毕业设计（论文）智能电动小车系统的设计

1、摘 要几年来智能技术得到了较大和较快的发展，而智能电动小车作为智能技术的一个简单体现是毕业设计一个很好的课题。另外最近几年国内外的电子设计方面的比赛和竞赛都有该方面的题目出现，可见得到了该领域的研究者、设计者和学习者的青睐和重视。本课程设计是以at89c51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、躲避障碍物、探测光源及探测预埋金属铁片，并能显示运行时间和自动入库等问题。运行时小车的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小车的智能化控制。设计的具体思路是反射式红外光电

2、传感器检测黑线，然后将信号传送到单片机系统进行处理，使小车沿轨道自主行走；电感式接近开关电路代替金属传感器探测预埋在轨道下的金属铁片，并发出声光信息进行提示；超声波传感器检测障碍物通过单片机控制电机来实现避障的目的；采用h型脉冲宽度调制（pwm）全桥式驱动电路控制电机的转向，实现电动小车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；采用lcd1602实时显示小车行驶的时间。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。关键字 智能电动小车；寻迹；避障；寻光；pwm；检测金属。the design of

3、 intelligent electronic carsabstractin recent years ,intelligent technology has been improved by a huge margin . intelligent electric car as intelligent technology is a simple graduation design and a good topic. these years at home and abroad, electronic design competition are the aspects of subject

4、, visible on the field of researchers, designers and learners and attention. this course design based on at89c51 control circuit, modular design, using photoelectric sensors, metal detection sensor, ultrasonic sensors, the realization of different detection circuit automatically in driving car traci

5、ng, evades obstacles, detection and light metal sheet, and having that running time and automatic warehousing etc. when the car running measurement data transfer process, then by single-chip microcontroller according to test data for intelligent control of electric cars.design of concrete ideas are

6、reflex electrcal sensor detection, and black signals to scm system, make cars along the track independent walking, inductive proximity switch circuit sensor embedded instead of metal in orbit, the metal sheet and light information clew, ultrasonic sensor detection obstacles through the single-chip m

7、icrocomputer control motor to achieve the purpose of obstacle avoidance, using the h pulse width modulation (pwm) bridge type driving circuit control motor, electric car to drive, the speed of the pros and cons of speed and turn, using lcd1602 real-time display car driving time.this system is more a

8、gile, using software method to solve complex hardware circuit, make the system hardware is concise, easy to realize and various functions are highly intelligent, humanization, partly reflects the intelligence, can satisfy the requirement of system.keywords at89c51，electric car，automatic track findin

9、g(atf).目 录第一章 绪论11.1 背景及意义11.2 智能技术的发展历史及现状11.3 智能技术的应用及发展趋势21.4 本文研究内容2第二章 方案论证32.1 总体方案论证与比较32.2 各模块的方案论证42.2.1 寻迹模块42.2.2 检测金属铁片模块42.2.3 避障模块52.2.4 寻找光源模块52.2.5 显示模块62.2.6电动机驱动模块6第三章 系统的硬件电路设计83.1 at89c51模块83.1.1 主要特性93.1.2 管脚说明93.1.3振荡器特性123.1.4 at89c51最小系统1232 检测轨迹电路1233 检测金属片电路1434 检测障碍物电路1535

10、 检测光源电路1836 显示电路1937 电动机驱动电路20第四章 软件设计234.1 程序设计234.2 主程序设计234.3 探测金属程序设计254.4 躲避障碍物子程序设计25总结27参考文献28附录1：程序清单30附录2：系统原理图40第一章 绪论1.1 背景及意义随着科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人的自动避障有了重大的意义。在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。而在机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。我们的自

11、动避障小车就是自动避障机器人中的一类。自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。另外随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、dvd、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。各种智能化小车市场玩具中也占一个很大的比例。根据美国玩具协会的调查统计，近年来全球玩具销量增幅与全球平均gdp增幅大致相当。而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大变化：传统玩具的市场比重正在逐步缩水，高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额2004年2003年增长52%，而传统玩具的年销售额仅增长

12、3%。英国玩具零售商协会选出的2001圣诞最受欢迎的十大玩具中，有七款玩具配有电子元件。从这些数字可以看出，高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩具行业发展的主流。因此，遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高市场价值的。智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计，一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。本次课题准备设计一种能够实时采集传感器信号、智能分析外部环境以及路径信息、自动实现方向控制等功能的智能小车。1.2 智能技术的发展历史及现状在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮已

13、席卷全球，世界上一些著名的公司开始研制移动机器人（此时的移动机器人的主要用作大学实验室及研究机构的实验平台），并促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术和真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人的更高层次的研究。现在机器人的应用越来越广，种类也越来越多，但大体上可分为轮式机器人和足式机器人。智能小车就是轮式机器人的一种，虽然是最基本的机器人雏形，但其中已包含了大部分功能，综合国内外专家解释，可普遍认为机器人一般是具有如下功能的机器：（1）动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；（2）

14、有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；（3）有一定程度的智能，如记忆、感知、推测、决策和学习等；（4）有独立性，完整的机器人系统在工作时不依赖于人的操纵。1.3 智能技术的应用及发展趋势如今知识工程、计算，机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨论智能系统，人们要求系统越来越智能化。显然传统的控制观念是无法满足人们的需求，而智能控制能与这些传统的控制有机的结合起来取长补短，提高整体的优势更好的满足人们的需求。随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。机器人领域近几年有如下几个发展趋势：（1）性价比逐步提高，性能不断提高（高速度、高精度、高可

15、靠性、便于操作和维修），而单价不断下降。（2）传感器的作用日益重要，除传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、声觉、力觉等多种传感器的融合技术已用来进行环境建模及决策控制。（3）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，加速遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操作机器人。（4）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的操作系统，使智能机器人走出实验室走入使用化阶段。1.4 本文研究内容做为毕业设计的论文，本文设计的是一个智能电动小车，研究的内容包括以下方面：（1）寻迹：小车能够沿着预设

16、的黑线自动前进。（2）避障：小车在行驶的过程中能够避开障碍物。（3）寻光：小车能寻找固定光源并前进5秒后停车。（4）检测金属:小车能检测埋在轨道下面的金属并给予声光报警。（5）显示：智能小车能随时显示运行时间和状态。第二章 方案论证2.1 总体方案论证与比较方案一：采用各类数字电路来组成电动小车的控制系统。采用数字电路对外围探测轨迹信号，避障信号，寻找光源信号和金属检测分部进行处理。但对输入输出都是模拟量的小装置，如果采用数字化方案，则要先用a/d转换器将模拟量转换为数字量，经过数字电路处理后，再经d/a转换器将数字量转换为模拟量。这样必然带来高成本、电路复杂等缺点。因此，本方案灵活性不高，效

17、率低，不利于电动小车智能化的扩展。同时，对各路信号处理也比较困难。方案二：采用at89c51单片机作为整机的控制单元。以at89c51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、超声波传感器和金属检测传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、寻光、躲避障碍物和检测金属等问题。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小车的智能化控制。在本系统中，反射式红外光电传感器检测黑线，然后将信号传送到单片机系统进行处理，使小车沿轨道自主行走；通过超声波传感器发射和接受两部分电路来躲避预设的障碍物；采用h型脉冲宽度调制（pwm）全桥式驱动电路控

18、制电机的转向，实现电动小车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；采用lcd1602实时显示小车行驶的时间。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。此方案的基本原理如图2.1所示。图2.1 方案二系统框图比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到设计要求，因此本设计采用方案二来实现。2.2 各模块的方案论证如题目要求，系统主要由控制器模块、寻迹模块、光源跟踪模块、金属检测模块、显示模块、电机驱动模块和避障模块构成，下面分别论证这几个模块的选择。2.2.1 寻迹模块 在本

19、设计中，要求电动小车沿着路面的黑色轨道行驶。其探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理，可以控制电动小车行走的路迹。下面几种方案是根据本原理设计的。方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差，所以放弃该方案。方案二：利用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低

20、电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。方案三：采用反射式红外线光电传感器。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点4。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，电动小车上的接收管接收不到红外光。单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定黑线的位置，从而控制小车的行走路线。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单。因此本方案易于实现，也比较可

21、靠。所以本设计采用方案三。2.2.2 检测金属铁片模块方案一：采用探测线圈和探测仪构成的金属探测器。此类金属探测器利用探测线圈产生的交变磁场在接近金属材料时产生微弱变化这一原理，将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的，但是该探测器的结构复杂。因此不易采用。 方案二：采用根据电涡流原理自制的传感器。该传感器取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成功率比较低，难以准确输出传感信息。方案三：利用电感式接近开关代替金属探测器。接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，可用于检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发

22、生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制。其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。因此用它作为小车的金属传感器，简单易行、准确且抗干扰性能优越。综合考虑以上三种方案的优越性，本设计选择方案三。2.2.3 避障模块考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40cm的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物后，可寻找到最佳的位置和方向。否则，如果范围太大，则可能产生对障碍物的判断失误

23、；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。根据上述要求，提出以下方案。方案一：采用激光传感器探测障碍物。该传感器能非常准确地测出障碍物的存在，但价格高，处理复杂，不符合该设计的要求。方案二：采用超声波传感器探测障碍物。超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车的方向，以控制小车准确地绕过障碍物，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。同时，超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

24、超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面6。智能电动小车应以准确、智能见优，因此采用方案二。2.2.4 寻找光源模块方案一：采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出光源的方位。该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。方案二：利用由光敏电阻组成的光控开关电路。利用光敏电阻阻值

25、随光强弱变化的特性组成光控开关电路，检测光源。光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光电管，它是基于半导体内光电效应工作的。当无光照射时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定，因此在自动化技术中得到了广泛的应用。综合考虑到上述方案的优缺点，本设计采用方案二。2.2.5 显示模块方案一：采用led数码管显示。在系统中要用到多只led数码管进行动态显示即可达到要求。其优点是价格便宜，寿命长。缺点是只能显示

26、09的数字和一些简单的字符，电路设计繁锁，且占用空间。方案二：采用lcd1602液晶显示器。lcd广泛应用于微型计算机控制系统中。与led相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉价的特点，且有良好的人机界面，直观，显示效果漂亮。目前已广泛应用在各种显示领域。另外，lcd在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中，lcd已成为一种占主导地位的显示器件。因此，本设计采用方案二。2.2.6电动机驱动模块方案一：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能

27、力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻r的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。方案二：采用继电器控制电机。采用继电器对电机的开或关进行控制。通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案三：采用h型脉冲宽度调制（pwm）全桥式驱动电路。通过pwm脉宽调制的方法,实现对小车速度的控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等优点，是一种广泛采用的调速技术。h型全桥式电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。这

28、种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。为了电路设计简单，采用电机专用驱动芯片l298n，其驱动电流大，瞬时电流最高可达2a，为电机驱动专门设计，工作稳定可靠。完全满足设计要求。综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。第三章 系统的硬件电路设计图3.0 系统框图3.1 at89c51模块单片机（scm）是单片微型计算机（single chip microcomputer）的简称。它是把中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、i/o接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。随着scm在技术上、体

29、系上不断扩展其控制功能，国际上已经采用mcu（microcontrollerunit）代替单片机的名词。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部。但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。近年来，at89c51在我国非常流行，它最大的特点是内部有可以多次重复编程的闪烁rom,并且闪烁rom可以直接用编程器来擦写（电擦写），使用起来比较方便。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如romrami/o口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选

30、择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既要按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机a/dd/a转换器等，又要设计合适的接口电路。本系统采用at89c51单片机作为中央处理器。其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，来控制小车行走，同时将相关数据送显示单元动态显示。 at89c51是一种低功耗/低电压、高性能的八位cmos单片机，片内有一个4kb的flash可编程课擦除只读存储器（fperom-flash programmable and erasable read only memory），它常用了cmos工艺和atmel公司的高密度非易失

31、性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与msc-51兼容。片内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。因此，at89c51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便应用于各种控制领域。在本系统中，at89c51单片机的p1口用于lcd1602显示，p2.0、p2.1、p2.2、p2.3、p3.4用于电动机的pwm驱动控制，p0.3、p0.4用于探测轨迹，p0.5用于探测障碍物，p0.0、p0.1、p0.2用于寻找光源。p0.6用于led提示，p0.7用于蜂鸣器报警，p3.2外部中断0用于检测金属铁片。3.1.1

32、主要特性与mcs-51 兼容 4k字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0hz-24mhz 三级程序存储器锁定 1288位内部ram 32可编程i/o线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 另外，at89c51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可降到零并提供两种软件的省电方式-空闪方式和掉电方式。在空闪方式中，cpu停止工作。在掉电方式中，片内的振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内ram中的内容，直到下次硬件复位为止。3.1.2 管脚说明图3.1 at89c51

33、引脚 vcc（40）：供电电压,其工作电压为5v。 gnd（20）：接地。 p0口（p0.0-p0.7）：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口(p1.0-p1.7)：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由

34、于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口(p2.0-p2.7)：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口(p3

35、.0-p3.7)：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：表3.1 p3口第二功能介绍端口管脚第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2/int0（外部中断0）p3.3/int1（外部中断1）p3.4t0（记时器0外部输入）p3.5t1（记时器1外部输入）p3.6/wr（外部数据存储器写选通）p3.7/rd（外部数据存储器读选通）

36、p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst（9）：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog(30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微

37、处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen(29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。 /ea/vpp(31)：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。 xtal1（19）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2（18）：来自反向振荡器的

38、输出。3.1.3振荡器特性xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.1.4 at89c51最小系统at89c51最小系统接线如图3.2所示，在xtal1、xtal2端接上晶振及两个谐振电容，在reset端接上相应的电阻和电容，如果需要按键复位，加上按键即可组成一个最小系统，按要求通电后，系统就可以正常工作了。at89c51的最小系统图如下图3.2：图3.2 a

39、t89c51最小系统32 检测轨迹电路 轨迹探测电路根据反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。如图3.3所示。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号， 经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图3.3中光敏三极管将导通，输出低电平，经lm306电压比较器送单片机控制。当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将

40、检测到的信号送到单片机i/o口，当i/o口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当i/o口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。即当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平。图3.3 探测轨迹电路为了保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。在小车行走过程中，结合查询方式，通过程序控制小车行走轨迹。如果左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。控制其向右转；如果右方向偏离黑线，则左侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单

41、片机，进行处理校正。控制其向左转。从而保证小车沿黑线行驶。电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在不同光度的环境中能够寻迹。由于接收对管装在车底，发射距离的远近较难控制，调节可调电阻，灵敏度不高，因此采用在对管上套一塑料管，屏蔽外界光的影响，灵敏度将大幅提升。在该电路中，加比较器lm306的目的是使模拟量转化为开关量，便于处理。 33 检测金属片电路电感式接近开关由三大部分组成：lc振荡器、开关电路及放大输出电路。它的工作原理是外界的金属性物体对它的高频振荡器产生非接触式感应作用。振荡器即是由缠绕在铁氧体磁芯上的线圈构成的lc振荡电路。振荡器通过传感器的感应面，在其前方产生一个高频交变的电磁

42、场。当外界的金属性导电物体接近这一磁场，并到达感应区时，在金属物体内产生涡流效应，这个涡流反作用于接近开关，从而导致lc振荡电路振荡能力衰减，振幅变小，内部电路的参数发生变化，即称之为阻尼现象。这一振荡的变化，即被开关的后置电路放大处理并转换为一确定的输出信号，触发开关并驱动控制器件，从而达到非接触式目标检测之目的。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。其原理框图如图3.4所示。图3.4 接近开关原理框图在车底中部安装一个金属检测传感器，将其检测面对准运行路面，当小车通过金属铁块时，输出端输出一个高电平信号，将这个高电平信号通过74ls04反相器，将信号用单片机检测出来，借此控制电动机产生

43、相应的动作，并声光提示。检测金属铁片电路原理图如图3.5所示。图3.5 检测金属铁片电路34 检测障碍物电路采用超声波传感器探测障碍物。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20khz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分

44、为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。本设计应用反射式超声波探测电路探测障碍物。该电路分为超声发射电路，超声接收电路和信号处理电路。(1)超声波发射电路 超声波发射电路原理如图3.6.1所示。发射电路主要由反相器74ls04和超声波发射换能器t构成，单片机p3.4端口输出的40khz的方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。上位电阻r41、r42

45、一方面可以提高反相器74ls04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由震荡时间。 图3.6 .1 超声波发射电路压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如图3.6.2所示，它有两个压电晶片和一个换能板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板震动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电晶片作震动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志

46、。图3.6 .2 超声波换能器结构图（2）超声波接收电路超声波接收电路使用超声波接收传感器，当它接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到集成比较器lm393进行处理。lm393输出的是比较规范的方波信号。将此方波信号输出到信号处理电路。电路如图3.8所示。图3.8 超声波接收和处理电路（3）信号处理电路 信号处理电路使用集成电路lm2907n，它原是测量转速用的ic,其内部有f/v转换器和比较器、充电泵、高增益运算放大器，它的输出要求有一定频率的信号，能将频率信号转换为直流电压信号。lm2907n具有以下特点：lm2907n进行频率倍增时只需使用一个rc网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可

47、直接从输入管脚接入；运算放大器比较器采用浮动三极管输出；最大50ma的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为30mv利用这个特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为0.3%；具有保护电路，不会受高于vcc值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，lm2907n的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。lm2907n的内部结构及各引脚功能如图3.9所示，lm2907n的引脚功能如下： 脚（f）和11脚（in-）为运算放大器比较器的输入端

48、脚接充电泵的定时电容（c1）3脚接充电泵的输出电阻和积分电容（r1/c2） 4脚（in+）和10脚（uf1）为运算放大器的输入端 5脚为输出晶体管的发射极（u0）8脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（uc） 9脚为正电源端（vcc） 12脚为接地端（gnd） 6，7，13，14脚未用图3.9 lm2907n原理框图将lm2907n的8脚接到单片机输入口。由图3.8可以看出，由于两个串联5.1k电阻的分压，lm290n7的10脚电压vop-=6v，这是内部比较器的参考电压。内部比较器的4脚电压为vop+输入电压，它是电阻r（51k）上的电压，这个电压和频率有关的。当vop+大于vop-时，比较器

49、输出为“1”，lm2907n内部三极管导通（或饱和）输出为“0”,则发光二极管led点亮。因此，当超声发射电路由单片机产生40khz方波来起振超声波发射探头，使其发射超声波，如智能电动小车前方遇到障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，超声波接收电路接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到比较器lm393使其调整为方波输出到lm2907n，lm2907n芯片会把此方波信号的频率转化为对应电压值，当此电压值大于由4号引脚输入的门电压时，lm2907n的8号引脚输出低电平，led处于发光状态。即当有障碍物时led处于发光状态，lm2907n的8号引脚输出低电平，同时通过8脚将信号送给单片机，使单片

50、机该根据信号控制小车转向，从而实现避开障碍物的目的。35 检测光源电路利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路，如图3.10所示，检测光源。为了检测光线的强弱，我们在小车左前方、右前方加了2只光敏传感器，即光敏电阻。它根据照射在它上面的光线的强弱，阻值发生变化，输出电压随之变化。当小车前方无光照射时, 光敏电阻阻值很大，三极管处于截止状态, 集电极输出高电平；当有光照射时, 光敏电阻阻值变小, 三极管饱和导通。将检测到的高低电平信号送单片机, 依此调整车头方向, 使其沿光源方向行驶。图3.10 光源检测电路36 显示电路本设计采用lcd1602显示，其与单片机的连接方式如图3.11所

51、示。单片机的p1口与lcd1602的连接。图3.11 lcd1602显示电路该电路用到2行16个字的lcd1602液晶模块，它采用标准的14脚接口，如图3.12所示。图3.12 液晶模块(1)第1脚：vss为地电源(2)第2脚：vdd接5v正电源(3)第3脚：v0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。(4)第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。(5)第5脚：rw为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和rw共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平rw为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平rw为低电

52、平时可以写入数据。(6)第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳成低电平时，液晶模块执行命令。(7)第714脚：d0d7为8位双向数据线。 37 电动机驱动电路直流电机驱动电路使用最广泛的就是h型全桥式驱动电路。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图3.13所示。图3.13 h型全桥式驱动电路全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，s1、s2为一组，s3、s4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当s1、s2导通时，s3、 s4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当s3、s4导通时，s1、

53、s2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。当全部导通时，电机处于刹车状态。当全部关断时，电机将自由滑行。其工作状态表如表3.2所示。表3.2 电机工作状态表状态s1s2s3s4正转1100反转0011刹车1111滑行0000在本设计中用到电机驱动芯片l298n。pwm输出脉冲信号经双h桥功率驱动电路l298n后接至电机，控制小车运动。如图3.14所示。l298n芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准ttl逻辑电平信号和驱动电感负载的。每个h桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚（sensea和senseb）用来连接电流检测电阻。vcc接逻辑控制的电源。vs为电机驱

54、动电源。in1-in4输入引脚为标准ttl 逻辑电平信号，用来控制h桥的开与关即实现电机的正反转，ena、enb引脚则为使能控制端，用来输入pwm信号实现电机调速。3.14 h型全桥式驱动电路第四章 软件设计4.1 程序设计程序设计（programming）是指设计、编制、调试程序的方法和过程。它是目标明确的智力活动。在进行微机控制系统设计的时候，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占有重要的地位。对于本系统，软件业占有重要的地位。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集

55、、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。、为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一个部分叫做一个模块。把一个程序分成具有多个明确任务的程序模块，分别编制、调试后再把它们连接在一起形成一个完整的程序，这样的程序设计方法称为模块化程序设计。所谓“模块”，实质上是能完成一定功能，并相对独立的程序段，这种程序设计方法称为模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：（1） 单个模块比起一个完整的程序易编写、调试及修改。（2） 程序的易读性好。（3） 程序的修改可局部化。（4） 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不

56、同条件下调用。（5） 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序、中断程序（探测金属）、躲避障物、自动寻迹、显示和寻光子程序构成。4.2 主程序设计在系统的程序设计中，主控模块只负责根据消息调用相应模块的处理函数，具体如何处理这些消息有各功能模块中的相应程序决定。在主程序模块中，需要完成对各模块接口的初始化，lcd1602的初始化、中断向量的设计以及开中断循环等待等工作。另外，在主程序模块中还需要设置启动/清除标志寄存器，并对它们进行初始化。然后，主程序将根据各标志寄存器的内容，分别完成不同的操作。主程序流程图如图所示。当接通电源时，小车启动，同时lcd1602开始计时。在行驶的过程中，结合程序查询方式，若p0.3为高电平表示小车左方向偏离黑线，则控制小车右转；若p0.4为高电平