基于單片機的智能尋跡小車控制系統(tǒng)

.z---..--總結(jié)資料東北石油大學課程設計課程課程單片機課程設計題目基于單片機的智能循跡小車控制系統(tǒng)院系電氣信息工程學院測控技術與儀器系專業(yè)班級學生**學生**指導教師2013年7月8日-.z東北石油大學課程設計任務書課程單片機課程設計題目基于單片機的智能循跡小車控制系統(tǒng)專業(yè)****一、任務以AT89C51單片機為控制核心，利用三路紅外傳感器對路面上的黑色引導線進展檢測。二、設計要求[1]當三路傳感器其中一路檢測到路面上的黑線后，該路紅外傳感器處理電路輸出一個低電平信號。[2]操作過程見以下表格：電機A電機B傳感器“左〞轉(zhuǎn)動停頓傳感器“中〞轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動傳感器“右〞停頓轉(zhuǎn)動[3]根本電路包括：單片機最小系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路等；[4]提交設計報告、電路圖及程序源碼。三、參考資料[1]*毅剛,單片機原理及應用[J],:高等教育,2003.[2]黃賢武,*莜霞,傳感器原理與應用[J],**:電子科技大學,2004.[3]周潤景,蔡雨恬,PROTEUS入門實用教程[M],:機械工業(yè),2011.[4]樓然苗,李光飛,單片機課程設計指導[J],:航空航天大學2007.[5]萬光毅.單片機實驗與實踐教程[M].：航空航天大學.2005.1.[6]朱清慧,Proteus電子技術虛擬實驗室[M],:中國水利水電,2010.完成期限2013.7.1-2013.7.10指導教師專業(yè)負責人2013年-.z目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論11.1AT89C51單片機的概述11.2關于路線軌跡檢測11.3本設計任務2第2章總體方案論證與設計32.1電源模塊32.2單片機系統(tǒng)模塊32.3自動循跡模塊42.4電動機驅(qū)動模塊42.5總體硬件組成框圖5第3章系統(tǒng)硬件設計63.1單片機最小系統(tǒng)63.2電機驅(qū)動電路73.3傳感器電路設計8第4章系統(tǒng)軟件設計104.1主程序設計104.2賽道檢測程序設計11第5章系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析125.1使用的設備及軟件125.2系統(tǒng)調(diào)試125.3測試結(jié)果13結(jié)論14參考文獻15附錄1程序16附錄2仿真效果圖19-.z第1章緒論智能小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，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。它具有道路障礙自動識別、自動報警、自動制動、自動保持平安距離、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。1.1AT89C51單片機的概述AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷構(gòu)造，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停頓CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停頓工作并制止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。1.2關于路線軌跡檢測循跡過程由紅外傳感器完成。紅外傳感器多對紅外收發(fā)管組成，通過檢測接收到的反射光強，判斷黑白線。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，假設紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，假設接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。紅外對管輸出的模擬電壓通過電壓比擬器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電平輸出到單片機。該智能車采用3組紅外傳感器對賽道進展道路檢測，單片機根據(jù)采集到的信號的不同狀態(tài)判斷小車當前狀態(tài)，通過電機驅(qū)動芯片L298N發(fā)出控制命令，控制電機的工作狀態(tài)以實現(xiàn)對小車姿態(tài)的控制。1.3本設計任務智能作為現(xiàn)代的新創(chuàng)造，是以后的開展方向，它可以按照預先設定的模式在一個環(huán)境里自動的運作，不需要人為的管理，可應用于科學勘探等用途。本設計任務要求設計一個小車，以AT89C51單片機為控制核心，通過紅外傳感器自動識別路面上的黑白線，并把結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號傳到單片機中，由單片機對電信號進展分析計算，控制電機做出正確的反響，并沿著黑線軌跡行駛。第2章總體方案論證與設計本系統(tǒng)采用單片機AT89C51為智能尋跡小車的控制核心，系統(tǒng)主要包括電源模塊、單片機系統(tǒng)模塊、自動循跡模塊、電動機驅(qū)動模塊等。下面對各模塊的設計逐一進展論證比擬。2.1電源模塊由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。方案一：采用10節(jié)1.5V干電池供電，電壓到達15V，經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便。方案二：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機供電，經(jīng)過7812的電壓變換后給直流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比擬足，并且可以充電，重復利用，因此，這種方案比擬可行。但鋰電池的價格過于昂貴，使用鋰電池會大大超出我們的預算。方案三：采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我們的車體設計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比擬低。

比擬以上三種方案，方案三具有更大的有點，因此，我們選擇了第三種方案。2.2單片機系統(tǒng)模塊方案一：采用可編程邏輯器件CPLD

作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進展功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮我們放棄了此方案。

方案二：采用宏晶公司的STC89C52單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、構(gòu)造簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領域。

本系統(tǒng)主要是進展尋跡運行的檢測以及電機的控制。使用STC89C52單片機，完全能夠勝任，且價格低廉，使用方便。從經(jīng)濟的角度考慮，我們選擇了方案二。自動循跡模塊方案一：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)過比擬器就可以輸出上下電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。

方案二：紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體外表具有不同的反射性質(zhì)的特點，用3組光電發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，假設紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，假設接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。單片機就是通過接收到的上下電平為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。對于發(fā)射和接收紅外線的紅外探頭，可以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。經(jīng)測試，此種方法簡單可靠。經(jīng)反復比照后，采用方案二。2.4電動機驅(qū)動模塊方案一：采用傳統(tǒng)的功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路構(gòu)造和原理簡單，本錢低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。方案二：采用繼電器對電動機的開或關進展控制,通過開關的切換對小車的速度進展調(diào)整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案三：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。且由L298N結(jié)合單片機可實現(xiàn)對小車速度的準確控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速*圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。對以上三個方案進展比擬，出于能耗、性能和使用壽命等方面的考慮，我們選擇第三種方案，使用L298N芯片控制直流電機。2.5總體硬件組成框圖直流12V穩(wěn)壓電源AT直流12V穩(wěn)壓電源AT89C51單片機L298N芯片直流電機〔兩組〕紅外傳感器〔3組〕電壓比擬器LM324系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)主要由四大模塊組成即電源模塊、單片機系統(tǒng)模塊、自動循跡模塊、電動機驅(qū)動模塊。第3章系統(tǒng)硬件設計為使該模塊化智能循跡小車控制系統(tǒng)具有更加方便和靈活性，我們對系統(tǒng)的硬件做了精心設計。硬件電路包括穩(wěn)壓電源、單片機最小系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路、傳感器電路等四大模塊。3.1單片機最小系統(tǒng)在本次設計任務中，我們使用AT89C51單片機作為智能系統(tǒng)的控制核心。AT89C51單片機擁有4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷構(gòu)造，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。3.1.1AT89C51單片機的引腳AT89C51單片機共有四十個引腳〔如圖3.1所示〕，其中：Vcc、Vss分別為電源引腳；PSEN、ASE、EA、RESET(即RST)為控制引腳；P0、P1、P2和P3為4個8位I/O口外部引腳。3.2.2單片機最小系統(tǒng)本系統(tǒng)采用AT89S51單片機作為中央處理器。其主要任務是在小車行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進展處理后，作出反響控制小車按照指定的路線行駛。由于單片機完成的工作較為簡單，所以在最小系統(tǒng)中，我們只保存了晶振和復位電路。單片機最小系統(tǒng)的電路如圖3.2所示。圖3.1AT89C51單片機引腳圖圖3.2單片機最小系統(tǒng)原理圖3.2電機驅(qū)動電路我們采用電機驅(qū)動芯片L298N作為電機驅(qū)動。3.2.1電機驅(qū)動芯片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的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其引腳排列如圖3.3所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電機，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。也利用單片機產(chǎn)生PWM信號接到ENA，ENB端子，對電機的轉(zhuǎn)速進展調(diào)節(jié)。L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可以實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能；2、3引腳和13、14引腳分別連接一個電機，可以同時控制兩個電機的工作方式。圖3.3L298N芯片引腳圖電機驅(qū)動電路驅(qū)動電路的設計如圖3.4所示。圖3.4電機驅(qū)動電路原理圖3.3傳感器電路設計光電尋線方案一般由多對紅外收發(fā)管組成，通過檢測接收到的反射光強，判斷黑白線。原理圖由紅外對管和電壓比擬器兩局部組成，紅外對管輸出的模擬電壓通過電壓比擬器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電平輸出到單片機。本次設計任務中，我們用3組紅外收發(fā)管對路面進展檢測，采用LM324對紅外收發(fā)管傳回來的信號進展分析比擬，并把比擬結(jié)果送入單片機中。傳感器電路圖如圖3.5所示。圖3.5傳感器連接電路圖第4章系統(tǒng)軟件設計軟件是該智能尋跡小車控制系統(tǒng)的重要組成局部，在系統(tǒng)的軟件設計中我們也才用了模塊化設計，將系統(tǒng)的各局部功能編寫成子模塊的形式，這樣增強了系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性。4.1主程序設計系統(tǒng)的主程序即小車的控制系統(tǒng)，小車按照檢測結(jié)果行進。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化開始小車前進是否有黑線.黑線在前或無向前行駛左拐左拐黑線在左黑線在右結(jié)束圖4.1主程序流程圖4.2賽道檢測程序設計由三路紅外收發(fā)管對賽道進展檢測，當檢測到黑線時發(fā)出一個低電平信號。開始開始初始化發(fā)射紅外線是否收到反射低電平信號否是結(jié)束圖4.2循跡系統(tǒng)流程圖第5章系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析5.1使用的設備及軟件計算機仿真系統(tǒng)Proteus單片機仿真系統(tǒng)KeilC5.2系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大局部：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設計中采用模塊設計法，所以方便對各電路模塊功能進展逐級測試：穩(wěn)壓電源模塊、單片機系統(tǒng)模塊、電機控制模塊、自動循跡模塊的調(diào)試等，最后將各模塊組合后進展整體測試。硬件調(diào)試分別對穩(wěn)壓電源模塊、單片機系統(tǒng)模塊、電機控制模塊、自動循跡模塊四個模塊的功能進展調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。軟件調(diào)試軟件調(diào)試采用單片機仿真器KeilC及計算機，將編好的程序進展調(diào)試，主要是檢查語法及語句錯誤，如果有錯誤則改正后重新調(diào)試，直到程序完全正確為止。硬件軟件聯(lián)調(diào)將調(diào)試好的硬件和軟件程序進展聯(lián)調(diào)，主要調(diào)試系統(tǒng)的實現(xiàn)功能。假設不能實現(xiàn)任務功能，則對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)修正，直到實現(xiàn)功能為止。5.3測試結(jié)果此次系統(tǒng)設計結(jié)果較好，小車正常行進，路面上沒有黑線或前方有黑線時，小車繼續(xù)前進，當檢測到路面上的黑線〔即按下按鍵〕在左方或者右方時，該側(cè)電機反轉(zhuǎn)，另一側(cè)電機停頓，小車向該方向拐彎。結(jié)論智能循跡小車利用AT89C51為控制核心，利用紅外收發(fā)管發(fā)射和承受紅外線的原理進展自主循跡，并通過L289芯片控制兩組直流電機，組成智能尋跡小車的控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了智能循跡功能。在硬件設計中，開場一個模塊設計之前和完成一個模塊設計之后都要進展測試。在動手之前務必查清楚所用元件資料，在稍微復雜一點的電路設計之前可以先搭建其中的一局部電路，測試一下是否正常，然后再進展總的電路設計。這樣循序漸進的進展設計可以節(jié)省時間保證電路的正確性。同樣，程序方面的設計也是如此。從最簡單的程序開場，慢慢的調(diào)試和擴大。電路設計之后的測試也同樣重要，特別是和程序有關的外圍檢測、驅(qū)動等模塊，如果不排除硬件故障在調(diào)試的時候很難分清到底是硬件還是軟件的問題，因此硬件設計完成之后首先需要測試硬件能夠正常工作，這樣在遇到問題時才能夠排除硬件的干擾找出問題的所在。在經(jīng)過屢次調(diào)試和修改之后，最終實現(xiàn)了小車的智能循跡功能，在行進過程中，檢測到路面上的黑線后，可以自主的做出反響，想黑線延伸的方向轉(zhuǎn)彎，沿著路面上的黑線行駛。參考文獻[1]*毅剛,單片機原理及應用[J],:高等教育,2003.[2]黃賢武,*莜霞,傳感器原理與應用[J],**:電子科技大學,2004.[3]周潤景,蔡雨恬,PROTEUS入門實用教程[M],:機械工業(yè),2011.[4]樓然苗,李光飛,單片機課程設計指導[J],:航空航天大學2007.[5]萬光毅.單片機實驗與實踐教程[M].：航空航天大學.2005.1.[6]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].：航空航天大學.2006.[7]杜樹春,基于Proteus和KeilC51的單片機設計與仿真[J],:電子工業(yè),2010.2.[8]朱清慧,Proteus電子技術虛擬實驗室[M],:中國水利水電,2010.附錄1程序*include<reg51.h>*defineucharunsignedchar*defineuintunsignedcharucharIN,OUT;ucharsu;sbitL=P3^2;sbitR=P3^3;voiddelay(uintz){ uchari,j; for(i=z;i>0;i--) for(j=110;j>0;j