自動駕駛汽車行駛在公共道路上時，必須有駕駛者在駕駛座上以便隨時接過汽車的控制權(quán)。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)用于計算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(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。一個擁有感知環(huán)境、規(guī)劃決策、自動駕駛等功

14、能的綜合系統(tǒng)，構(gòu)成了今天的智能車。它集中地運(yùn)用了計算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及自動控制等技術(shù)2，是典型的高新技術(shù)綜合體。在原有車輛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，智能車添加了一些高新智能技術(shù)設(shè)備，如1）用于完成來自外部傳感器所獲取的道路信息的預(yù)處理、分析、識別等工作的計算機(jī)處理系統(tǒng);2）傳感器，用來獲得道路實(shí)時狀況信息的智能車眼睛;隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)不但集成程度越來越高，已可以在一塊芯片上同時集成CPU、存儲器、定時器計數(shù)器、并行和串行接口、AD 轉(zhuǎn)換器、DA 轉(zhuǎn)換器等多種電路，而且體積越來越小，功耗越來越低，這就很容易將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合，組成智能化測量控制系統(tǒng)3。這種技術(shù)促使機(jī)器人

15、技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展異常迅速，已經(jīng)出現(xiàn)了各種各式的用于各種用途的機(jī)器人了，機(jī)器人的設(shè)計與制造已經(jīng)不是很高難度的事情了，已經(jīng)具有普及性了。通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐的過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用算法實(shí)現(xiàn)小車的智能控制。靈活的運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)學(xué)科的理論知識，結(jié)合實(shí)際電路設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論和實(shí)際的統(tǒng)一。在此過程中，加深對理論知識的理解和認(rèn)識。且該設(shè)計具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、娛樂等許多方面。尤其是在玩具機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景4。1.2 課題研究的意義 本設(shè)計與

16、實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)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)用了計算機(jī)、傳感、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。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?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設(shè)計就是在這樣的背景下提出的，本題目是結(jié)合科研項目而確定的設(shè)計類課題。本設(shè)計就采用了比較先進(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

17、；在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測。所以本設(shè)計與實(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。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)用于計算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(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

18、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 課題研究的主要內(nèi)容其實(shí)智能車，就是一個機(jī)器人，其可以分為三大結(jié)構(gòu)：傳感器檢測、機(jī)械執(zhí)行、中央處理器。智能車通過感知導(dǎo)引線和障礙物，可以實(shí)現(xiàn)自動循跡、避障等功能，且可以通過一套完整的控制策略，改善小車的行駛狀況，達(dá)到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。要完成上述的功能設(shè)

19、計，傳感檢測部分可以采用能夠感知清晰的圖像的攝像頭，或者選用人們常用的紅外傳感器來感測路況。而智能小車的機(jī)械部分，可以采用三輪車（前輪為萬向輪），電機(jī)則只需使用直流電機(jī)即可。對于主控芯片CPU，我們選擇簡單易用的51單片機(jī)芯片，通過配合軟件編程，可以很好的實(shí)現(xiàn)自動尋跡、避障的功能。主要內(nèi)容：對智能循跡小車的現(xiàn)狀、研究意義和設(shè)計要求進(jìn)行簡單闡述。 介紹了該智能循跡小車系設(shè)計方案比較和選擇，分析了各模塊的功能。 闡述了智能小車系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計，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。 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?？偨Y(jié)說明了本論

20、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。2 系統(tǒng)方案確定及主要元件的選擇2.1 系統(tǒng)方案確定本次設(shè)計的智能小車實(shí)現(xiàn)的基本功能如下：v 實(shí)時檢測路徑，并按照指定路線行駛；v 實(shí)時檢測障礙物，并躲過繼續(xù)行駛；本設(shè)計以AT89C51為主控芯片，主要包括避障模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等，系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。通過尋跡及避障傳感器來采集周圍環(huán)境信息來反饋給CPU，通過主控的處理，來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)尋跡與避障，達(dá)到智能行駛。為了能夠更好地完成本次設(shè)計任務(wù)，我們采用三輪車，其前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，調(diào)制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作

21、用，并通過軟件程序控制，與硬件架構(gòu)相結(jié)合，從而實(shí)線自動尋跡、避障的功能。AT89C51單片機(jī)主控芯片避障模塊驅(qū)動模塊循跡模塊電源模塊圖2-1 系統(tǒng)總體框2.2 主要模塊的選擇2.2.1 主控器按照題目要求，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，保證在允許范圍內(nèi)實(shí)線循跡避障。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)時系統(tǒng)的控制核心。而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高。若采用

22、該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。方案二：使用51單片機(jī)作為整個智能車系統(tǒng)的核心。用其控制智能小車，既可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能指標(biāo)，又能很好的操作改善小車的運(yùn)行環(huán)境，且簡單易上手。對于我們的控制系統(tǒng)，核心主要在于如何實(shí)現(xiàn)小車的自動控制，對于這點(diǎn)，單片機(jī)就擁有很強(qiáng)的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷，單片機(jī)足以應(yīng)對我們設(shè)計需求5。51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，且價格低廉。綜合考慮，本設(shè)計選擇選用AT89C51單片機(jī)做控制器。2.2.2 供電單元方案一：采用單電源供電，通過單電源同時對單片機(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，

23、其缺點(diǎn)是，這樣會使單片機(jī)的波動變大，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。方案三：采用多節(jié)電池串聯(lián)供電。由于單片機(jī)工作電壓在5V左右，小直流電壓也是幾伏電壓即可驅(qū)動，可以用電池供電，讓多節(jié)電池串聯(lián)來保證系統(tǒng)正常工作。不僅減少了機(jī)身重量，而且攜帶時分方便，無需任何的升壓降壓處理，操作簡單。綜合考慮，本設(shè)計選擇選用電池供電。2.2.3 驅(qū)動電機(jī)選擇方案一：采用直流電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)在于硬件電路設(shè)計簡單。當(dāng)外加額定直流電壓時，轉(zhuǎn)速幾乎相等，調(diào)速性能較好，且性價比高。對于小車的行

24、駛，能夠很好的控制。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)角輸出，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。兩種電機(jī)性能對比如表2-1表2-1 電機(jī)性能對比對比項直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速性能較好較差位置控制精度較差好控制難易程度簡單較難價格低中綜合考慮，本智能車設(shè)計決定采用直流電機(jī)作為智能車的動力電機(jī)。2.2.4 電機(jī)驅(qū)動器方案一：如果電機(jī)的開啟和關(guān)閉控制通過繼電器的來控制的話，該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較簡單的6，但響應(yīng)速度很慢，且易損壞，使用壽命短，可靠性不是很高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機(jī)的分壓，

25、從而達(dá)到分壓的目的。但數(shù)字電阻元件比較昂貴，且電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的調(diào)速很有限。更主要的問題在于一般的電動機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路(如圖2-2)。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速，這是一種普遍使用的PWM技術(shù)。該電路由于在飽和截止模式下工作，效率很高，保證速度和方向的簡單控制。H橋電路的調(diào)速特性好，且調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，且能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。因此決定

26、采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。圖2-2 H型橋式電路2.2.5 傳感器的選擇本設(shè)計外圍傳感部分采集包括兩大部分：尋跡部分，避障部分。尋跡采用紅外對管ST188，其采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體組成，采用非接觸式檢測方式，且檢測距離可調(diào)范圍較大。避障采用集成模塊E18-D50NK，聲音傳感器則采用由電壓比較器LM393及駐極體話筒構(gòu)成的聲音傳感器模塊。3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計3.1 主控器AT89C51AT89C51單片機(jī)擁有4K bite ROM(Read Only Memory），且具有低電壓、高性能8位的工作特性7。單片機(jī)中的EEPROM存儲器可以循環(huán)擦寫

27、100次。該裝置選用了Atmel的高密度非易失性存儲器制造技術(shù)制造，兼容現(xiàn)代MCS-51工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指令集和輸出管腳。TMEL公司的89C51是一種高效的微控制器，因其將8位CPU和FLASH存儲器組合在一個芯片中，故其簡單、方便、易使用。89C2051單片機(jī)是它的一種精簡版。89C單片機(jī)制造成本低，且靈活度高，故被廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)中。圖3-1 AT89C51單片機(jī)AT89C51實(shí)物圖和引腳圖如圖3-1，其主要特性如下表3-1：表3-1 AT89C51特性AT89C51主要特性1兼容MCS-51的指令集和輸出管腳2擁有4Kbite可編程可擦除只讀3可循環(huán)擦除/寫入1000次410年的數(shù)據(jù)

28、保留時間5全靜態(tài)工作頻率0Hz-24MHz6三級程序存儲器鎖定7128×8位內(nèi)部RAM832可編程I/O線9兩個16位定時器/計數(shù)器105個中斷源 11可編程串行通道12閑置和掉電模式-低功耗13擁有片內(nèi)振蕩器和由于AT89C51單片機(jī)要能正常工作必須要有時鐘和復(fù)位電路等構(gòu)成單片的最小運(yùn)行環(huán)境，為此本系統(tǒng)的最小控制電路如圖3-2所示，實(shí)物圖如圖3-3所示：圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3-3 實(shí)物圖3.2 復(fù)位電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運(yùn)行不正常）或死機(jī)（停止運(yùn)行）時，就需要進(jìn)行復(fù)位。MCS-5l 系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（ 第9 管腳） 出現(xiàn)2個機(jī)器周期以

29、上的高電平時，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST一直保持高電平，那么單片機(jī)就無限循環(huán)復(fù)位8。復(fù)位模式基本包括上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。這兩種復(fù)位方式如圖3-4所示,在上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，且電容負(fù)極和reset相連，此時電壓全部加在電阻上，rest引腳電壓為高電平，芯片復(fù)位。隨后，5V電源開始給電容充電，電阻上的電壓逐漸降低至接近0V，芯片正常工作。 圖3-4 復(fù)位電路在并聯(lián)電容器兩端的復(fù)位按鈕，在復(fù)位按鈕不壓在電路上電復(fù)位芯片，在正常工作時，按下按鈕，RST引腳的高水平，手動復(fù)位的效果。復(fù)位按鈕并聯(lián)在電容的兩端，當(dāng)復(fù)位按鈕未被按下的時候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在單片機(jī)正常工作后，通過復(fù)位按鈕

30、使RST引腳出現(xiàn)高電平，達(dá)到復(fù)位的效果。通常，在RST引腳上輸入10ms以上的高電平，就可以使單片機(jī)復(fù)位9。圖中所示的復(fù)位電阻和電容只是常用值，實(shí)際可以根據(jù)需要采用同一數(shù)量級的電阻和電容代替。3.3 時鐘電路時鐘電路是用來產(chǎn)生AT89C51單片機(jī)工作時所必須的時鐘信號，AT89C51本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實(shí)現(xiàn)，AT89C51在唯一的時鐘信號的控制下嚴(yán)格的按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，時鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘10。圖3-5 時鐘電路我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號，如圖3-5所示。AT89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成

31、振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為XTAL1和XTAL2它們跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器。電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ12MHZ之間，頻率越高單片機(jī)的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NPO電容，采用的晶振頻率為12MHZ。3.4 尋跡模塊小車循跡，我們通常采用紅外檢測的方法，紅外檢測法是通過黑線和白色對紅外線的吸收效果不同，當(dāng)紅外光線射到白色底板時，會發(fā)生漫反射反射到智能車的接受管上，而射到黑線則會被吸收不會產(chǎn)生發(fā)射，智能車紅外接

32、收管就接收不到。故，整個智能車通過紅外接收管是否接收到紅外線來判斷黑線和白線的11，從而實(shí)現(xiàn)循跡。但需要主要的是，紅外傳感器的檢測距離有限，一般在3cm之內(nèi)。紅外光電傳感器由1個紅外發(fā)射管（發(fā)射器）和1個光電二極管（接收器）所構(gòu)成，循跡示意圖如圖3-6所示。 本次設(shè)計，紅外光電傳感器我們采用是的ST188，其是由發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管構(gòu)成，它使用的非接觸式檢測方式，且檢測距離范圍較大，一般為413mm。尋跡傳感器紅外光電對管ST188實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示：圖3-6 循跡示意圖圖3-7 ST188結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖3.5 避障模塊本設(shè)計避障模塊選用的是集成模塊E18-D5

33、0NK，該傳感器是一種紅外光電管。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電式傳感器，其檢測距離可以根據(jù)我們的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。此傳感器探測距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)，且價格低廉，容易使用，已在機(jī)器人行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，是我們避障功能設(shè)計的最佳選擇。該傳感器實(shí)物圖如圖3-8： 圖3-8 E18-D50NK傳感器 該傳感器原理：前方無障礙輸出高電平(1)，有障礙輸出口（黃色）電平會從高電平變成低電平(0)，工作原理已經(jīng)標(biāo)在圖上了。背面圖有一個電位器可以調(diào)節(jié)障礙的檢測距離。3.6 H橋電機(jī)驅(qū)動圖3-9中所示為一個典型的直流電機(jī)控制電路。因其形狀酷似H字母，故人們稱其為“H橋驅(qū)動電路”。H橋驅(qū)動電路，由4個三極管和一個電

34、機(jī)構(gòu)成12。只有導(dǎo)通對角線上成對的三極管，才能使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3-9 H橋驅(qū)動電路根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流的流向也不同，可能從左至右，也可能從右至左，由于流過電機(jī)的電流方向的不同，故電機(jī)的轉(zhuǎn)向也會不同。如圖3-10所示，當(dāng)Q1管和Q4管這對三極管導(dǎo)通時，電流則會由電源正極經(jīng)Q1從左向右流過電機(jī)，最好經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。如圖3-11中所示的電流指向，此流向的電流則會驅(qū)動電機(jī)沿順時針方向轉(zhuǎn)動。若Q2和Q3這條對角線上的三極管導(dǎo)通時13，電流從右向左流過電機(jī)，此時則會驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動。圖3-10 橋電路驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動 圖3-11 H橋驅(qū)動電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動而L298N內(nèi)部集成了H橋式

35、驅(qū)動電路，其引腳圖如3-12，驅(qū)動原理圖如圖3-13，從而我們采用L298N電路來驅(qū)動電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停，保證小車的循跡、避障等功能，為整個小車的運(yùn)行墊底基礎(chǔ)。驅(qū)動模塊的實(shí)物圖如圖3.12所示。圖3-12 L298N引腳圖圖3-13 電機(jī)驅(qū)動板實(shí)物圖3.7 電源模塊本設(shè)計需要雙5V電源為整個系統(tǒng)供電，電源模塊以芯片LM7805為核心設(shè)計成輸出+5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路，如圖3-14所示。該電源模塊是有電源變壓器變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器將交流220V變?yōu)?V左右交流電壓，然后通過整流橋?qū)⒔涣麟娮優(yōu)槊}動的直流電壓。由于此

36、脈動直流電壓還包含較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，C13、C14分別為輸入端和輸出端濾波電容，并利用三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓14，當(dāng)輸出電較大時，7805應(yīng)配上散熱板。具體電路如下圖所示：圖3-14 7805穩(wěn)壓電源4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計4.1 系統(tǒng)使用的軟件簡介Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）15。它具有強(qiáng)大的EDA工具軟件的仿真功能，且還具有仿真單片機(jī)及其他外圍器件的功能。目前，最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具就屬Proteus。在近幾年，Proteus軟件在國內(nèi)得到廣泛

37、推廣，受到來自各界人士的青睞。Proteus具有以下優(yōu)勢：v 豐富的器件庫：27000種以上的元器件，可以很容易地創(chuàng)建新元件；v 搜索器件智能化：通過模糊搜索，即可快速找到我們所需的器件；v 智能化的連線功能：自動連線功能使連接導(dǎo)線簡單、快速，大大節(jié)約繪圖時間；v 支持：使用總線器件、總線布線使電路設(shè)計簡明明了；v 輸出高質(zhì)量的圖紙：通過個性化設(shè)置，生成印刷質(zhì)量的BMP圖，可以很容易地提供給Word，PowerPoint和其他文件所使用。v 完善的電路仿真功能、單片機(jī)協(xié)同仿真功能、實(shí)用的PCB設(shè)計平臺；它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)硬件高度對應(yīng)16。這在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功

38、能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、運(yùn)行結(jié)果等。4.2 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)17。在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上，相比與匯編，C語言都具有明顯的優(yōu)勢，故易學(xué)易用，在國內(nèi)外得到廣泛使用Keil提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境，其中包括C編譯器、宏匯編器、鏈接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。如果你用C語言編程，那么Keil將是你最好的選擇，即使不用C語言而選用匯編語言編程編程，其易于使用的軟件仿真環(huán)境以及強(qiáng)大的綜合調(diào)試工具也會使你事半功倍。C51

39、開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件。一般，我們通過機(jī)器匯編，把我們寫的源程序變?yōu)镃51可以執(zhí)行的機(jī)器碼。此外還有一種較為繁瑣的方法，那就是手工匯編。伴隨著C51開發(fā)技術(shù)的不斷提升，現(xiàn)在已不再使用匯編語言來開發(fā)，而是開始使用高級語言來開發(fā)。目前，針對最流行C51開發(fā)項目，研發(fā)出了Keil for 51軟件平臺和支持在線調(diào)試的串口燒寫。Keil編譯步驟如下：1）在Keil系統(tǒng)中，每做個獨(dú)立的程序，都視為工程（或者叫項目）。首先從菜但的“工程”中“新建工程.”，建立我們將要做的工程項目。2）Keil環(huán)境要求我們?yōu)?Test 工程選擇一個單片機(jī)型號；我們選擇 Atmel 公司的89C51?！按_定”后

40、工程項目就算建立了。如圖4-1所示:圖4-1 Keil MCU選型3）立了工程項目，肯定要實(shí)施這個工程，現(xiàn)在就為工程添加程序。點(diǎn)擊“文件”中的“新建”，新建一個空白文檔；這個空白文檔就是讓我們編寫單片機(jī)程序的場所。在這里你可以進(jìn)行編輯、修改等操作。4)根據(jù)題意，在文檔中寫入下列代碼；最后編譯調(diào)試，生產(chǎn)HEX文件,如圖4-2。5)通過51單片機(jī)的下載軟件下載生成的HEX文件，就可以運(yùn)行了。圖4-2 HEX文件的生產(chǎn)4.3 系統(tǒng)程序流程設(shè)計本智能小車通過實(shí)時檢測各個模塊傳感器的輸入信號，利用紅外對管檢測黑線實(shí)現(xiàn)尋跡,通過光電傳感器實(shí)現(xiàn)避障，把所有采集到的信息送到主處理器，讓小車做出正確的行駛路線。

41、小車的啟動與停止，均采用了聲控模塊，實(shí)現(xiàn)對小車的聲音控制，其程序流程圖如圖4-3所示。 圖4-3 系統(tǒng)程序流程圖1.電機(jī)驅(qū)動程序void goahead()s1=1; s2=0; s3=1;s4=0; void goback()s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;void turnleft()s3=1;s4=0;void turnright()s1=1;s2=0;void stop()en1=0;en2=0;2循跡程序void xunji()if(left_red=1)&(right_red=1)en1=1;en2=1;goahead();delay(150);en1=0;en2=

42、0;delay(50);else if(left_red=0)&(right_red=1)en1=0;en2=1; P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);else if(left_red=1)&(right_red=0)en1=1;en2=0;P0_1=!P0_1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);elsestop();3避障程序motor_stop(); while(1) temp=P2;signal=temp&0xfe;switch(sig

43、nal)case 0xfe: motor_run(); break;case 0xfc: motor_left();break; case 0xfa: motor_right();break;case 0xee: motor_left();break;case 0xde: motor_right();break;5 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)整個智能車的供電系統(tǒng)，全部由穩(wěn)壓芯片LM7805構(gòu)成的5V穩(wěn)壓電路提供，其中包含主控電源以及各類傳感器的供電。圖5.5為電源仿真結(jié)果。通過仿真我們測的仿真電路的電壓輸出為3.8V，這是由于壓差太小，起不到穩(wěn)壓作用，LM7805是輸出5V的，壓差至少3V以上，也就是說輸入

44、至少要在8V以上。我們仿真給的輸出電壓為5V，故輸出為3.8V。在實(shí)際應(yīng)用時，我們需要注意輸出電壓要保證在8V以上就可以了。 我們選用的智能車模型為三輪車，其前邊有一個萬向輪，左右各一個驅(qū)動輪。故轉(zhuǎn)向時，只需改變左右輪的運(yùn)轉(zhuǎn)方向即可。當(dāng)兩邊循跡傳感器中的一個檢測到黑線時，即會產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，使得P20/P21變?yōu)镻LO（電源低邏輯），即電平變低，此時CPU檢測到電平的變化，給出相應(yīng)的處理結(jié)果，最后控制電機(jī)驅(qū)動改變智能車的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。本次智能小車避障我們選用了左右各擺一個避障傳感器，成外八形狀，這樣即可實(shí)現(xiàn)避障功能，又不采用過多傳感器浪費(fèi)資源。當(dāng)兩邊避障傳感器中的一個檢測到前方有障礙物時，即會產(chǎn)

45、生一個觸發(fā)信號，使得P25/P26變?yōu)镻LO（電源低邏輯），即電平變低，此時CPU檢測到電平的變化，給出相應(yīng)的處理結(jié)果，最后控制電機(jī)驅(qū)動改變智能車的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的功能。6 調(diào)試結(jié)果分析本次進(jìn)行了兩次調(diào)試。兩次都是在鋪有黑色硬紙條的軌道上進(jìn)行。不同的是第一次軌道上沒有設(shè)置障礙物，第二次放置了幾個紙箱作為障礙物。每組分別測試了三次。測試儀器：5V直流電源 秒表測試記錄數(shù)據(jù)如下表5-1和5-2.表5-1 速度測試 次數(shù) 路面狀況 平紙板水泥地面有較大褶皺的紙板10.500.400.2320.500.45中途因底盤低而停止30.5200.430.26表5-2 循跡避障測試 次數(shù) 項目完成時

46、間（s）行駛過程中脫離軌道次數(shù)躲避障礙物時碰撞次數(shù)149312450134200根據(jù)測試結(jié)果，可以看出小車循跡避障功能基本實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，小車能很好的完成循跡，即使循跡軌道發(fā)生改變也不影響。但避障結(jié)果并不是很理想。小車在檢測到障礙物后要經(jīng)過較長時間的調(diào)整才能避開障礙物，這是由于采用的算法不夠理想。本設(shè)計采用的算法只適用于一般情況，特殊一些的情況就可能出現(xiàn)避障失敗。這也是本次設(shè)計的一個缺陷。在實(shí)際調(diào)試過程中小車發(fā)生過程序跑飛的情況，經(jīng)調(diào)整改進(jìn)程序后，小車運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。能很好的完成沿黑色軌道前進(jìn)，改變軌道的形狀及轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)，并避開障礙物。結(jié)束語整個系統(tǒng)的設(shè)計以51單片機(jī)為核心

47、，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了如下功能：1、自動沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動檢測預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來。2、當(dāng)小車探測到前進(jìn)前方的障礙物時，可以自動調(diào)整，躲避障礙物，從無障礙區(qū)通過。小車通過障礙區(qū)后，能夠自動循跡。3、自動檢測停車線并自動停車。從運(yùn)行情況來看循跡的效果比較好，避障的效果也很好，但本設(shè)計還有巨大的發(fā)揮空間，可以達(dá)到更好的智能化效果。我相信如果實(shí)驗(yàn)條件和時間的允許下肯定能進(jìn)一步的對本設(shè)計進(jìn)行完善。通過本次設(shè)計我掌握了很多以前不熟練的東西，認(rèn)識了很多以前不熟悉得東西，使我在人生上又進(jìn)了一

48、步。也認(rèn)識到很多的不足。通過這次課程設(shè)計，使我深刻地認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，同時也是對大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果的一個綜合檢驗(yàn)。這幾個月的設(shè)計是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。附錄附錄1 元件清單名稱數(shù)量紅外循跡傳感器4紅外避障傳感器1雙12V變壓器1穩(wěn)壓芯片7805/78125繼電器1直流電機(jī)2LM298電機(jī)驅(qū)動189C51單片機(jī)1三輪車模型1按鍵若干電阻若干電容若干杜邦線若干部分器件清單附錄二 程序代碼#include<reg52.h>#define uchar unsigned char #define uint u

49、nsigned intuchar temp,signal,tt1,t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,QD;sbit sk_qd=P20;void delay_1ms(uint d)uint i;while(d-)for(i=0;i<75;i+);void motor_run() /電機(jī)起動 P3=0xf9; /1001delay_1ms(1000);void motor_left() /左進(jìn)P3=0xfa; /1010delay_1ms(1000);void motor_right() /右進(jìn)P3=0xf5; /0101delay_1ms(1000);void motor_big

50、_right() /粗右進(jìn)P1=0x55;delay_1ms(200);P1=0x00;delay_1ms(20);void motor_big_left()P1=0x33;delay_1ms(200);P1=0x00;delay_1ms(20);void motor_stop()/電機(jī)停止 P3=0x00; delay_1ms(20);void motor_back()P3=0xf6;delay_1ms(1000); void main()P3=0xff;P2=0xff;if(!sk_qd) /聲控信號 啟動信號 motor_run();/啟動motor_back(); motor_stop(); while(1) temp=P2;signal=temp&0xfe;/檢測紅外信號 實(shí)現(xiàn)循跡避障switch(signal)case 0xfe: / 未偏離軌道 無障礙物motor_run(); bre