基于单片机的智能寻迹小车

1、嵌入式课程设计设计报告题 目：基于P89V51RB2单片机智能寻迹小车学 院： 电气工程与自动化学院专 业： 自动化班 级： 122学 生：常云 学 号： 33指导教师： 王祖麟 目 录第1章 绪论11.1引言11.2课题的来源及现状11.2.1课题的来源11.2.2智能汽车国外发展情况11.2.3智能汽车国内发展情况11.3本论文研究的内容2第2章 系统总体设计32.1小车的机械特性32.2智能小车寻迹基本原理32.3智能小车测速基本原理32.2智能小车遥控基本原理3第3章 系统硬件设计53.1控制器的选择53.1.1概述53.1.2P89V51RB2开发工具特性53.2硬件电路设计63.2

2、.1系统电源电路63.2.2电机驱动模块73.2.3光电编码器93.2.4红外线检测电路103.2.5键盘显示设计10第4章 系统软件设计124.1编译环境124.2模块的驱动124.2.1红外线传感器模块124.2.2电机模块的驱动134.2.3转速捕获154.2.4键盘显示模块164.2.5按键模块174.2.6遥控模块17第5章 系统调试分析195.1系统设计中的注意事项195.1.1外部因素195.1.2内部因素195.2硬软件总体调试19第6章 结束语21致谢22参考文献23附录2427第1章 绪论1.1 引言我们所处的这个时代是信息革命的时代，各种新技术、新思想层出不穷，纵观世界范

3、围内智能汽车技术的发展，每一次新的进步无不是受新技术新思想的推动。随着汽车工业的迅速发展，传统的汽车的发展逐渐趋于饱和。伴随着电子技术和嵌入式技术的迅猛发展，这使得汽车日渐走向智能化。智能汽车由原先的驾驶更加简单更加安全更加舒适，逐渐的向智能驾驶系统方向发展。智能驾驶系统相当于智能机器人，能代替人驾驶汽车。它主要是通过安装在前后保险杠及两侧的红外线摄像机，对汽车前后左右一定区 域进行不停地扫描和监视。计算机、电子地图和光化学传感器等对红外线摄像 机传来的信号进行分析计算，并根据道路交通信息管理系统传来的交通信息，代替人的大脑发出指令，指挥执行系统操作汽车。1.2 课题的来源及现状1.2.1 课

4、题的来源汽车的智能化是21世纪汽车产业的核心竞争力之一。汽车的智能化是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技。1.2.2 智能汽车国外发展情况从20世纪70年代开始，美国、英国、德国等发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究，目前在可行性和实用化方面都取得了突破性的进展。在无人驾驶技术研究方面位于世界前列的德国汉堡Ibeo公司研制的无人驾驶汽车，2007年4月11日在英国伦敦科学博物馆与公众见面。这辆无人驾驶智能汽车经德国大众汽车公司生产的帕萨特2.0改装而成，外表看来与普通家庭汽车并无差别，但却可以在错综复杂的城市公路系统中无人驾驶

5、。1.2.3 智能汽车国内发展情况目前日本、欧美已有企业取得实用化成果。与国外相比，国内在智能车辆方面的研究起步较晚，规模较小，开展这方面研究工作的单位主要是一些大学和研究所，如国防科技大学、清华大学、吉林大学、北京理工大学、长安大学、沈阳自动化所等。 我国从20世纪80年代开始进行无人驾驶汽车的研究，国防科技大学在1992年成功研制出我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。先后研制出四代无人驾驶汽车。第四代全自主无人驾驶汽车于2000年6月在长沙市绕城高速公路上进行了全自主无人驾驶试验，试验最高时速达到75.6Km/h。 在2004年10月12日的第六届高交会上，红旗无人驾驶汽车就引起了极大的轰

6、动。它在高速公路上最高稳定无人驾驶速度为130公里/小时；峰值无人驾驶速度为170公里/小时。并同时具备安全超车和系统小型化两个主要指标。为如此，他们把它称为“中国汽车界的神舟五号”。2005年，首辆城市无人驾驶汽车在上海交通大学研制成功，该车有望于两年之内率先在上海世纪公园进行示范运营，并在2010年世博会上一展身手。到时游 客只需在公园的入口处按下一个按钮，一辆没有司机的四座敞篷汽车就会从远处开过来缓缓停下，然后搭载着乘客前往他们想去的景点。1.3 本论文研究的内容本论文是基于P89V51RB2单片机开发，主要是研究3轮小车的路径识别及其控制算法以及遥控运动。第2章 系统总体设计2.1 小

7、车的机械特性小车采用的是一辆三轮车车模。后轮控件前进或转弯，前轮根据后轮驱动左右摆即可以实现左右转。这种车模控制简单。小车可通过PWM控制后轮电机转动的速度来控制前轮电机的转动幅度从而控制小车的转弯幅度，实现小车的前进与转弯操作。2.2 智能小车寻迹基本原理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，可以控制小车行走的路迹。这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。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，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，

8、当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。处理器就根据是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。智能小车系统以处理器为核心， 为了使智能小车能够快速行驶，处理器必须把路径的迅速判断、相应的转向电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。如果传感器部分的数据没有正确地采集和识别，转向电机控制的失当，都会造成模型车严重抖动甚至偏离赛道；如果直流电机的驱动控制效果不好，也会造成直线路段速度上不去，弯曲路段入弯速度过快等问题。其系统结构如所图

9、2.1示。本次红外探测采用的是反射式探测。2.3智能小车测速原理智能小车测速原理同上，此处采用的是对射式探测， 探测方法：在电机的转轴上安装一个光栅，通过单位时间红外对管检测到的光栅的数目来确定小车车轮转过的圈数，进而计算出路程，从而得到单位时间内小车走过的路程，即小车速度。2.4智能小车遥控原理 利用无线电波对被控对象进行远距离控制。由于无线电波可以进行远距离传输，故而检测接收端相应管脚，并做出相应的工作。从而达到遥控目的图 2.1 系统结构图红外传感遥控测速电机驱动键盘显示电源板P89V51RB2单片机 80C51处理器通过引脚读出遥控信号管脚80C51处理器向红外线传感器供5V电压，通过

10、采集其高低电平可以控制小车的转弯。80C51处理器通过DATA引脚向键盘显示板发送要显示的数据，还可以通过KEY引脚读取键盘的按键，实现相应的功能。第3章 系统硬件设计3.1 控制器的选择本次设计采用的是80C51单片机。3.1.1 概述 P89V51RB2是一款由美国NXP半导体公司提供的增强型80C51微控制器，包括16KB Flash程序存储器和1KB数据RAM，且功能上完全覆盖标准80C51单片机系列3.1.2 P89V51RB2 开发工具特性1.80C51内核，5V工作电压，操作频率040MHZ;2.16KB片内Flash存储器，1KB片内SRAM；3.SPI串行通信接口和增强型UA

11、RT；4.PCA（可编程计数器列阵），具有PWM和捕获、比较功能；5.4个8位I/O口，含有三个高电流P1口（每个I/O口的电流为16mA）；6.8个中断源，4个中断优先级，3个16位定时器/计数器和可编程看门狗定时器（WDT）；7.2个DPTR寄存器；3.2 硬件电路设计本次项目采用的电路板从画电路原理图开始，到PCB板的布线以及电路板的焊接与检测一系列工作都是自己在大一下学期课程实践期间制作的。3.2.1 系统电源电路交流电经过全波电路在经过电容滤波，在经过稳压电源芯片做成稳压电路，输出电压5V、7.2V的直流电源。其电源电路原理图如图3.2所示。图 3.2 系统电源电路原理图小车的驱动电

12、机的供电电压为7.2V，经过电容滤波后接7805进行稳压，稳压输出5V的电压。提供单片机所需3.2.2 电机驱动模块1. 驱动实现与原理本项目驱动两路直流电机，实现电机的正反转与测速和遥控。输入输出逻辑表真值表3.2。表 3.1 L298N输入输出逻辑真值表通道1通道2输入输出控制电机1输入输出控制电机2EnAIn1In2OUT1OUT2转向EnBIn3In4OUT3OUT4转向10000停止10000停止0101反传0101反传1010正转1010正转1100停止1111停止0XX00停止0XX00停止其中“0”为低电平；“1” 为高电平；“X” 为任何状态。驱动原理图3.2.3 光电编码器

13、/测速1. 光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。2. 光电编码器的实现光电编码器的发光装置一般由发光二极管来实现。光敏元件则由光敏三极管接上拉电阻来完成。光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转的编码器与电动机相连，当电机转动时，带

14、动码盘旋转，便发出转速或转角信号。其示意图如图 3.55所示。图 3.5 光电编码器的实现示意图当电机旋转时，码盘随之一起转动。通过光栅的作用，使得光敏三极管随着光栅透出的光而导通。接收的频率和转速成正比。在接收端可以输出一系列的方波，80C51内核可以通过采集方波的频率从而可以计算出电机的速度。3.2.4 红外线检测电路红外线检测电路原理其实很简单，就是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，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，反射光被装在小车上的接收管接收，Cortex-M0内核采集到的电压就是高电平；如果遇到黑线则红外光被吸收，小

15、车上的接收管接收不到红外光，然后80C51内核采集到的电压就是低电平。其基本原理图如图3.6所示。图3.6 红外线检测电路原理图鉴于本项目设计需实现的功能比较简单，故只要两路红外线检测电路即可，分别位于小车中心轴的两测即可。3.2.5 键盘显示设计图3.7为项目驱动实践一制作的键盘显示板原理图，主要部件为两个74LS164芯片级联，通过这两个移位芯片进行送到数码管上显示。其中8个按键分别和8个数码显示管进行连接，检测按键时通过KEY引脚对其进行扫描；CLK为164芯片移位的时钟，每来一次时钟，就进行移位处理；数码显示的数据是DATA引脚输送的数据。图3.7 键盘显示板原理图其基本原理为：首先通

16、过DATA引脚发送要显示数据的断码，然后再通过DATA引脚发送显示数据在哪一位（即位码）。两个74HC595芯片是分开工作的，其中右边595芯片是负责传送断码的，左边595芯片是负责传送位码的。这也是为什么要先传送断码，后传送位码的原因所在。检测按键是通过KEY引脚来检测，其中8个按键分别跟8个数码显示管连在一起。在按键的过程中，通过扫描哪一位为低电平就可以确定是哪个按键按下，然后再通过是哪个按键按下做出相应的功能操作。第4章 系统软件设计4.1 编译环境TKStudio集成开发环境（又称TKStudio IDE）是广州致远电子有限公司开发的一个微处理器软件开发平台，是一款具有强大内置编辑器的

17、多内核编译调试环境，支持8051、ARM、AVR等多种微控制器，可以完成从工程建立和管理，编译，链接，目标代码的生成，到软件仿真，硬件仿真(挂接TKS系列仿真器等硬件)等完整的开发流程。TKStudio集成开发环境包括工程管理器、代码编辑器、编译工具链、源码级调试器和外部工具等。4.2 模块的驱动4.2.1 红外线传感器模块红外线模块只要M0处理器向其供5V电压就能工作，然后通过引脚采集其电平高低就可以根据不同情况做出相应的处理。其具体程序控制见程序清单4.1.程序清单 4.1读取红外传感器的高低电平#define X1 P3_3#define X2 P3_5if(X1=1&&

18、X2=1|X1=0&&X2=0)car_run();/直走 if(X1=1&&X2=0) car_left();/左转 if(X1=0&&X2=1) car_right();/右转4.2.2 电机模块的驱动首先，通过设置L298N芯片的输入方向RIGHT_FANZHUAN，RIGHT_ZHENGZHUAN，RIGHT_STOP，LEFT_ZHENGZHUAN，LEFT_FANZHUAN，LEFT_STOP，从而控制电机的正反转。详见程序清单4.3.程序清单 4.3直流电机驱动与路径识别while (1)if (CG1=0&&CG2

19、=0&&CG3=0&&CG4=0) motor_run(); /未寻到黑线 直走if (CG1=0&&CG2=1&&CG3=0&&CG4=0)motor_right(); /右轮压线右转if (CG1=1&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=0)motor_right();delay_1ms(100);if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=1)motor_left();delay_1ms(100);

20、/ 左轮压线左转if (CG1=0&&CG2=1&&CG3=1&&CG4=0)motor_run();if(flag=3|flag=2|flag=4)break; /若两端压线直走前轮为方向轮，只有在需要转弯的时候才需要后边电机驱动其左右转动，在常态下则由后轮的推力使前轮向前转动。具体实现是通过控制前面产生的两路PWM波的占空比和L298N芯片的In1、In2、In3、In4的方向来实现小车的前进寻迹与后退寻迹，其程序流程图详见图4.1所示。开始读取传感器是否两边都遇到黑线停止是否左遇到且右没遇到是否右遇到且左没遇到左转弯右转弯直行YNYYNN图

21、 4.1直流电机控制流程图根据图4.1可以看到程序一开始就进行读取红外线传感器，如果左右两边都遇到黑线则停止前进；如果左边遇到黑线而且右边没有遇到黑线，小车则左转；如果右边遇到黑线而且左边没有遇到黑线，小车则右转；如果两边都没有遇到黑线小车则直行。具体程序控制详见程序清单4.4。4.2.3 转速捕获本项目采用16位定时器1和32位定时器1的捕获功能来实现两直流电机的转速捕获。由于主轮与后面光码盘扇叶转速的比例是1：80，而且有两片扇叶。所以测主轮的转速公式为：转速= (FAHBCLK/(CAP1_2-CAP1_1)/(N2-1)*3/8/ TMR16B1PR，程序控制详见程序清单4.5.程序清

22、单 4.5 直流电机转速的测量void TimeNew1()/光栅捕获并记录 R1=R2; /捕获左电机光栅并记录 if(R_Mcp2=0)R2=1;if(R_Mcp2=1)R2=0;if(R1=1)if(R2=0)rm2+;if(rm2=1)rm2=0;Count2+;if(Count2=10000)Count2=0; if(R_Mcp1=0)r2=1; /捕获右电机光栅并记录if(R_Mcp1=1)r2=0;if(r1=1)if(r2=0)rm1+;if(rm1=1)rm1=0;Count1+;if(Count1=10000)Count1=0; r1=r2; m1=lucheng1/100

23、0, /转换成路程并分解成BCD码dm1=(lucheng1-1000*m1)/100, cm1=(lucheng1-1000*m1-100*dm1)/10, mm1=lucheng1-1000*m1-100*dm1-10*cm1,m2=lucheng2/1000, dm2=(lucheng2-1000*m2)/100,cm2=(lucheng2-1000*m2-100*dm2)/10,mm2=lucheng2-1000*m2-100*dm2-10*cm2if(Count3=4000) /定时一秒 /lucheng1=Count2*2200/1580;lucheng2=Count1*2200/

24、1580;Count3=0;Count1=0,Count2=0;/路程计算4.2.4 键盘显示模块键盘显示用处理器的SPI模块实现，设置键盘显示为从机。具体初始化详见程序清单4.6所示。程序清单 4.6 键盘显示void Send_1data(uint Data) /595串行送数据uchar count,data_c;for(count=0;count<8;count+)if(Data&0x80)data_c=1;else data_c=0;PIN_DATA=data_c;PIN_CP=1;PIN_CP=0;Data<<=1;void STR_TURN() /开关锁

25、PIN_STR=1;PIN_STR=0;for(i=0;i<8;i+) /将待显示的数据送到595串行板上显示Send_1data(numnumberi);Send_1data(weii);STR_TURN();4.2.5 按键模块按键模块处理流程图如图4.2所示。将预备发送显示的整数的每一位依次存放于一个数组单元发送时间是否到达等待发送时间将存储好的数据发送到键盘显示板上显示查询等待按键按下是否有键按下修改相关程序或数据信息执行程序NYYYN图 4.2 按键处理程序流程图把M0的P3.5引脚设置为GPIOI功能，设置为输入，进行扫描键盘。使用变量i作为位码设置变量，由0至7依次循环，例

26、如当按下5号键的时候，当i变成5的时候，会在5号线上出现低电平，p3.5上出现低电平，当M0上边检测到低电平的时候，将变量i的值赋值给按键号标志变量whichkeydown,当按键松开后，对whichkeydown的值进行处理，也就是相当于对按键的事件进行了处理，处理完成后，将whichkeydown的值赋值为8，说明没有按键按下。按键要定时检测按键是否按键，实时处理即可。这里使用的是前面设置的16位定时器0的定时2.5ms进行检测。其具体详见程序清单4.7.程序清单 4.7按键检测void Key_Proc(void)uint32 key;if(有按键) /有按键DelayNS(30); /

27、延时去抖if(按键有效0) /按键有效读取按键值 while() /等待释键;switch(key)case按键1:; /按键1处理break;case按键2:; /按键2处理break;case按键3:; /按键3处理break; .4.26 遥控模块 所谓遥控即通过电磁波的远距离传送特点进行工作，由处理器通过对接收装置的管脚的电平的读取从而作出相应工作。 程序清单4.8 遥控接收与控制 #define AD2 P3_5#define BD0 P3_1#define CD3 P3_7#define DD1 P3_3int signalfScan() if (AD2=0&&BD

28、0=0&&CD3=0&&DD1=0)flag=0; if (AD2=1&&BD0=0&&CD3=0&&DD1=0)flag=1; if (AD2=0&&BD0=1&&CD3=0&&DD1=0)flag=2; if (AD2=0&&BD0=0&&CD3=1&&DD1=0)flag=3; if (AD2=0&&BD0=0&&CD3=0&&DD1=1)flag=4; return

29、 flag; while(1) if(flag=0)while(1)motor_run();if(flag=3|flag=1|flag=4|flag=2)break;if (flag=2) while(1)motor_trap();if(flag=3|flag=1|flag=4)break;if (flag=3) while(1)motor_left();if(flag=2|flag=1|flag=4|flag=0)break；if (flag=4)while(1)motor_right(); if(flag=3|flag=1|flag=2|flag=0)break;if (flag=1)wh

30、ile (1)if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=0) motor_run(); /未寻到黑线 直走if (CG1=0&&CG2=1&&CG3=0&&CG4=0)motor_right();if (CG1=1&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=0)motor_right();delay_1ms(100);if (CG1=1&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=0)motor_r

31、ight();delay_1ms(100);if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=1&&CG4=0)motor_left();if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=1)motor_left();delay_1ms(100);if (CG1=0&&CG2=0&&CG3=0&&CG4=1)motor_left();delay_1ms(100);if (CG1=0&&CG2=1&&CG3=1&

32、&CG4=0)motor_run();if(flag=3|flag=2|flag=4)break；第5章 系统调试分析5.1 系统设计中的注意事项5.1.1 外部因素外部因素主要有环境光线、赛道材质等因素。以采用光电寻迹方案的智能车为例，如果接收的信号中有很多噪声成分，或者黑白区分不清晰，就很难识别路线，从而对后续的控制过程造成很大影响。因此，合理的传感器离地间隙和反射角度、较好的滤波电路设计都是需要考虑的。5.1.2 内部因素(1) 重量因素 整车质量的增加，对系统动力性有较大影响。因此，除了智能车工作必须的电路之外，应尽可能减少车重。即使是必备部件，可应该采用轻量化的设计。比如为了

33、测量模型车的速度，需要在驱动轮上加装转速传感器，一般购买的电机编码器重量都较大，有的队伍就利用鼠标上的光电电路设计制作了一个轻量化的转速传感器，从而大大减小了重量。 (2) 过度转向的避免 由于是后轮驱动，在弯曲的路线上加速可能会出现过度转向现象，因此在车辆弯道行驶时需要小心控制车辆的转向速度。(3) 传感器的影响刚开始的时候，我的传感器装的比较高，这样就不能很好的感应到路线，以至于出现乱跑的现象。如果在以后的设计中需要的话，可以采用激光传感器进行探测，这样就会更精准的寻迹。5.2 硬软件总体调试硬件、软件独立调试都有效果之后，下一步就是硬软件总体调试了，在硬软件总体调试之前，应现把各个跳线接后，然后在用贴有黑胶带的白纸来回在红外线发射接收管左右移动，看小车的电机转速是否