1、東 北 石 油 大 學 課 程 設 計課 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 2013年 7 月 8日20 / 25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)學號一、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行檢測。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”轉動停止傳感器 “中”轉動轉動傳感器 “右”停止轉動3 基本電路包括：單片機最小系統(tǒng)、電

2、機驅動電路等；4 提交設計報告、電路圖與程序源碼。三、參考資料1 毅剛,單片機原理與應用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,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 6月 29 日目 錄第1章緒論11.1 AT89C51單片機的概

3、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)調試與測試結果分析125.1 使用的設備與軟件125.2 系統(tǒng)調試125.3 測試結果13結論14參考文獻15附錄1 程序16附錄2 仿真效果圖19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

4、綜合系統(tǒng)，集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航與白動控制等技術，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。1.1 AT89C51單片機的概述AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8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

5、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)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片振蕩器與時鐘電路。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。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口與中

6、斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的容，但振蕩器停止工作并禁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，若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，若接收不到發(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較器轉換成數(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行道路檢測，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)，通過電機驅動芯片L298N發(fā)出控制命令，控制電機

7、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)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)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，并把結果轉換為電信號傳到單片機中，由單片機對電信號進行分析計算，控制電機做出正確的反應，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、電動機驅動模塊等。下面對各模塊的設計逐一進行論證比較。2.1 電源模塊由于

8、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，電壓達到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。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復利用，因此，這種方案比較可行。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12

9、V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動能力以與穩(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較低。 比較以上三種方案，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、易于進行功能擴展。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

10、求也不是非常高。且從使用與經(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、驅動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、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)主要是進行尋跡運行的檢測以與電機的控制。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。2.3 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

11、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)過比較器就可以輸出高低電平。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表面具有不同的反射性質的特點，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，若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，若接收不到發(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高低電平為依據(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

12、探頭。 經(jīng)測試，此種方法簡單可靠。 經(jīng)反復對比后，采用方案二。2.4 電動機驅動模塊方案一：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。線性型驅動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉距運行時，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行控制,通過開關的切換對小車的速度進行調整.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作為電機驅動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片L2

13、98N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動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。且由L298N結合單片機可實現(xiàn)對小車速度的精確控制。這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速圍廣、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、制動和反轉等優(yōu)點。 對以上三個方案進行比較，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AT89C51單片機L298N芯片直流電機（兩組）紅外傳感器（3組）電壓比較器LM324圖2-1 總體硬件組成框圖系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)主

14、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)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片振蕩器與時鐘電路。3.1.1 AT89C51單片機的引腳AT89C51單片機共有四十

15、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)進行處理后，作出反應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，我們只保留了晶振和復位電路。單片機最小系統(tǒng)的電路如圖3.2所示。圖3.1 AT89C51單片機引腳圖 圖3.2 單片機最小系統(tǒng)原理圖3.2 電機驅動電路我們采用電機驅動芯片L298N作為電機驅動

16、。3.2.1 L298芯片的概述電機驅動芯片L298N是SGS公司的產(chǎn)品，部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動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，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。也利用單片機產(chǎn)生PWM信號接到ENA，ENB端子，對電機的轉速進行調節(jié)。L298N的5、7、10、

17、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調速以與正反轉等功能；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3.3 L298N芯片引腳圖3.2.2 電機驅動電路驅動電路的設計如圖3.4所示。圖3.4 電機驅動電路原理圖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較器兩部分組成，紅外對管輸出的模擬電壓通過電壓比較器轉換成數(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)管對路面進行檢測，采用LM324對紅外收發(fā)管傳回來的信號進行分析比較，并把比較結

18、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)的重要組成部分，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)的各部分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)，小車按照檢測結果行進。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 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)管對賽道進行檢測，當檢測到黑線時發(fā)出一個低電平信號。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 束圖4.2 循跡系統(tǒng)流程圖第

19、5章 系統(tǒng)調試與測試結果分析5.1 使用的設備與軟件計算機仿真系統(tǒng) Proteus單片機仿真系統(tǒng) Keil C5.2 系統(tǒng)調試根據(jù)系統(tǒng)設計方案，本系統(tǒng)的調試共分為三大部分：硬件調試，軟件調試和軟硬件聯(lián)調。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行逐級測試：穩(wěn)壓電源模塊、單片機系統(tǒng)模塊、電機控制模塊、自動循跡模塊的調試等，最后將各模塊組合后進行整體測試。5.2.1硬件調試分別對穩(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行調試，主要調試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。5.2.2軟件調試 軟件調試采用單片機仿真器Keil C與計算機，將編好的程序進行調試，主

20、要是檢查語法與語句錯誤，如果有錯誤則改正后重新調試，直到程序完全正確為止。5.2.3硬件軟件聯(lián)調將調試好的硬件和軟件程序進行聯(lián)調，主要調試系統(tǒng)的實現(xiàn)功能。若不能實現(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 測試結果此次系統(tǒng)設計結果較好，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，該側電機反轉，另一側電機停止，小車向該方向拐彎。 結 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)射和接受紅外線的原理進行自主循跡，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

21、能。在硬件設計中，開始一個模塊設計之前和完成一個模塊設計之后都要進行測試。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部分電路，測試一下是否正常，然后再進行總的電路設計。這樣循序漸進的進行設計可以節(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。從最簡單的程序開始，慢慢的調試和擴充。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、驅動等模塊，如果不排除硬件故障在調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)過多次調試和修改之后，最終實現(xiàn)了小

22、車的智能循跡功能，在行進過程中，檢測到路面上的黑線后，可以自主的做出反應，想黑線延伸的方向轉彎，沿著路面上的黑線行駛。參考文獻1 毅剛,單片機原理與應用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,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Keil C51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>#define uchar unsigned char#define uint unsigned charuchar IN,OUT;uchar su;sbit L=P32; sbit R=P33; void delay(uint z)uchar i,j;for(i=z;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void init()su=0;TMOD=0x01;EA=1;ET0=1;TH0=(65536-50)/256;TL