1、嵌入式課程設計設計報告題 目：基于P89V51RB2單片機智能尋跡小車學院：電氣工程與自動化學院專業：自動化班級：122學生：常云學號：33指導教師：王祖麟第1章緒論 1.1.1 引言 11.2 課題的來源及現狀 11.2.1 課題的來源 11.2.2 智能汽車國外發展情況 11.2.3 智能汽車國內發展情況 11.3 本論文研究的內容 2第2章系統總體設計3.2.1 小車的機械特性 32.2 智能小車尋跡基本原理 32.3 智能小車測速基本原理 32.4 智能小車遙控基本原理 3第3章系統硬件設計6.3.1 控制器的選擇 63.1.1 概述 63.1.2 P89V51RB2開發工具特性 63

2、.2 硬件電路設計 63.2.1 系統電源電路 63.2.2 電機驅動模塊 73.2.3 光電編碼器 83.2.4 紅外線檢測電路 83.2.5 鍵盤顯示設計 9第4 章系統軟件設計1.1.4.1 編譯環境 114.2 模塊的驅動 114.2.1 紅外線傳感器模塊 114.2.2 電機模塊的驅動 114.2.3 轉速捕獲 144.2.4 鍵盤顯示模塊 154.2.5 按鍵模塊 154.2.6 遙控模塊 15第5 章系統調試分析2.0.5.1 系統設計中的注意事項 205.1.1 外部因素 205.1.2 內部因素 205.2 硬軟件總體調試 20第 6 章 結束語 2.1.致謝 2.2.參考文

3、獻2.3.附錄 2.4.ii第 1章 緒論1.1 引言我們所處的這個時代是信息革命的時代，各種新技術、新思想層出不窮，縱觀世界范圍內智能汽車技術的發展，每一次新的進步無不是受新技術新思想的推動。隨著汽車工業的迅速發展，傳統的汽車的發展逐漸趨于飽和。伴隨著電子技術和嵌入式技術的迅猛發展，這使得汽車日漸走向智能化。智能汽車由原先的駕駛更加簡單更加安全更加舒適，逐漸的向智能駕駛系統方向發展。智能駕駛系統相當于智能機器人，能代替人駕駛汽車。它主要是通過安裝在前后保險杠及兩側的紅外線攝像機，對汽車前后左右一定區域進行不停地掃描和監視。計算機、電子地圖和光化學傳感器等對紅外線攝像機傳來的信號進行分析計算，

4、并根據道路交通信息管理系統傳來的交通信息，代替人的大腦發出指令，指揮執行系統操作汽車。1.2 課題的來源及現狀1.2.1 課題的來源汽車的智能化是21 世紀汽車產業的核心競爭力之一。汽車的智能化是以迅猛發展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技。1.2.2 智能汽車國外發展情況從 20 世紀 70年代開始，美國、英國、德國等發達國家開始進行無人駕駛汽車的研究，目前在可行性和實用化方面都取得了突破性的進展。在無人駕駛技術研究方面位于世界前列的德國漢堡Ibeo 公司研制的無人駕駛汽車， 2007 年 4 月 11 日在英國倫敦科學博物館與公眾

5、見面。這輛無人駕駛智能汽車經德國大眾汽車公司生產的帕薩特2.0 改裝而成，外表看來與普通家庭汽車并無差別，但卻可以在錯綜復雜的城市公路系統中無人駕駛。1.2.3 智能汽車國內發展情況目前日本、歐美已有企業取得實用化成果。與國外相比，國內在智能車輛方面的研究起步較晚，規模較小，開展這方面研究工作的單位主要是一些大學和研究所，如國防科技大學、清華大學、吉林大學、北京理工大學、長安大學、沈陽自動化所等。我國從 20 世紀 80 年代開始進行無人駕駛汽車的研究，國防科技大學在1992年成功研制出我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。先后研制出四代無人駕駛汽車。第四代全自主無人駕駛汽車于2000 年 6

6、月在長沙市繞城高速公路上進行了全自主無人駕駛試驗，試驗最高時速達到75.6Km/h。在 2004年 10月 12日的第六屆高交會上，紅旗無人駕駛汽車就引起了極大的轟動。它在高速公路上最高穩定無人駕駛速度為130 公里 / 小時；峰值無人駕駛速度為170 公里 /小時。并同時具備安全超車和系統小型化兩個主要指標。為如此，他們把它稱為“中國汽車界的神舟五號”。2005 年， 首輛城市無人駕駛汽車在上海交通大學研制成功，該車有望于兩年之內率先在上海世紀公園進行示范運營，并在2010 年世博會上一展身手。到時游 客只需在公園的入口處按下一個按鈕，一輛沒有司機的四座敞篷汽車就會從遠處開過來緩緩停下，然后

7、搭載著乘客前往他們想去的景點。1.3 本論文研究的內容本論文是基于P89V51RB2單片機開發，主要是研究3 輪小車的路徑識別及其控制算法以及遙控運動。33第 2章 系統總體設計2.1 小車的機械特性小車采用的是一輛三輪車車模。后輪控件前進或轉彎，前輪根據后輪驅動左右擺即可以實現左右轉。這種車模控制簡單。小車可通過PWM控制后輪電機轉動的速度來控制前輪電機的轉動幅度從而控制小車的轉彎幅度，實現小車的前進與轉彎操作。2.2 智能小車尋跡基本原理探測路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對光的反射系數不同，可以根據接收到的反射光強弱來判斷是否是黑線。利用這個原理，可以控制小車行走

8、的路跡。這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，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射紅外光， 當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，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。處理器就根據是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。智能小車系統以處理器為核心，為了使智能小車能夠快速行駛，處理器必須把路徑的迅速判斷、相應的轉向電機控制以及直流驅動電機的控制精密地結合在一起。如果傳感器部分

9、的數據沒有正確地采集和識別，轉向電機控制的失當，都會造成模型車嚴重抖動甚至偏離賽道；如果直流電機的驅動控制效果不好，也會造成直線路段速度上不去，彎曲路段入彎速度過快等問題。其系統結構如所圖2.1 示。本次紅外探測采用的是反射式探測。2.3 智能小車測速原理智能小車測速原理同上，此處采用的是對射式探測，探測方法：在電機的轉軸上安裝一個光柵，通過單位時間紅外對管檢測到的光柵的數目來確定小車車輪轉過的圈數，進而計算出路程，從而得到單位時間內小車走過的路程，即小車速度。2.4 智能小車遙控原理利用無線電波對被控對象進行遠距離控制。由于無線電波可以進行遠距離 傳輸，故而檢測接收端相應管腳，并做出相應的工

10、作。從而達到遙控目的2.1 系統結構圖80C51 處理器通過引腳讀出遙控信號管腳80C51處理器向紅外線傳感器供5V電壓， 通過采集其高低電平可以控制小車的轉彎。80C51 處理器通過DATA引腳向鍵盤顯示板發送要顯示的數據，還可以通過KEY引腳讀取鍵盤的按鍵，實現相應的功能。第 3章 系統硬件設計3.1 控制器的選擇本次設計采用的是80C51 單片機。3.1.1 概述P89V51RB2是一款由美國NXP半導體公司提供的增強型80C51 微控制器，包括 16KB Flash程序存儲器和1KB 數據 RAM ，且功能上完全覆蓋標準80C51單片機系列3.1.2 P89V51RB2開發工具特性1.

11、80C51 內核， 5V工作電壓，操作頻率0 40MHZ;2.16KB片內 Flash 存儲器，1KB片內SRAM；3.SPI 串行通信接口和增強型UAR；T4.PCA（可編程計數器列陣），具有PWM和捕獲、比較功能；5.4 個 8 位 I/O 口，含有三個高電流P1 口（每個I/O 口的電流為16mA） ；6.8 個中斷源，4個中斷優先級，3個 16位定時器/計數器和可編程看門狗定時器（WD）T；7.2 個 DPTR寄存器；3.2 硬件電路設計本次項目采用的電路板從畫電路原理圖開始，到 PCB板的布線以及電路板的焊接與檢測一系列工作都是自己在大一下學期課程實踐期間制作的。3.2.1 系統電源

12、電路交流電經過全波電路在經過電容濾波，在經過穩壓電源芯片做成穩壓電路，輸出電壓5V、 7.2V 的直流電源。其電源電路原理圖如圖3.2 所示。3.2 系統電源電路原理圖小車的驅動電機的供電電壓為7.2V，經過電容濾波后接7805 進行穩壓，穩壓輸出 5V的電壓。提供單片機所需3.2.2 電機驅動模塊1. 驅動實現與原理 本項目驅動兩路直流電機，實現電機的正反轉與測速和遙控輸入輸出邏輯表真值表3.2表 3.1 L298N 輸入輸出邏輯真值表通道1通道2輸入輸出控制電機1輸入輸出控制電機2EnAIn1In2OUT1OUT2轉向EnBIn3In4OUT3OUT4轉向10000停止10000停止010

13、1反傳0101反傳1010正轉1010正轉1100停止1111停止0XX00停止0XX00停止其中“0”為低電平；“ 1” 為高電平；“X”為任何狀態。驅動原理圖3.2.3光電編碼器/測速1. 光電編碼器原理光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。2.

14、光電編碼器的實現光電編碼器的發光裝置一般由發光二極管來實現。光敏元件則由光敏三極管接上拉電阻來完成。光電式旋轉編碼器是轉速或轉角的檢測元件，旋轉的編碼器與電動機相連，當電機轉動時，帶動碼盤旋轉，便發出轉速或轉角信號。其示意圖如圖 3.55 所示。圖 3.5 光電編碼器的實現示意圖當電機旋轉時，碼盤隨之一起轉動。通過光柵的作用，使得光敏三極管隨著光柵透出的光而導通。接收的頻率和轉速成正比。在接收端可以輸出一系列的方波， 80C51內核可以通過采集方波的頻率從而可以計算出電機的速度。3.2.4 紅外線檢測電路紅外線檢測電路原理其實很簡單，就是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，

15、在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收，Cortex-M0 內核采集到的電壓就是高電平；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，然后 80C51 內核采集到的電壓就是低電平。其基本原理圖如圖3.6 所示。圖 3.6 紅外線檢測電路原理圖鑒于本項目設計需實現的功能比較簡單，故只要兩路紅外線檢測電路即可，分別位于小車中心軸的兩測即可。3.2.5 鍵盤顯示設計圖 3.7 為項目驅動實踐一制作的鍵盤顯示板原理圖，主要部件為兩個74LS164芯片級聯，通過這兩個移位芯片進行送到數碼管上顯示。其中8 個按鍵分別和 8

16、個數碼顯示管進行連接，檢測按鍵時通過KEY引腳對其進行掃描；CLK為 164 芯片移位的時鐘，每來一次時鐘，就進行移位處理；數碼顯示的數據是DATA引腳輸送的數據。圖 3.7 鍵盤顯示板原理圖其基本原理為：首先通過DATA引腳發送要顯示數據的斷碼，然后再通過DATA引腳發送顯示數據在哪一位（即位碼）。兩個74HC595芯片是分開工作的，其中右邊595芯片是負責傳送斷碼的，左邊 595 芯片是負責傳送位碼的。這也是為什么要先傳送斷碼，后傳送位碼的原因所在。檢測按鍵是通過KEY引腳來檢測，其中 8 個按鍵分別跟8 個數碼顯示管連在一起。在按鍵的過程中，通過掃描哪一位為低電平就可以確定是哪個按鍵按下

17、，然后再通過是哪個按鍵按下做出相應的功能操作。第 4章 系統軟件設計4.1 編譯環境TKStudio 集成開發環境(又稱TKStudio IDE )是廣州致遠電子有限公司開發的一個微處理器軟件開發平臺，是一款具有強大內置編輯器的多內核編譯調試環境，支持8051、 ARM、 AVR等多種微控制器，可以完成從工程建立和管理，編譯，鏈接，目標代碼的生成，到軟件仿真，硬件仿真( 掛接TKS系列仿真器等硬件 ) 等完整的開發流程。TKStudio 集成開發環境包括工程管理器、代碼編輯器、編譯工具鏈、源碼級調試器和外部工具等。4.2 模塊的驅動4.2.1 紅外線傳感器模塊紅外線模塊只要M0處理器向其供5V

18、電壓就能工作，然后通過引腳采集其電平高低就可以根據不同情況做出相應的處理。其具體程序控制見程序清單4.1.程序清單4.1 讀取紅外傳感器的高低電平#define X1 P3_3#define X2 P3_5if(X1=1&&X2=1|X1=0&&X2=0)car_run();/ 直走if(X1=1&&X2=0)car_left();/左轉if(X1=0&&X2=1) car_right();/右轉4.2.2 電機模塊的驅動首先， 通過設置L298N芯片的輸入方向RIGHT_FANZHU，ARNIGHT_ZHENGZHU， ANRI

19、GHT_STO，PLEFT_ZHENGZHU， ALNEFT_FANZHU，ANLEFT_STO，從而控制電機的P正反轉。詳見程序清單4.3.程序清單4.3 直流電機驅動與路徑識別while (1)if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=0)motor_run();/未尋到黑線直走if (CG1=0&&CG2=1&&CG3=0&&CG4=0)motor_right();/右輪壓線右轉if (CG1=1&&CG2=0&&CG3=0&&C

20、G4=0)motor_right();delay_1ms(100);if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=1)motor_left(); delay_1ms(100);/ 左輪壓線左轉if (CG1=0&&CG2=1&&CG3=1&&CG4=0)motor_run();if(flag=3|flag=2|flag=4)break;/若兩端壓線直走前輪為方向輪，只有在需要轉彎的時候才需要后邊電機驅動其左右轉動，在常態下則由后輪的推力使前輪向前轉動。具體實現是通過控制前面產生的兩路PW

21、M波的占空比和L298N芯片的 In1 、 In2、 In3、 In4 的方向來實現小車的前進尋跡與后退尋跡，其程序流程圖詳見圖4.1 所示。開始圖 4.1 直流電機控制流程圖根據圖 4.1 可以看到程序一開始就進行讀取紅外線傳感器，如果左右兩邊都遇到黑線則停止前進；如果左邊遇到黑線而且右邊沒有遇到黑線，小車則左轉；如果右邊遇到黑線而且左邊沒有遇到黑線，小車則右轉；如果兩邊都沒有遇到黑線小車則直行。具體程序控制詳見程序清單4.4。4.2.3 轉速捕獲本項目采用16 位定時器1 和 32 位定時器1 的捕獲功能來實現兩直流電機的轉速捕獲。由于主輪與后面光碼盤扇葉轉速的比例是1： 80，而且有兩片

22、扇葉。所以測主輪的轉速公式為：轉速= (FAHBCLK/(CAP1_2-CAP1_1)/(N2-1)*3/8/ TMR16B1PR ，程序控制詳見程序清單4.5.程序清單4.5 直流電機轉速的測量void TimeNew1()/ 光柵捕獲并記錄 R1=R2;/捕獲左電機光柵并記錄if(R_Mcp2=0)R2=1;if(R_Mcp2=1)R2=0;if(R1=1)if(R2=0)rm2+;if(rm2=1)rm2=0;Count2+;if(Count2=10000)Count2=0;if(R_Mcp1=0)r2=1;/捕獲右電機光柵并記錄if(R_Mcp1=1)r2=0;if(r1=1)if(r

23、2=0)rm1+;if(rm1=1)rm1=0;Count1+;if(Count1=10000)Count1=0;r1=r2;m1=lucheng1/1000,/轉換成路程并分解成BCD 碼dm1=(lucheng1-1000*m1)/100,cm1=(lucheng1-1000*m1-100*dm1)/10,mm1=lucheng1-1000*m1-100*dm1-10*cm1,m2=lucheng2/1000,dm2=(lucheng2-1000*m2)/100,cm2=(lucheng2-1000*m2-100*dm2)/10,mm2=lucheng2-1000*m2-100*dm2-1

24、0*cm2if(Count3=4000)/ 定時一秒/lucheng1=Count2*2200/1580;lucheng2=Count1*2200/1580;Count3=0;Count1=0,Count2=0;/路程計算4.2.4 鍵盤顯示模塊鍵盤顯示用處理器的SPI 模塊實現，設置鍵盤顯示為從機。具體初始化詳見程序清單4.6 所示。程序清單4.6 鍵盤顯示void Send_1data(uint Data)/595 串行送數據uchar count,data_c;for(count=0;count<8;count+)if(Data&0x80)data_c=1;else dat

25、a_c=0;PIN_DATA=data_c;PIN_CP=1;PIN_CP=0;Data<<=1;void STR_TURN()/開關鎖PIN_STR=1;PIN_STR=0;for(i=0;i<8;i+)/將待顯示的數據送到595 串行板上顯示Send_1data(numnumberi);Send_1data(weii);STR_TURN();4.2.5 按鍵模塊按鍵模塊處理流程圖如圖4.2 所示。N圖 4.2 按鍵處理程序流程圖把 M0的 P3.5 引腳設置為GPIOI功能 ，設置為輸入，進行掃描鍵盤。使用變量 i 作為位碼設置變量，由0 至 7 依次循環，例如當按下5

26、號鍵的時候，當i變成 5 的時候，會在5 號線上出現低電平，p3.5 上出現低電平，當M0上邊檢測到低電平的時候，將變量i 的值賦值給按鍵號標志變量whichkeydown, 當按鍵松開后，對whichkeydown 的值進行處理，也就是相當于對按鍵的事件進行了處理，處理完成后，將whichkeydown 的值賦值為8，說明沒有按鍵按下。按鍵要定時檢測按鍵是否按鍵，實時處理即可。這里使用的是前面設置的16 位定時器0 的定時 2.5ms進行檢測。其具體詳見程序清單4.7.程序清單4.7 按鍵檢測void Key_Proc(void) uint32 key;if( 有按鍵 )/有按鍵DelayN

27、S(30);/延時去抖if( 按鍵有效0)/按鍵有效讀取按鍵值while()/等待釋鍵;switch(key)case按鍵1:;/按鍵 1 處理break;case按鍵2:;/按鍵2 處理break;case按鍵3:;/按鍵3 處理break;.4.26 遙控模塊所謂遙控即通過電磁波的遠距離傳送特點進行工作， 對接收裝置的管腳的電平的讀取從而作出相應工作。程序清單4.8 遙控接收與控制#define AD2 P3_5#define BD0 P3_1#define CD3 P3_7#define DD1 P3_3 int signalfScan()if (AD2=0&&BD0=0

28、&&CD3=0&&DD1=0)flag=0;if (AD2=1&&BD0=0&&CD3=0&&DD1=0)flag=1;if (AD2=0&&BD0=1&&CD3=0&&DD1=0)flag=2;if (AD2=0&&BD0=0&&CD3=1&&DD1=0)flag=3;if (AD2=0&&BD0=0&&CD3=0&&DD1=1)flag=4; return flag;w

29、hile(1)if(flag=0)while(1)motor_run();if(flag=3|flag=1|flag=4|flag=2)break;if (flag=2)while(1)motor_trap();if(flag=3|flag=1|flag=4)break;if (flag=3)while(1)motor_left();if(flag=2|flag=1|flag=4|flag=0)break；if (flag=4)while(1)motor_right();if(flag=3|flag=1|flag=2|flag=0)break;if (flag=1)while (1)if (C

30、G1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=0)motor_run();/未尋到黑線直走if (CG1=0&&CG2=1&&CG3=0&&CG4=0)motor_right();if (CG1=1&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=0) motor_right();delay_1ms(100);if (CG1=1&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=0) motor_right();delay_

31、1ms(100);if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=1&&CG4=0) motor_left(); if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=1) motor_left();delay_1ms(100);if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=1) motor_left();delay_1ms(100);if (CG1=0&&CG2=1&&CG3=1&&CG4=

32、0)motor_run();if(flag=3|flag=2|flag=4)break；第5章系統調試分析5.1 系統設計中的注意事項5.1.1 外部因素外部因素主要有環境光線、賽道材質等因素。以采用光電尋跡方案的智能車為例， 如果接收的信號中有很多噪聲成分，或者黑白區分不清晰，就很難識別路線， 從而對后續的控制過程造成很大影響。因此， 合理的傳感器離地間隙和反射角度、較好的濾波電路設計都是需要考慮的。5.1.2 內部因素(1) 重量因素整車質量的增加，對系統動力性有較大影響。因此，除了智能車工作必須的電路之外，應盡可能減少車重。即使是必備部件，可應該采用輕量化的設計。比如為了測量模型車的速度

33、，需要在驅動輪上加裝轉速傳感器，一般購買的電機編碼器重量都較大，有的隊伍就利用鼠標上的光電電路設計制作了一個輕量化的轉速傳感器，從而大大減小了重量。(2) 過度轉向的避免由于是后輪驅動，在彎曲的路線上加速可能會出現過度轉向現象，因此在車輛彎道行駛時需要小心控制車輛的轉向速度。(3) 傳感器的影響剛開始的時候，我的傳感器裝的比較高，這樣就不能很好的感應到路線，以至于出現亂跑的現象。如果在以后的設計中需要的話，可以采用激光傳感器進行探測，這樣就會更精準的尋跡。(4) 硬軟件總體調試硬件、 軟件獨立調試都有效果之后，下一步就是硬軟件總體調試了，在硬軟件總體調試之前，應現把各個跳線接后，然后在用貼有黑膠帶的白紙來回在紅外線發射接收管左右移動，看小車的電機轉速是否會發生變化，如果用