基于STC89C52單片機的智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)

1、目錄 一 目的與要求21.1 設(shè)計目的21.2 設(shè)計任務與要求21.2 設(shè)計方案論證31.2.1 單片機選擇方案31.2.2 避障的選擇31.2.3 顯示模塊的選擇41.2.4 電機模塊的選擇41.3 設(shè)計原理41.3.1 避障原理41.3.2 循跡原理51.3.3 測速原理5二 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計62.1 系統(tǒng)總體設(shè)計62.2 模塊設(shè)計分析62.2.1 避障傳感器模塊62.2.2 循跡傳感器模塊72.2.3 控制器模塊82.2.4 電機驅(qū)動模塊92.2.5電機模塊102.2.6 顯示模塊112.2.7 電源模塊112.2.8 總結(jié)11三 系統(tǒng)的軟件設(shè)計分析123.1 總程序框架圖123.2 紅

2、外循跡模塊程序框架圖13四 調(diào)試與測試144.1調(diào)試過程中遇到的問題與解決14五 小車實物圖15六 心得體會16參考文獻16附錄一（元件清單）17附錄二（程序清單）19一 目的與要求1.1 設(shè)計目的本次設(shè)計是基于stc89c52單片機的智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)，小車完成的主要功能是能夠避開賽道上的兩塊擋板，并在之后自主識別黑色引導線且根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。小車系統(tǒng)以stc89c52單片機為系統(tǒng)控制處理器；采用紅外傳感器獲取擋板和賽道上黑線的信息，來對小車的方向和速度進行控制。此外，對整個控制軟件進行設(shè)計和程序的編制以及程序的調(diào)試，并最終完成軟件和硬件的融合，實現(xiàn)小車的預期功能。1.2

3、 設(shè)計任務與要求1） 設(shè)計并制作一個避障循跡小車，其行駛路線示意圖如下：圖1-1 小車行駛路線示意圖2） 機器人從起點出發(fā)，在繞過兩個擋板障礙物之后，自動尋找在地上的黑線，并能跟隨黑線的軌跡行走順利地到達終點。3） 能顯示機器人行駛的時間，里程，速度等其他功能。4） 機器人一旦啟動后，不得人為干預其行駛，機器人須在8分鐘內(nèi)抵達終點，機器人沖進禁區(qū)，需重新從起點開始，時間累加，每支隊伍有3次機會進行避障尋軌，取最短時間計入最終成績，機器人長不小于15cm，寬不小于10cm1.2 設(shè)計方案論證1.2.1 單片機選擇方案方案一:用可編程邏輯器件（pld）實現(xiàn)。這種方案與前一種相比，可靠性增加，同時可

4、以很好的完成避障的功能。但是循跡功能不能實現(xiàn)，而且這種方案只能選用數(shù)碼管顯示，顯示的效果不夠理想，無法很好的完成擴展功能的要求，系統(tǒng)的靈活性不夠。 方案二:采用stc89c52單片機作為系統(tǒng)的控制核心。密碼管理系統(tǒng)用i2c總線at24c02來實現(xiàn)，溫度感應用ds18b20來采樣溫度，利用pwm控制電機轉(zhuǎn)速。由于使用了單片機，整個系統(tǒng)可編程，系統(tǒng)的靈活性大大增加了。另外，本方案可以方便的實現(xiàn)其他功能的擴展。 經(jīng)過以上的比較論證，選用方案二來完成項目設(shè)計的要求。1.2.2 避障的選擇 方案一：在避障模塊中，選擇超聲波避障，優(yōu)點是反應速度靈敏，距離遠，受外界干擾小。但題目所要求的距離是20cm，如果

5、利用超聲波傳感器進行避障的話，由于空間小聲波在小空間不同方向里會進行多次反射，左右前后的傳感器之間互相干擾，使控制中心不能明確判斷出那個方向遇到了障礙物，從而動作絮亂，不能實現(xiàn)要求。 方案二：使用紅外接收頭和發(fā)射管（反射頭能反射）配合，利用38k頻率解決靈敏度問題。38k調(diào)制和發(fā)射電路。使用一個定時器的快速pwm模式產(chǎn)生38k調(diào)制信號，通過剩余的四個施密特觸發(fā)器緩沖，推動8050三極管和紅外發(fā)光管發(fā)射已經(jīng)調(diào)制的紅外線。期中2個n148接單片機io腳控制左右紅外發(fā)光管輪流發(fā)射。后面串接的可見光led是為了方便用戶調(diào)試而設(shè)置的，讓用戶知道當前是否在發(fā)射紅外線。通過調(diào)節(jié)pwm的占空比，調(diào)節(jié)紅外發(fā)光管

6、的亮度，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)感知障礙物距離的功能。經(jīng)過以上的比較論證，選用方案二：使用紅外接收頭和發(fā)射管（反射頭能反射）配合。1.2.3 顯示模塊的選擇 方案一：使用多個數(shù)碼管顯示。led數(shù)碼管是利用二極管發(fā)光顯示數(shù)字和字母，具有亮度大、接口設(shè)計比較容易，價格相對較便宜等優(yōu)點。但是由于它工作電流較大、不能顯示漢字，顯示的信息量有限，若在此題目中應用就會受到很大的限制。 方案二：采用液晶顯示。液晶特別是具有字母顯示功能的液晶顯示器，來實現(xiàn)顯示功能，不僅可以實現(xiàn)基本的顯示信息，而且可以顯示豐富的符號指示信息以及文字指示信息，信息量豐富且直觀易懂。而且液晶顯示有功耗低，體積小，重量輕，壽命長，不產(chǎn)生電磁輻射

7、污染等優(yōu)點。經(jīng)過比較論證，選用方案二：采用液晶顯示。1.2.4 電機模塊的選擇 方案一：采用步進電機，由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。但其輸出力矩低，控制復雜，質(zhì)量較重。方案二：采用直流電機，其控制比較簡單，可以通過調(diào)節(jié)方波占空比來實現(xiàn)pwm調(diào)速，缺點需外加傳感器實現(xiàn)路程的計算?；谝陨戏治觯覀冞x用了方案二：采用直流電機。1.3 設(shè)計原理1.3.1 避障原理避障傳感器我們選擇光電漫反射開關(guān)，是當開關(guān)發(fā)射光束時，目標產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個的標準部件，當光電開關(guān)有足夠的組合光返回接收器時，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，從而一起輸出端電平的變化，繼而利用電平進

8、行障礙物判斷。1.3.2 循跡原理這里的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(zhì)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(zhì)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。紅外探測器探測距離有限。1.3.3 測速原理這里我們采用光電碼盤來測速，碼盤圓周上有等分等寬的透光條碼

9、和遮光條碼，通過采到的脈沖來進行轉(zhuǎn)速與電信號的轉(zhuǎn)換。碼盤與車輪同軸，置于光電對管之間，當車輪轉(zhuǎn)動時，條碼就可以交替的透光和遮光，從而產(chǎn)生一連串脈沖電壓信號。二 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計 圖2-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖2.2 模塊設(shè)計分析2.2.1 避障傳感器模塊漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。圖2-2 漫反射開關(guān)檢測原理圖我們所選擇的漫反射關(guān)電開關(guān)的檢測距離可達30cm，其抗干擾的能力強，可進行可靠的避障。2.2.2 循跡傳感器模塊反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。

10、我們采用的紅外發(fā)射接收管對價格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。在黑線檢測的測試中，若檢測到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到接收管，測量接收管的電壓為48v ，若檢測到黑色區(qū)域，接收管接受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，所得電壓也就隨之發(fā)生變化，測的接收管的電壓為0v，測試基本滿足要求。循跡模塊如圖2-3所示： 圖2-3 循跡模塊圖正確選擇檢測方法和傳感器件是決定循跡效果的重要因素，而且正確的器件安裝方法也是循跡電路好壞的一個重要因素。從簡單、方便、可靠等角度出發(fā)，同時在底盤裝設(shè)4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，將大大提高其循跡的可靠性，具體位置分布如圖2-4所示。 圖2-4 紅外探

11、頭的分布圖圖中四個光電傳感器同在一個水平線上，其中2與3光電傳感器位于靠近黑色軌跡左右邊，來控制微小轉(zhuǎn)彎，1和4位于遠離黑線，用于檢測道路分支、大角度轉(zhuǎn)彎等，這是考慮到如果轉(zhuǎn)彎角過大，小車即使剎車，也會由于慣性過大偏離軌道，由于加入了x2和y2這兩個光電傳感器，可以提前預知小車即將轉(zhuǎn)彎的幅度，從而更好控制小車轉(zhuǎn)彎，提高了小車循跡的可靠性。2.2.3 控制器模塊89c52是intel公司mcs-51系列單片機中基本的產(chǎn)品，它采用intel公司可靠的chmos工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機，屬于標準的mcs-51的hcmos產(chǎn)品。它結(jié)合了hmos的高速和高密度技術(shù)及chmos的低功耗特征，它基于標

12、準的mcs-51單片機體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于80c51增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達控制等應用場合。且具有pwm輸出功能，更便于控制小車的車速及轉(zhuǎn)向。其基本模塊最小系統(tǒng)電路如圖2-5所示圖2-5 2.2.4 電機驅(qū)動模塊驅(qū)動模塊采用專用芯片l298n 作為電機驅(qū)動芯片，l298n 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，其響應頻率高，一片l298n可以分別控制兩個直流電機。以下為l298n的引腳圖（圖3-1）和輸入輸出關(guān)系表（表1）。其中，系統(tǒng)電機驅(qū)動模塊電路如圖2-6： 圖3-1 l298n外部引腳 表1 l298n輸入輸出關(guān)系 圖2-6 電機

13、驅(qū)動模塊電路圖2.2.5電機模塊對于電機模塊，我們考慮了兩種方案，一種是步進電機，另外一種是直流電機。下面對比一下兩種電機的優(yōu)缺點。1) 采用步進電機，由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。但其輸出力矩低，控制復雜，質(zhì)量較重。2) 采用直流電機，其控制比較簡單，可以通過調(diào)節(jié)方波占空比來實現(xiàn)pwm調(diào)速，缺點需外加傳感器實現(xiàn)路程的計算。基于以上分析，我們選用了直流電機。2.2.6 顯示模塊采用lcd1602作為顯示器件，1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5x7或者5x11等點陣字符位組成，每個點陣字符位

14、都可以顯示一個字符，板面能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）。上行可用于顯示小車速度，下行可用于顯示小車行駛過的路程。lcd1602實物圖如2-7： 圖2-7 lcd1602實物圖2.2.7 電源模塊對于電源模塊，我們采用雙電源，把單片機的供電和驅(qū)動電路分開來，確保單片機控制部分和電機驅(qū)動的部分的電壓不會互相影響。這樣有助于消除電機干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2.8 總結(jié)綜合利用以上各個模塊可實現(xiàn)小車避障、循跡、顯示速度、路程，記錄道路信息等功能，我們采用物盡所用的原則，考慮到89c52的資源情況，基本上把mcu控制芯片的所有資源充分利用起來，資源分配如圖 2-8所示： 圖2-8

15、 資源分配圖三 系統(tǒng)的軟件設(shè)計分析3.1 總程序框架圖 圖3-1 總程序框架圖3.2紅外循跡模塊程序框架圖 圖3-2 紅外循跡模塊程序框架圖四 調(diào)試與測試4.1調(diào)試過程中遇到的問題與解決在小車調(diào)試的過程中，我們遇到了若干問題，諸如如何讓小車走直線，如何讓小車執(zhí)行精確90度轉(zhuǎn)彎，這是在避障部分所遇到的比較棘手的問題，而在循跡部分，雖能執(zhí)行完任務，但卻是以犧牲速度為代價的，所以在循跡部分，速度與準確性是一對矛盾，如何解決好這個矛盾，是我們所面臨的最大問題?；谝陨系姆N種問題，我們提出種種解決方案。對于避障所遇到的問題，如走直線，我們引入了反饋程序，通過兩個車輪速度的差，調(diào)節(jié)占空比，來平衡兩個輪的速

16、度，從而實現(xiàn)走直線。對于90度精確轉(zhuǎn)彎，我們通過對碼盤計路程，來實現(xiàn)比較精準的轉(zhuǎn)彎，由于我們的碼盤精度有限，故最后引人了2cm的誤差，但在合理范圍內(nèi)。在循跡方面，我們同調(diào)節(jié)探頭位置，增加探頭，優(yōu)化程序等步驟，不斷地改善循跡，從而使其速度良好，精確度有保障。五 小車實物圖圖5-1 小車實物圖1圖5-2 小車實物圖2六 心得體會此次單片機比賽讓我們學到了很多東西，深深體會到學習的樂趣，也深刻的意思到團隊合作的重要性，以及分工的重要性。我們每一個組員認真的負責屬于自己的部分，互相幫助，相互提高。遇到困難，也從未氣餒，而是認真分析，尋找途徑，解決問題。經(jīng)過此次，大家都收獲了不少知識，這是對我們的極大鼓

17、勵。參考文獻1李建忠.單片機原理及應用.西安電子科技大學出版 2006.02 2李朝青.單片機原理及接口技術(shù).北京航空航天大學出版 2006.033余發(fā)山.單片機原理及及應用技術(shù).中國礦業(yè)大學出版社 2003.124楊凌霄.微型計算機原理及應用.中國礦業(yè)大學出版社 2004.085何立民.單片機應用技術(shù)選編.北京航空航天大學出版社 2000.086丁立軍.基于超聲波傳感器與紅外傳感器的移動機器人感測系統(tǒng)研制 7周杏鵬.傳感器與檢測技術(shù) 清華大學出版社 2009.10附錄一（元件清單）主要電子元件名稱數(shù)量集成非門74ls042片超聲波發(fā)射器和接收器2對電阻20k、22k、4.7k、200k、10

18、k若干電容330p、1u、23.3u若干單片機stc89c521片液晶16021片電機驅(qū)動芯片l298n1片直流電機2個紅外發(fā)射接收對管4對集成運放l339n4片i2c總線芯片24c021片穩(wěn)壓電源芯片lm8051片穩(wěn)壓電源芯片lm3171片附錄二（程序清單）#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define zhengzhuan aint0=bint0=1;aint1=bint1=0;#define fanzhuan aint0=bint0=0;aint1=bint1=1;#define st

19、op aint0=bint0=aint1=bint1=1;#define youzhuan bint1=1;aint0=1;aint1=0;bint0=1;#define zuozhuan bint1=0;aint0=1;aint1=1;bint0=1;sbit rs=p26;sbit e=p27;sbit pwma=p10;sbit pwmb=p11;sbit aint0=p12;sbit aint1=p13;sbit bint0=p14;sbit bint1=p15;sbit hw5=p24;sbit hw4=p23;sbit hw3=p22;sbit hw2=p21;sbit hw1=p

20、20;sbit guangdian1=p25;sbit guangdian2=p16;sbit guangdian3=p17;uchar code number=0123456789; /10位，包括空格uchar count,tcount,tiaojie,zkba,zkbb,bjzkb,temp,qian5,qian3,qian2,hwbl4,hwbl1,hwbl3,hwbl2,hwbl5,num,in,out;uint i,distance,path1,path2,speed;long way,way2;void delay(uint x);void init();void write_c

21、om(uchar com);void write_dat(uchar dat);void lcd_display();void zhixiantiaozheng();void zhuanwantiaozheng();void zhijiaotiaozheng();void jiance();void zhixian();void zhuanwan();void zhijiao();void bizhang();void ting();void zuo_zhizhuan();void you_zhizhuan();void run();void back();void diyizuo_zhizh

22、uan();void diyiyou_zhizhuan();void dierzuo_zhizhuan();void dieryou_zhizhuan();void jiehe();void jieherun();void xunji_zuoguai();void xunji_youguai();void main()init(); bizhang();jiehe();while(1) jiance();void diyiyou_zhizhuan() path1=0;/zuozhuan;/zhengzhuanpwma=pwmb=0;while(path1=14)pwma=0;pwmb=0;pw

23、ma=1;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0; pwma=1;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0; /*if(guangdian2=0)delay(1);if(guangdian2=0) break; */ path1=0; void dieryou_zhizhuan() path1=0;/zuozhuan;/zhengzhuanpwma=pwmb=0;while(path1=16)pwma=0;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0;pwm

24、a=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0; pwma=1;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0;path1=0; void dierzuo_zhizhuan() path2=0;/zuozhuan;/zhengzhuanpwma=pwmb=0;while(path2=20)pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=1;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=1;pwm

25、a=0;pwmb=1; pwma=0;pwmb=1;pwma=0;pwmb=1; if(guangdian3=0)delay(1);if(guangdian3=0) break;path2=0; void diyizuo_zhizhuan() path2=0;/zuozhuan;/zhengzhuanpwma=pwmb=0;while(path20;a-)for(b=250;b0;b-);void init()pwma=0;pwmb=0;tmod=0x51;th0=(65536-50000)/256;tl0=(65536-50000)%256;et0=1;it0=1;it1=1;ex0=1;e

26、x1=1;ea=1;tr0=1; e=0;delay(1);write_com(0x38);delay(1);write_com(0x38);delay(1);write_com(0x38);delay(1);write_com(0x0c); /開顯示,設(shè)置光標不閃爍delay(1);write_com(0x06); /光標移動設(shè)置delay(1);write_com(0x01); /清屏delay(1);write_com(0x80);delay(1);write_dat(v);delay(1);write_dat(:);delay(1);write_com(0x80+7); /換寫入位置d

27、elay(1);write_dat(c);delay(1);write_dat(m);delay(1);write_dat(/);delay(1);write_dat(s);delay(1);write_com(0xc0); /換行開始顯示路程delay(1);write_dat(s);delay(1);write_dat(:);delay(1);write_com(0xc0+8); /換寫入位置delay(1);write_dat(c);delay(1);write_dat(m);delay(1);speed=distance=way=way2=bjzkb=num=in=out=0;lcd_

28、display();tiaojie=1;delay(500);void write_com(uchar com)rs=0;delay(1);e=1;delay(1);p0=com;delay(1);e=0;void write_dat(uchar dat)rs=1;delay(1);e=1;delay(1);p0=dat;delay(1);e=0;void lcd_display()write_com(0x80+3); /換寫入位置delay(1);write_dat(numberspeed/100);delay(1);write_dat(number(speed/10)%10);delay(

29、1);write_dat(numberspeed%10);delay(1);write_com(0xc0+3); /換行開始顯示路程delay(1);write_dat(numberdistance/1000);delay(1);write_dat(number(distance/100)%10);delay(1);write_dat(number(distance%100)/10);delay(1);write_dat(numberdistance%10);delay(1);void jiance()hw1=hw2=hw3=hw4=hw5=1;temp=p2;temp&=0x1f;hwbl5

30、=(temp&0x10)4;hwbl4=(temp&0x08)3;hwbl3=(temp&0x04)2;hwbl2=(temp&0x02)1;hwbl1=temp&0x01;/if(hwbl5=0)/if(hwbl1=1|hwbl2=1)xunji_youguai();else if(hwbl4=1|hwbl3=1)xunji_zuoguai();else jieherun(); /run();/else/jieherun();/void xunji_zuoguai()pwma=pwmb=0;while(1)pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=1;/pwma=0;pwmb=0;

31、pwma=1;pwmb=1;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=1;pwma=0;pwmb=1; pwma=0;pwmb=1;pwma=0;pwmb=1; if(hw2=1) break;void xunji_youguai() pwma=pwmb=0;while(1)pwma=0;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;/pwma=0;pwmb=0;pwma=1;pwmb=1;pwma=0;pwmb=0;pwma=0;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0; pwma=1;pwmb=0;p

32、wma=1;pwmb=0;pwma=1;pwmb=0; if(hw3=1) break; void bizhang()while(1)if(guangdian1=0)delay(5);if(guangdian1=0) break;run();ting();diyiyou_zhizhuan();ting();while(1)if(guangdian2=1)delay(5);if(guangdian2=1) break;run();ting();diyizuo_zhizhuan();ting();while(1)if(guangdian1=0)delay(5);if(guangdian1=0) break;run();ting();dierzuo_zhizhuan();ting();while(1)if(guangdian3=1)delay(5);if(guangdian3=1) break;run();ting();dieryou_zh