1、編號本科生畢業(yè)設計基于單片機控制的智能小車Based on microprocessor controlled intelligentcar學 生 姓 名專 業(yè)自 動 化學 號指 導 教 師分 院電子工程分院2012年 6 月摘要隨著人們生活水平的提高，一些瑣碎的家務，以及一些高危工作，人們考慮用機器去替代，這樣智能的電動小車就成為最為普遍的實現(xiàn)各種功能的載體。智能小車是一種能夠通過編程手段完成特定任務的小型化機器人，它具有制作成本低廉，電路結構簡單，程序調試方便等優(yōu)點。采用89C51單片機為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以

2、自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。整個系統(tǒng)的電路結構簡單，可靠性能高。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：單片機 傳感器電動小車ABSTRACTWith the improvement of peoples living standard,people consider the use of machines to replace to do some trivial domestic as well as high-risk work.Smart cars can be programmed to perform a specific

3、task means the miniaturization of robot, it has to make cost low, circuit structure is simple,convenient program test.Adopting 89C51for controlling core, super sonic sensor for test the hinder. It can run in a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the

4、speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze.Keyword:Single chip computerSensorEl

5、ectricity motive small car目 錄緒論1第一章系統(tǒng)結構及組成21.1系統(tǒng)結構21.2系統(tǒng)組成2第二章硬件設計42.1控制器模塊42.2測速模塊92.3報警模塊112.4 控速模塊112.5 顯示模塊122.6 循跡模塊14第三章軟件設計163.1 PWM控制163.2 總體軟件流程圖163.3小車循跡流程圖173.4中斷程序流程圖18第四章仿真與調試2041 Proteus簡介204.2 硬件調試214.3 軟件調試23結論25致謝26參考文獻27附錄28緒論本設計采用MCS-51系列中的89C51單片機。以89C51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電

6、動小汽車的自動避障，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，自動尋跡和尋光功能。80C51是一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。它是第三代單片機的代表。第三代單片機包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產品，以89C51為核心推出的大量各具特色與89C51兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術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，將一些外部接口功能單元如A/DPWMPCA(可編程計數器陣列)WDT(監(jiān)視定時器)高速I/O口計數器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配

7、置了芯片間的串行總線，為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機89C51系列8C592單片機引入了具有較強功能的設備間網絡系統(tǒng)總線-CAN(Controller Area Network BUS).新一代單片機為外部提供了相當完善的總線結構，為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎。 本設計就采用了比較先進的89C51為控制核心，89C51采用CHOMS工藝，功耗很低。該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際相結合，現(xiàn)實意義很強。第一章系

8、統(tǒng)結構及組成1.1系統(tǒng)結構確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現(xiàn)對電動車的智能控制。系統(tǒng)機構框圖如圖1-1所示。圖1-1系統(tǒng)結構框圖1.2系統(tǒng)組成1） 霍爾測速模塊采用型號為A3144的霍爾片作為霍爾測速模塊的核心，該霍爾片體積小，安裝靈活，價格合理，可用于測速，可與普通的磁鋼片配合工作。2） 單片機模塊采用型號為AT89C51的單片機作為主控制器，使用霍爾傳感器進行測量的直流電機轉速測量系統(tǒng)。AT89C51是帶4K字節(jié)閃爍可編程擦除只讀存儲器的低電壓、高性能C

9、MOS8位微處理器。它將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為許多控制提供了靈活性高且價格低廉的方案。3）顯示模塊采用LCD液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強大,可顯示大量文字,圖形,顯示多樣,清晰可見,并且連接很方便 ,所以在此設計中采用了LCD液晶顯示屏。4）報警模塊采用蜂鳴器與發(fā)光二極管作為聲光報警主要器件。該方案不論在硬件焊接方面還是在編寫軟件方面都簡單方便，而且成本低廉。5）電源模塊采用交流220V/50Hz電源轉換為直流5V電源作為電源模塊。該方案實施簡單，電路搭建方便，可作為單片機開發(fā)常備電源使用。第二章 硬件設計2.1控制器模塊單片機(Single-Chip-Micr

10、ocomputer)又稱為單片微控制器，其基本結構是將微型計算機的基本功能部件：中央處理器（CPU）、存儲器、輸入口、輸出口、定時器/計數器、中斷系統(tǒng)等全部集中在一個半導體芯片上。單片機結構上的設計，在硬件、指令系統(tǒng)及I/O能力等方面都有獨到之處，具有較強而有效的控制功能。雖然單片機只是一個芯片，但無論從組成還是從其邏輯功能上來看，都具有微機系統(tǒng)的含義。另一方面，單片機畢竟是一個芯片，只有外加所需的輸入、輸出設備，才可以構成實用的單片機應用系統(tǒng)。 AT89c51單片機AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasab

11、le Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。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AT89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價格低廉的方案。主要功能特性：1.與MCS-51 兼容 2.4K字節(jié)可編程FLASH存儲器3.壽命：1000寫/擦循環(huán)4.數據保留時間：10年5.全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz 6.三級程序存儲器鎖定7.128×8位內部RAM 8.32可編程I/O線9.兩個16

12、位定時器/計數器10.5個中斷源11.可編程串行通道12.低功耗的閑置和掉電模式13.片內振蕩器和時鐘電路2.1.2 AT89C51各引腳功能介紹：VCC：AT89C51電源正端輸入，接+5V。VSS：電源地端。XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 20PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機。RESET：AT89S52的重置引腳，高電平動作，當要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間

13、，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內部特殊功能寄存器之內容均被設成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀圖2-1AT89C51引腳入程序代碼而執(zhí)行程序。EA/Vpp："EA"為英文"External Access"的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因為其內部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內部EPROM時，可以利用此引

14、腳來輸入21V的燒錄高壓（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。AT89S52可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0A7）鎖進鎖存器中，因為AT89S52是以多工的方式送出地址及數據。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。PSEN：此為"Program Store Enable"的縮寫，其意為程序儲存

15、啟用，當8051被設成為讀取外部程序代碼工作模式時（EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。AT89S52可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數據存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一個8位寬的開路汲極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內部有一提升電路，P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載。如果當EA引腳為低電平時（即取用外部程序

16、代碼或數據存儲器），P0就以多工方式提供地址總線（A0A7）及數據總線（D0D7）。設計者必須外加一鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲器空間。PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有內部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載，若將端口2的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。P2除了當做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52擴充外接程序存儲器或數據存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8A15，這個時候P2便不能當做I/O來使用了。PORT1（P1.0P1.7）：

17、端口1也是具有內部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個LS TTL負載，同樣地若將端口1的輸出設為高電平，便是由此端口來輸入數據。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當做定時器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有內部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數控制及外部數據存儲器內容的讀取或寫入控制等功能。其引腳分配如下：P3.0：RXD，串行通信輸入。P3.1：TXD，串行通信輸出。P3.2：I

18、NT0，外部中斷0輸入。P3.3：INT1，外部中斷1輸入。P3.4：T0，計時計數器0輸入。P3.5：T1，計時計數器1輸入。P3.6：WR：外部數據存儲器的寫入信號。P3.7：RD，外部數據存儲器的讀取信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈

19、沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編

20、程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.1.3 定時器與外部中斷8951單片機內部有兩個16位可編程定時器/計數器，記為T0和T1。它的工作方式可以通過指令對相應的特殊功能寄存器編程來設定，或作定時器用，或作外部事件計時器用。定時器/計數器在硬件上由雙字節(jié)加法計數器TH和TL組成。作定時器使用時，計數脈沖由單片機內部振蕩器提供，計數頻率為f /12,每個機器周期加1。8051單片機定時器/計數器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD編程決定，定時器/計數器的啟動運行由特殊功能寄存器TCON編程控制。不論用作定時器還是計數器，

21、每當產生溢出時，都會向CPU發(fā)出中斷請求。單片機的定時器的工作原理是利用了寄存器的溢出來觸發(fā)中斷的,所以在寫定時器的時候就要去算計數的增量,再根據單片機的晶振的頻率就可以算出確定的時間了。定時器主要用到了2個寄存器,一個為TCON,另一個為TMOD。TCON是用來控制定時器的啟動與停止的。TMOD是用來設置定時器的模式的。8051單片機的定時器/計數器是可編程的，在進行定時或計數操作之前要進行初始化編程。通常8051單片機定時器/計數器的初始化編程包括如下幾個步驟:1.確定工作方式，即給方式控制寄存器TMOD寫入控制字。2.計算定時器/計數器初值,并將初值寫入TH和TL。3.根據需要對中斷控制

22、寄存器IE置初值，決定是否開放定時器中斷。4.使運行控制寄存器TCON中的TR0或TR1置“1”，啟動定時器/計數器。外部中斷：對某個中央處理機而言，它的外部非通道式裝置所引起的中斷稱為外部中斷。51單片機的外部中斷有兩種觸發(fā)方式可選：電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)。選擇電平觸發(fā)時，單片機在每個機器周期檢查中斷源口線，檢測到低電平，即置位中斷請求標志，向CPU請求中斷。選擇邊沿觸發(fā)方式時，單片機在上一個機器周期檢測到中斷源口線為高電平，下一個機器周期檢測到低電平，即置位中斷標志，請求中斷。應用時需要特別注意的幾點：1電平觸發(fā)方式時，中斷標志寄存器不鎖存中斷請求信號。要使電平觸發(fā)的中斷被CPU響應并執(zhí)行，必

23、須保證外部中斷源口線的低電平維持到中斷被執(zhí)行為止。因此當CPU正在執(zhí)行同級中斷或更高級中斷期間，產生的外部中斷源（產生低電平）如果在該中斷執(zhí)行完畢之前撤銷（變?yōu)楦唠娖剑┝耍敲磳⒌貌坏巾憫腿缤瑳]發(fā)生一樣。同樣，當CPU在執(zhí)行不可被中斷的指令（如RETI）時，產生的電平觸發(fā)中斷如果時間太短，也得不到執(zhí)行。2邊沿觸發(fā)方式時，中斷標志寄存器鎖存了中斷請求。中斷口線上一個從高到低的跳變將記錄在標志寄存器中，直到CPU響應并轉向該中斷服務程序時，由硬件自動清除。因此當CPU正在執(zhí)行同級中斷（甚至是外部中斷本身）或高級中斷時，產生的外部中斷（負跳變）同樣將被記錄在中斷標志寄存器中。在該中斷退出后，將被

24、響應執(zhí)行。如果不希望這樣，必須在中斷退出之前，手工清除外部中斷標志。3中斷標志可以手工清除。一個中斷如果在沒有得到響應之前就已經被手工清除，則該中斷將被CPU忽略。就如同沒有發(fā)生一樣。2.1.4最小系統(tǒng)圖該系統(tǒng)主要用到的是單片機，要使單片機工作起來最基本的電路構成是最小系統(tǒng)圖，其中包括電源電路、時鐘電路、以及復位電路該最小系統(tǒng)圖如2-2所示：圖2-2 單片機最小系統(tǒng)2.2測速模塊 霍爾元件根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。霍爾傳感器是對

25、磁敏感的傳感元件，常用于開關信號采集的有CS3020、CS3040等，這種傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖2-3所示是CS3020的外形圖，將有字面對準自己，三根引腳從左向右分別是Vcc，地，輸出。圖2-3 CS3020外形圖測量電機轉速的第一步就是要將電機的轉速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數。霍爾器件作為一種轉速測量系統(tǒng)的傳感器，它有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點，因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號，其基本的測量原理如圖2-6所示，當電機轉動時，帶動傳感器

26、運動，產生對應頻率的脈沖信號，經過信號處理后輸出到計數器或其他的脈沖計數裝置，進行轉速的測量。 測速電路原理圖測速的方法決定了測速信號的硬件連接，測速實際上就是測頻，因此，頻率測量的一些原則同樣適用于測速。通常可以用計數法、測脈寬法和等精度法來進行測試。所謂計數法，就是給定一個閘門時間，在閘門時間內計數輸入的脈沖個數；測脈寬法是利用待測信號的脈寬來控制計數門，對一個高精度的高頻計數信號進行計數。由于閘門與被測信號不能同步，因此，這兩種方法都存在±1誤差的問題，第一種方法適用于信號頻率高時使用，第二種方法則在信號頻率低時使用。等精度法則對高、低頻信號都有很好的適應性。圖2-4是測速電路

27、的信號獲取部分，在電源輸入端并聯(lián)電容C2用來濾去電源尖嘯，使霍爾元件穩(wěn)定工作。HG表示霍爾元件，采用CS3020，在霍爾元件輸出端（引腳3）與地并聯(lián)電容C3濾去波形尖峰，再接一個上拉電阻R2，然后將其接入LM324的引腳3。用LM324構成一個電壓比較器，將霍爾元件輸出電壓與電位器RP1比較得出高低電平信號給單片機讀取。C4用于波形整形，以保證獲得良好數字信號。LED便于觀察，當比較器輸出高電平時不亮，低電平時亮。微型電機M可采用 型，通過電位器RP1分壓，實現(xiàn)提高或降低電機轉速的目的。C1電容使電機的速度不會產生突變，因為電容能存儲電荷。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或

28、低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系)： 當“”輸入端電壓高于“”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平； 當“”輸入端電壓低于“”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平；比較器還有整形的作用，利用這一特點可使單片機獲得良好穩(wěn)定的輸出信號，不至于丟失信號，能提高測速的精確性和穩(wěn)定性。圖2-4測速電路原理圖2.3報警模塊蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發(fā)聲器件。報警器的種類很多，比如：揚聲器、蜂鳴器等，本設計中選用電磁式蜂鳴器作為報警器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成

29、。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。2.4 控速模塊采用專用芯片L298 作為電機驅動芯片。L298N驅動直流電機，它靠四個引腳控制兩個個電機的運動。小車采用左右輪控制前進和轉向，后面一個輪子為萬向輪，使小車能夠轉到任何方向。用6V電源為電機供電，并且還在單片機和L298N之間加入光電耦合器對控制電路電源與電動機電源隔離，避免了由單電源供電時電機起停產生的大電流對單片機和其他模塊的影響。 圖2-5 驅動電路L298 是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，一片L298 可以控制兩個直流電機，而且還帶有控制

30、使能端。分別獨立控制左右兩個電機的起停和轉向，保證兩路電機參數的對稱，有利于保持小車行駛的穩(wěn)定性和精確性，用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。2.5 顯示模塊1.1602字符型LCD簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。2.1602的基本參數及引腳功能1）

31、1602LCD類型1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，兩者尺寸差別如圖2-6所示。圖2-6 1602帶背光與不帶背光差別圖 2）LCD1602主要技術參數：顯示容量:16×2個字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3）1602LCD引腳1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如下：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液

32、晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數據線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。4）其與單片機的連接如圖2-7

33、所示。 圖2-7 LCD連接圖 2.6 循跡模塊采用兩個光電傳感器組成檢測電路。探測路面黑線的大致原理是:光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數不同，根據接收到的反射光強弱判斷是否沿黑線前進10。在車底中部安裝了三組光電傳感器，將他們置于運行軌跡中間，其間距調整為大于黑線的寬度。光電傳感器接受到不同的顏色后會有不同的電平輸出。本電路中當光電傳感器檢測到黑色，三腳輸出為高電平;檢測到白色，三腳輸出為低電平。實際行駛時，只有當兩個色標傳感器同時檢測為高電平，中間光電傳感器檢測到低電平小車才直線運行，否則運用差步原理，調整方向。檢測電路如圖2-8。 圖2-8 循跡電路圖第三章 軟件設計3.1

34、 PWM控制本系統(tǒng)采用PWM來調節(jié)直流電機的速度。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率,從而改變負載兩端的電壓,進而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面,如電機調速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅動控制的調整系統(tǒng)中,按一個固定的頻率來接通和斷開電源,并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小,從而控制電動機的轉速。因此,PWM又被稱為“開關驅動裝置”。在脈沖作用下,當電機通電時,速度增加；電機斷電時,速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律,改變通、斷電的時間,即可讓電機轉速得到控制。本系統(tǒng)中通過控制51單片

35、機的定時器T0的初值，從而可以實現(xiàn)P0.4和P0.5輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時計數器若干時間（比如0.1ms）中斷一次, 就使P0.4或P0.5產生一個高電平或低電平。 將直流電機的速度分為100個等級, 因此一個周期就有個100脈沖, 周期為100個脈沖的時間。速度等級對應一個周期的高電平脈沖的個數。占空比為高電平脈沖個數占一個周期總脈沖個數的百分數。一個周期加在電機兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大, 加在電機兩端的電壓越大, 電機轉動越快。電機的平均速度等于在一定的占空比下電機的最大速度乘以占空比。當我們改變占空比時, 就可以得到不同的電機平均速度, 從而達到調速的目

36、的。精確地講, 平均速度與占空比并不是嚴格的線性關系, 在一般的應用中, 可以將其近似地看成線性關系。3.2 總體軟件流程圖小車進入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片I/O 口，一旦檢測到某個I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應的判斷程序，把相應的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖3-1所示 圖3-1 主程序流程圖3.3小車循跡流程圖小車進入循跡模式后，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，即進入判斷處理程序，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，

37、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。循跡流程圖如圖3-2所示圖3-2循跡流程圖由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個等級間的轉向力度必須相互配合。第二級通常是在超出第一級的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，則通常使第二級轉向力度大于第一級，即Turn_left2 > Turn_left1,Turn_right2 > Turn_right1 (其中Turn

38、_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1為小車轉向力度，其大小通過改變單片機輸出的占空比的大小來改變)，具體數值在實地實驗中得到。3.4中斷程序流程圖這里利用的是51單片機的T0定時計數器，從而讓單片機P0口的P0.4和P0.5引腳輸出占空比不同的方波, 然后經驅動芯片放大后控制直流電機。定時計數器若干時間（比如0.1ms）比如中斷一次, 就使P0.4或P0.5產生一個高電平或低電平。中斷程序流程圖如圖3-3所示圖3-3中斷程序流程圖第四章 仿真與調試41 Proteus簡介Proteus是基于SPICE3F5仿真引擎的混合電路仿真軟件，不僅能夠

39、仿真模擬、數字電路以及模數混合電路，更具特色的是它能夠仿真基于單片機的電子系統(tǒng)。Proteus不但完全支持MCS-51及其派生系列單片機的設計系統(tǒng)，另外也能仿真基于AVR和PIC系列的單片機系統(tǒng)。Proteus的仿真資源Proteus軟件可提供的模擬、數字、交(直)流等元器件達30多個元件庫，共計數千種。此外，對于元件庫中沒有的器件，使用者也可依照需要自己創(chuàng)建。軟件調試方面，其自身只帶匯編編譯器，不支持C語言。但可以將它與KeilC51集成開發(fā)環(huán)境連接，將用匯編和C語言編寫的程序編譯好之后，可以立即進行軟、硬件結合的系統(tǒng)仿真，像使用仿真器一樣來調試程序。當然，軟件仿真精度有限，而且不可能所有的

40、器件都找得到相應的仿真模型，用開發(fā)板和仿真器當然是最好選擇，可是對于單片機愛好者，或者簡單的開發(fā)應該是比較好的選擇。Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。連接后的部分硬件電路如圖4-1所示： 圖4-1 硬件連接圖4.2 硬件調試按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測

41、方法分別進行檢測，一定要仔細認真。按電路圖的位置將各元件安置好，首先放置核心元件，然后再放其他元件，特別注意順序不能顛倒。在保證電路元器件完好及各元器件放置無誤合理的情況下，開始對電路連接布線，由于本設計用面包板搭件，所以布線要無跨線并且工整。當硬件設計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件調試階段。4.2.1 硬件靜態(tài)調試1排除邏輯故障顯示器部分調試為了使調試順利進行,首先將89C51與LCD顯示分離,這樣就可以用靜態(tài)方法先測試LCD顯示,用規(guī)定的電平加至位顯示的引腳,看顯示是否與理論上一致。不一致,一般為LCD顯示器接觸不良所致,必須找出故障,檢測89C51電路工作是否正常。對89C51

42、進行編程調試時,分為兩個步驟：第一,對其進行初始化。第二,將89C51與LCD結合起來,借助開發(fā)機,通過編制程序進行調試。若調試通過后,就可以編制應用程序了。對于一些邏輯故障來說，這類故障往往是由于設計和焊接過程中的失誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將焊接好的電路板認真對照原理圖,看兩者是否一致。應特別注意電源系統(tǒng)檢查,以防止電源短路和極性錯誤,并重點檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時利用數字萬用表的短路測試功能,可以縮短排錯時間。2排除元器件失效造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了另一個是由于安裝錯誤,造成器件燒壞。可以采取檢查

43、元器件與設計要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后,用替換方法排除錯誤。3排除電源故障在通電前,一定要檢查電源電壓的幅值和極性,否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位,一般先檢查VCC與GND之間電位,若在5V48V之間屬正常。若有高壓,聯(lián)機仿真器調試時,將會損壞仿真器等,有時會使應用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。4.2.2 虛擬仿真調試原理圖繪制完成之后，給單片機添加應用程序，就可以進行虛擬仿真調試。先用鼠標右鍵選中AT89C51單片機，再單擊左鍵，彈出如圖4-2所示器件編輯窗口。 圖4-2 器件編輯窗口在器件編輯窗口中“Program File”欄單擊文件夾瀏覽按鈕 ，

44、找到需要仿真的Hex文件，單擊“確定”按鈕完成添加文件，在“Clock Frequency”文本框中把頻率改為12MHz，單擊“確定”按鈕退出。這時單擊仿真工具欄中全速運行按鈕 即可開始進行虛擬仿真。4.3 軟件調試軟件調試是通過對用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。程序運行后編輯，查看程序是否有邏輯的錯誤。本系統(tǒng)的軟件程序完全由C51編寫，C語言效率高，但同時也存在一些缺點，比如嚴格定時比較困難。在調試過程中采取的是自上至下的調試方法，單獨調試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調試。3.4 軟硬件聯(lián)調使用Keil、Proteus軟件進行單

45、步調試仿真模擬，直到滿足技術指標后，將程序燒到89C51片中進行軟硬件聯(lián)調。調試的過程及步驟如下：1.檢測5v電源是否正常，并且是否加到單片機的電源引腳端。2.檢測單片機的晶振電路是否正常工作，用萬用表檢測89C51片的18、19腳的電壓分別為3v、1.5v左右。3.檢測復位信號輸入端RST,高電平有效。在單片機正常工作時，此腳應為0.5V低電平。4.測試外部脈沖計數電路通過給CPU 施加固定脈沖，測試外部計數軟件的正確與否。5.測試定時器中斷系統(tǒng)6.檢測液晶顯示模式通過軟件編程，給LCD輸出指定數字，如“2501”，觀察LCD上顯示的也是“2501”，表明顯示電路正確。如圖3-4所示。 圖4

46、-3 液晶顯示模式測試電路結論歷時三個月的設計過程中，我首先邊查資料，邊在實驗室焊接小車的線路板。在焊接過程中，我感覺到即使是一個簡單的電路，要想很輕松的焊好，也不是很容易的事情。有時是“虛焊”的原因，有時可能是阻值選錯。在焊接顯示電路時，我就錯將680歐的電阻焊成了6.8千歐。這使我深深感受到理論與實際間的差距。通過這樣的設計，提高了我的動手能力。每天在實驗室除了焊接線路板，還可以上機編程，使我軟件調試知識也提高了。 本設計采用的是80C51單片機，這主要是因為該單片機的穩(wěn)定性比較好。還可以采用其它系列的單片機。比如采用陵陽單片機，就可以簡化編程，但其穩(wěn)定性不是很好。 致謝歷時三個月的畢業(yè)設

47、計已經告一段落。經過自己不斷的搜索努力以及呂曉玲老師的耐心指導和熱情幫助，本設計已經基本完成。在這段時間里，呂老師嚴謹的治學態(tài)度和熱忱的工作作風令我十分欽佩，她的指導使我受益非淺。通過這次畢業(yè)設計，使我深刻地認識到學好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了大學四年的學習成果。雖然在這次設計中對于知識的運用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學習中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個月的設計是對過去所學知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎。由于自身水平有限，設計中一定存在很多不足之處，敬請各位老師批評指正。參考文獻1于炳亮.電機轉速測量方法研究J.山東科學.200

48、5(05).74782成輝傳感器的理論與設計基礎及其應用M北京：國防工業(yè)出版社.1999.30323任小青，王曉娟.基于AT89C51單片機的頻率計設計方法的研究J.青海大學學報.2009（02）4來清民.傳感器與單片機接口及實例M.北京航空航天大學出版社.2008.2642665KUANG Fu Hua. Application of Hall-Effect Sensor A3144 in Precise Displacement Measurement. J PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION.2005(10)6邵顯濤，陳明，李俊.基于霍爾傳感器電機轉速的

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