畢業(yè)設(shè)計紅外線避障小車的設(shè)計

摘要伴隨生產(chǎn)自動化的發(fā)展需要，機器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動化上，伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的傳感器種類也越來越多，其中紅外傳感器已經(jīng)成為自動行走和駕駛的重要部件。紅外的經(jīng)典應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，機器人要實現(xiàn)自動避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相稱給機器人一種視覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實現(xiàn)前方障礙物檢測，并判斷障礙物遠(yuǎn)近。由于時間和水平有限，我們暫選最基本的避障功能作為本次設(shè)計的目的。本設(shè)計通過小車這個載體再結(jié)合由AT89S51為關(guān)鍵的控制板可以到達(dá)其基本功能，再輔加由漫反射式光電開關(guān)構(gòu)成的避障電路、555構(gòu)成的轉(zhuǎn)速控制電路、電源電路、差分驅(qū)動電路就可以完善整個設(shè)計。關(guān)鍵詞：避障光電開關(guān)紅外線漫反射差分控制Infraredobstacleavoidancecar AbstractWiththedevelopmentneedsoftheproductionautomation,robotshavebeenmoreandmorewidelyappliedtotheautomationofproduction,withthedevelopmentofscienceandtechnology,therobotmoreandmoretypesofsensors,includinginfraredsensorshasbecomeanimportantcomponentoftheautomaticwalkinganddriving.InfraredTypicalapplicationsforautonomousintelligentnavigationsystems,roboticstoachieveautomaticobstacleavoidancemustbeperceivedobstacles,perceivedobstaclestotherobotquiteavisualfunction.Intelligentobstacleavoidancesystembasedoninfraredsensor,infraredsensorfrontobstacledetectionanddeterminetheobstacledistance.Duetothelimitedtimeandthelevelofourmostbasicobstacleavoidancetemporaryasthedesigngoal.DesignbycarcarrierrecombinationbyAT89S51asthecoreofthecontrolpanelcanachieveitsbasicfunctions,supplementedplusdiffusephotoelectricswitchobstacleavoidancecircuit555comprisingaspeedcontrolcircuit,powercircuit,adifferentialdrivecircuit.Youcanimprovetheentiredesign.Keywords:obstacleavoidancephotoelectricswitchinfrareddiffusereflectancedifferentialcontrol目錄TOC\o"1-2"\h\z\u前言 1第1章課題研究價值 2第1.1節(jié)選題背景 2第2章課題設(shè)計 3第2.1節(jié)設(shè)計規(guī)定 3第2.2節(jié)總體設(shè)計 3第3章方案論證 5第3.1節(jié)單片機選擇論證 5第3.2節(jié)傳感器設(shè)計方案 5第3.3節(jié)控制算法設(shè)計方案 6第4章智能小車硬件設(shè)計 8第4.1節(jié)智能小車硬件分派 8第4.2節(jié)AT89S51單片機簡介 11第4.3節(jié)電路設(shè)計 14第5章智能小車軟件設(shè)計 20第5.1節(jié)總體流程圖 20第5.2節(jié)至少拍控制算法 22第6章開發(fā)流程 25第6.1節(jié)編譯環(huán)境 25第6.2節(jié)下載調(diào)試 27第6.3節(jié)單片機的I/O分派 28結(jié)論 29附錄A 30附錄B 34附錄C 35參照文獻(xiàn) 39致謝 40前言伴隨生產(chǎn)自動化的發(fā)展需要，機器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動化上，伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的傳感器種類也越來越多，其中紅外傳感器已經(jīng)成為自動行走和駕駛的重要部件。紅外的經(jīng)典應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，機器人要實現(xiàn)自動避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相稱給機器人一種視覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實現(xiàn)前方障礙物檢測，并判斷障礙物遠(yuǎn)近。由于時間和水平有限，我們暫選最基本的避障功能作為本次設(shè)計的目的。本設(shè)計通過小車這個載體再結(jié)合由AT89S51為關(guān)鍵的控制板可以到達(dá)其基本功能，再輔加由漫反射式光電開關(guān)構(gòu)成的避障電路、555構(gòu)成的轉(zhuǎn)速控制電路、電源電路、差分驅(qū)動電路就可以完善整個設(shè)計。第1章課題研究價值第1.1節(jié)選題背景國內(nèi)外伴隨計算機技術(shù)，控制技術(shù)，信息技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理進(jìn)入了自動化，信息化和智能化的時代，智能化已經(jīng)成為時代發(fā)展的需要。第三代單片機包括了Intel企業(yè)發(fā)展MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,還包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等企業(yè)以80C51為關(guān)鍵推出的大量各具特色﹑與80C51兼容的單片機。新一代的單片機的最重要的技術(shù)特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任，將某些外部接口功能單元如A/D﹑PWM﹑PCA(可編程計數(shù)器陣列)﹑WDT(監(jiān)視定期器)﹑高速I/O口﹑計數(shù)器的捕捉/比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進(jìn)展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計提供了愈加靈活的方式。Philips企業(yè)還為這一代單片機80C51系列8ｘC592單片機引入了具有較強功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線CAN(ControllerAreaNetworkBUS).新一代單片機為外部提供了相稱完善的總線構(gòu)造，為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎(chǔ)。該項目可以應(yīng)用于機車頭自動尋跡，工廠自動化，倉庫管理，可提高勞動生產(chǎn)效率，改善勞動環(huán)境。在柔性自動化生產(chǎn)線，智能倉庫管理及物流配送等領(lǐng)域，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境惡劣時，工人不能完畢的任務(wù)如物料運送和裝卸等，可采用智能尋跡小車完畢對應(yīng)的任務(wù)。基于生產(chǎn)現(xiàn)場和平常生活的實際需要，研究和開發(fā)智能尋跡小車系統(tǒng)具有十分重要的意義。第2章課題設(shè)計第2.1節(jié)設(shè)計規(guī)定在本次設(shè)計中，規(guī)定所設(shè)計的小車具有自動避障的功能，能在紅外探頭探測到前方有障礙物的時候先進(jìn)行后退大概2秒再進(jìn)行向左轉(zhuǎn)180度角，第二次探測到前方障礙物的時候再后退大概2秒再進(jìn)行向右轉(zhuǎn)180度角，這樣循環(huán)下去。很明顯，我要設(shè)計的小車是要能遇見障礙物自動窺探到障礙物并立即倒退和轉(zhuǎn)動方向重新行駛，當(dāng)然小車行駛速度不會有太大的變化。第2.2節(jié)總體設(shè)計單片機單片機AT89S51指示燈紅外發(fā)射紅外接受電機驅(qū)器電機M1電機M2紅外發(fā)射紅外接受紅外接受紅外發(fā)射圖2.1系統(tǒng)框架圖闡明智能避障小車能避障重要是由前方的兩對紅外發(fā)射與接受探頭來完畢的。根據(jù)光有反射的特性。因此說當(dāng)紅外發(fā)射出來的光線碰到物體時，就會形成反射的光線，而這個經(jīng)反射的紅外光線剛好被紅外接受探頭接受到。當(dāng)紅外接受探頭接受到信號后，再將信號送到單片機由單片機內(nèi)部程序來控制電機，由電機完畢小車的前進(jìn)，轉(zhuǎn)向。第3章方案論證第3.1節(jié)單片機選擇論證在單片機選擇提供兩種選擇一種是8031另一種是AT89S51。選用8031單片機系統(tǒng)8031單片機內(nèi)不帶程序存儲器ROM，使用時顧客需外接程序存儲器8255和一片2764，來進(jìn)行擴展。電路復(fù)雜。選用AT89S51單片機系統(tǒng)AT89S51里有4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器顧客可以用電的方式瞬間擦除、改寫。不用擴展外部存儲器。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設(shè)備的規(guī)定很低，開發(fā)時間也大大縮短。由此可見選用AT89S51單片機。第3.2節(jié)傳感器設(shè)計方案在傳感器方案的選擇中，有如下兩種方案供參照：方案一：使用CCD傳感器來采集路面信息。使用CCD傳感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握途徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測和識別圖像復(fù)雜的路面并且抗干擾能力強。不過對于本項目來說，使用CCD傳感器也有其局限性之處。首先使用CCD傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算。由于是以實現(xiàn)小車視覺為目的，實現(xiàn)起來工作量較大，電路復(fù)雜。方案二：使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外傳感器最大的長處就是構(gòu)造簡要，實現(xiàn)以便，成本低廉，免除了復(fù)雜的圖像處理工作，反應(yīng)敏捷，響應(yīng)時間低，便于近距離路面狀況的檢測。但紅外傳感器的缺陷是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面狀況作簡樸的黑白鑒別，檢測距離有限，并且輕易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其導(dǎo)致干擾。通過綜合考慮，在本設(shè)計中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。第3.3節(jié)控制算法設(shè)計方案在小車的運行中，重要有方向和速度的控制，即舵機和電機的控制，這兩個控制是系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵操作，對小車的性能有著決定性的作用。對電機的控制，要到達(dá)的目的就是：在任何狀況下，總能給電機一種合適的高下電壓，保證小車能一直遇見障礙物時可以隨時轉(zhuǎn)動運行的方向。在電機的控制方案中，有如下兩種方案可供選擇：方案一：比例控制這種控制措施就是在檢測到車體偏離的信息時給小車一種預(yù)置的反向偏移量，讓其回到跑道。比例算法簡樸有效，參數(shù)輕易調(diào)整，算法實現(xiàn)簡樸，不需要復(fù)雜的數(shù)字計算。在實際應(yīng)用中，由于傳感器的個數(shù)與布局方式的限制，其控制量的輸出是一種離散值，不能對舵機進(jìn)行精確地控制，輕易引起舵機左右搖擺，導(dǎo)致小車行駛過程中的振蕩，并且其收斂速度也有限。方案二PID控制PID控制在比例控制的基礎(chǔ)上加入了積分和微分控制，可以克制振蕩，加緊收斂速度，調(diào)整合適的參數(shù)可以有效地處理方案一的局限性。不過P，I，D三個參數(shù)的設(shè)定較難，需要不停的進(jìn)行調(diào)試，憑經(jīng)驗來設(shè)定，因此其適應(yīng)性較差。方案三：至少拍控制至少拍設(shè)計，是指系統(tǒng)在經(jīng)典輸入信號（如階躍信號，速度信號，加速度信號等）作用下，通過至少拍（有限拍），使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。因此，至少拍控制系統(tǒng)，也稱至少拍無差系統(tǒng)，至少拍隨動系統(tǒng)，實質(zhì)上是時間最優(yōu)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能指標(biāo)就是系統(tǒng)的調(diào)整時間最短或盡量短?？梢钥闯鱿到y(tǒng)對閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的規(guī)定是迅速性和精確性。也就是說讓小車在行駛出跑道后，能在最短的時間內(nèi)回到跑道上。至少拍控制系統(tǒng)的設(shè)計與被控對象的零極位置有很親密的關(guān)系。在本次設(shè)計中小車只規(guī)定按照跑道行駛，跑道簡樸。能有迅速性，精確性的反應(yīng)就可以，通過綜合考慮后，采用至少拍控制。第4章智能小車硬件設(shè)計第4.1節(jié)智能小車硬件分派本設(shè)計的小車硬件設(shè)計分為兩部分，一部分是機械設(shè)計，一部分是電路設(shè)計。機械設(shè)計重要是對小車的機械部件進(jìn)行選件與組裝。電路設(shè)計是對關(guān)鍵單片機、尚有復(fù)位操作方式、晶振頻率、傳感器電路設(shè)計、電源管理模塊、驅(qū)動模塊進(jìn)行簡介。組裝注意事項請看附錄B4.1.1機械部分材料清單材料清單分為：電動機芯裝配材料清單與小車裝配清單表4.1電動機芯裝配材料清單序號名稱規(guī)格1電機131U=6V10000轉(zhuǎn)/分2蝸桿M=0.5Z=13二牙軸Φ2*184二牙片M=0.5Z=10/205三牙軸2.5*2.5*68方軸6三牙片M=0.5Z=12/38方孔7電機夾板A8四牙軸2.5*2.5*z8方軸9四牙片M=0.5Z=42方孔10電機夾板B11自攻螺絲M2.5*812機制螺絲M3*30表4.2小車裝配清單序號名稱規(guī)格數(shù)量1底板12機制螺絲M3×84對3機芯24后輪25開關(guān)16機制螺絲M2×82對7雙聯(lián)極片38前輪29前輪架210單聯(lián)極片211機制螺絲M3×84對12前輪軸Φ3×118113前輪固定圈24.1.2電路板硬件材料清單表4.3材料清單位號名稱備注位號名稱備注M1電機1接線座SIU1LED數(shù)碼管M2電機2接線座IR1紅外接受頭X1前端探測板接線座RX110K排阻DC電源接線座Z111.0592晶振R115KIC1AT89S51R2220IC2MAX232CPER3150KIC3LG911集成電路R41MIC4LG911集成電路R547KC110uF/16vR6560C2104R7560C3104R8560C4104R9560C510uF/16vR10560C610uF/16vR11560C730PFR12560C830PFR13560C9104R14220C1010uF/16vR1510KC1110uF/16vR16560C1210uF/16vR1710KC1310uF/16vR18560D1-D8紅色發(fā)光二極管R19560D9綠色發(fā)光二極管R20560S1按鍵開關(guān)R21560S2按鍵開關(guān)R22560S3開關(guān)R23560COM19針串行端口R24560D1-D2LED發(fā)光二極管前板用R2510KV1紅外發(fā)射頭前板用R26560V2紅外接受頭前板用RL1光敏電阻V3紅外發(fā)射頭前板用SB1蜂鳴器V4紅外接受頭前板用B1話筒V5紅外接受頭前板用R1220前板用V6紅外發(fā)射頭前板用R2220前板用R3560前板用R415K前板用R515K前板用R6220前板用R7560前板用R815K前板用COM數(shù)據(jù)線第4.2節(jié)AT89S51單片機簡介AT89S51作為本設(shè)計的關(guān)鍵芯片如圖所示3-1，是一種低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL企業(yè)的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容原則MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳構(gòu)造，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的處理方案。如下是詳細(xì)簡介。圖4.1AT89S514.2.1AT89S51單片機的硬件構(gòu)造AT89S51單片機系列的存儲器用的是哈佛構(gòu)造，即將程序和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各有自己的尋址方式、尋址空間和控制系統(tǒng)。AT89S51的存儲器可分為五類：程序存儲器，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，特殊功能寄存器，位地址空間，外部數(shù)據(jù)存儲器。4.2.2AT89S51單片機管腳簡介AT89S51有40引腳雙列直插（DIP）、44引腳（PLCC）、44引腳（TQFP）封裝形式。AT89S51的引腳功能如圖3-2所示。AT89S51系列單片機采用了CMOS技術(shù)制造，它集成度高、速度快、功耗低。4.2.3AT89S51單片機的內(nèi)部存儲構(gòu)造AT89S51單片機片內(nèi)總體構(gòu)造的詳細(xì)框圖如圖3-3所示，重要由9個部分構(gòu)成，分別是：1個8位中央處理器；4KBFlash存儲器；128B的數(shù)據(jù)存儲器；32條I/O接口線（P0、P1、P2、P3）；2個定期/計數(shù)器；1個具有6個中斷源、4個優(yōu)先級的中斷嵌套構(gòu)造；用于多處理機通信、I/O擴展或全雙工UART的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；1個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。圖4.2 40引腳雙列直插（DIP）封裝圖4.3AT89S51單片機片內(nèi)總體構(gòu)造圖第4.3節(jié)電路設(shè)計在本設(shè)計中電路設(shè)計非常重要包括復(fù)位操作方式、晶振頻率、傳感器電路設(shè)計、電源管理模塊、驅(qū)動模塊的設(shè)計。這些電路設(shè)計都以簡樸、使用為原則進(jìn)行設(shè)計。其中復(fù)位電路、晶振電路和電源構(gòu)成了單片機的最小系統(tǒng)。下面是詳細(xì)簡介。4.3.1復(fù)位操作方式復(fù)位是單片機的初始化操作，其重要功能是PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化外，由于程序運行時出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處在死鎖狀態(tài)時，為使單片機正常工作，也需按復(fù)位鍵以從新啟動。除PC之外，復(fù)位操作還對其他特殊功能寄存器有影響。復(fù)位操作還對單片機的個別引腳信號有影響。它們的復(fù)位狀態(tài)見附錄表例如；在復(fù)位期間ALE和PSEN信號變?yōu)闊o效狀態(tài)，即ALE=1，PSEN=1。(1) 復(fù)位信號及其產(chǎn)生RST引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩脈沖周期（即兩個機器周期）以上。若使用頻率為6MHZ的晶振，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過4微秒才能完畢復(fù)位操作。整個復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號（RST）送施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個機器周期的S5P2時刻對施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。(2) 復(fù)位操作方式復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、外部脈沖復(fù)位和自動復(fù)位四種方式。圖4.4 AT89S51復(fù)位電路本次設(shè)計采用的是上電復(fù)位，上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的，只要電源VCC的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就完畢了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。4.3.2晶振頻率晶振電路是單片機不可缺乏的，這種電路是單片機內(nèi)部振蕩電路，由只需要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳邊接一種晶體振蕩器或一種陶瓷振蕩器，并通過兩個電容后接地即可，XTAL1和XTAL2分別為單片機片內(nèi)反相器的輸入和輸出端口，由于單片機內(nèi)部工作需要時鐘，產(chǎn)生機器周期，振蕩電容一般選用10-30PF，振蕩電路的頻率要滿足單片機的工作頻率規(guī)定，單片機才能正常工作。如圖4.5所示。圖4.5晶振的應(yīng)用原理圖4.3.3傳感器電路設(shè)計尋跡傳感器模塊的設(shè)計是整個智能小車設(shè)計中最重要的一部分，其作用相稱于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并將其送入單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其能否正常工作直接影響著小車隊路面的判斷以及小車下一步的行動，因而其布局的合理性與有效對小車穩(wěn)定而又迅速的行駛起著關(guān)鍵的作用。我們認(rèn)為在傳感器的布局中，要處理兩個問題：信息檢測的精確度和信息檢測的前沿性。（1）本設(shè)計中選用的傳感器如圖3-6所示，白色為：紅外發(fā)射探頭（持續(xù)的發(fā)射紅外光線）。黑色為：紅外接受探頭（接受反射回來的紅外光線）圖4.6紅外發(fā)射管與紅外接受探頭本設(shè)計中安裝了三組（也可兩組）紅外探頭，排成三角形。傳感器電路圖如圖所示4.7詳細(xì)全圖見附錄圖4.7紅外發(fā)射與接受探頭有關(guān)的匹配電阻220電阻：紅外發(fā)射器的降壓與限流電阻（完畢對紅外發(fā)射器的保護(hù)）。由于單片機的電源是5V，流過放光二極管的電流不不小于20MA，放光二極管的管壓降為1.7V~2V。因此根據(jù)單片機電源減去二極管管壓降除以流過二極管電流，就可以得到所需要的電阻。15K電阻：紅外接受探器的光信號變電信號電阻（完畢將反射回來的光信號）。15K的電阻選擇是隨意選擇的，也可以選擇10K，20K。由于紅外接受探頭在工作時，就相稱于一種開關(guān)，因此電阻是隨意的。紅外發(fā)射與紅外接受器V1紅外發(fā)射器：重要完畢紅外線的發(fā)射V2紅外接受器：重要完畢將反射回來的紅外光線接受到后再由電阻轉(zhuǎn)換為電信號。（3）避障小車的避障原理避障小車之因此可以避障，重要是由前方的兩對紅外發(fā)射與接受探頭來完畢的。我們懂得光有反射的特性。因此說目前方的紅外發(fā)射出來的光線碰到物體時，就會形成反射的光線，而這個經(jīng)反射的紅外光線剛好被紅外接受探頭接受到。當(dāng)紅外接受探頭接受到信號后，再將信號送到單片機由單片機內(nèi)部的程序來控制小車的運行狀況。那么怎樣懂得是怎樣有障礙物呢？本來紅外光線有一種反射特性。但對于不用的物體反射特性是不一樣樣的，尤其是對白色反光的物體，紅外光線的反射量將會多一點。而沒有明顯障礙物，紅外反射量將會大量的減少。那么我們就可以運用這個特性來完畢障礙物的判斷。通過電路的合理安裝，可以將這種接受到的紅外光線變化量轉(zhuǎn)換為電壓值傳送到單片機中。返回的電壓值為低電平，而單片機就可以進(jìn)行多種智能化控制了。例如，完畢避障的轉(zhuǎn)動功能，尚有倒車停車的功能。4.3.4驅(qū)動模塊直流電機的控制一般由單片機的PWM信號來完畢，由于單片機產(chǎn)生的信號很小，因此采用電機驅(qū)動芯片L9110驅(qū)動器。電路圖示見4.7，器件管腳圖見4.8，管腳定義見表4.1圖4.8驅(qū)動芯片使用電路圖4.9器件管腳圖表4.1引腳闡明圖4.10管腳波形圖描述：L9110是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本減少，整機可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性;兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過750~800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5~2.0A；同步它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進(jìn)電機或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。4.3.5電源管理模塊方案1：采用交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓處理后供電采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，電流驅(qū)動能力及電壓穩(wěn)定性最佳，且負(fù)載對電源影響也最小。但由于需要電線對小車供電，極大影響了避障小車行動的靈活性及地形的適應(yīng)能力。并且避障小車極易把拖在地上的電線識別為障礙物，人為增長了不必要的障礙。故放棄了這一方案。方案2：采用干電池組進(jìn)行供電采用四節(jié)干電池降壓至5V后給單片機及其他邏輯單元供電，。這樣電機啟動及制動時的短暫電壓干擾不會影響到邏輯單元和單片機的工作。因此采用此方案。第5章智能小車軟件設(shè)計第5.1節(jié)總體流程圖開始開始系統(tǒng)初始化執(zhí)行主程序小車前進(jìn)電機模式選擇電機左轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)電機右轉(zhuǎn)N遇見障礙物否控制算法控制算法控制算法遇見障礙否遇見障礙否遇見障礙否NNYNYYY流程圖闡明：首先開始啟動，進(jìn)入系統(tǒng)初始化定義引腳，執(zhí)行主程序小車前進(jìn)。根據(jù)小車的指示燈來判斷小車的運行狀況。假如小車遇見障礙物，會給單片機一種低電平信號進(jìn)入電機模式選擇，例如：小車遇見障礙物，傳感器開始掃描，當(dāng)紅外接受探頭接受到紅外光線，給單片機底電平信號，這時通過單片機內(nèi)部程序的處理設(shè)置合理的托退和轉(zhuǎn)動時間函數(shù)，同步電機后退加轉(zhuǎn)動。直到小車跑回沒有障礙物的軌道，正常前進(jìn)。反復(fù)的反復(fù)這樣的動作就可以實現(xiàn)一直蔽障的功能。第5.2節(jié)至少拍控制算法至少拍設(shè)計，是指系統(tǒng)在經(jīng)典輸入信號（如階躍信號，速度信號，加速度信號等）作用下，通過至少拍（有限拍），使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。因此，至少拍控制系統(tǒng)，也稱至少拍無差系統(tǒng)，至少拍隨動系統(tǒng)，實質(zhì)上是時間最優(yōu)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能指標(biāo)就是系統(tǒng)的調(diào)整時間最短或盡量短?？梢钥闯鱿到y(tǒng)對閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的規(guī)定是迅速性和精確性。也就是說讓小車在遇見障礙物后，能在最短的時間內(nèi)躲開障礙物。至少拍控制系統(tǒng)的設(shè)計與被控對象的零極位置有很親密的關(guān)系。下面先從簡樸情形開始簡介至少拍控制器的設(shè)計。對最小拍控制系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)定是：（1）調(diào)整時間最短，即系統(tǒng)跟蹤輸入信號所需的采樣周期數(shù)至少；（2）在采樣點處無靜差，即對特定的參照輸入信號，在到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)在采樣點能精確實現(xiàn)對輸入信號的跟蹤；（3）設(shè)計出來的數(shù)字控制器必須是物理上可以實現(xiàn)的；（4）閉環(huán)系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。最小拍閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)確實定首先根據(jù)對控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的規(guī)定和其他約束條件，構(gòu)造系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。最小拍控制系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)定是對特定的參照輸入信號，在系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)在采樣點處靜差為零。根據(jù)此約束條件可以構(gòu)造出系統(tǒng)的誤差脈沖傳遞函數(shù)。經(jīng)典計算機控制系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖4-1所示。其中，GP(S)為被控對象H0（S）為零階保持器，D(Z)即為待設(shè)計的至少拍控制器。DD（z）H0(S)GP(S)至少拍控制器零階保持器被控對象R(S)TE(z)TY(S)TY(z)圖5.1至少拍隨動系統(tǒng)框圖由離散控制理論，至少拍控制系統(tǒng)的誤差脈沖傳遞函數(shù)Φe（z）==1－Φ（z）（5.1）=系統(tǒng)偏差為：E(Z)=Φe（z）R(Z)一般控制系統(tǒng)有三種經(jīng)典輸入形式：（1）單位階躍輸入：r(t)=1R(Z)=（5.2）（2）單位速度輸入：r(t)=tR(Z)=（5.3）（3）單位加速度輸入：r(t)=t2R(Z)=（5.4）在本設(shè)計中采用單位階躍輸入，被控對象為直流電機，零階保持器傳遞函數(shù)已知。只要查出直流電機傳遞函數(shù)就可以求得至少拍控制器D(Z)。根據(jù)圖4-1求得措施如下。最小拍控制器D(Z)確實定由離散控制系統(tǒng)理論，可以求出圖4-1所示的計算機控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：Φ(Z)=（5.5）由此可以得到數(shù)字控制器為D(Z)=（5.6）或D(Z)=（5.7）第6章開發(fā)流程開發(fā)流程是在硬件設(shè)計與軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上展開的，重要是把硬件與軟件結(jié)合起來。通過編譯、環(huán)境下載調(diào)試、單片機資源劃分。第6.1節(jié)編譯環(huán)境一．KeilC51簡介KeilC51mVision2集成開發(fā)環(huán)境是KeiSoftwre，lnc/KeilElektronikGmbH開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺，內(nèi)以多種符合目前工業(yè)原則的開發(fā)工具，可以完畢從工和建立、管理，編譯，連接，目的代碼的生成，軟件訪真，硬件訪真等完整的開發(fā)流和。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的精確性和效率性到達(dá)了較高的水平，而可以附加靈活的控制選項。KeilC51集成開發(fā)環(huán)境的重要環(huán)境的重要功能是如下幾點：（1）mVision2forWindowsTM：是一種集成開發(fā)環(huán)境，它將項目管理，源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一種功能強大的Z1環(huán)境中。（2）C51國際原則優(yōu)化C交叉編譯器：從C源代碼產(chǎn)生可重定位的口標(biāo)模塊。（3）A51宏匯編器：從80C51匯編冤代碼產(chǎn)生可重定位的口標(biāo)模塊。（4）BL51連接/定位器：組合由C51和A51產(chǎn)生的可重定位的目的模塊，生成絕對目的模塊。（5）LIB51庫管理器：從口際模塊生成連接器可以使用的庫文獻(xiàn)。（6）OH51目的文獻(xiàn)至HEX格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對目的模塊生成IntelHEX文獻(xiàn)。（7）RTX-51實時操作系統(tǒng)：簡化了復(fù)雜的實時應(yīng)用軟件項口的設(shè)計。這個工具套件足為專業(yè)軟件開發(fā)人員設(shè)計的，但任何層次的編程人員都可以使用，并獲得80C51微控制器的部分應(yīng)用。二．KeilC51集成工具和用途mVision2支持所有的Keil80C51的工具軟件，包括C51編譯器、宏匯編器、連接器/定位器和目的文獻(xiàn)至Hex格式轉(zhuǎn)換器，mVision2可以自動完畢廉價、匯編、連接程序的操作。（1）C51廉價器和ASI匯編器由mVision21DE創(chuàng)立的潭文獻(xiàn)，可以被C51廉價器或A51匯編器處理，生成可重定位的object文獻(xiàn)。KeilC51以直接支持80C51構(gòu)造的特性。KeilA51宏匯編器支持80C51及其派聲系列的怕有指令集。（2）LIB51庫管理器BL51庫管理器可以從由匯編器和廉價器創(chuàng)立的目的文獻(xiàn)建立目的庫。這些庫是按規(guī)定格式排列的目的模塊，可在后來被連接器所使用。當(dāng)連接器處理一種庫時，僅僅使用了庫中程序使用的目的模塊而不是所有加以引用。（3）BLSI連接器/定位器BL51連接器使用從庫中提取出來的目的模塊和廉價器，匯編器生成的目的模塊，創(chuàng)立一種絕對地址目的模塊。絕對地址目的文獻(xiàn)或模塊包括不可重定位的代碼和數(shù)據(jù)，所有的代碼和數(shù)據(jù)都被個在詳細(xì)的存儲器單元中。（4）mVision2軟件調(diào)試器mVision2軟件調(diào)試器能十分理想地進(jìn)行迅速，可靠的程序調(diào)整，調(diào)試器包括一種同速模擬器，您可以使用它模擬整個80C50系統(tǒng)，包括片上外圍器件和外部器件，當(dāng)您從器件數(shù)據(jù)庫選擇時，這個器件的屬性會被自動配置。（5）mVision2硬件調(diào)試器mVision2調(diào)試器響您提供廠幾種在實際目的硬件上測試程序的措施。按MON51目的監(jiān)控器到您的目的系統(tǒng)，并通過monitor-51接口下在你的程序，使用高級GDI接口，將mVision2調(diào)試同類似于DP-51S單片機仿真試驗儀或者TKS系列仿真器的硬件系統(tǒng)相連接，通過mVision2的人機交互環(huán)境指揮連接的硬件完畢仿真操作。（6）RTX51實時操作系統(tǒng)RTX51實時操作系統(tǒng)是針對80C51微控制器系列的一種多任務(wù)內(nèi)核。RTX51實時內(nèi)核簡化廠需要對實時事件進(jìn)行反應(yīng)的復(fù)雜應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計、編程和調(diào)試。這個內(nèi)核完全集成在C51編譯器中，使用非常簡樸，任務(wù)描述表和操作系統(tǒng)的統(tǒng)一性由BL51連接器/定位器自動進(jìn)行控制。此外Vision2還只有極強的軟件環(huán)境，友好的操作界面和簡樸快捷的操作措施，重要表目前如下幾點：（1）豐富的菜單欄；（2）可以快色選擇命令按鈕的工具欄；（3）某些源代碼文獻(xiàn)窗口；（4）對話框窗口；（5）直觀明了的信息顯示窗口。第6.2節(jié)下載調(diào)試下載調(diào)試工具有諸多，本次設(shè)計用的下載器為STC_ISP_V483，此類下載器兼容AT，STC系列的單片機下載程序。下面詳細(xì)簡介下載過程。首先在下載之前必須在KeilC51中生成可下載文獻(xiàn).HEX與.BIN文獻(xiàn)。打開下載器主界面如圖5-1環(huán)節(jié)一：SelectMcuType選擇單片機型號環(huán)節(jié)二：OpenFile打開文獻(xiàn)（KeilC51中生成可下載文獻(xiàn).HEX與.BIN文獻(xiàn)）環(huán)節(jié)三：SelectCOMPort,MaxBaud/選擇串行口，最高波特率環(huán)節(jié)四：設(shè)置本框和右下方‘選項’中的選項環(huán)節(jié)五：下載注意：在環(huán)節(jié)三中選擇對的的COM口，尤其注意的是環(huán)節(jié)五先點擊下載，再給單片機上電，這是單片機的冷啟動。第6.3節(jié)單片機的I/O分派以AT89S51為主芯片如圖5-2。40腳的DIP封裝使它擁有32個完全I(xiàn)O端口，通過這些端口加以信號輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完畢尋跡小車。P0.0,P0.1,P0.2,P0.3分別通過LG9110電機驅(qū)動來驅(qū)動電機1和電機2。由電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來完畢小車的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。小車行走時會通過P3.5,P3.6,P3.7的紅外接受探頭來進(jìn)行檢測。當(dāng)走出跑道時，P3.5,P3.6或P3.7將收到一種電平信號，此電平信號將通過對應(yīng)端口傳送入主芯片中，主芯片通過內(nèi)部代碼完畢小車的尋跡操作。同步P3.5與P3.6的信號狀態(tài)將通過P2.6和P2.7顯示出來。在小車的左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，后退的過程，可以通過觀看以P2.0和P2.7為指示等的運行狀態(tài)。圖6.1系統(tǒng)連線圖結(jié)論尋跡檢測單元的關(guān)鍵部件選擇了紅外探頭傳感器。紅外探頭傳感器具有精度高、成本低、體積小、接口簡樸等長處；此外再加上AT89S51單片機與電機驅(qū)動芯片的結(jié)合，實現(xiàn)了智能小車的尋跡功能。綜上所述，我們可以看出電子設(shè)計自動化逐漸成為重要的設(shè)計手段，單片機己經(jīng)成為當(dāng)今電子設(shè)計應(yīng)用市場上首選的可編程邏輯器件之一。單片機應(yīng)用在控制領(lǐng)域中，既減少了系統(tǒng)成本也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。最終在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下對整個尋跡檢測進(jìn)行選件、制造單片機系統(tǒng)并測試、軟件設(shè)計后實現(xiàn)單片機控制下的尋跡檢測系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)可以在實際中應(yīng)用。但愿通過我們不停地努力，使單片機這一重要設(shè)計手段可以更好的為我后來的學(xué)習(xí)效力。最終，在此誠懇地但愿老師和同學(xué)提出寶貴的批評和意見附錄A#include<reg52.h>//=========================數(shù)據(jù)類型定義=====================signedcharINT8;//重定義有符號字符8位數(shù)據(jù)typedefunsignedcharUINT8;//重定義無符號字符8位數(shù)據(jù)typedefintINT16;//重定義有符號字符16位數(shù)據(jù)typedefunsignedintUINT16;//重定義無符號字符16位數(shù)據(jù)#defineTRUE 1 //邏輯真 #defineFALSE 0//邏輯假#defineNULL0//指針空//========================硬件對應(yīng)端口定義===================sbitFontLeftLed=P2^3;//前左方指示燈sbitFontRightLed=P2^4;//前右方指示燈sbitFontIR=P2^7;//前方紅外接受探頭sbitMA1=P0^1;//左方電機控制驅(qū)動sbitMB1=P0^0;//左方電機控制驅(qū)動sbitMA2=P0^5;//右方電機控制驅(qū)動sbitMB2=P0^6;//右方電機控制驅(qū)動sbitSB1=P2^1;//蜂鳴器控制端口定義sbitRunLed=P1^5;//運行指示燈//===================功能函數(shù)定義=============================voidDelay(UINT16DelayTime)//延時函數(shù){while(DelayTime--);//延時函數(shù)循環(huán)體}voidControlCar(UINT8ConType)//車體控制函數(shù){MA1=0;//左電機清零MA2=0;//右電機清零MB1=0;//左電機清零MB2=0;//右電機清零FontLeftLed=1;//前左方指示燈滅FontRightLed=1;//前右方指示燈滅switch(ConType)//判斷控制叁數(shù)類型{ case1://前進(jìn) { MA2=1;//左電機向前運動 MB1=1;//右電機向前運動 FontLeftLed=0;//前左方指示燈亮FontRightLed=0;//前右方指示燈亮 break; } case2://后退 { MB2=1;//右電機向后運動 MA1=1;//左電機向后運動 break; } case3://左轉(zhuǎn) { MA1=1;//左電機向后運動MA2=1;//右電機向前運動FontLeftLed=0;//前左方指示燈亮 break; } case4://右轉(zhuǎn) { MB1=1;//右電機向后運動MB2=1;//左電機向前運動FontRightLed=0;//前右方指示燈亮 break; }}}//====================主程序===================================voidmain()//主函數(shù){UINT8RunFlag=1;//運行標(biāo)志位ControlCar(1);//前進(jìn)RunLed=0;while(1)//程序主打循環(huán) {if(FontIR==0)/判斷前方紅外接受探頭{ControlCar(2);//小車后退(用于急剎車)Delay(50000);//延時300毫秒 Delay(0);//小車后退if(RunFlag)//判斷小車運行標(biāo)志位 { ControlCar(3);//小車左轉(zhuǎn)} else//為假的狀況下 { ControlCar(4);//小車右轉(zhuǎn) } Delay(30000);//左轉(zhuǎn)彎SB1=0;//小車響鈴Delay(30000);//左轉(zhuǎn)彎SB1=1;//小車不響鈴 Delay(30000);//左轉(zhuǎn)彎SB1=0;//小車響鈴Delay(30000);//左轉(zhuǎn)彎SB1=1;//小車不響鈴 ControlCar(1);//小車前進(jìn)RunFlag=!RunFlag;//變化小車運行狀態(tài)位 }}}附錄B1、電容有正負(fù)極之分，長正短負(fù)；2、二極管有正負(fù)極之分，長正短負(fù)；3、話筒有正負(fù)之分，負(fù)極與外殼相連；4、蜂鳴器有正負(fù)之分，長正短負(fù)；5、三極管按照電路板封裝焊接；6、集成電路即芯片，安裝時要注意缺口對應(yīng)（缺口對應(yīng)位置和封裝對應(yīng)位置要一致）。（缺口在芯片或芯片底座的一端）7、數(shù)碼管焊接時注意數(shù)碼管上的小數(shù)點要與電路板封裝上的小數(shù)點對應(yīng)。8、強烈推薦電池采用南孚電池或其他高性能電池。附錄CAT89S51(8位微控制單片機，片內(nèi)含4Kbytes可系統(tǒng)編程的存儲器)AT89S51是美國ATMEL企業(yè)生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL企業(yè)的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容原則8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP)也可用老式措施進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL企業(yè)的功能強大，低價位AT89S51單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場介，可靈活應(yīng)用于多種控制領(lǐng)域。（1）重要性能參數(shù)：?與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼:容?4k字節(jié)在線系統(tǒng)編程(ISP)Flash閃速存儲器?1000次擦寫周期?4.05.5V的工作電壓范圍?全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz?三級程序加密鎖?128×8字節(jié)內(nèi)部RAM?32個可編程I/O口線?2個16位定期/計數(shù)器?6個中斷源?全雙工串行UART通道?低功耗空閑和掉電模式?中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)?看門狗(WDT)及雙數(shù)據(jù)指針?掉電標(biāo)識和迅速編程特性?靈活的在線系統(tǒng)編程(ISP一字節(jié)或頁寫模式)（2）功能特性概述：AT89S51提供如下原則功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定期/計數(shù)器，一種5向量兩級中斷構(gòu)造，一種全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同步，AT89S51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方式停止CPU的工作，但容許RAM，定期/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保留RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并嚴(yán)禁其他所有部件工作直到下一種硬件復(fù)位。（3）引腳功能闡明：?Vcc：電源電壓?GND：地?P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫‘1’可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，規(guī)定外接上拉電阻。?P1口：P1是一種帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸取或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫‘1’，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，囚為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一種電流(In)。Flash編程和程序校驗期間P1接受低8位地址。?P2口：P2是一種帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸取或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫‘1’，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，囚為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一種電流(In)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令)時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行MOVX@Ri指令)時，P2口線卜的內(nèi)容(也即特殊功能寄存器（SFR)區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容)，在整個訪問期間不變化。Flash編程或校驗時，P2亦接受高位地址和其他控制信號。?P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸取或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（In）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能。P3口還接受某些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。?RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRTO位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。?ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序