通信工程专业毕业论文03941.doc

本科毕业设计本科毕业设计(论文论文) 题目：自动避障寻迹小车硬件设计题目：自动避障寻迹小车硬件设计 系 别： 电子信息系 专 业： 通信工程 班 级： 2013 年 06 月 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 系别 电子信息系 专业 1.毕业设计（论文）题目： 自动避障寻迹小车硬件设计 2.题目背景和意义： 利用超声波进行位置检测广泛应用于考古、机器人、医疗器械等许多 方面，而根据地面特定标识自动寻迹在工业自动化生产及汽车工业中也得到广泛应用。本题目 以单片机为核心，以玩具小车为控制对象，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小 汽车的自动避障，同时根据地面特定标识，引导小车快慢速行驶以及自动停车，并可以自动记 录时间、里程以及行驶速度。涉及到传感器位置检测，直流电机调速控制及计算机应用等多方 面的知识。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 本题目以玩具小车为控制对象，要求小车 在地面标识引导下能够自动寻迹，寻迹路线设有随机布置的障碍，要求小车能够根据检测自动 躲避障碍，并恢复对路线的寻迹。同时小车能够自动显示、记录时间、里程以及行驶速度。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 设计地点：单片机实验室； 起始时间：1-18 周 ； 基本要求： 1）系统电源设计；2）寻迹模块接口硬件设计；3）超声 波换能器接口设计；4）直流电机驱动电路设计；5）1602 液晶接口设计；6）转速检测接口设 计等 5.毕业设计（论文）的工作量要求 实验（时数）*或实习（天数）： 400 学时 图纸（幅面和张数）*： a4 图纸 5 张 其他要求： 论文字数 1.5 万字以上；外文翻译 5000 字以上；参考文献 15 篇以上（含英 文参考文献 3 篇） 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系（教研室）主任审批： 年 月 日 说明：1 本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。 2 带*项可根据学科特点选填。 i 自动避障寻迹小车硬件设计自动避障寻迹小车硬件设计 摘摘 要要 本系统以 at89s52 单片机为控制核心，利用红外对管检测行驶轨道的黑线引 导线实现寻迹功能，用超声波模块实现避障检测。采用直流电机驱动小车的后轮， 用一个转向电机控制小车的前轮。利用舵机控制小车的行驶方向，采用 pwm 技术 调节占空比以此来控制电机的转速，使小车实现自动寻迹避障的功能。行驶时间、 速度、里程的显示用一块 1602lcd。 关键词关键词：at89s52 单片机；红外对管；超声波；pwm 技术；寻迹；避障； 1602lcd ii automatic obstacle avoidance car tracing hardware design abstract the system is controlled by at89s52 single-chip microcomputer. it uses infrared tube to detect the black guide line on the running track so as to realize the tracing function, and it uses ultrasonic module to detect obstacle avoidance. the rear wheels of the car are drived by dc motor and the front wheels of the car are controlled by a steering motor. the driving direction of the car is controlled by servo. it adopted pwm technology to adjust the duty cycle so as to control the speed of the motor and realize the function of automatic tracing and obstacle avoidance. the travel time, speed and mileage are displayed on the 1602lcd. key words: at89s52 mcu；infrared tube；ultrasonic wave；pwm technology； tracing;obstacle avoidance;1602lcd iii 目录目录 1 绪论绪论1 1.1 前言 .1 1.2 课题研究的背景及意义 .1 1.2.1 题目背景.1 1.2.2 研究意义.1 1.3 课题研究的主要内容及技术指标 2 1.3.1 主要内容2 1.3.2 硬件设计主要要求2 2 系统方案论证与设计系统方案论证与设计.3 2.1 系统方案论证与设计 3 2.1.1 控制器模块论证与选择3 2.1.2 电机驱动模块论证与选择4 2.1.3 电源模块论证与选择5 2.1.4 寻迹模块选择与论证5 2.1.5 避障模块论证与选择5 2.1.6 速度检测模块论证与选择6 2.1.7 显示模块论证与选择6 2.1.8 本系统最终方案7 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计8 3.1 总体设计方案 .8 3.2 单片机电路设计 .9 3.2.1 at89s52 芯片介绍.10 3.2.2 单片机晶振及复位电路设计12 3.2.3 电源稳压电路设计13 3.3 电机驱动模块设计 13 3.3.1 l298n 芯片介绍 .13 3.3.2 电机驱动电路的设计.15 3.4 寻迹模块设计 16 3.4.1 反射型光电探测器 rpr359f 工作原理16 3.4.2 四路运算放大器 lm324 和双运算放大器 lm358.17 3.4.3 寻迹光电对管电路的设计18 3.4.4 寻迹光电对管的安装.19 iv 3.5 超声波检测处理模块设计 20 3.5.1 超声波测距原理20 3.5.2 超声波测距模块 hc-sfr0520 3.6 转速检测接口设计 22 3.6.1 霍尔传感器工作原理22 3.6.2 a44e 霍尔测速模块 .23 3.7 光电隔离模块设计 25 3.7.1 光耦芯片 tlp521-4 25 3.7.2 光电隔离模块的电路设计27 3.8 液晶显示接口设计 27 3.8.1 1602a 液晶显示模块27 4 硬件及功能调试硬件及功能调试31 4.1 硬件电路测试 31 4.2 功能模块测试及功能实现 31 4.2.1 电机驱动功能的实现31 4.2.2 寻迹功能的实现31 4.2.3 避障功能的实现32 4.2.4 车速检测的实现32 5 总结总结33 参考文献参考文献.34 致谢致谢35 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明36 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明.37 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 前言前言 随着电子技术、计算机技术、智能控制技术的飞速发展，产品的智能化和小型 化越来越成为人们关注的热点。各种智能小车在智能化玩具中占了很大的比例。近 年来，传统玩具的市场逐步缩水，高科技智能化的电子类玩具则逐步成为市场的主 流。因此，可遥控的智能化小车的研究是非常有意义的，具有很大潜在市场价值的。 机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。 机器人由于具有高度的灵活性、可以帮助人们提高生产率、改进产品质量和改善劳 动条件等优点，在世界各地的生产生活领域得到了广泛的应用1。智能小车正是模 仿机器人的一种尝试。它是一种以汽车电子为背景，涵盖控制，模式识别，电子、 电气、单片机、机械等多学科的科技创新性设计，一般主要由路径识别、速度采集、 角度控制以及车速控制等模块组成。这种智能小车能够自动搜寻前进路线，还能爬 坡；感知前方的障碍物，并自动寻找前进方向，避开障碍物；加入相关声光讯号后， 更能体现出智能化和人性化的一面。 机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导 引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（avg auto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开 障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行 动作。 1.2 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 1.2.1 题目背景题目背景 在生产实际中，某些场合要求工作小车有自动寻迹、自动规避障碍的功能。路 线检测的准确与否直接影响小车寻迹时的行驶状态及速度，而自动规避障碍在实际 生产生活中有广泛应用，因此寻求一种低成本、抗干扰性强并且位置指示准确的障 碍检测方法具有重要意义。 1.2.2 研究意义研究意义 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交 通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 2 们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的 机器一直是人类的梦想，智能小车可以作为机器人的典型代表。 电子技术的飞速发展，对自动化要求越来越高，智能汽车检测并完成特殊的任 务将成为以后的一个新的发展方向。在危险或不利于人工作业的环境下，利用智能 小车替代人工作业完成特殊任务，避免人员伤亡，更可减少经济损失。 1.3 课题研究的主要内容及技术指标课题研究的主要内容及技术指标 1.3.1 主要内容主要内容 本题目以玩具小车为控制对象，要求小车在地面标识引导下能够自动寻迹，寻 迹路线设有随机布置的障碍，要求小车能够根据检测自动躲避障碍，并恢复对路线 的寻迹。同时小车能够自动显示、记录时间、里程以及行驶速度。 1.3.2 硬件设计主要硬件设计主要要求要求 本题目要求对一玩具小车进行控制，使小车能够在引导线指引下自动循迹；遇 到引导线前设置的障碍时，要求小车能够自动躲避障碍，并重新找到引导线恢复循 迹。具体包括： a. 系统电源设计。 b. 直流电机驱动电路设计。 c. 寻迹模块接口设计。 d. 转速检测接口设计。 e. 超声波换能器接口设计。 f. 1602 液晶接口设计。 2 系统方案论证与设计 3 2 系统方案论证系统方案论证与设计与设计 2.1 系统方案论证系统方案论证与设计与设计 根据题目要求，设计方案如图 2.1。在玩具电动车上，加装反射式红外光电传 感器、超声波传感器、速度检测传感器等部件,实现对电动车运行状况的实时测量， 并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对 电动车的智能控制。 at89s52 路径识别单元 避障检测模块 舵机控制单元 驱动电机控制 车速检测单元 速度里程显示 电 池 组 9 v 电池 组 9v 电源管理单元 信号调理电路 图 2.1 系统框图 为较好的实现各模块的功能，分别设计了几种方案并分别进行了论证。 2.1.1 控制器模块论证与选择控制器模块论证与选择 此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。控制 的方法有很多，大部分都采用单片机控制。 方案一：智能车系统采用飞思卡尔 16 位单片机 mc9s12dg128 为核心控制单 元，由采用光电检测技术的道路识别模块和速度检测模块负责采集信号，并将采集 到的电平信号送入核心控制单元 mcu，核心控制单元对信号进行处理后，通过单 片机端口发出 pwm 信号波，通过输出不同占空比分别对转向舵机、直流电机进行 驱动控制，完成控制智能车的方向与速度2。但考虑到对这个方案采用的微处理器 并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。 我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 4 方案二：采用 at89s52 单片机作为主控制器。at89s52 是一个超低功耗，和 标准 51 系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持 isp 在线编程， 片内含 8k 空间的可反复擦写 1000 次的 flash 只读存储器，具有 256 bytes 的随机存 取数据存储器（ram） ，32 个 i/o 口，2 个 16 位可编程定时计数器3。其指令系统 和传统的 8051 系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计 简单、价格低廉，在后来的实验中 89s52 精确度和运算速度也都完全符合我们系统 的要求。 综合以上方案我们选择比较普通是的更为熟悉的方案二使用 at89s52 单片机 为我们整个系统的控制核心。 2.1.2 电机驱动模块论证与选择电机驱动模块论证与选择 方案一：使用直流电机，加上适当减速比的减速器。直流电机具有良好的调速 性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调 节电压的大小就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放 大器。常用的驱动方式是 pwm 方式，即脉冲宽度调制方式4。此方法性能较好， 电路和控制都比较简单。 方案二：使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一 个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控 制。与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号， 转速的大小由外加的脉冲频率决定。去而且其转动不受电压波动和负载变化的影响， 也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关5。但步进电机的驱动相 对较复杂，要由控制器和功率放大器组成。具体差别见表 2.1。 表 2.1 电机控制方式对比 直流电机步进电机 调速性能较好较差 位置控制精度较差好 驱动简单复杂 稳定性较好好，仅与控制脉冲有关 由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精确的 位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直流 电机即可满足小车要求的精度。且直流电机易于控制，驱动电路十分简单。 故选择直流电机用于小车驱动，采用市面易购的电机驱动芯片 l298n 驱动电 机。该芯片是利用 ttl 电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以 对电机进行正转、反转和停止操作；利用可调占空比的 pwm 波输入驱动芯片使能 端，就可以实现 pwm 调速目的6。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 2.1.3 电源模块论证与选择电源模块论证与选择 由于本系统需要给小车系统供电，考虑如下几种方案: 方案一：采用 9v 电池组。电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出 性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好， 且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。 方案二：采用 12v 蓄电池。由于蓄电池的体积过于庞大，我们的车体在设计 时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。 综上所述，选择方案一作为本系统供电方式。 2.1.4 寻迹模块选择与论证寻迹模块选择与论证 循迹检测常用到传感器。根据小车功能的要求有两种方案，一种是使用红外光 电传感器，另一种是使用 ccd 传感器。两种方案的主要区别是使用的传感器不同。 ccd 传感器灵敏度高，能够做到对图像的识别，但是控制电路复杂、成本高。 红外光电传感器结构简单，对特定颜色的识别灵敏度差异大，可以实现对特定颜色 的轨道路线识别。这里我们选用 rpr359f 型光电对管完成系统循迹。rpr359f 是 一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器 是一个高灵敏度，硅平面光电三极管7。rpr359f 特点：塑料透镜可以提高灵敏度。 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。此光电对管调理电路 简单，工作性能稳定。实物如图 2.2 所示。 图 2.2 红外对管 rpr359f 实物图 2.1.5 避障模块论证与选择避障模块论证与选择 方案一：采用一只光电开关置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物 的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，但是本课题要求在寻 迹的路线上避障，也就是说障碍物可能在寻迹的路线上，而其他方向无障碍物这样 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 6 只要把避障后的舵机的方向规定就可以了，然后启动延时也能越过障碍。这种方案 也是可以的。 方案二：利用超声波传感器。超声波传感器是靠发射某种频率的声波信号，利 用物体界面上超声反射、散射检测物体的存在与否。超声波在空气中传播时如果遇 到其它媒介，则因两种媒质的声阻抗不同而产生反射。因此，向空气中的被测物体 发射超声波，检测反射波并进行分析，从而获得障碍物的信息。超声波传感器由于 信息处理简单、快速并且价格低，被广泛用在机器人测距、定位及环境建模等任务 中。 超声波检测距离远，不易受外界环境干扰，由于小车需要在行驶过程中检测障 碍物，颠簸，光照方面可能会对检测产生影响。所以需要选择稳定性较好的，故本 设计选择超声波检测。 2.1.6 速度检测模块论证与选择速度检测模块论证与选择 方案一：旋转编码器。分绝对式或者增量式两种，一般使用增量式编码盘，它 输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使它的输出脉冲频率正比于转速。可 以通过测量单位周期内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。但是旋转编码器价 格昂贵。 方案二： 采用反射式红外对管，在车轮适当位置粘贴一白纸片，每当白纸片 转到红外对管处，单片机计数一次，结合车轮半径就能求出小车行进距离及速度。 这种方案操作较简单，但是不准确。 方案三：霍尔传感器检测。在后轮输出齿轮轴上粘贴 4 个小型永磁体，附近固 定 1 个霍尔传感器，霍尔元件有 3 个引脚，其中 2 个是电源和地，第三个是输出信 号，只要通过 1 个上拉电阻接至 5v 电压，就可形成开关脉冲信号，后轮电机每转 1 周，则可形成 4 个脉冲信号，方便测速。霍尔传感器价格便宜且具有体积小、灵 敏度高、响应速度快、温度性能好、精确度高、可靠性高等特点，能很好地满足车 轮测速系统设计的需要。 综合考虑选择第三种测速方案。 2.1.7 显示模块论证与选择显示模块论证与选择 方案一：采用 led 数码管显示。led 显示具有硬件电路结构简单、调试方便、 软件实现相对容易等优点，但是由于我们计划要显示小车运行时间、里程、行驶速 度，led 数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。 方案二：采用 lcd 1602a 液晶显示。lcd 液晶因具有功耗低、显示内容丰富、 清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等特点而得到了广泛的应用，因此 我们选择此方案。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 7 通过以上方案论述我们选择方案二。 2.1.8 本系统最终方案本系统最终方案 经过反复的探讨和论证我们最终确定本系统设计的如下最终方案： a. 采用 at89s52 单片机作为整个电路的控制核心。 b. 使用 9v 可充电动力电池组为系统提供基准电源。 c. 采用直流电机作为小车系统的驱动电机。 d. 使用电机专用驱动芯片 l298n 作为直流电机的驱动芯片。 e. 用 rpr359f 型红外对管实现小车的寻迹。 f. 采用 hy-sfr05 超声波模块完成避障检测。 g. 采用 lcd 1602a 实现系统信息显示需求。 h. 采用霍尔测速模块实现速度检测。 3 系统硬件电路设计 8 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3.1 总体设计方案总体设计方案 智能小车依靠电机驱动芯片 l298n 对小车前后两电机的运行状态进行控制。 前电机控制转向，后电机为主驱。 寻迹功能通过装在车头的反射式红外光电传感器检测地面黑线来实现。 避障功能主要依靠装在车身上的超声波模块对小车运行路线中是否遇到障碍物 进行检测。 车速检测主要依靠霍尔测速模块来完成。 考虑到电机控制要使用 pwm 波形，而 at89s52 单片机本身不能产生 pwm， 需要外加电路或使用软件的方式实现，为减少硬件电路，这里选用软件产生 pwm 方式。 整体原理电路图如图 3.1 所示。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 9 vss 1 vo 3 vdd 2 rs 4 rw 5 e 6 d0 7 d1 8 d2 9 d3 10 d4 11 d5 12 d6 13 d7 14 bla 15 blk 16 rp1 1602a vs 4 outi 2 out2 3 out3 13 out4 14 enb 15 ena 1 n1 5 n2 7 n3 10 n4 12 ena 6 enb 11 gnd 8 vss 9 u2 l298n out2 7 n2- 6 n2+ 5 vcc 4 n1+ 3 n1- 2 out1 1 out4 14 in4- 13 n4+ 12 gnd 11 n3+ 10 n3- 9 out3 8 u10 lm324 out1 1 in1(-) 2 in1(+) 3 gnd 4 in2(+) 5 in2(-) 6 out2 7 vcc 8 u11 lm358 m1 m2 u4 rpr220 u5 rpr220 u7 rpr220 u6 rpr220 u9 rpr220 u8 rpr220 r21 200 r22 200 r24 200 r25 20 r23 200 r26 20 r27 20 r28 20 r3 200 r10 20k r5 200 r9 20k r12 20k r6 200 r2 10k r8 200 r1 1k r14 20k r7 200 r4 200 r11 20k r13 20k s1 sw-pb r15 1k r16 1k r17 1k r18 1k r19 1k r20 1k d2d1d4d3 d5d6d7d8 y1 12m 1 2 j1 power c3 22uf c7 0.1uf c4 100uf c5 0.1uf r0 20k vcc p0.7 p0.6 p0.5 p0.4 p0.3 p0.2 p0.1 p0.0 p1.4 p1.3 p1.2 vccvcc in1 in2 in3 in4 dja1 dja2 djb1 djb2 c6 100uf c2 30pf c1 30pf vcc+9 dja1 dja2 djb1 djb2 ena enb vcc vcc vcc p1.0/t 1 p1.1/t 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.1 11 p3.0 10 p3.2 12 p3.3 13 p3.4 14 p3.5 15 p3.6 16 xtal1 18 gnd 20 xtal2 19 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen/ 29 ale/prog/ 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 rst 9 p3.7 17 u1 at89s52 in6+ in6- in5+ in5- in4+ in4- in3+ in3- in2+ in2- in1+ in1- ena trig echo out in2 enb in3 in4 x1 x2 in1 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 1 2 3 j3 cesumokuai 1 2 3 4 5 j2 chaoshengbomokuai vcc trig echo vcc out e rs rw out1 out5 in5- in5+ in6+ in6- out6 in1- in1+ in2+ in2- out2out3 in3- in3+ in4+ in4- out4 vcc out1 out2 out3 out4 out5 out6 vdd 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 16 16 15 15 14 14 13 13 12 12 10 10 11 11 9 9 u3 图 3.1 整体原理电路图 3.2 单片机电路设计单片机电路设计 单片机是控制单元的核心，起着控制小车所有运行状态的作用。主要作用在于： 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 10 接收传感器的输入信号，计算、处理接收到各种传感器信号并输出控制信号。因此， 控制器电路设计的关键在于各种接口电路的设计，包括：系统电源设计、寻迹模块 接口设计、超声波换能器接口设计、转速检测接口设计、1602 液晶接口设计、直 流电机驱动电路设计。 3.2.1 at89s52 芯片介绍芯片介绍 at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品指 令和引脚完全兼容。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统 可编程 flash，使得 at89s52 为众多 嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案8。at89s52 具有以下标准 功能：8k 字节 flash，256 字节 ram，32 位 i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据 指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片 内晶振及时钟电路。另外，at89s52 可降至 0hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可 选择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram、定时器/计数器、串口、 中断继续工作。掉电保护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切 工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8k 字节在系统可编程。 其引脚排列如图 3.2 所示。 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0(rxd) 10 p3.1(txd) 11 p3.2(int0) 12 p3.3(int1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p3.6(wr) 16 p3.7(rd) 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 vcc 40 (ad0)p0.0 39 (ad1)p0.1 38 (ad2)p0.2 37 (ad3)p0.3 36 (ad4)p0.4 35 (ad5)p0.5 34 (ad6)p0.6 33 (ad7)p0.7 32 ea/vpp 31 ale/prog 30 psen 29 (a15)p2.7 28 (a14)p2.6 27 (a13)p2.5 26 (a12)p2.4 25 (a11)p2.3 24 (a10)p2.2 23 (a9)p2.1 22 (a8)p2.0 21 u1 at89s51 5v p1.0 p1.1 p1.2 图 3.2 at89s52 引脚排列图 a. 主要性能： (1) 与 mcs-51 单片机产品兼容； (2) 8k 字节在系统可编程 flash 存储器； 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 11 (3) 1000 次擦写周期； (4) 全静态操作：0hz33hz； (5) 三级加密程序存储器； (6) 32 个可编程 i/o 口线； (7) 三个 16 位定时器/计数器； (8) 八个中断源； (9) 全双工 uart 串行通道； (10) 低功耗空闲和掉电模式； (11) 掉电后中断可唤醒； (12) 看门狗定时器； (13) 双数据指针； (14) 掉电标识符。 b. 引脚说明： (1) vcc ：电源电压。 (2) gnd ：接地。 (3) 端口 0 ：p0 口是一个 8 位的开漏双向 i / o 端口。作为一个输出端口，每 个引脚可以吸收 8 位 ttl 输入。当 1 秒写入到端口 0 引脚，该引脚可作为高阻抗 输入。 p0 口也可以配置为复低位地址/数据总线在外部程序和数据存储器存取数据总线。 在这种模式下，p0 具有内部上拉电阻。p0 口也接收过程中的代码字节及闪存编程 和程序验证过程中产出的代码字节。外部上拉，必须在程序的验证。 (4) 端口 1：端口 1 是一个带内部上拉的 8 位双向 i/o 口。在 1 口输出缓冲器 可汇/源 4 ttl 输入。当 1 秒写入端口 1 引脚，他们拉高了内部上拉电路，可作为 输入使用。作为输入，端口 1 由于内部上拉电阻外部被拉低时将吸收电流引脚的源 电流。 4 个 p 口在一般情况下都是是一个 8 位双向 i/o 口。不过 p0 口是漏极开路的 8 位双向 i/o 口，而其他 p 口都是具有内部上拉电阻的 8 作为输出口要外部上拉电 阻。且 p1 口部分引脚和 p3 口具有第二功能。具体见表 3.1 和表 3.2。 表 3.1 p1 口引脚第二功能 引脚号第二功能 p1.0 t2定时器/计数器 t2 的外部计数输入，时钟输出 p1.1 t2ex定时器/计数器 t2 的捕捉/重载触发信号和方向控 制 p1.5 mosi在系统编程用 p1.6 miso在系统编程用 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 12 p1.7 sck在系统编程用 表 3.2 p3 口引脚第二功能 3.2.2 单片机晶振及复位电路设计单片机晶振及复位电路设计 at89s52 常用的复位方式有上电复位、手动复位和看门狗定时器复位三种。 a. 上电复位：系统上电时 rst 端自动产生复位所需的电平信号将单片机复位。 b. 按键复位：上电和手动复位电路，如图 3.3 所示。 c. 看门狗定时器复位：看门狗定时器是可以根据用户程序正常运行周期设定 的专用定时器。启动看门狗定时器后，要在程序中的适当位置清空看门狗定时器。 若单片机受到干扰，程序进入非正常运行状态，看门狗定时器将因不能执行清空指 令而溢出（即超过了设置的定时时间） ，同时复位单片机，使之重新回到初始状态。 在本设计中采用了按键复位方式，本复位电路采用 rc 的电平按键复位方式复 位。一般 r 取 10k，c 取 10uf，由于 rc 越大，充电时间越长，单片机上电复位 过程就越长，rc 取值不是特别严格的情况下，可取 r=1k，c=22uf，抗扰性更好。 晶振电路中晶振采用无源晶振，两 pf 小电容作为起振电容取值为 30pf。 引脚号第二功能 p3.0 rxd串行输入 p3.1 txd串行输出 p3.2int0(外部中断 0) p3.3int0(外部中断 0) p3.4t0（定时器 0 外部输入） p3.5t1（定时器 1 外部输入） p3.6wr(外部数据存储器写选通) p3.7rd(外部数据存储器写选通) 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 13 r2 10k r1 1k s1sw-pb y1 12m c3 22uf c2 30pf c1 30pf vcc p1.0/t 1 p1.1/t 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.1 11 p3.0 10 p3.2 12 p3.3 13 p3.4 14 p3.5 15 p3.6 16 xtal1 18 gnd 20 xtal2 19 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen/ 29 ale/prog/ 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 rst 9 p3.7 17 u1 at89s52 ena trig echo out in2 enb in3 in4 x1 x2 in1 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 e rs rw vcc out1 out2 out3 out4 out5 out6 图 3.3 单片机晶振及复位电路 3.2.3 电源稳压电路设计电源稳压电路设计 单片机电源电路如图 3.4 所示。 dv1 in4007 +kc3 47uf +kc4 22uf kc1 0.1uf kc2 0.1uf d9 led r23 4.7k vin 1 +5v 3 gnd 2 u6 lm7805ct 9v 图 3.4 单片机供电电源电路设计 在电源方案设计中，有两种电源输入方式，一种电源接入方式为 5v 直接供电 方式，这种方式一般采用 usb，或 5v 稳压源，在另一个端口直接输入。一种是采 用了三端稳压芯片 lm7805，这是一种功耗型的稳压芯片。考虑到整个设计的简便 及原理图的可读行，在单片机供电电源电路设计中选用了第二种供电方式。电源模 块中 dc_con 为外接的+9v 直流电源。由于小车调试阶段使用+9v 的电子稳压电 源，而电子稳压电源是由工频 50hz，电压 220v 的市电经过降压变换后得来，在 接进来的 9v 电源中免不了会夹带有若干低频纹波和高频纹波。所以在输入级接入 47uf/16v 的电解电容和 0.1uf 的瓷片电容，防止电源电压波动及作为高频干扰处理， 同时考虑到外围电路负载电压波动可能较大，在输出端并联 22uf/25v 电解电容和 0.1uf 瓷片电容。电源设计中 in4007 二极管是为了防止电源极性接反而设的保护器 件，led 灯 d9 为电源指示灯，只要电源上电，led 灯点亮，此时说明电源已经开 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 14 始正常供电9。 3.3 电机驱动模块电机驱动模块设计设计 3.3.1 l298n 芯片介绍芯片介绍 小车使用的是直流电机。从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它外在 负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机 信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。本设计中电机驱动采用 l298 集成 h 桥芯片如图 3.5。l298 中有两套 h 桥电路，刚好可以控制两个电机。它的使能端 可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需 要。该芯片的主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46v；输出电流大，瞬 间峰值电流可达 3a，持续工作电流为 2a；内含两个 h 桥的高电压大电流全桥式 驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电机，继电器，线圈等感性负载；采用标 准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或 禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，是内部逻辑电路部分在低电压下工作；可 以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。引脚如功能如表 3.3 所示。 图 3.5 l298n 引脚图 表 3.3 l298n 引脚编号与功能 引脚编号名称功能 1电流传感器 a在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流 2输出引脚 1内置驱动器 a 的输出端 1，接至电机 a 3输出引脚 2内置驱动器 a 的输出端 2，接至电机 a 4电机电源端电机供电输入端,电压可达 46v 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 15 5输入引脚 1内置驱动器 a 的逻辑控制输入端 1 6使能端 a内置驱动器 a 的使能端 7输入引脚 2内置驱动器 a 的逻辑控制输入端 2 8逻辑地逻辑地 9逻辑电源端逻辑控制电路的电源输入端为 5v 10输入引脚 3内置驱动器 b 的逻辑控制输入端 1 11使能端 b内置驱动器 b 的使能端 12输入引脚 4内置驱动器 b 的逻辑控制输入端 2 13输出引脚 3内置驱动器 b 的输出端 1，接至电机 b 14输出引脚 4内置驱动器 b 的输出端 2，接至电机 b 15电流传感器 b在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流 l298n 可接受标准 ttl 逻辑电平信号 vss，vss 可接 4.57 v 电压。4 脚 vs 接电源电压，vs电压范围 vih为2.546v。输出电流可达 2.5a，可驱动电感性 负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流 传感信号。l298n 可驱动 2 个电动机，out1，out2 和 out3，out4 之间可分别 接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电 平，控制电机的正反转。ena，enb 接控制使能端，控制电机的停转10。 表 3.4 为 l298n 的逻辑控制表，其中 c、d 分别为 in1、in2 或 in3、in4；l 为低电平，h 为高电平，为不管是低电平还是高电平。 表 3.4 l298n 对直流电机控制的逻辑功能表 3.3.2 电机驱动电路的设计电机驱动电路的设计 本设计采用高电压，大电流的 l298n 全桥驱动芯片，其外围电路设计如图 3.6 所示，它响应频率高，一片 l298n 可以分别控制两个直流电机。两个电机的四个 正方向信号和两个 pwm 信号经 l298n 后能够很好的控制电机的正反转和较大范 围的控制电机电压。 ven c d输 出 h l正 转h hl h反 转 l 没有输出，电机不工作 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 16 vs 4 outi 2 out2 3 out3 13 out4 14 enb 15 ena 1 n1 5 n2 7 n3 10 n4 12 ena 6 enb 11 gnd 8 vss 9 u2 l298n m1 m2 d2d1d4d3 d5d6d7d8 c7 0.1uf c4 100uf c5 0.1uf c6 100uf vcc+9 dja1 dja2 djb1 djb2 ena enb 图 3.6 l298n 电机驱动电路 如图 3.6 所示，本设计中 l298n out1，out2 和 out3，out4 之间各接一个 小直流电动机。vss 9 脚接经过稳压后的+5v，vs 4 脚直接接+9v 电源。1，5，8 脚都接地。5，7，10，12 脚接输入控制信号(控制信号从单片机 p0.0，p0.1，p0.3，p0.4 发出，经光耦 tlp521-4 后接 l298n 的 5，7，10，12 脚输 入)，控制电机的正反转。单片机的两个端口（p0.2，p0.5）给出 pwm 信号直接与 ena，enb 相连控制使能端，从而达到控制电机直行、加减速、倒退等动作11。 在该模块设计中，我们采用了小周期信号，通过改变小车的占空比对小车的速度进 行调节。将小车速度分为 20 个档，这样就可以让小车在调试过程中得到一个合理 的速度，使其行驶在对稳定的状态。 3.4 寻迹模块设计寻迹模块设计 3.4.1 反射型光电探测器反射型光电探测器 rpr359f 工作原理工作原理 rpr359f 发是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发 光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管12。 rpr359f 采用 dip4 封装，发射器和接收器都有两根引出脚，其中长脚为正极， 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 17 短脚为负极。其具有如下特点： a. 塑料透镜可以提高灵敏度。 b. 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 c. 体积小，结构紧凑。 d. 集电极功耗小，仅为 80mw。 该小车在铺有约两厘米宽黑纸的路面行驶，路面可以近似看为白色。当发光二 极管对地发射红外线，当地面为黑色时，无反射，三极管不导通，输出高电平；当 地面为白色时，有红外线反射回来使得接收的三极管导通，输出为低电平。 3.4.2 四路运算放大器四路运算放大器 lm324 和双运算放大器和双运算放大器 lm358 设计中预采用六组反射式红外光电探测器来检测寻迹线路，即小车寻迹过程中 检测电路与电位器的输出共有六组。故需要用到运算放大器。我们选择 lm324 和 lm358 来做寻迹检测电路的电压比较器。 lm324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应 用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四运算放大器可以工作在 低到 3.0v 或者高到 32v 的电源下，静态电流大致为 mc1741 的静态电流的五分之 一（对每一个放大器而言） 。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场 合中采用外部偏置元件的必要性，输出电压范围也包含负电源电压12。 lm358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适 合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条 件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和 其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。lm358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式、贴片式和圆形金属壳封装等。 3.4.3 寻迹光电对管电路的设计寻迹光电对管电路的设计 本设计的光电对管检测电路如图 3.7 所示。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 18 图 3.7 光电对管检测电路 由于给此电路供电的电池的压降较小，而且寻迹检测电路的作用是只是用来分 辨地面的寻迹黑线，不需要很远的检测距离，使用电压比较器便可以满足本设计要 求，因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。 当反射型红外光电探测器 rpr359f 的发光二极管对地面发射红外线打到寻迹 黑线上时，由于黑色的引导线对红外线无反射，此时光电三极管不能接收到反射回 来的红外线，三极管不导通，经过比较器后输出高电平。反之，当打到白色的地面 时，有红外线反射使得三极管导通，经过比较其后输出低电平。 本毕业设计寻迹线路检测处理模块的总体电路设计原理图如图 3.8 所示。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 19 out2 7 n2- 6 n2+ 5 vcc 4 n1+ 3 n1- 2 out1 1 out4 14 in4- 13 n4+ 12 gnd 11 n3+ 10 n3- 9 out3 8 u10 lm324 out1 1 in1(-) 2 in1(+) 3 gnd 4 in2(+) 5 in2(-) 6 out2 7 vcc 8 u11 lm35