基于51單片機的循跡小車系統(tǒng)設計

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基于51單片機的循跡小車系統(tǒng)設計 摘 要 80C51單片機是一款八位單片機，他的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。在生活中但凡涉及到自動控制的地方都會出現(xiàn)單片機的身影，單片機的應用有利于產(chǎn)品的小型化、智能化，并且能夠提高生產(chǎn)效率。這里介紹的是如何用AT89C52單片機來實現(xiàn)小車的循跡功能，該設計是結合科研項目而確定的設計類課題。本系統(tǒng)以設計題目的要求為目的，采用AT89C52單片機為控制核心，利用紅外傳感器檢測道路上的黑線，控制電動小汽車的自動循跡，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，和尋光功能。整個系統(tǒng)的電路結構非常簡單，可靠性能很高。實驗測試結果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設計方法及測試結果分析。 關鍵詞:80C51單片機；電動小車；pwm調速；光電檢測；自動調速系統(tǒng) Car tracking system based on microcontroller Abstract 80C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. In life, whenever it comes to automatic control of the local microcontroller will appear figure, microcontroller applications in favor of product miniaturization, intelligent, and can improve productivity. Here is how to use AT89C52 microcontroller to achieve the car tracking feature, which is designed to determine the combination of scientific research and design class topic. This system design requirements of the subject for the purpose of using AT89C52 microcontroller core, the use of infrared sensors to detect the black line on the road, the automatic tracking control of electric cars, fast low traffic speeds, as well as automatic parking, and can automatically record time , mileage and speed, and look for the light function. The circuit structure of the entire system is very simple, very high reliability. The test results meet the requirements, the paper focuses on the hardware design and test results of the system analysis. Keywords: 80C51 microcontroller; Electric car Pwm speed; A photodetector; Automatic Speed Control System. III 目 錄 中文摘要 I 外文摘要 Ⅱ 1 緒論 1 1.1 課題背景及意義 1 1.2 智能小車研究前景及功能 3 1.3 國內(nèi)外的研究情況 6 1.3.1 智能小車國外研究現(xiàn)狀......................... 1.3.2 智能小車國內(nèi)研究現(xiàn)狀......................... 1.4 本課題具體應用方面及場合 2 智能循跡小車的方案設計 2.1 智能小車的運行環(huán)境及行走路線 7 2.1.1 智能小車的運行環(huán)境 2.1.2 智能小車的運行路線 2.2 主控芯片的選擇與原理 8 2.2.1 51單片機引腳與功能說明 2.3 調速系統(tǒng)的設計 8 2.3.1 PWM逆變電路及其控制方法 2.3.1.1 計算法 2.3.1.2 調制法 2.3.2 PWM調速的優(yōu)點 3 硬件電路的選擇與搭建 3.1 單片機的輔助電路 3.1.1 時鐘電路 3.1.2 復位電路 3.2 單片機控制模塊的設計 3.3 驅動模塊的設計 3.3.1 電機驅動芯片 3.3.2 電機驅動模塊 3.4 循跡模塊的制作與設計 3.4.1 循跡傳感器工作原理 3.4.2 尋光電路分析 3.4.3 循跡電路分析 3.4.3.1 紅外對管TCRT500 3.4.3.2 電壓比較器 LM324 3.5 各模塊的組裝與連接 4 循跡小車的軟件設計 4.1 軟件設計開發(fā)平臺 15 4.2 小車運動狀態(tài)分析及三路算法的設計 16 4.2.1 小車運動狀態(tài)分析 16 4.2.2 三路循跡算法設計 17 4.3 軟件設計流程圖 20 4.4 軟件的調試 24 4.4.1 設置和刪除斷點 24 4.4.2 查看和修改寄存器的內(nèi)容 26 4.4.3 觀察和修改變量 28 4.4.4 查看存儲器區(qū)域 結 論 44 參考文獻 45 致 謝 46 附錄1 智能循跡小車原理圖 50 附錄2 循跡程序 附錄3 外文參考文獻（譯文） 50 附錄4 外文參考文獻（原文） 5 1 緒論 1.1 課題背景及意義 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受到人們的關注。在全國電子大賽以及省內(nèi)的電子大賽上，我們幾乎每次都能看到智能小車這方面的題目，在全國各的高校中也都很重視該類型題目的研究。由此可見其研究意義很大，故本設計中就是在這樣的背景下提出來的。本題目是結合科研類項目而確定的設計類課題。本設計的智能電動小車應該具有自動循跡的功能，并且可以擴展實時顯示時間、速度、里程、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準確定位停車等功能。近幾十年來，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個重要分支也得到越來越多的關注。 1.2 智能小車研究前景及功能 智能車輛也叫做無人車輛，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、自動的報警、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，能夠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)前進。 智能車輛在原有的車輛系統(tǒng)中，增加了一些智能化的技術設備: (1)在計算機處理系統(tǒng)，智能車主要來獲取圖像，并預處理、增強、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，車速傳感器可以用來獲得當前車速，障礙物傳感器可以用來獲得前方、側方、后方障礙物等信息。 智能車輛技術按照其功能可劃分為三層，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。且上一層技術是下一層技術的基礎?？梢岳酶鞣N傳感器來獲得車輛自身、車輛行駛的周圍環(huán)境及駕駛員自身的狀態(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、十字路口警告、車道偏離警告、盲點警告、換道/并道警告、后方碰撞警告、行人檢測與警告等.駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。 1.3 國內(nèi)外的研究情況 智能小車技術在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 。智能小車技術是一個體現(xiàn)國家高技術實力的一個重要標準，它涉及到多個學科，機械、電工、數(shù)學、自動控制、計算機測量、人工智能、傳感技術等等，是眾多領域的高科技。而智能小車比賽就是機器人技術的一個重要研究方向，目前許多國家己經(jīng)開始把移動機器人比賽作為創(chuàng)新教育的一個戰(zhàn)略性手段。 移動機器人比賽是一種高科技的對抗性的活動，各國的專家和學者來通過移動機器人競賽，推進了在競賽型移動機器人方面的研究，不改進機器人尋址速度和算法研究，并試圖讓機器人更加的接近智能化，它集高科技、娛樂和比賽于一體，引起了各國的廣泛關注和極大興趣，從而推動了移動機器人研究熱潮...... 據(jù)統(tǒng)計部門的數(shù)據(jù)，至2006年中國汽車保有量已達3500萬輛（其中轎車占80%，約2500萬輛）,每年仍以30%的速度遞增。我國成為了繼美國之后的第二大汽車生產(chǎn)和消費國。汽車行業(yè)的發(fā)展也帶動了相關服務業(yè)的發(fā)展。而將功能強大的智能車載信息系統(tǒng)——車載電腦加載到汽車上已經(jīng)成為歐美、日本等國汽車市場的首選新裝備。車載電腦給汽車帶來了一場信息化的革命，讓每輛汽車構都建成一個完美的車載信息與娛樂系統(tǒng)終端，我們坐在汽車里面聽廣播或者音樂已經(jīng)習以為常。讓你在開車的時候聽音樂，在休息的時候欣賞好萊塢大片或是收看電視，甚至玩各種游戲。車載通訊與導航系統(tǒng)主要指 GPRS和GPS，可以讓你“輕車熟路”，而且可以輕松的打電話。智能小車，就是在關鍵得基礎理論模型研究的前提下，把先進的信息技術、、數(shù)據(jù)通信技術及計算機處理技術等技術有效地綜合運用于汽車交通體系，從而可以大范圍、全方位的發(fā)揮準確、實時、高效的功能，是很好的交通工具。它可以利用無線通訊的專網(wǎng)低頻段并以其低成本實現(xiàn)了智能小車的實時控制、快速傳輸，并自行開發(fā)研制出了無線通訊系統(tǒng)的車載智能終端設備及控制系統(tǒng)，使智能小車能夠完全利用無線通訊系統(tǒng)來采集和傳輸路面狀況數(shù)據(jù)，并進行小車速度和方向的控制，具有載人和自動控制的雙重功能。小車信息響應速度快、全自動方向控制自動化、信息發(fā)布智能化、設備自維護智能化的特點。 1.3.1 智能小車國外研究現(xiàn)狀 國外的智能車輛研究歷史比較長，開始于上個世紀的50年代，其發(fā)展歷程大致可以分為三個階段 。第一階段：20世紀50年代是智能車輛研究的初始階段。1954年美國的Barrett Electronic公司研究出了世界上的第一臺自主引導車系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個可以運行在固定路線上的拖車式的運貨平臺，但是它卻具有了智能車輛所具有的最基本的的特征。第二階段：開始于80年代中后期，西方發(fā)達國家對智能車輛的開展具有卓有成效的研究，在歐洲，普羅米修斯項目于1986年開始在這個領域內(nèi)探索，在北美，美國于1995年成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟，他的目標之一就是來研究發(fā)展智能車輛的可行性，并促進智能車輛技術進入實用化，來為人類謀福利。 第三個階段：從90年代開始，智能車輛進入了更加深入、系統(tǒng)、大規(guī)模的研究階段。其中最為突出的是，美國卡內(nèi)基-梅隴大學的機器人研究所完成的Navlab系列的自主車的研究，取得了非常顯著的成就。目前無人駕駛技術越來越成熟，谷歌的無人駕駛汽車內(nèi)置的計算機系統(tǒng)可以被認定為合法的“駕駛員”，而這一政策在未來將會對無人駕駛的汽車在美國公路上能夠順暢行駛起到積極的促進作用。目前，像谷歌和福特等都正在積極的進行無人駕駛汽車的測試，而特斯拉甚至已經(jīng)開始為旗下車型升級了一些輔助駕駛功能 1.3.2 智能小車國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的智能車輛研究開始于上世紀80年代末。當時國家的863計劃自動化領域智能機器人主題確定立項進行遙控駕駛的智能移動平臺的研制；幾乎同時國家部委也開始在規(guī)劃“八五”預研項目中的地面智能機器人技術進行研究，并確定研制成功了我國第一輛樣車ATB-1(AutonmousTestBed-1)。該車是由國內(nèi)的多所重點大學聯(lián)合研制，在1996年的演示中，該車自主行駛的最高速度可達74.5km/h，正常行駛速度為30.6km/h，在越野環(huán)境下，白天行駛的最高速度為24km/h，夜間行駛最高速度為15km/h。目前，開展這方面研究工作的單位主要包括一些大學和科研院所，比如國防科技大學、清華大學、吉林大學、西安交通大學、重慶大學等。近幾年來，具有代表性的典型系統(tǒng)包括：由國內(nèi)多家大學參與的“十五”期間的第三代自主地面車輛ATB-3；國防科技大學研制的新一代地面無人駕駛車輛CITAVT-IV及其與中國一汽合作研制的“紅旗”自主轎車；清華大學研制的THMR-V型智能車輛；吉林大學的Cybercar智能車輛；重慶大學的CQAC-I型智能車輛等。這一時期國內(nèi)研究工作的主要方向是智能車輛的應用環(huán)境由簡單場景向非結構化、復雜場景的轉變，以及全天候條件下的實用化技術，基于多源信息融合的系統(tǒng)魯棒性研究等。 1.4 本課題具體應用方面及場合 目前，人工智能技術取得了諸多的突破。一方面，計算機在數(shù)據(jù)搜集、存儲和管理等能力上有了很大的進步；另一方面，云技術的迅猛發(fā)展也使得云計算基礎能力也有所提升。人工智能的發(fā)展勢必會對智能小車產(chǎn)生至關重要的影響。 從2014年的車聯(lián)網(wǎng),到2015年自動駕駛的初露端倪,智能汽車已經(jīng)連續(xù)兩屆成為CES的主題,2016年CES無人駕駛與智能汽車吸引了全球的矚目。 如今，汽車智能化、共享化趨勢愈加明顯。隨著汽車電子技術的發(fā)展,汽車智能化技術正在逐步得到應用,這種技術使汽車的操縱越來越簡單,動力性和經(jīng)濟性也會越來越高,行駛安全性越來越好。目前,汽車已進入“智能機”時代,將催生智能汽車投資機會。汽車共享化,即車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛,將依托于汽車制造商、經(jīng)銷商與運營商,汽車電子化與智能化實現(xiàn)“人-車”互動,車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“人-車-網(wǎng)絡”的互動,而智能交通將實現(xiàn)“人-車-網(wǎng)絡-路”的互動,共享化亦是未來汽車發(fā)展的趨勢。 在智能汽車主戰(zhàn)場,汽車智能化步伐加速。從谷歌低成本的LIDAR感官系統(tǒng)和英偉達的DrivePX無人駕駛處理平臺,到豐田的低成本高精地圖繪制,再到寶馬i8Spyder、微軟、谷歌等企業(yè)的人機交互,無論是互聯(lián)網(wǎng)巨頭、汽車零部件供應商,還是傳統(tǒng)車企,都把智能化擺在了極為重要的戰(zhàn)略位置。我們認為感官系統(tǒng)和處理判斷系統(tǒng)技術是未來決戰(zhàn)汽車智能化的關鍵所在,而低成本可靠的智能技術將加快汽車智能化步伐。 互聯(lián)網(wǎng)巨頭自身的無人駕駛技術與傳統(tǒng)車企的汽車制造經(jīng)驗結合碰撞會加快無人駕駛汽車的商業(yè)化。與此同時,德爾福、大陸與博世三大零部件供應商將紛紛推出全新的汽車共享解決方案。 智能化、共享化,智能網(wǎng)聯(lián)汽車,汽車智能革命到來。智能化就是智能汽車,共享化就是無人駕駛、車聯(lián)網(wǎng),智能網(wǎng)聯(lián)汽車將是未來發(fā)展方向。 2 智能循跡小車的方案設計 2.1 智能小車的運行環(huán)境及行走路線 根據(jù)題目的要求，可以確定如下方案：在玩具電動車的基礎上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。 2.1.1 智能小車的運行環(huán)境 循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用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就會發(fā)生漫反射，反射光可以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，小車上的接收管接就收不到紅外光。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。但是，紅外探測器探測距離有限。小車在進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號，便進入判斷處理程序（switch）,可以先確定4個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面第一級傳感器或者左面第二級傳感器探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應使小車向左轉；如果是右面第一級傳感器或是右面第二級傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應使小車向右轉。在經(jīng)過了方向調整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復上述動作。 利用LED來顯示小車運行的狀態(tài)，并且利用倒計時模塊來啟動小車。 2.1.2 智能小車的運行路線 本設計中小車的循跡路線大致可分三種：“7”字型路線、“T”字型路線、“十”字型路線。具體路線如下圖所示。 2.2 主控芯片的選擇與原理 51系列單片機除了Intel公司的MCS-51系列外，還有美國Atmel公司生產(chǎn)的AT系列、硅存儲技術公司的SST系列、深圳宏晶公司生產(chǎn)的STC系列等公司的兼容產(chǎn)品，這些公司的51單片機封裝、引腳與Intel公司的MCS-51系列單片機完全兼容。51系列單片機有不同封裝形式，外觀各不相同。本設計選用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52型號的單片機。 2.2.1 51單片機引腳與功能說明 如左圖2-2所示為40腳雙列直插式封裝8051單片機引腳圖。按照其引腳功能來分，可以分為四組。下面分別說明這些引腳的名稱和功能。 1. 電源與地引腳 Vcc：電源引腳，用于接+5V電源。 Vss:接地引腳，連接時接公共地端 2. 時鐘電路引腳 X1：接外部石英晶體和補償電容一端；如果使用外部時鐘源，則該引腳應該接地。實際上該引腳為片內(nèi)振蕩電路放大器部分的輸入端。 X2：接外部石英晶體和補償電容的 圖2-2 18051的引腳排列 另一端；在使用外部時鐘源時，該引腳作為外部時鐘源的輸入端。在片內(nèi)該引腳為振蕩電路放大器的輸出端。 3. I/O端口引腳 51系列單片機I/O端口的個數(shù)依據(jù)封裝、引腳不同也不相同，40腳封裝的芯片共有4個8位端口，分別是P0、P1、P2、P3，這些端口大都為復用功能，分別說明如下。 P0口：端口P0共有8根引腳，分別表示為P0.0，P0.1，．．．，P0.7。P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口，作為漏極開路的輸出端口，每位可以驅動8個LS型TTL負載。 P0口有兩種使用方式：一種是作為普通并口使用，可以直接連外部設備或外設接口，如連接LED驅動電路，作為普通并口時的端口地址為80H；第二種使用方式是單片機需要外部片外存儲器時，P0口作為總線使用。作總線使用時，P0口采用分時工作，用于低8位地址或8位數(shù)據(jù)復用總線。 P1口：P1口也有8根引腳，記為P1.0，P1.1，…，P1.7.P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口，P1口的每味能驅動4個LS型TTL負載。在P1口用作輸入口時，應先向口鎖存器（地址90H寫入全1），此時，端口引腳由內(nèi)部上拉電阻上拉成高電平。 P2口：P2口的8根引腳記為P2.0，P2.1，…P2.7。P2口也是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口。P2口的每位也可以驅動4個LS型TTL負載。P2口也有兩種使用方式：一種是作為普通并口使用，作為普通并口時的端口地址為A0H；二是單片機需要外接片外存儲器時，P2口要作為地址總線使用，做地址總線使用時，P2口用于高8位地址總線。 P3口：P3口也是8根引腳，記為P3.0，P3.1，…P3.7。P3口也是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口，P3口的每位能驅動4個LS型TTL負載，端口地址為B0H。 P3口與其他I/O端口最大的區(qū)別在于它除作為一般準雙向I/O端口外，P3口的每個引腳還具有專門的第二功能，也就是說，P3口也有兩種應用方式。其一是作為普通并口使用，其二適用于特殊功能引腳（也稱為第二功能），其特殊功能規(guī)定與說明如表2-1所示。 表2-1 P3口的特殊功能規(guī)定 P3口引腳 P3口引腳特殊功能說明 P3.0 RXD（串行口輸入） P3.1 TXD（串行口輸出） P3.2 INT0（外部中斷0輸入） P3.3 INT1（外部中斷1輸入） P3.4 T0（定時器0的外部輸入） P3.5 T1（定時器1的外部輸入） P3.6 WR（片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通控制輸出） P3.7 RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通控制輸出） 4. 控制信號引腳 PSEN：程序存儲器選通信號引腳。CPU在訪問片外程序存儲器時，該引腳輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。8051的PSEN引腳可以直接驅動8個LS型TTL負載。當負載過大而超過該引腳驅動能力時，可以在引腳后面先加上驅動芯片，經(jīng)驅動芯片再對負載實現(xiàn)驅動。 ALE/PROG：該引腳有兩個功能，其一是地址鎖存允許（ALE）信號引腳。當CPU訪問外部數(shù)據(jù)存儲器RAM或程序存儲器ROM，由于地址信號低8位與數(shù)據(jù)總線都是P0提供，為分時復用總線，所以當單片機先給出地址信號后，由于地址信號低8位與數(shù)據(jù)總線都是P0提供，為分時復用總線，所以當單片機先給出地址信號后，由ALE信號作為輸出地址低8位的地址鎖存使能信號，把地址低8位鎖存到鎖存器中。該引腳的第個功能就是片內(nèi)存儲器編程脈沖輸入引腳。 EA/Vpp ：EA是訪問外部存儲器的控制信號。如果EA端接高電平，程序存儲器地址值小于0FFFFH（4KB程序地址）時，8051CPU會到片內(nèi)程序存儲器中取指令。當?shù)刂分党?FFFFH時，單片機將自動尋址片外程序存儲器的程序。如果EA為低電平，CPU僅訪問片外程序存儲器，不會訪問片內(nèi)存儲器。另外Vpp為編程電源功能，當對51單片機內(nèi)部EPROM編程時，Vpp引腳接編程電源（12.5V）。 RST/VPD：RST引腳是復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持2個機器周期（24個時鐘振蕩周期的高電平）時就可以完成對單片機的復位操作。該引腳的第二功能VPD即備用電源的輸入端，當主電源Vcc發(fā)生故障或降低到低電平規(guī)定值時，將+5V電源自動接入VPD端，為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM提供備用電源，以保證存儲在RAM中的信息不丟失，以使復電后能繼續(xù)正常工作。 控制線除以上4根線以外，還有P3口的P3.6和P3.7第二功能也可以作為控制線，主要用作對片外存儲器讀寫控制。 WR（P3.6）：用于片外存儲器寫控制，低電平有效。該信號接在片外存儲器的寫信號端上，當WR信號到來時，完成對外部存儲器寫入操作。 RD（P3.7）：用于片外存儲器讀控制，低電平有效。該信號接在片外存儲器的讀信號端上，當RD信號到來時，完成對外部存儲器讀取操作。 2.3 調速系統(tǒng)的設計 本設計采用PWM調速系統(tǒng)。PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。 2.3.1 PWM逆變電路及其控制方法 2.3.1.1 計算法 根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準確計算出來，按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計算法。 2.3.1.2 調制法 把希望輸出的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。 2.3.2 PWM調速的優(yōu)點 由于PWM調速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。 由于電力電子器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 3 硬件電路的選擇與搭建 本設計中的硬件部分包括傳感器的選擇、單片機控制電路的設計、驅動電路的設計、循跡模塊的設計以及小車的運動狀態(tài)分析等。小車的核心控制部件采用宏晶公司生產(chǎn)的8位單片機STC89C52，小車可通過識別黑色線條來控制方向和轉速。 3.1 單片機的輔助電路 單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng).對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路.如下圖3-1所示為51單片機的最小系統(tǒng)電路圖. 3.1.1 時鐘電路 單片機芯片內(nèi)部有一個放大倍數(shù)很高的反向放大器，其輸入端為引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2，單片機的時鐘電路有兩種構成方式。 本設計采用內(nèi)部時鐘方式，這種方式采用在XTAL1與XTAL2間外接石英晶體振蕩器和補償電容。晶振和補償電容均外接電路，反向放大器電路在單片機內(nèi)部，由外部晶振與內(nèi)部反向放大器共同構成振蕩電路。在內(nèi)部時鐘源方式下，時鐘信號的頻率主要由晶振的固有諧振頻率決定電 3-1 51單片機最小系統(tǒng) 容主要起信號補償作用。 3.1.2 復位電路 所謂的系統(tǒng)復位，就是使CPU和單片機系統(tǒng)中各相關部件都處于一個確定初始狀態(tài)的過程。單片機系統(tǒng)的運行是從一個確定的初始狀態(tài)開始的，這個初始狀態(tài)只有通過對單片機系統(tǒng)復位才能達到。 3.2 單片機控制模塊的設計 智能循跡小車主要由STC89C52單片機電路、TCRT5000循跡模塊、L298N驅動模塊、直流電機、小車底板、電源模塊等組成。電動機調速控制方式有4種：開環(huán)調速、單閉環(huán)調速、雙閉環(huán)調速和三閉環(huán)調速。在本設計中采用單閉環(huán)調速系統(tǒng)。下圖3-2為循跡小車的系統(tǒng)控制框圖。 圖3-2 循跡小車控制框圖 引導線是小車跟蹤的目標，檢測系統(tǒng)檢測車的相對路徑，然后將此信息輸入到單片機，單片機處理此信息后，將控制命令輸出到驅動模塊，以控制小車的直流電機，保證小車快速平穩(wěn)地沿預先設定好的路線行駛。采用4個1.5V的可充電池組作為主電源。STC89C52單片機作為主控制器。采用電機驅動芯片L293D控制直流電機，而不使用步進電機。L293D是利用TTL電平進行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正轉、反轉和停止操作，亦能滿足直流減速電機的要求，用該芯片作為電機驅動具有的操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。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。這樣單片機和循跡傳感器組成了一個帶有反饋信號的系統(tǒng)。單片機控制模塊實物圖如下圖3-3所示。 圖3-3循跡小車控電路主板 3.3 驅動模塊的設計 對于驅動力不足和轉向問題，設計一般會采用兩種方法，一是設計由分離原件組成的驅動電路實現(xiàn)，另一種方法則是采用專用的驅動芯片來實現(xiàn)。由于專用的驅動芯片結構簡單、價格便宜、可靠性高等特點，因而被廣泛的應用實現(xiàn)電機的驅動。L298N 驅動模塊，采用 ST 公司原裝全新的 L298N 芯片， SMT 工藝穩(wěn)定性高，采用高質量鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作?？梢灾苯域寗觾陕?3-35V 直流電機，并提供了 5V 輸出接口（輸入最低只要6V），可以給 5V 單片機電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持 3.3V MCU和ARM 控制，可以方便的控制直流電機速度和方向，也可以控制 2相步進電機，5 線 4 相步進電機，是智能小車必備利器。驅動電路板如下圖3-4所示。 圖3-4 驅動電路板 3.3.1 電機驅動芯片 L298N 為雙 H 橋直流電機驅動芯片，其驅動部分端子供電范圍 Vs：＋5V～＋16V ；如果需要在板內(nèi)取電，則供電范圍為Vs：+6V～+16V。驅動部分峰值電流 Io為2A。邏輯部分端子供電范圍 Vss：＋5V～＋7V（可板內(nèi)取電＋5V）；邏輯部分工作電流范圍為0～36mA；控制信號輸入電壓范圍（IN1 IN2 IN3 IN4）為低電平時是－0.3V≤Vin≤1.5V，若為高電平則為2.3V≤Vin≤Vss。對于使能信號輸入電壓范圍（ENA ENB），低電平時為－0.3≤Vin≤1.5V（控制信號無效）；高電平時為2.3V≤Vin≤Vss（控制信號有效）。最大功耗為20W（溫度 T＝75℃時），存儲溫度為－25℃～＋130℃。H橋電路可以用下圖3-5表示其原理。 從圖中可以看出，假設開關A、D接通，電機正向轉動，而開關B、C接通時，直流電機將反向轉動，從而實現(xiàn)了電機的正向控制。當然實際應用中我們還可以得到其他兩種狀態(tài)。當剎車時，將A、C或B、D接通，則電機慣性轉動產(chǎn)生的電動勢將被短路，形成阻礙運動的感應電流，開成“剎車”作用。當惰行時，4個開關全部斷開，則電機慣性所產(chǎn)生的電動勢將無法開成電路，從而也就不會產(chǎn)生阻礙運動的感應 電流，電機將慣性轉動較長時間。 圖3-5 H橋電路 3.3.2 電機驅動模塊 本設計中電機驅動采用L298N為電機驅動芯片，該芯片驅動方式比較簡單，直接驅動兩個直流電機。具體電路圖如下圖3-5所示。 圖3-6 電機驅動模塊電路圖 3.4 循跡模塊的制作與設計 循跡光電傳感器的原理，就是利用黑線對紅外線不同的反射能力通過光敏二極管或光敏三極管，接收反射回的不同光強信號，把不同光強轉換為電流信號，最后通過電阻，轉換為單片機可識別的高低電平。光電傳感器的循跡模塊如下圖中3-7所示。 圖3-7 智能小車循跡模塊 在裝配循跡傳感器時需注意：循跡傳感器上面的電位器默認位置是“103”字樣的位置和板子是垂直的，此時的循跡靈敏度比較高，對黑色線的識別靈敏度不高，會誤認為是白色的，會導致循跡效果不好，所以做循跡使用的時候務必將電位器位置調節(jié)到如上圖所示的地方。其原理是降低循跡傳感器的靈敏度，注意：電位器順時針轉動時降低傳感器的靈敏度，逆時針轉動時增加傳感器的靈敏度，如果作為避障傳感器使用時可以適當加大傳感器的靈敏度，則可以往逆時針轉一定的角度。切記一點，不管是逆時針轉還是順時針轉都不能轉到底，要留出一點空間。 3.4.1 循跡傳感器工作原理 循跡傳感器工作原理：TC端是傳感器工作控制端，為高電平時，發(fā)光二極管不工作，傳感器休眠，為低電平時，傳感器啟動。Signal端為檢測信號輸出，當遇到黑線，黑線吸收大量的紅外線，反射的紅外線很弱，光敏三極管不導通，Signal輸出高電平；當遇到白線，與黑線相反，反射的紅外線很強，使光敏三極管導通，Signal輸出低電平。下圖3-8為循跡傳感器的電路圖。 圖3-8 循跡傳感器原理圖 這種探測方法，即利用紅外線在不同顏色的表面特征，具有不同的反射性能，汽車行駛過程中接收地面的紅外光。當紅外光遇到白色路線，地板發(fā)生漫反射，安裝在小型車的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路線，紅外光將被黑線吸收，安裝在小車上的接收管沒有收到紅外光。控制器會根據(jù)是否收到反射的紅外光為判斷依據(jù)來確定的黑線的位置和小車的路線。紅外探測器距離通常是不應超過15厘米的。紅外發(fā)射和接收紅外線感應器，可以使自己或直接使用集成紅外探頭。調整左右傳感器之間的距離，兩探頭距離約等于黑線寬度最合適，選擇寬度為3 – 5厘米的黑線。該傳感器的靈敏度是可調的，傳感器有時遇到黑線卻不能送出相應的信號，通過調節(jié)傳感器上的可調電阻，適當?shù)脑龃蠡驕p小可改變靈敏度。另外，循跡傳感器的放置也是有講究的，有兩種方法，一種是兩個都是放置在黑線內(nèi)側緊貼黑線邊緣，第二種是都放置在黑線的外側，同樣緊貼黑線邊緣。本設計采用第二種方法。 單片機燒錄程序后，就可以執(zhí)行循跡指令了。如果小車向前行駛時向左偏離了黑線，那么右邊傳感器會產(chǎn)生一個高電平，單片機判斷這個信號，然后向右拐回到黑線。兩傳感器輸出信號為低電平時，小車前進。如果小車向右偏離黑線，左邊傳感器產(chǎn)生一個高電平，單片機判斷這個信號，然后向左拐。這樣，小車一定不會偏離黑線。若兩個光電傳感器同時輸出的信號為高電平，即單片機判斷的都為高電平時，小車向前直走。 3.4.2 尋光電路分析 如下圖3-9所示為尋光電路 圖3-9 尋光電路原理圖 V2的電壓計算公式為： 電阻R6為固定值不變有光照時R1變小，此時V2變大。當無光照時R1變大，則V2變小。有光照情況時光敏電阻R1變小，V2變大。 假設V2=4.6VT，V3電壓為 4V，則V2>V3 反向端大于同向端，運放作為比較器部分 ，則OUT5輸出低電平為低0給單片機識別，單片機通過if來掃描out5給的引腳。 3.4.3 循跡電路分析 該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不 同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、 應用也比較普遍的檢測方法——紅外探測法。 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理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，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)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，則小車上的接收管接收不到信號。 3.4.3.1 紅外對管TCRT500 TCRT5000紅外對管工作原理：工作時由藍色發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線由遮擋物反射回來被接收管接收。接收反射光線后的接收管呈導通狀態(tài)，與一電阻串聯(lián)即可構成一個由發(fā)射管控制的分壓電路，由此可實現(xiàn)對遮擋物反射光線強度的檢測。我們經(jīng)常利用這一特性去實現(xiàn)顏色識別。其原理圖如下圖3-10所示。 圖3-10 TCRT5000原理圖 在小車行駛過程中發(fā)射管不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)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，則小車上的接收管接收不到信號。如圖 3-10 軌跡識別電路所示，發(fā)射管（1、2 端）與阻值為 330 歐姆的電阻串聯(lián)發(fā)射紅外線。接收管（3、4）與阻值為 47K 歐姆的電阻串聯(lián)。在沒有接收到反射光線時接收管截止呈高阻態(tài)，TX 輸出高電平。當接收管接收到反射光線時，接收管被導通，并且電阻遠小于47K，TX 輸出低電平。對于光電傳感器沒有檢測到黑線時，則H4發(fā)光到白紙光反射到H4接收端，H4接收端導通，導通則T1接地=0。若有檢測到黑線，則H4發(fā)光到黑線光全部被吸收，H4接收端，沒有收到任何信號，因為H4不導通（截止），則T1=VCC。 3.4.3.2 電壓比較器 LM324 LM324電壓比較器工作原理：該芯片內(nèi)部有四組比較器，原理就是反向輸入端與同向輸入端的電壓進行比較，若同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓，則比較器的輸出端輸出高電平+5V；若同向輸入端的電壓小于反向輸入端的電壓，則比較器的輸出端輸出低電平0V。下圖3-11為LM324的原理圖。 圖3-11 電壓比較器LM324電路圖 即當傳感器檢測到白紙有接收到反射光時，LM324的2腳比較器反向端T1=0V，3腳比較器同向端=3V；同向端大于反向端則OUT1輸出高電平。檢測到黑線沒接收到反射光了，LM324的2腳比較器反向端T1=5V，3腳比較器同向端=3V，反向端大于同向端則OUT1輸出低電平。 LM324的調試方法為：看黑色物體遮擋傳感器檢測T1腳電壓變化是否正常，調節(jié)電位器R13,使得3腳電壓介于（2腳）T1電壓的最大和最小值之間。 3.5 各模塊的組裝與連接 這里應該把電機驅動輸入端接到單片機的 P0 上，因為 P0 口我們外接有上拉電阻，其他 I/O 口雖然集成上拉電阻但驅動能力太弱，很不穩(wěn)定。如果把驅動輸入端接到 P0 口仍不太受控，可以嘗試將上拉電阻改為 1K 或更小的。）循跡模塊輸出端分別接單片機的 P1.0、P1.1、P1.2。注意分別對應右邊的光電管輸出端（從循跡板對應的右邊光電管信號輸出端接至單片機 P1.0）、左邊的光電管輸出端（從循跡板對應的左邊光電管信號輸出端接至單片機 P1.1）、前邊的光電管輸出端（從循跡板對應的前邊光電管信號輸出端接至單片機 P1.2）。連接好的事物圖如下圖所示。 圖3-12 小車事物圖 4 循跡小車的軟件設計 4.1 軟件設計開發(fā)平臺 本設計采用Keil C51單片機軟件開發(fā)平臺，Keil μ Vision系列是德國Keil Software公司出品的51系列單片機C語言集成開發(fā)系統(tǒng)。該平臺可用于編輯C或匯編源文件。它提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，是目前使用最廣泛的C51集成開發(fā)環(huán)境。 4.2 小車運動狀態(tài)分析及三路算法的設計 4.2.1 小車運動狀態(tài)分析 小車在運行過程中可以前進，可以后退，也可以轉彎。只需控制電機的轉速與轉向即可。下圖4-1為小車結構圖。 該結構是由2個輪胎，減速箱+電機2套 2個后輪，黃色底盤 以及PCB敷銅板和亞克力板等組成。 從左圖我們可以看出控制小車的核心方法就是通過單片機來控制電機的轉速及轉向。 圖4-1小車結構圖 我們可用如下表4-1所示內(nèi)容來表明電機的運動狀態(tài)。 表4-1電機運動狀態(tài) 左電機 右電機 P1.3（LA） P1.2（LB） 電機狀態(tài) P1.1（RA） P1.0（RB） 電機狀態(tài) 0 0 不轉 0 0 不轉 0 1 前轉 0 1 前轉 1 0 后轉 1 0 后轉 1 1 不轉 1 1 不轉 下表所示為小車在跑道上的運動狀態(tài)，可前進后退，也可轉彎，具體事由 單片機P1口各I/O口的電平高低決定的。 表4-2小車運動狀態(tài) P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 小車運動狀態(tài) 0 1 0 1 前進 1 0 1 0 后退 1 1 0 1 左轉彎 0 1 1 1 右轉彎 4.2.2 三路循跡算法設計 如左圖4-2所示，如果中間探測頭P0.1右測到黑線，則小車前進?？捎萌缦鲁绦虮硎?。 if(P0==0x05) { P1=0X05 } 如果右邊探測頭P0.2測到黑線，則小車偏了，小車左轉彎。則可用如下程序表示。 圖4-2小車結構圖 if(P0==0x03) { P1=0X0D } 如果左邊探測頭P0.0測到黑線，則小車偏了，小車右轉彎。 if(P0==0x06) { P1=0X07 } 由上述分析可寫出如下所示循跡核心程序 X=P0&0XFF; switch(X) { case 0x00:P1=0x0f； break； case 0x01:P1=0x0d； break； case 0x02:； break； case 0x03:P1=0x0d； break； case 0x04:P1=0x07； break； case 0x05:P1=0x05； break； case 0x06:P1=0x07； break； case 0x07:； break； default: break; } 4.3 軟件設計流程圖 單片機初始化程序后，小車通過傳感器判定路況并設定狀態(tài)，通過光電傳感器檢測到的光電信號，來控制小車運行狀態(tài)，具體程序如下所示。 4.4 軟件的調試 程序寫好后一般都會有各種錯誤，有些錯誤是語法錯誤，編譯器在編譯時會給出提示，按照提示進行修改即可。還可能有不容易發(fā)現(xiàn)的邏輯錯誤、算法的不完善等問題，這些問題只能通過反復調試來解決。Keil μ Vision提供了多種調試方法幫助我們對程序進行調試。 4.4.1 設置和刪除斷點 在軟件開發(fā)過程中，設置斷點+單步運行是最常用的程序調試方法。在程序可能出現(xiàn)問題的地方加上斷點，當程序運行到斷點處會停止，這時再采用單步方式來運行。這種做法能夠有效地縮小出錯范圍，幫助我們更快地找到出現(xiàn)問題的程序塊。 當程序編譯之后，通過Debug菜單下的Start/Stop Debug Session命令啟動Keil μ Vision的調試界面，這時我們在源程序窗口待添加斷點的行號前雙擊鼠標，就可以在該行添加一個斷點。也可以通過View菜單下的Disassemblely Window選項查看源程序反匯編以后的匯編代碼窗口（這里的匯編代碼與項目中的C51源程序是對應的，在這兩個窗口添加斷點是等效的），并在該窗口中雙擊待添加斷點。在其中一個窗口添加斷點后另一個窗口也會自動在相應位置加上斷點。再次雙擊斷點可以取消該斷點。 4.4.2 查看和修改寄存器的內(nèi)容 在調試過程中，可以通過View菜單下的Registers Windows來查看各寄存器的內(nèi)容，由于它們都是通過軟件仿真來模擬的，并非真正運行在MCS-51單片機上，所以我們不僅可以觀察程序運行過程中各寄存器的值，還可以在需要時，在程序運行過程中進行修改，只要雙擊該數(shù)值，修改完畢后按回車鍵即可。 4.4.3 觀察和修改變量 通過View菜單下的Watch Windows/Watch1或Watch2子菜單可以打開一個查看窗口，如圖4-3所示。在查看窗口中雙擊或按下F2可以添加想要查看的變量或寄存器值，包括程序中定義的變量、定時器/計數(shù)器的計數(shù)值、I/O接口狀態(tài)等，雙擊變量的當前值可以改變它。 圖4-3 調試界面窗口 4.4.4 查看存儲器區(qū)域 Keil μ Vision允許區(qū)域性的觀察和修改所有的存儲器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是由軟件模擬得到的。 由于MCS-51單片機的存儲器資源可以被劃分成4個區(qū)域：內(nèi)部可直接尋址RAM區(qū)data、內(nèi)部間接尋址RAM區(qū)idata、外部RAM區(qū)xdata、程序存儲器ROM區(qū)code。 為了區(qū)分這些區(qū)域，Keil μ Vision將它們分別表示為D、I、X、C。例如，D：0x00表示內(nèi)部直接可尋址RAM區(qū)從0x00處開始的存儲單元。通過這種表示方法，可以準確描述我們想要觀察或修改的存儲區(qū)域。 結 論 本設計循跡小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”。本設計中采用紅外探測法。紅外探測法，即利用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。智能小車應用前景廣闊，它可以按照預先設定的模塊在一個特定的環(huán)境里自動的運行，可運用于科學勘探等用途，無需人為的管理，便可以完成預期所要達到的或更高的目標。智能機器人正在代替人們完成這些任務，凡不宜有人直接承擔的任務，均可由智能機器人代替，可以適應不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險地段，人類無法介入等特殊情況下的任務，智能小車就是其中的一個體現(xiàn)。智能車輛又稱為輪式移動機器人，是移動機器人的一種，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動駕駛等多種功能于一體的綜合體統(tǒng)。如果將以上技術引用到現(xiàn)實生活中，可以使我們的未來生活變得更加智能。除了潛在的軍用價值外，還可以應用于科學研究、地質勘探、危險搜索、智能救援等，其在交通運輸中的應用前景也受到西方國家的普遍關注。 參考文獻 [1] 鄧興成，姜寶鈞.單片機原理與實踐指導［M］. 成都：電子科技大學出版社，2004.. 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