基于51單片機(jī)的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)課 題名稱 基于51與單片機(jī)的智能小車控制系統(tǒng)系（院）名稱電氣丁極專業(yè)及班級(jí)學(xué)生學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師完成日期年 門月 19日隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智能化作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物開始越來越普及，各 種高科技也廣泛應(yīng)用于智能小車和機(jī)器人玩具制造領(lǐng)域，使智能機(jī)器人越來越多樣 化。智能小車是一個(gè)多種高薪技術(shù)的集成體，它融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算 機(jī)硬件、軟件、人工智能等許多學(xué)科的知識(shí)，可以涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。整個(gè)小車平臺(tái)主要以51單片機(jī)為控制核心，通過無線遙控實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退和轉(zhuǎn) 向行駛，通過紅外線傳感器，實(shí)現(xiàn)小車的自適應(yīng)巡航、避障等功能。設(shè)計(jì)采用對(duì)比 選擇，模塊獨(dú)立，綜合處理

2、的研究方法。通過翻閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析整理 出有關(guān)信息，在此基礎(chǔ)上列出不同的解決方案，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)比方案優(yōu)劣選出最 優(yōu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。從電機(jī)車體，最小系統(tǒng)到無線遙控，紅外線對(duì)管的自動(dòng)尋跡再到 紅外線自動(dòng)避障和語音控制，完成各模塊設(shè)計(jì)。通過調(diào)試檢測(cè)各模塊，得到正確的 信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的功能。最后將各個(gè)調(diào)試成功的模塊結(jié)合到小車的車體上， 結(jié)合程序，通過單片機(jī)的控制，將各模塊有效整合在一起，達(dá)到所預(yù)期的目標(biāo)，完 成最終設(shè)計(jì)與制作，能使小車在一定的環(huán)境中智能化運(yùn)轉(zhuǎn)。關(guān)鍵字：智能小車，單片機(jī)，紅外傳感器。目錄第一章緒論-1-1.1.1智能循跡小車概述-1-1. 1.2課題研究的目的和意義-2-

3、1. 1. 3智能循跡小車智能循跡分類-2 -1. 1.4智能循跡小車的應(yīng)用-3-第二章方案設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。2. 1 主控系統(tǒng)-5-2. 2單片機(jī)最小系統(tǒng)-6-2. 2. 1 STC89C52 簡介-6-2. 2.2時(shí)鐘電路-8-2. 2. 3復(fù)位及復(fù)位電路-9-2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊-11-2.4循跡及避障模塊-12-2. 5 機(jī)械系統(tǒng)-12 -2.6電源模塊-12 -第三章 碘件設(shè)計(jì)-13 -3.1總體設(shè)計(jì)-13-3.1.1主板設(shè)計(jì)框圖-13-主板設(shè)計(jì)框圖如圖3-1,所需原件清單如表3-1-13 -3. 2驅(qū)動(dòng)電路（參考文獻(xiàn)4） -14-3. 3信號(hào)檢測(cè)模塊 -14-3. 4主控電路-1

4、5-第四章軟件設(shè)計(jì)-16-4. 1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路-16 -4.1.1程序功能與設(shè)計(jì)思路-16-4.1.2程序設(shè)計(jì)思路-17-4. 2程序流程圖-17 -第五章調(diào)試與總結(jié)215. 1調(diào)試215. 1. 1調(diào)試工具215. 1.2調(diào)試過程215.2總結(jié)22附錄26第一章緒論1.1.1智能循跡小車概述自智能循跡小午乂被稱為Automated Guided Vehicle,簡稱AGV,是二十世 紀(jì)五十年代研發(fā)出來的新型智能搬運(yùn)機(jī)器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光 學(xué)或其他自動(dòng)導(dǎo)引裝置，可以沿設(shè)定的引導(dǎo)路徑行駛，安全的運(yùn)輸車。工業(yè)應(yīng)用 中采用充電蓄電池為主要的動(dòng)力來源，可通過電腦程序來控制其選

5、擇運(yùn)動(dòng)軌跡以 及其它動(dòng)作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來確定其行進(jìn)路線，無人搬運(yùn)車通過 電磁軌道所帶來的訊息進(jìn)行移動(dòng)與動(dòng)作，無需駕駛員操作，將貨物或物料自動(dòng)從 起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地。AGV的另一個(gè)特點(diǎn)是高度自動(dòng)化和高智能化，可以根據(jù)倉 儲(chǔ)貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運(yùn)行路徑的費(fèi) 用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比非常低廉。AGV小車一般配有裝卸機(jī)構(gòu)，可與其 它物流設(shè)備自動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)貨物裝卸與搬運(yùn)的全自動(dòng)化過程。此外，AGV小車依 靠蓄電池提供動(dòng)力，還有清潔生產(chǎn)、運(yùn)行過程中無噪音、無污染的特點(diǎn)，可用在 工作環(huán)境清潔的地方。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造

6、出一種來代 替人來做一些非常危險(xiǎn)，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就誕生了機(jī) 器人這門學(xué)科。世界上誕生第一臺(tái)機(jī)器人誕生于1959年，至今己有50多年的歷 史，機(jī)器人技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)己發(fā)展成一門包含：機(jī)械、電子、 計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信號(hào)處理，傳感器等多學(xué)科為一體的性尖端技術(shù)。循跡小車 共歷了三代技術(shù)創(chuàng)新變革：第一代循跡小車是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何 傳感器，只是采用簡單的開關(guān)控制，通過編程來設(shè)置循跡小車的路徑與運(yùn)動(dòng)參數(shù), 在工作過程中，不能根據(jù)環(huán)境的變化而改變自身的運(yùn)動(dòng)軌跡。支持離線編程的， 第二代循跡小車具有一定感知和適應(yīng)環(huán)境的能力，這類循跡小車裝有簡單的傳感 器，

7、可以感覺到自身的的運(yùn)動(dòng)位置，速度等其他物理量，電路是一個(gè)閉環(huán)反饋的 控制系統(tǒng)，能適應(yīng)一定的外部環(huán)境變化。第三代循跡小車是智能的，目前在研究 和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構(gòu)成感官系統(tǒng)，通過采集外部的環(huán)境信息，精確 地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車，能獨(dú)立完成任務(wù)，有其自身的知識(shí)基礎(chǔ), 多信息處理系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境變化作出決策， 有一定的適應(yīng)能力，自我學(xué)習(xí)能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車能獨(dú)立工 作，一方面應(yīng)具有較高的智慧和更廣泛的應(yīng)用，研究各種新機(jī)傳感器，另一方面, 也學(xué)握多個(gè)多類傳感器信息融合的技術(shù)，這樣循跡小車可以更準(zhǔn)確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息。1. 1

8、.2課題研究的目的和j隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)、DVD、洗衣 機(jī)、汽車等消費(fèi)類產(chǎn)品越來越呈現(xiàn)光機(jī)電一體化、智能化、小型化等趨勢(shì)。各 種智能化小車在市場(chǎng)玩具中也占一個(gè)很大的比例。根據(jù)美國玩具協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng) 計(jì)，近年來全 球玩具銷量增幅與全球平均GDP增幅大致相當(dāng)。而全球玩具市場(chǎng) 的在結(jié)構(gòu)比重卻 發(fā)生了重大改變：傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)比重正在逐步縮水，高科技 含量的電子玩具則蒸蒸日上。美國玩具市場(chǎng)的高科技電子玩具的年銷售額2004 年交2003年增長52%,而傳統(tǒng)玩具的年銷售額僅增長3%。英國玩具零售商協(xié)會(huì) 選出的2001圣誕節(jié)最受歡迎的十大玩具中，有7款玩具配有電子元件。從這

9、些 數(shù)字可以看出，高科技含量的電子互動(dòng)式玩具己經(jīng)成為玩家行業(yè)發(fā)展的主流。如今知識(shí)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)電一體化和工業(yè)一體化等許多領(lǐng)域都在討論 智能系統(tǒng)，人們要求系統(tǒng)變得越來越智能化。顯然傳統(tǒng)的控制觀念是無法滿足 人們的需求，而智能控制與這些傳統(tǒng)的控制有機(jī)的結(jié)合起來取長補(bǔ)短，提高整 體的優(yōu)勢(shì)更好的滿足人們的需求。隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制 技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時(shí)代。計(jì)算機(jī)控制與電子技術(shù) 融合為電子設(shè)備智能化開辟了廣闊前景。因此，遙控加智能的技術(shù)研究、應(yīng)用 都是非常有意義而且有很高市場(chǎng)價(jià)值的。人類的研究活動(dòng)己擺脫了地球生物圈的束縛而廣泛地進(jìn)入外層空間和海洋 深處。對(duì)

10、月球和太陽系其他行星的探測(cè)，對(duì)太陽系以外的宇宙進(jìn)行考察，對(duì)數(shù)千 米以下的海底的研究，都是目前單靠人力所不能及的。自動(dòng)控制系統(tǒng)正在代替人 們完成這些任務(wù)。在戰(zhàn)場(chǎng)上的軍事活動(dòng)中，在惡劣環(huán)境條件下的生產(chǎn)勞動(dòng)中，凡 不宜由人直接承擔(dān)的任務(wù)，均可由自動(dòng)控制系統(tǒng)代替，如智能小車可以適應(yīng)不同 環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段、人類無法介入等特殊情況 下的任務(wù)。高科技自動(dòng)控制系統(tǒng)及裝置己日益成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中離不開的自動(dòng) 智能設(shè)備。1. 1. 3智能循跡小車智能循跡分類AGV從發(fā)明至今己經(jīng)有50多年的歷史，隨著應(yīng)用領(lǐng)域圍的不斷擴(kuò)大，其種 類和形式也變得更加多樣化。一般根據(jù)行駛的導(dǎo)航方式將智能循跡

11、小車分為以下 幾種類型：(1) 電磁感應(yīng)式 電磁感應(yīng)式引導(dǎo)一般在地面上，沿預(yù)定路徑埋電線，當(dāng) 高頻電流通過導(dǎo)線，電線周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)流動(dòng)，AGV小車上安裝兩個(gè)對(duì)稱的電磁 感應(yīng)傳感器，他們收到的電磁信號(hào)差異可以反映的AGV偏離程度路徑的程度。 AGV自動(dòng)化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車輛的轉(zhuǎn)向，連續(xù)的動(dòng)態(tài)的閉環(huán) 控制設(shè)置能夠保證AGV對(duì)設(shè)定路徑的穩(wěn)定自動(dòng)跟蹤。在目前商業(yè)用途的AGV中， 特別是大型和中型小車，絕大多數(shù)都釆用電磁感應(yīng)導(dǎo)航。(2) 激光式安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器的AGV,可安裝在墻壁或有高反射 激光定位標(biāo)志的支柱上或者路徑上運(yùn)行，AGV依靠激光掃描器發(fā)射激光朿，然后 接收由四周定位

12、標(biāo)志反射回的激光束，車載計(jì)算機(jī)，計(jì)算出當(dāng)前車輛的位置和運(yùn) 動(dòng)方向，通過置的數(shù)字地圖和校準(zhǔn)位置相比，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。目前，這種AGV 類型的應(yīng)用比較廣泛?；谕瑯拥脑?，如果激光掃描儀被紅外線發(fā)射器，或超 聲波發(fā)射取代，激光制導(dǎo)的AGV小車可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外引導(dǎo)和超聲引導(dǎo)的AGVO(3) 視覺式 視覺引導(dǎo)式AGV是的迅速發(fā)展和比較成熟的AGV,這種AGV配 備CCD攝像機(jī)，傳感器和車載電腦，在車載計(jì)算機(jī)中設(shè)置有AGV欲行駛路徑周圍 環(huán)境圖像數(shù)庫。在AGV的行駛過程中，相機(jī)得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較， 以確定當(dāng)前位置和車輛周圍的圖像信息并對(duì)駕駛下一步作出決定。這種AGV小車 并不需要設(shè)置任何的人工

13、物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計(jì)算機(jī)圖像采 集，存儲(chǔ)和處理技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這種類型的AGV實(shí)用性越來越強(qiáng)。此外， 還有鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式AGV、光學(xué)引導(dǎo)式AGV等多種形式的AGVo1. 1. 4智能循跡小車的應(yīng)用智能循跡小車發(fā)展歷史及主要應(yīng)用場(chǎng)所如下：(1) 倉儲(chǔ)業(yè)1954年，來自美國南卡羅來納州的Mercury Motor Freight公 司成為第一批把AGV小車的應(yīng)用到倉庫的使用者，來實(shí)現(xiàn)出入庫貨物的自動(dòng)處 理。至今世界上有超過2100個(gè)廠家把大約2萬臺(tái)大型或小型的AGV小車應(yīng)用到 自己的倉庫中。中國的海爾集團(tuán)在2000年把9臺(tái)AGV小車投產(chǎn)到了自己的倉庫 區(qū)，形成一個(gè)靈活的A

14、GV自動(dòng)數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少33500 的儲(chǔ)存和裝卸貨物的任務(wù)。(2) 制造業(yè)在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中AGV小車大顯身手，快速，精確，靈活 的完成材料的運(yùn)送任務(wù)。由多臺(tái)AGV小車組成的物流運(yùn)輸處理系統(tǒng)，較人工搬運(yùn) 系統(tǒng)來說更靈活，運(yùn)輸路線可以根據(jù)生產(chǎn)過程及時(shí)調(diào)整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十 幾個(gè)產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活性，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在1974年瑞典的沃爾沃 卡爾馬的汽車組裝廠，提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的靈活性，使用以AGV小車為載運(yùn)工具的 裝配線，釆用該裝配線后，減少了 20%裝配時(shí)間、減少了 39%組裝錯(cuò)誤，減少了 57%投資資金回收時(shí)間以及減少了 5%的員工費(fèi)用。目前，在世界主要的汽車生

15、產(chǎn) 廠家，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾AGV小車己被廣泛應(yīng)用。近年來，作為 CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems,直譯為基于計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代 集成制造系統(tǒng))的基礎(chǔ)搬運(yùn)工具，AGV己經(jīng)深入到機(jī)械加工，家電制造，微電子 制造，煙草等行業(yè)，生產(chǎn)業(yè)和加工業(yè)已成為AGV小車使用最廣泛的領(lǐng)域。(3) 郵局、圖書館、港口碼頭和機(jī)場(chǎng)在郵局，圖書館，碼頭和機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓 等人口密集的公眾場(chǎng)所，存在著大量的物品的運(yùn)送工作，充滿不定性和動(dòng)態(tài)性強(qiáng) 的特點(diǎn)，搬運(yùn)過程往往也很單一。AGV有著可并行工作、自動(dòng)化、智能化和處理 靈活的特點(diǎn)，可以很好的滿足這些場(chǎng)合的運(yùn)輸要求。19

16、83年瑞典的大斯得哥爾 摩郵局，1988年日本東京的多摩郵局，1990年中國的郵政相繼開始使用AGV小 車來完成郵品的搬運(yùn)工作。在荷蘭的鹿特丹港口，50輛被稱為“院子里的拖拉 機(jī)”的AGV小車每天都在把集裝箱從船邊運(yùn)送到幾百米以外的倉庫中。(4) 煙草、醫(yī)藥、化工、食品對(duì)于處理一些需要在清潔、安全、無排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如 煙草、制藥、食品、化工等產(chǎn)品時(shí)應(yīng)考慮AGV小車的應(yīng)用。在全國許多卷煙企業(yè), 如頤中集團(tuán)、紅塔集團(tuán)、紅河卷煙廠、卷煙廠，應(yīng)用激光引導(dǎo)式AGV完成托盤貨 物的搬運(yùn)工作。(5) 危險(xiǎn)場(chǎng)所和特種行業(yè) 在軍事方面，以AGV小車為基礎(chǔ)有著自動(dòng)駕駛和 檢測(cè)功能的設(shè)備，可用

17、于戰(zhàn)場(chǎng)偵察和掃雷，英國軍方正在開發(fā)MINDER偵察系統(tǒng), 這是一種具有地雷探測(cè)、銷毀和路線驗(yàn)證能力自動(dòng)型偵察車。在鋼鐵廠，AGV小 車負(fù)責(zé)爐料運(yùn)輸，大大降低了工人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。在核電廠的核儲(chǔ)存地點(diǎn)使用 AGV小車，以避免輻射的危險(xiǎn)。AGV小車可在黑暗環(huán)境中，準(zhǔn)確、可靠的運(yùn)輸物 料。第二章方案設(shè)計(jì)根據(jù)課題要求，確定以下方案：在現(xiàn)有的智能小車的基礎(chǔ)上，加上超聲波測(cè) 距器，實(shí)現(xiàn)智能小車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳至 單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所測(cè)量的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控 制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠、精度高, 可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要

18、求。2. 1主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為該設(shè)計(jì)屬于多輸入的復(fù)雜程序控制問題，因此我擬定 了以下幾種方案，具體如下：方案_：STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51核，但做了很多的改 進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、 超有效的解決方案。方案二AVR單片機(jī)是Atmel公司1997年推出的RISC單片機(jī)。RISC（精簡指令系 統(tǒng)計(jì)算機(jī)）是相對(duì)于CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)

19、計(jì)算機(jī)）而言的。RISC并非只是簡單地 去減少指令，而是通過使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理而提高運(yùn)算速度的oRISC優(yōu) 先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令:并固定指令寬度，減少指令格 式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運(yùn)行速度。由于AVR采用了 RISC 的這種結(jié)構(gòu)，使AVR系列單片機(jī)都具備了 lMIPS/MHz (百萬條指令每秒/兆赫茲) 的高速處理能力。方案三：FPGA是由存放在片RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要 對(duì)片的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加 電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PG

20、A進(jìn)入工 作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使 用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用、PROM編程器即可。當(dāng)需 要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA,不同的編程 數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。方案比較：采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)其既定的 性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn) 上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢(shì)一一控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī) 就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、

21、價(jià)格 低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)一一多開 關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用 精簡I/O 口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這 些分析，我選定了 STC89C52單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，51單片機(jī)具有功能 強(qiáng)大的位操作指令，I/O 口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K,對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽 有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的 驅(qū)動(dòng)等諸多因素后，我們決定釆用一片單片機(jī)，充分利用STC89C52單片機(jī)的資 源。2. 2單片機(jī)最小系統(tǒng)2. 2.1 STC89C52 簡

22、介STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM-Flash Pargramabie and Erasable Read Only Memory )的低 電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易 失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。圖2-1單片機(jī)實(shí)物圖STC89C52具體介紹如下：1. 主電源引腳(2根)VCC(Pin40):電源輸入，接+ 5V電源GND(Pin20): 接地線2. 外接晶振引腳(2根)XTAL1 (Pinl9):片振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20): 片振蕩電路的輸出端3

23、. 控制引腳(4根)RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù) 位。ALE/PR0G(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信 號(hào)EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令, 如果接高電平則從部程序存儲(chǔ)器讀指令。4. 可編程輸入/輸出引腳(32根)STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O 口，分別位PO、Pl、P2、P3 口， 每個(gè)口有8位(8根引腳)，共32根。P0 口(Pin39Pin32)：8位雙向 I/O 口線,名稱為P0. 0P0. 7 P1 口(Pinl Pin8) :

24、 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 P1.0Pl. 7 P2 口 (Pin21 Pin28)： 8位準(zhǔn)雙向I/O 口線，名稱為P2. 0P2. 7 P3 口 (PinlOPinl7) ： 8位準(zhǔn)雙 向I/O 口線,名稱為P3.0P3.711121315邁T?Ts7920pi.om pi.imEX Pl.2 Pl .3 Pl .4P1.6/MISO P1.7/SCK RST P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2.iQ4T0 P3.3jTNTr P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6j5vr P37麺 XTAL2 XTAL1 GNDVCCADO/PO.OAD1/P0.1AD2/P0.2

25、AD3/P0.3 AD4/P0.4 AD5/PO.5 AD3P0.6 AD7/PO.7EArTP ALE/PRQG PESN A15/P2.7 A14/P2.6 A13/P2.5 A12/P2/ /X11/P2.3 A10/P2.2A9/P2.1A&/P2.040393S37垂主33323?垂292221圖2-2單片機(jī)引腳圖STC89C52主要功能如表一所示:表一STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個(gè)雙向I/O 口256x8bit 部 RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部

26、中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式低功耗空閑和掉電模式2. 2.2時(shí)鐘電路STC89C52部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD 分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。部 方式的時(shí)鐘電路如圖2-3(a)所示，在RXD和TXD引腳上外接定時(shí)元件，部振 蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常釆用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 晶體振蕩頻率可以在1. 212MHz之間選擇，電容值在530pF之間選擇，電容 值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。外部方式的時(shí)鐘電路如圖2-3(b)所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外 部振蕩信

27、號(hào)無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般釆用頻率低于12MHz的方波 信號(hào)。片時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2,供單片機(jī) 使用。如圖所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只 要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩 頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2,供單片機(jī)使用。RXD接地，TXD接外 部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般釆用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1 和P2,供單片機(jī)使用。XTALII-Tn TXTAL2(a)部時(shí)鐘電路(b)外部

28、時(shí)鐘電路圖2-3時(shí)鐘電路2. 2. 3復(fù)位及復(fù)位電路(1)復(fù)位操作復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H,使單片 機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn) 行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。除PC之外，復(fù)位操作還對(duì)其他一些寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表二 所示表二復(fù)位狀態(tài)表寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PCOOOOHTCONOOHACCOOHTLOOOHPSWOOHTHOOOHSP07HTL1OOHDPTR0000HTH1OOHP0-P3FFHSCONOOHIPXXOOOOOOBSBUF不定IEOX

29、OOOOOOBPCONOXXXOOOOBTMODOOH(2)復(fù)位信號(hào)及其產(chǎn)生RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持 續(xù)24個(gè)振蕩周期(即二個(gè)機(jī)器周期)以上。若使用頗率為6MHz的晶振，則復(fù)位信 號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過4us才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路邏輯如圖整個(gè)復(fù)位電路包括芯片、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施 密特觸發(fā)器，再由片復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)刻對(duì)施密特觸發(fā)器的輸 出進(jìn)行釆樣，然后才得到部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位相按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖2-4 (a)

30、 所示。這佯，只要電源Vcc的上升時(shí)間不超過Ims,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位， 即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù) 位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖2-4 (b)所示；而按鍵脈沖 復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的。上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于6MHz晶振，能保證復(fù)位信號(hào)高電平 持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期。其電路如圖24 (c)所示:Vcc8051VexRST/VroVss(b)按鍵電平復(fù)位(c)按鍵脈沖復(fù)位圖2-4復(fù)位電路(a)上位電路2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。

31、線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié) 構(gòu)和原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路(如圖2-5) o 用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保 證了簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是 一種廣泛釆用的PWM調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了 L298N這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速圍廣、過載能力大，能承受頻繁 的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采 用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。圖2-5 H橋式電

32、路2.4循跡及避障模塊釆用兩只紅外對(duì)管，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接 受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測(cè)試表明，只要合理安裝好 兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。（參考文獻(xiàn)3）采用一只紅外對(duì)管置于小車右側(cè)。通過測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避 開障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。（參考文獻(xiàn)3）2.5機(jī)械系統(tǒng)本題目要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特 點(diǎn)。 驅(qū)動(dòng)部分：由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小，而小車上裝有電池、電機(jī)、 電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在直流 電機(jī)和輪車軸之間加裝了三級(jí)減速齒

33、輪。電池的安裝：將電池放置在車體的電機(jī)前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性, 同時(shí)可增加驅(qū)動(dòng)輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡單，而三輪運(yùn)動(dòng)具 備以上特點(diǎn)。2. 6電源模塊采用4支1. 5V電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時(shí)給單片機(jī)與與電機(jī)供電。第三章硬件設(shè)計(jì)3. 1總體設(shè)計(jì)智能小車釆用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪 子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。將循跡 光電對(duì)管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯 片控制左輪電機(jī)停止，車向左修正，當(dāng)車身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯 片控制右輪電機(jī)停止，車向右修正

34、。避障的原理和循線一樣,在車身右邊裝一個(gè)光電對(duì)管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí), 主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車子倒退,轉(zhuǎn)向，從而避開障礙物。3. 1.1主板設(shè)計(jì)框圖主板設(shè)計(jì)框圖如圖3-1,所需原件清單如表3-1元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量直流電機(jī)2只電阻若干集成電路芯片若干單片機(jī)1塊:極管若干電容若干紅外對(duì)管3只蜂鳴器1只電位器若干12M晶振1只杜邦線若干玩具小車1個(gè)排針若干3. 2驅(qū)動(dòng)電路（參考文獻(xiàn)4）小型直流電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器，所用芯片L293屬于H橋集成電路，其輸出電流 為1000mA,最高電流2A,最高工作電壓36V,可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，特別是其輸 入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)

35、動(dòng)小型直流電機(jī) 時(shí)，可以直接控制兩路電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變 輸入端的邏輯電平。本模塊具有體積小，控制方便的特點(diǎn)。釆用此模塊定會(huì)使您 的電機(jī)控制自如，應(yīng)對(duì)小車題目輕松自如。驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3-2。圖3-2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3. 3信號(hào)檢測(cè)模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙“路面”上行駛，由于黑線和白紙 對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路” 一黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法一一紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)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(zhì)的特 點(diǎn)，不斷地向外發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色障礙物時(shí)發(fā)生漫反射，反射光

36、被 與之相對(duì)的接收管接收；如果遇到黑色物體則紅外光被吸收，接收管接收不到紅 外光。將接收管的結(jié)果送給單片機(jī)。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù) 來進(jìn)行相應(yīng)的處理。根據(jù)它的特性可以用于智能小車的尋跡或避障。紅外對(duì)管白 色為發(fā)射管，長引腳為正極，接高電位。黑色為接收管，長引腳接地，短引腳接 高電位.電路圖如圖3-3oVCCVCCTCRT50003豐CVCC1 PL5 Pl Pl? 恥？ PA P51 P5J P33 px i P35 P5 P3?KVaL2 XTaLI 畑4G jv3637=03roT切724C2Q嚴(yán) I之刃 IK30?53827P14P17T3T_運(yùn)匸R1ALQ vriu-i

37、pirF1TiMK圖3-4主控電路第四章軟件設(shè)計(jì)4.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù) 每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。4.1.1程序功能與設(shè)計(jì)思路1、當(dāng)單片機(jī)接收到光電開關(guān)與避障信號(hào)后，控制電機(jī)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)循跡。2、編制程序使單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)前方小車距離，調(diào)整后車的 車速。3、光電開關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)兩小車之間的相互通信，實(shí)現(xiàn)超車、領(lǐng)跑功能。4.1. 2程序設(shè)計(jì)思路 1、循跡轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)思路當(dāng)左右兩邊光電開關(guān)都接收到檢車信號(hào)時(shí)，兩光電開關(guān)都輸出低電平，小車

38、直行；當(dāng)左右光電開關(guān)分別為接收不到信號(hào)、接收到信號(hào)時(shí)，左右光電開關(guān)分別 輸出高、低電平，小車右拐；當(dāng)左右光電開關(guān)分別為接收到信號(hào)、接收不到信號(hào) 時(shí)，左右光電開關(guān)分別輸出低、高電平，小車左拐。當(dāng)檢測(cè)到拐彎標(biāo)志時(shí)，輸出為高電平，并實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)志線計(jì)數(shù)功能，作為小車 起始、拐彎、超車標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)小車的起始、拐彎與超車。4. 2程序流程圖1、主程序流程圖如圖所示圖4-1主流程圖2循跡子程序流程圖如圖所示圖4-2循跡子程序流程3 單片機(jī)系統(tǒng)流程圖如圖所示4-3單片機(jī)系統(tǒng)流程圖第五章調(diào)試與總結(jié)5.1調(diào)試5.1. 1調(diào)試工具儀器名稱用途電腦調(diào)試及下載程序數(shù)字萬用表測(cè)量各種電路工作情況5.1. 2調(diào)試過程我們嘗試著

39、先用STC89C52來控制小車的跑馬燈，結(jié)果實(shí)驗(yàn)成功。證明單片 機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。然后嘗試尋跡，結(jié)果試驗(yàn)成功，小車能正常的跑動(dòng)起來。這個(gè)小試 驗(yàn)，是為了檢測(cè)小車的機(jī)械性能。達(dá)到了我們預(yù)期目的。主板通電前檢查：電路安裝完畢，我們首先直觀檢查電路各部分生產(chǎn)線是否 正確，檢查電源、地線、信號(hào)線、元器件引腳之間有無短路，器件有無接錯(cuò)。通電檢查：給電機(jī)通電，觀察電機(jī)是否工作正常。電機(jī)正常工作時(shí)，后驅(qū)工 作電流為320 mA,電壓為5. 4V；前驅(qū)電機(jī)工作電流為180mA,電壓為5. 41V。 給主板通電，觀察電路各部分器件有無異常現(xiàn)象。主板安裝調(diào)試，在調(diào)試的過程中我們發(fā)現(xiàn)了原理圖中有一個(gè)小小的錯(cuò)誤。這 個(gè)錯(cuò)誤

40、導(dǎo)致小車的穩(wěn)壓芯片過熱。一起討論之后決定，修改原理圖，調(diào)換小車驅(qū) 動(dòng)芯片的位置。改動(dòng)之后，小車電源穩(wěn)壓芯片過熱現(xiàn)象消失。小車也能實(shí)現(xiàn)了基 本的功能。在調(diào)試的過程中卻發(fā)現(xiàn)小車不停車，經(jīng)過了兒天的努力，終于發(fā)現(xiàn)了問題的 所在，原來時(shí)程序設(shè)計(jì)有誤。改正后調(diào)試，終于也能實(shí)現(xiàn)了循跡功能。5.2總結(jié)本設(shè)計(jì)方案按照任務(wù)書的要求，以51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合無線遙控模 塊、紅外對(duì)管尋跡模塊、紅外線避障模塊和電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)尋跡功 能，自動(dòng)避障功能，無線遙控和語音控制功能?；就瓿筛黜?xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)小車的 智能化行駛。系統(tǒng)是通過軟硬結(jié)合的方式，得到硬件檢測(cè)信號(hào)后輸入單片機(jī)各 個(gè)對(duì)應(yīng)的I/O接口，通過匯編程序控制過程，小車由遙控啟動(dòng)后，自動(dòng)尋跡，并 不斷檢測(cè)遙控、避障和語音信號(hào)，只要得到其中任何一種信號(hào)都將轉(zhuǎn)入它們對(duì)應(yīng) 的功能模塊