毕业设计（论文）-基于AT89S52单片机的简易智能寻迹小车设计.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书i摘 要智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，可应用于科学勘探等等的用途。智能寻迹小车就是其中的一个体现。本论文设计的简易智能寻迹小车，采用 at89s52 单片机作为小车的检测和控制核心；采用光电反射传感器 rpr220来检测路面上的黑线，从而把反馈到的信号送单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车在各区域按预定的速度行驶；采用光电反射传感器 gk102 加上码盘检测小车行驶速度；采用 1602lcd 实时显示小车行驶的速度，状态，小车停止行驶后显示小车行驶时间、行驶距离、平均速度。本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能。关键词：关键词：智能小车； at89s52 单片机； 传感器河南理工大学毕业设计（论文）说明书iiabstractsmart as a new modern invention, is the direction of future development. it can be applied to the using of scientific exploration. smart electric car is one of its expressions. this simple design is a simple smart electric car, uses at89s52 microcontroller as the car detection and control center; uses optical reflectance sensor rpr220 to detect the black line on the road, thus bringing the signal to the microcontroller in order to make microcontroller control the car running in predetermined speed in every regions in predetermined working model. the design uses optical reflectance sensor gk102 and encoding disk to detect the speed of the car. display the traveling speed, status, traveling time, traveling distance, average speed and the traveling time when the car stopped real-time by 1602lcd.the design is simple, relatively easy to implement, but highly intelligent, humane, it reflects the intelligence to some extent.keywords: smart car； at89s52 microcontroller； sensor河南理工大学毕业设计（论文）说明书iii目 录1引 言 .11.1选题的背景 .11.2选题的意义 .21.3国内外研究现状 .42系统方案设计与论证 .52.1系统总体方案 .52.2直流调速系统 .52.3轨迹探测系统 .62.4行车速度检测 .73系统硬件设计 .93.1at89s52 单片机简介 .93.1.1 at89s52 单片机引脚说明.93.1.2 单片机最小系统扩展 .123.2电机 pwm 驱动模块 .133.3轨迹探测模块 .153.3.1 寻迹光电采集电路 .153.3.2 ad 转换电路.183.4速度检测模块 .193.5显示模块 .193.6小车机械设计 .203.6.1车体简介.203.6.2车体详解.214系统软件设计 .224.1系统软件流程图 .22河南理工大学毕业设计（论文）说明书iv4.2各模块程序设计 .234.2.1 方向的判别程序 .234.2.2 pwm 脉冲宽度调制的实现.234.3软件抗干扰技术 .235系统测试及结果 .266结论及展望 .27致 谢 .28参考文献 .29附录 1 系统软件设计 .30附录 2 系统总图 .48河南理工大学毕业设计（论文）说明书11引 言1.1 选题的背景2004 年 1 月 3 日和 1 月 24 日肩负着人类探测火星使命的“勇气”号和“机遇”号在火星不同区域着陆，并于 2004 年 4 月 5 日和 2004 年 4 月 26 日相继通过所有“考核标准” 。火星车能够在火星上自主行驶：当火星车发现值得探测的目标，它会驱动六个轮子向目标行驶；在检测到前进方向上的障碍后，火星车会去寻找可能的最佳路径。据悉，中国的登月计划分三步进行：第一步，发射太空实验室和寻找贵重元素的月球轨道飞行器；第二步，实现太空机器人登月；第三步，载人登月。随着“神舟”系列飞船和“嫦娥”月球探测卫星的成功发射，第一步接近成熟；第二步中太空机器人登月计划中的太空机器人应该能在月球上自主行驶，进行相关探测。因此对于我国来说，类似于美国“勇气”号和“机遇”号火星车的智能车技术研究也显得迫在眉睫。目前，城市交通的安全问题己引起各国政府有关部门的高度重视和全民的关注，专家、学者在分析城市交通事故的原因时，普遍认为事故原因主要包括：人员素质、运输车辆、道路环境和管理法规等四个方面，而车辆性能的提高即研发高性能的智能汽车是其中很重要的一个环节。美国研究认为，包括智能汽车研究在内的智能运输系统对国家社会经济和交通运输有着巨大的影响，其意义和价值在于：大量减少公路交通堵塞和拥挤，降低汽车的油耗，可使城市交通堵塞和拥挤造成的损失分别减少 25-40左右，大大提高了公路交通的安全性及运输效率，促进了交通运输业的繁荣发展。通过智能汽车的进一步研究与发展，将使汽车变得“聪明”起来，从根本上改变现行汽车的信息采集处理、信息交换、行车导航与定位、车辆控制、汽车安全保证等技术方案与体系结构。驾驶智能汽车在很大程度上可减轻驾驶员的负担和提高交通安全性，若配合城市交通控制系统，实现合理分配交通流，实现交通顺畅，甚至可实现智能汽车河南理工大学毕业设计（论文）说明书2的自动驾驶。正是基于上述优点，国际上正在形成包括智能汽车在内的智能车辆研究、设计与开发的热潮。随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的。设计的智能小车能够实时显示速度、状态，具有自动寻迹功能。本文基于单片机控制的设计思想, 选用廉价的光电反射传感器, 采用专用电机驱动芯片驱动电机, 通过 pwm 调速, 从而达到智能控制的目的, 实现了小车的智能寻迹, 整个系统功能全面。1.2 选题的意义智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人等领域。以下列举了机器人的一些应用，所有这些用途正逐步渗入到工业和社会的各个层面：在产品检测方面，对零部件、线路板及其它类似产品的检测是机器人比较常见的应用。一般说来，检测系统中还集成有其他一些设备，它们是视觉系统、x 射线装置、超声波探测仪或其他类似仪器。在瓦斯、地压检测方面，瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素，一旦发生突然事故，是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前，都会表现出种种迹象，如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式机器人，连续监视采矿状态，以便及早发现事故突发的先兆，采取相应的预防措施。在智能轮椅领域，随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。智能轮椅主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。河南理工大学毕业设计（论文）说明书3在危险环境下，机器人非常适合在危险的环境中使用。在这些险恶的环境下工作，人类必需采取严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作，且不需要得到像对人一样的保护。在水下、太空及远程环境下，机器人也可以用于水下、太空及远程的服务和探测。虽然尚没有人被送往火星，但已有许多太空漫游车在火星登陆并对火星进行探测。如美国的“勇气”号和“机遇”号的主要任务是在火星上探水，它们已分别在其着陆区域附近找到火星上过去曾有过水的证据。在智能车辆领域，智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量，尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径。人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为 20 世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。根据题目的要求，确定如下方案：在小车底盘上，加装光电传感器，实现对小车的速度、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小电动车的智能控制。这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用 mcs-51 系列中的 atmel89s52单片机。以 s52 为控制核心，利用光电传感器检测道路上的黑线，控制小车的自动寻迹，并可以自动记录时间、里程和速度。atmel89s52 是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。河南理工大学毕业设计（论文）说明书41.3 国内外研究现状智能车辆的研究始于 20 世纪 50 年代初，美国 barrett electronics 公司开发出世界上第一台自动引导车辆系统(automated guided vehicle system，agvs)。1974 年，瑞典的 volvokalmar 轿车装配工厂与 schiinder-digitron 公司合作，研制出一种可装载轿车车体的 agvs，并由多台该种 agvs组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。由于kalmar 工厂采用 agvs 获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿 volvo公司，并逐步使 agvs 在装配作业中成为一种流行的运输手段。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构正在研发智能车辆，其中具有代表性的智能车辆包括：意大利 mob-lab 的研究、德意志联邦大学的研究、美国俄亥俄州立大学的研究。在我国，吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理及关键技术研究。中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于2003 年 7 月研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。另外，我国清华大学、北京理工大学等单位也正在研发智能车辆。汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机科学和汽车操纵动力等多门学科于一体的综合性技术，汽车自主驾驶功能水平的高低常被用来作为衡量一个国家控制技术水平的重要标准之一。智能车辆的相关技术，也将促进轮式机器人的研究。河南理工大学毕业设计（论文）说明书52系统方案设计与论证根据题目的要求，确定如下方案：在现有小车底盘的基础上，加装光电传感器，实现对小车的速度、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小车的智能控制。这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。2.1 系统总体方案通过对系统的整体分析，可得出小车系统的整体原理框图如图 2-1 所示。图 2-1 系统框图2.2 直流调速系统方案一： 采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻元件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流比较大；分压不仅降低了效率，而且实现很困难。河南理工大学毕业设计（论文）说明书6方案二： 采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的转速进行控制，此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的 h 桥电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精准调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截至状态下，效率非常高；h 桥电路保证了可以简单的实现转速的控制；电子开关的速度很快，稳定性也较之继电器高的多，是一种广泛采用的 pwm 调速技术。经过比较选择方案三，这里使用集成芯片，避免了分立元件的不稳定性。2.3 轨迹探测系统在智能车控制系统中，小车有多种寻迹方案。包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结台在一起的寻迹方案，下面依次具体介绍几种寻迹方案。方案一：摄像头寻迹，就是通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，是进行路径识别的一种寻迹方法。摄像头有面阵和线阵两种。它的优点是可以更远更早地得知赛道的变化，但是硬件电路比较复杂，信息处理量大，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。方案二：光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列光电反射管组成，一个光电反射管也相当于摄像头的一个像素。由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。基于两种方案的优缺点，以及智能汽车控制核心at89s52的处理速度和内部资源，本文采用了光电传感器rpr220的设计方案，其外型如图2-2所示。其河南理工大学毕业设计（论文）说明书7内部电路如图2-3所示。图2-2 rpr220的外观示意图 图2-3 rpr220的内部电路示意图光电传感器由1个红外发射管(发射器)和1个光电二极管(接收器)构成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色)后被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号，就可以被处理器接受并处理，进而实现对反光性差别较大的两种颜色(如黑白两色)的识别。黑线检测电路原理如图2-4所示。图 2-4 黑线检测示意图12834lm3931k6k10k10k10k河南理工大学毕业设计（论文）说明书82.4行车速度检测方案一：采用霍尔传感器：在后轮内侧匀距贴上m个磁钢，车厢内装上霍尔开关。对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为c，可以用霍尔开关输出脉冲数n 乘以c/m得出行驶距离。只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。方案二：红外光电码盘测速：红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点。具体电路如图2-5所示。红外测速由测距轮，均匀透孔的码盘，红外光电开关组成的。测长轮的周长为记数的单位，最好取有效值为单一的数值（如本设计中采用0.1米），精度根据小车控制的需要确定。测距轮安装在齿轮上，这样能使记数值准确一些。由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。测速原理：将码盘安装在齿轮轴上，当电机转动时，码盘也随之转动，同时安装在码盘一侧的光电开关检测码盘上的透孔的变换信号。由于码盘随电机高速转动，则光电开关接收到的就是一系列脉冲信号。将该信号传输到单片机的内部计数器计数，根据预先实测的数据换算关系即可计算出小车的行车速度和距离。河南理工大学毕业设计（论文）说明书9图2-5 速度检测示意图河南理工大学毕业设计（论文）说明书103系统硬件设计3.1 at89s52 单片机简介at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在线可编程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 允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在线可编程 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。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，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。3.1.1at89s52 单片机引脚说明vcc: 电源gnd: 地p0 口：p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑电平。对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，p0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉河南理工大学毕业设计（论文）说明书11高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（） 。此外，p1.0 和 p1.2 分别作定时器/计数器 2ili的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/计数器 2 的触发输入（p1.1/t2ex） ，具体如表 3-1 所示。在 flash 编程和校验时，p1 口接收低 8 位地址字节。表 3-1 p1 口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）p1.7 sck（在系统编程用）p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（） 。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取ili外部数据存储器（例如执行 movx dptr）时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）访问外部数据存储器时，p2 口输出 p2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，p2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 输出缓冲器能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（） 。p3 口亦作为 at89s52 特殊功能（第二功能）ili使用，如表 3-2 所示。在 flash 编程和校验时，p3 口也接收一些控制信号。河南理工大学毕业设计（论文）说明书12表 3-2 p3 口第二功能引脚号第二功能p3.0rxd（串行输入）p3.1txd（串行输出）p3.2/int0(外部中断 0)p3.3/int1(外部中断 1)p3.4t0（定时器 0 外部输入）p3.5t1（定时器 1 外部输入）p3.6/wr(外部数据存储器写选通)p3.7/rd(外部数据存储器写选通)rst: 复位输入。晶振工作时，rst 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，rst 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器auxr(地址 8eh)上的 disrto 位可以使此功能无效。disrto 默认状态下，复位高电平有效。ale/prog：地址锁存控制信号（ale）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（prog）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ale 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ale 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位置“1” ，ale 操作将无效。这一位置“1” ，ale 仅在执行 movx 或 movc 指令时有效。否则，ale 将被微弱拉高。这个 ale 使能标志位（地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。psen:外部程序存储器选通信号（psen）是外部程序存储器选通信号。当 at89s52 从外部程序存储器执行外部代码时，psen 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，psen 将不被激活。ea/vpp:访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000h 到 ffffh 的外部程序存储器读取指令，ea 必须接 gnd。为了执行内部程序指令，ea 应该接河南理工大学毕业设计（论文）说明书13vcc。在 flash 编程期间，ea 也接收 12 伏 vpp 电压。xtal1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。xtal2:振荡器反相放大器的输出端。atmel89s52 引脚图如图 3-1 所示。图 3-1 atmel89s52 引脚图3.1.2 单片机最小系统扩展根据各模块设计，由单片机进行总控制，单片机的晶振、复位及各 i/o 接口，组成了单片机的最小系统及扩展接口板；其中 p0 口用于 lcd1602 的数据口，p1.7、p2.6、p2.7 用于 lcd1602 的控制端；p1.0 口用于速度检测，其他p1 口用于智能循迹；p2.0-p2.5 用于控制电机电路；p3 口用于其他功能，最小系统图如图 3-2 所示。河南理工大学毕业设计（论文）说明书14图 3-2 at89s52 单片机最小系统及扩展接口3.2 电机 pwm 驱动模块小车为两轮驱动，工作电压为 5v，两个主动轮，一个从动轮。为了使小车灵活运动，要求小车在速度和方向上能够大范围调整。为此我们选择了控制可靠、便于单片机控制的脉宽调制专用集成电路 l298n，一片 l298n 可驱动两个直流电机，芯片外围只需几个电容和二极管，电路很简洁，克服了分立元件存在的不足。电机驱动电路如图 3-3 所示。p1.0/t21p1.1/t2ex2p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78rst9p3.0/rxd10p3.1/txd11p3.2/int012p3.3/int113p3.4/t014p3.5/t115p3.6/wr16p3.7/rd17xtal218xtal119vss20p2.0/a821p2.1/a922p2.2/a1023p2.3/a1124p2.4/a1225p2.5/a1326p2.6/a1427p2.7/a1528psen29ale30ea/vpp31p0.7/ad732p0.6/ad633p0.5/ad534p0.4/ad435p0.3/ad336p0.2/ad237p0.1/ad138p0.0/ad039vcc40u1atmel89s5230pfc?30pfc?12y?xtalvcc10kr?s?sw-pbvccp00p01p02p03p04p05p06p07p17p27p2612345678910111213p2lcd1602 out12345p3moter outpwm lpwm r123456p4a/d invccmoterl_cmoter_enmoterr_c使使使使使使使使1使使使使使2使使使使使3使使使使使4使使使使使5使12p5header 2sample pwm123456789p1wuxian invcc使使使使使d5d0d1d2d3d4vt1234567891011 1213 1415 1617 18p6powervcc10ufc?12345678910p7isp1kr?ds?led1vccp15p16p17rsten a6en b11in15in27in310in412out12out23out313out414isen a1isen b15vs4vss9gnd8u3l298n12p4moter l12p5moter rd11n5822d81n5822d71n5822d21n5822d31n5822d41n5822d61n5822d51n582212v100ufc3100ufc1100pfc4100pfc25vds1led1ds2led1ds3led11kr51kr31kr11kr21kr41kr65v5v123u2a74ls00564u2b74ls0012p1power5v12p2power12v5v12v使使使使12345p3moter inpwm apwm bu1optoisolator1u4optoisolator1u5optoisolator1河南理工大学毕业设计（论文）说明书15图 3-3 电机驱动电路l298n 为 multiwatt15 封装（如图 3-4 所示） ，工作电压最高为 50v，通过电流达 5a。既可以与整个系统使用同一电源，又有足够的输出电流驱动电机。本设计除了在电机电路中加上续流二极管，还在电机控制口与单片机接口连接中使用了光电隔离，防止了电机端的谐波干扰，提高了系统的可靠性；另外使用时加接了散热片，可以使小车长时间运行。本设计用单片机产生 pwm 波，通过调节占空比来控制电机的转速。a、b 连接小车的左电机，c、d 连接小车的右电机。左右电机速度相同时可实现小车的前进或后退；速度不同时可实现小车的转弯；当两个电机反向等速运转时，小车可原地转圈。l298n 的功能表如表 3-3 所示，本电路改进后的控制逻辑如表3-4 所示。表 3-3 l298n 功能逻辑aein1in2运转状态0停止110正转101反转111刹停100停止表 3-4 电机控制逻辑a/b（插针 p3 的 1/3 针）en（插针 p3 的 2 针）运转状态00正转10反转01刹停河南理工大学毕业设计（论文）说明书16图 3-4 l298n 引脚图3.3 轨迹探测模块有本设计要求可知，黑道宽 1.5cm，粘在白纸上，因此，对白纸与黑道的区别是本设计的关键，本设计根据白纸和黑道对光的反射能力不同的特性，即白纸对光的反射能力强，黑道对光的反射能力弱，本设计采用光电反射式传感器 rpr220 采集信号，输出为模拟信号，但本设计所要求的信号为数字信号，因此必须进行处理，本设计采用比较器进行处理。轨迹传感器电路由反射式光电采样器、信号缓冲、背景光消除电路组成，将处理后红外光反射强弱模拟信号由比较器比较后送入单片机，再由软件来判断是否在轨迹上。3.3.1 寻迹光电采集电路rpr220是一种一体化反射式红外光电传感器。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。主要应用在游戏河南理工大学毕业设计（论文）说明书17567u1blmv358r247ksample1r51kr333kr147kr710kr610k32184u1almv3585vr447klight1r847k123j1con3q19013q29012c1104123j1con3s1reflex_sensor机，复印机等设备中。具有以下特点：(1)塑料透镜可以提高灵敏度；(2)内置的可见光过滤器以减小离散光的影响；(3)体积小，结构紧凑。因为反射式光电采样最大的干扰就是环境光的变化，小车在行走时会有时顺光、有时逆光，虽可以通过遮光方式来改善之，但是如果能在电路上加以处理，会更加可靠。所以在设计时考虑了这个需求。为何不通过软件处理来消除,原因有二：其一，不知道何时是顺光、何时是逆光。所以无法通过修正判断阈值来消除之；其二，放大器的信号范围有限，有可能会饱和。所以使用模拟电路来实现此功能，目前所用的电路如图 3-5 所示。图 3-5 寻迹光电采集电路图 3-5 中 s1 为反射式光电采样器，sample1 端为单片机输出的控制信号，light1 端为反射光强弱模拟信号输出。第一级运放构成同相缓冲器，一方面隔离后级电路对输入信号的影响，另一方面增加驱动能力，使电容 c1 能够快速跟踪输入信号，达到记忆背景光强度的目的，此电容可称之谓记忆电容。河南理工大学毕业设计（论文）说明书18第二级为减法器，实现对（总输入信号 背景光信号）的放大。从图中可以看出，sample1 端控制着两个三极管，其中 q1(9013)控制反射采样器的红外发射管，q2（9012）控制第一级缓冲器输出给记忆电容 c1 的充电。当 sample1 为低电平时，q1 截止，采样器的红外发射管熄灭，此时采样器输出的为背景光信号，此时 q2 导通，使记忆电容的电压等于背景光信号。第二级减法器的输入此时相等，light1 输出为“0” 。当 sample1 为高电平时，q1 导通，点亮红外发射管，此时采样器输出的为（背景光+反射光）信号，但是此时 q2 截止，将第一级输出与记忆电容隔开，记忆电容上仍保持着原来背景光的信号。第二级减法器的输入则为：（反射光 + 背景光） 背景光 = 反射光从而达到消除背景光的目的，此时 light1 输出为放大后的反射光信号。背景光的采集时间以及信号的采集时间如何确定，使用双踪示波器检测sample1 控制信号和 light1 输出信号，用 sample1 作为触发信号，检测sample1 上升沿后 light1 输出的波形，应该是一个典型的一阶飞升曲线，sample1 保持时间至少应使此曲线达到水平区域，这个时间也就是启动sample1 信号后的 mcu 读取延时值。图 3-6 sample 和 light 信号波形河南理工大学毕业设计（论文）说明书1912834lm3935k20k5vinout由图 3-6 可以看出，信号采集延时为 400 us，采样的周期为 2ms。注意图 3-6 中的通道 2 波形，可以看出，在 sample 信号将红外发射管点亮后，需要经过一段时间才能使采到的反射信号达到稳态。由示波器观察出：背景采集时间： 大于 700 us信号采集延时： 300 400 us 3.3.2 ad 转换电路经过多次试验，发现光电采集的信号在白纸上位 uout=1.0v，黑纸上uout=1.7v，变化u=0.7v。这样的模拟信号不能直接送单片机，所以寻迹传感器采集的模拟信号由电压比较电路比较后转换为数值信号送单片机处理。电压比较电路使用比较器 lm393 实现，电路如图 3-7 所示。lm393 是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙。电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准 pc 板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于 10k 将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后，否则直接插入 ic 并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。比较器的所有没有用的引脚必须接地。图 3-7 电压比较电路河南理工大学毕业设计（论文）说明书203.4 速度检测模块本设计采用光电反射式传感器加黑白码盘检测车速和行驶距离，原理和路线检测相同，这里可以用遮光的方法消除外界光线对传感器的影响，所以不必采用上述的模拟电路消除背景光的影响。简化电路。具体电路如图 3-8 所示。电路输出的模拟信号同样要送电压比较电路整形为方波，再送单片机处理。码盘由自己制作，由于这里需要的精度不高，只需要做一个透孔在一个圆齿轮上。单位时间检测的脉冲数 n 就是齿轮单位时间转过的圈数。再乘以齿轮与轮子的比例 12/5 就得出了小车的速度。如果需要提高精度，只需要把码盘上的透孔加多即可。码盘原理如图 3-9 所示。图 3-8 速度检测电路图 3-9 码盘示意图3.5 显示模块为了使显示质量更高，本设计采用 lcd1602 显示，lcd1602 可以显示两行字符，每行显示 16 个字符。采用单片机总线模式输出。显示电路如图 3-10 所示。应用液晶显示器有以下优点：51047k5v33k33k33k814321lmv358m5vout河南理工大学毕业设计（论文）说明书211. 显示质量高：液晶显示器每个像素收到信号后就一直保持色彩和亮度，恒定显示效果，所以显示质量高，画面不会闪烁；2. 数字式接口：和单片机的接口更加简单可靠；3. 体积小、功耗低。图 3-10 显示电路3.6 小车机械设计3.6.1 车体简介（1）可以灵活的进行控制为了小车转弯控制的灵活性，本次设计了两个驱动轮加一个万向轮的三轮结构。左、右轮独立控制，可以使小车同时前转、后转、反向旋转和一侧转动一侧停止。可以完成原地转弯，旋转等动作，因而适合沿曲折路线前进。（2）增加了电机驱动电路和电机调速电路在小车基板上设计了电机驱动电路，可以直接通过 io 控制小车的运行状态；为了方便改变小车的运行速度，还设计了调速电路，通过 pwm 输出，实现电机的调速。12345678910111213141516p1lcd160210kr110r20.5w5v12345678910111213p2lcd1602 in5vvssvddvlrsr/wed0d1d2d3d4d5d6d7blablkp00p01p02p03p04p05p06p07rdwrp27p21p20d0d1d2d3d4d5d6d7d0d1d2d3d4d5d6d712p3power5v河南理工大学毕业设计（论文）说明书22（3）增加了透孔齿轮（码盘） ，方使小车测速为了方便小车运行速度测量，我们提供了含一个透孔的齿轮，从而实现快速、精确测速的目的。（4）增强了小车的可扩展性无论是下层的基板，还是上面的扩展板，都尽量多的留出可以焊接器件的焊孔。基板前端焊孔是为方便焊接传感器电路而设定，可以方便的搭建黑白线测量、障碍物检测等电路；上面的扩展板，则可以直接把单片机电路、显示电路、通讯电路、遥控电路等焊接上面，不需要再额外增加电路，方便了扩展。3.6.2 车体详解车体的参数如下：（1）成品尺寸：18.212.44.0(cm)（2）车体：双电机两轮驱动，外加万向轮（3）供电：5v 电路供电，12v 电机供电（4）工作电压:dc4-6v小车的整体图如图 3-11 所示。图 3-11 小车整体图河南理工大学毕业设计（论文）说明书234系统软件设计4.1 系统软件流程图在系统初始化后，等待循迹；根据线路的设置进入循迹判断状态，或遥控控制，进入遥控状态，之后由单片机处理后，发出 pwm 波，控制电机的各种状态。具体软件流程图如图 4-1 所示。图 4-1 系统软件流程图ny开始是否寻迹吗？读入模式状态按寻迹判断转向控制左右电机按遥控判断转向河南理工大学毕业设计（论文）说明书244.2 各模块程序设计本设计程序主要包括方向判别、pwm 脉冲调制发生两部分。4.2.1 方向的判别程序在寻黑胶带模式下，车前从左至右安装 3 个红外发送接收对管（白色输出0，黑色输出 1）。红外传感器真值表如表 4-1 所示。表 4-1 红外传感器真值表abc小车运动状态010直线100左转001右转111停止4.2.2pwm 脉冲宽度调制的实现其中各种转向方式的 pwm 占空比分配如表 4-2 所示。表 4-2 转向控制 pwm 占空比直线左 转右 转停 止左轮 pwm 的占空比80%10%500右轮 pwm 的占空比80%50%1004.3 软件抗干扰技术提高小车智能控制的可靠性，仅靠硬件抗干扰是不够的，需要进一步借助于软件抗干扰技术来克服某些干扰。在单片机控制系统中，如能正确的采用软件抗干扰技术，与硬件干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑为了将大大提高控制系统的可靠性。经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术等。基于设计要求，本设计采用了开关量的软件抗干扰技术。1、数字滤波技术河南理工大学毕业设计（论文）说明书25一般单片机应用系统的模拟输入信号中，均含有种种噪音和干扰，它们来自被测量本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰。对于这类信号，采用积分时间等于 20ms 的整数倍的双积分 a/d 转换器，可有效的消除其影响。后者为随机信号，它不是周期信号。对于随机干扰，我们可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比 ，有以下几个优点：数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，所以可靠性高，稳定性好。数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便，功能强的特点。数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。数字滤波器具有以上优点，所以数字滤波在微机应用系统中得到了广泛应用。2、开关量的软件抗干扰技术干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一点，我们在采集某一开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上结果完全一致方为有效。若多次采样后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号，由于开关量信号主要是来自各类开关型状态传感器，如限位开关、操作按钮、电气触点等，对这些信号的采集不能用多次平均的方法，必须绝对一致才行。如果开关量信号超过 8 个，可按 8 个一组进行分组处理，也可定义多字节信息暂存区，按类似方法处理。在满足实时性要求的前提下，如果在各次采集数字信号之间接入一段延时，效果会好一些，就能对抗较宽的干扰。输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性相对较大。前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管此时数据是否有效。输出设备和惯性（响应速度）与干扰的耐受能力也有很大关系。惯性大的输出设备（如各类电磁执行机河南理工大学毕业设计（论文）说明书26构）对毛刺干扰有一定的耐受能力。惯性小的输出设备（如通行口、显示设备）耐受能力就小一些。在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只要有可能，其重复周期尽可能短些。外设设备接受到一个被干扰的错误信息后，还来不及做出有效的反应，一个正确的信息又来了，就可及时防止错误动作的产生。另外，各类数据锁存器尽可能和 cpu 安装在同一电路板上，使传输线上传送的都是锁存好的电位控制信号，对于重要的输出设备，最好建立检测通道，cpu 可以检测通道来确定输出结果的正确性。河南理工大学毕业设计（论文）说明书275系统测试及结果在调试程序时，先按各个模块调试，待各个模块调试成功后再实现系统整体调试。在各个模块的调试中都没有遇到什么问题，在整个系统的程序调试中出现两个现象：显示程序执行有延迟现象，时间等数据的显示明显不是一秒钟刷新一次；遥控命令的执行有延迟现象，遥控的命令收到后要等待几秒钟的时间才执行。经过对以上调试中遇到的问题的分析，将程序进行改进。对显示数据的转换计算优化为查表形式，节省了执行时间；将中断服务程序进行了压缩，因为中断服务程序过长时会出现主程序执行不正常的现象。经过改进后的程序满足本设计的基本要求。小车循迹运行正常，前进、左转、右转、刹车，一切正常，且迅速、灵敏。小车循迹测试结果如图 5-1 所示。图 5-1 小车循迹状态河南理工大学毕业设计（论文）说明书286结论及展望 本论文简要介绍了机器人领域的研究现状，和以 s52 系列单片机为控制核心的控制系统的设计思路。第一部分首先对本次毕业设计的题目选择做了简要的介绍，然后概述了机器人的发展概况。第二部分详细介绍了本次毕业设计涉及的各方面知识，包括整体系统设计，小车的硬件设计以及各模块的功能原理。最后介绍了循迹小车的软件设计、调试过程以及测试结果等内容。通过本次毕业设计，我学到了很多东西，将大学四年来所学的一些基本知识进行了系统化、条理化的学习。在总结过去的同时，也学会了很多新知识，积累了很多宝贵的经验，并且接触到了该领域很多基础的东西，认识到自己所面临的问题和挑战，这使我的个人能力有了很大提高。首先，在毕业设计过程中，搜索资料的能力有了很大提高，以前总是觉得做一个大的不熟悉的系统很难，没有整体思路，好多东西都不会，不知道从何入手。但是在毕业设计的过程中，这些问题都解决了。现在如果再去做一个项目的话，我已经知道相关资料应该如何查找。其次，对单片机有了更深入的了解，这为以后的实践打下了扎实的基础。再次，通过本次毕业设计，最重要的是我掌握了系统的设计方法，如从整体到局部的设计，以及从局部的模块电路入手，进行模块化设计，然后从局部到整体进行整个系统的调试。虽然工作量有点大，但能从中学到东西，还是非常值得的。本文只是对智能机器人教低层的探索学习，以后还会有更多的机会和挑战，我会继续努力学习，迎接挑战。河南理工大学毕业设计（论文）说明书29致 谢历时三个月的毕业设计已经告一段落。本次制作的智能小车是在我大三时就构思准备做的，只是当时准备考研，条件限制，搁置至今。这次毕业设计之际将其作为自己的设计，经过自己不断的搜索努力以及胡松华老师的耐心指导，本设计已经基本完成。在这段时问里，胡老师严谨的治学态度和热忱工作作风令我十分钦佩，他的指导使我受益非浅。值此论文完成之际，谨向胡老师表示诚挚的谢意！再次要非常感谢的是李群兴同学，在设计的过程中，我从他身上看到了，项目过程的严谨，思路的清晰，能力的培养，基础的扎实，这为我以后的学习提供了方向，在此毕业设计完成之时，向他表示最真诚的感谢！感谢我们专业的同学，特别是我们宿舍的成员，在制作过程中帮助，并让我在你们身上学到新知识和新方法，你们在我学习和工作中提出的中肯意见和建议让我更好更快地完成了本次设计。感谢所有指导过我和帮助过我的老师，你们的谆谆教导是我一生中最宝贵的财富。感谢我所有的朋友和同学，在一起生活和学习的美好时光里，你们给予我真诚的鼓励和无私的帮助是终生难忘的。最后，我要感谢父母和家人多年来在生活上无微不至的照顾和精神上的支持，我的每一个足迹都离不开你们的默默付出，你们鼓励的目光永远是我前进的动力。河南理工大学毕业设计（论文）说明书30参考文献1余发山，王福忠.单片机原理及应用技术m. 徐州：中国矿业大学出版社. 2003.2 王