KC13010202-b34-教学案例：单片机控制的智能电动小车的设计.

1、物联网应用技术专业教学资源库文档文档来源院校开发文档编号智能小车简介2016 年4月25日1 绪论 . 31.1 引言 . 32 方案设计与论证 . 42.8 电动机驱动模块 83 硬件电路设计 . 93.1 AT89C51 单片机硬件结构 93.2 探测轨迹电路 . 133.3 检测金属片电路 143.4 检测障碍物电路 153.5 检测光源电路 . 193.6 显示电路 . 203.7 测量里程电路 . 213.8 电动机驱动电路 224 软件设计 . 244.1 程序设计 . 244.2 主程序设计 . 254.3 探测金属程序设计 294.4 测量里程程序设计 304.5 躲避障碍物子

2、程序设计 314.6 部分模块仿真 . 331 绪论1.1 引言智能作为现代的新发明， 是以后的发展方向， 它可以按照预先设定的模式在一个 环境里自动的运作， 不需要人为的管理， 可应用于科学勘探等用途。 智能电动小车就 是其中的一个体现。 设计者可以通过软件编程实现它的行进、 绕障、停止的精确控制 以及检测数据的存储、 显示，无需人工干预。 因此，智能电动小车具有再编程的特性， 是机器人的一种。根据本设计的要求，确定如下方案：以AT89C5仲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、探测预埋

3、金属铁片、躲避障碍物、测量里程等 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控制。这种方案能实现对电动小车的运动状态进行实时控制， 控制灵活、可靠，精度高， 可满足系统的各项要求。本设计采用了比较先进的 AT89C5伪控制核心，功耗很低。该设计具有实际意义， 可以应用于考古、 机器人、娱乐等许多方面。 尤其是在足球机器人研究方面具有很好 的发展前景； 在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。 所以本设计与实际相结 合，现实意义很强1.2 课题来源随着计算机、 微电子、信息技术的快速进步， 智能化技术的开发速度越来越快 , 智能度越来越高

4、, 应用范围也得到了极大的扩展。 在海洋开发、 宇宙探测、工农业生 产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。智能电动小车系统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。 主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成 2 。同时，当今机器人技术 发展的如火如荼，其应用在国防等众多领域得到广泛开展。神五、神六升天、无人飞 船等等无不得益于机器人技术的迅速发展。 一些发达国家已把机器人制作比赛作为创 新教育的战略性手段。如日本每年都要举行诸如“ NHK杯大学生机器人大赛”、“全日 本机器人相扑大会”、“机器人足球赛” 等各种类型的机器人制作比赛，

5、 参加者多数为 学生，目的在于通过大赛全面培养学生的动手能力、 创造能力、合作能力和进取精神， 同时也普及智能机器人的知识。从某种意义上来说 , 机器人技术反映了一个国家综合 技术实力的高低 , 而智能电动小车是机器人的雏形 ,它的控制系统的研制将有助于推 动智能机器人控制系统的发展，同时为智能机器人的研制提供更有利的手段。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。 全国电子竞赛 和省内电子竞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。 本设计是结合科研项目而确定的设计类课题。 设计的 智能电动小车能够实现在行驶中自动寻迹、

6、 探测预埋金属铁片、 躲避障碍物、 测量距 离、实时显示时间，最后在光源的引导下到达目的地，停车。1.3 国内外现状在国内外， 智能化系统主要采用单片机作为控制核心。 因此，单片机的发展将有 助于智能化技术的开发。在本设计中,采用比较先进的AT89C5仲片机为控制核心， 它的功耗很低。单片机技术发展至今， 掌握最先进技术的仍然是国外的几大公司。 如 Intel 公司 发展的 MCS-5係列的新一代产品，如 8x C152 80C51FA/FB 80C51GA/GB8x C451、 8 x C452,还包括了 Philips、Siemens、ADM Fujutsu、OKI、Harria-Metr

7、a、ATMEL 等公司以80C51为核心推出的大量各具特色、与 80C51兼容的单片机。新一代的单片 机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展， 以实现 Microcomputer 完善的控制功 能为己任，可连接一些外部接口功能单元如A/D、PWMPCA可编程计数器阵列）、WDT监视定时器）、高速I/O 口、计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总 线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线， 为单片机应用系统设计提 供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8x C592单片机引 入了具有较强功能的设备间网络系统总线 -CAN（Controller A

8、rea Network BUS） 。2 方案设计与论证2.1 总体方案论证与比较方案一、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、 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、 探测预埋金属铁片、 躲避障碍物、 测量里程等问题。 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 3 。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； 电感式接近开关电路代替金属传感器探测预埋在轨 道下

9、的金属铁片， 并发出声光信息进行提示； 通过霍尔元件测量小车行驶里程； 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。此方案的基 本原理如图 2.1 所示。图2.1智能车运行基本原理图框图方案二、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， 检测金属信号，避障信号，寻找光源信号分 部进行处理。但对输入输出都是

10、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。比较以上两种方案的优缺点，方案一简洁、灵活、可扩展性好，能达到设计要求, 因此本设计采用方案一来实现。2.2探测轨迹模块在本设计中，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

11、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、米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

12、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，也比较可靠。所以本设计采用方案三。2.3 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

13、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

14、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 5 。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。2.4 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； 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

15、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。 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

16、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。2.5 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。 利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路， 检测光源。 光敏电

17、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【7】。综合考虑到上述方案的优缺点，本设计采用方案二。2.6 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 09的数字和一些简单的字符，

18、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【8】。因此，本设计采用方案二。2.7 测量里程模块方案一、通过测试得出小车平均速度 V，在行驶过程中将行驶时间与其乘积 t*v 作为驶过的里程。 但该方案受电池电量、

19、 路面介质等因素的影响， 在大多数情况下均 暴露出误差较大的缺点。故不予采用。方案二、采用开关式霍尔元件。在车轮上安装小磁钢，将霍尔开关器件安装在固定轴上。当车轮转动时 , 磁钢也 跟着转动,霍尔元件感应到磁场的变化时 ,就会产生通断效果 , 使单片机的输入端产生 高低电平的变化，从而使其计数小车车轮转的圈数，假设为N,并设车轮的周长为L,通 过S=N*L,就可以计算出小车在一段时间内的里程。霍尔元件由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展， 被广泛用于电流、 磁场、位 移、压力等物理量的测量。同时，霍尔元件具有体积小，频率响应宽度大，动态特性 好，抗干扰能力强，对外围电路要求简单，使用寿命长，价

20、格低廉等特点，安装也较 为方便【 7】。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。方案三、采用透射式光电开关。在齿轮箱中安装透射式光电开关， 测出变速齿轮的每秒转速， 用变速比和车轮周 长计算出线速度， 积分求行驶里程。 但在齿轮箱中使用光电开关， 要求有足够的安装 位置，不能影响传动机构的机械动作。通过比较上述方案的优缺点，综合多方面因素决定选用方案二。2.8 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

21、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【 1】。方案三、采用H型脉冲宽度调制（PWM全桥式驱动电路。通过PWN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。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，

22、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 9。综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。83 硬件电路设计单片机(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、体系上不断扩展其控制功能， 国际上已经采用 MC(UMicroControllerUnit )

23、 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【 10】。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 ROM RAM I/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，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是 系统配置，

24、 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/D、 D/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。在本系统中，AT89C51单片机的P1 口用于LCD1602显示，P2.0、P2.1 口用于电 动机的PW驱动控制，P0.3、P0.4 口用于探测轨迹，P0.5 口用于探测障碍物，P0.0、 P0.1 口用于寻找光源。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

25、片， P3.3 外部中断 1 用于计数脉冲，从而达到测量里程的目的。3.1 AT89C51 单片机硬件结构AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMO单片机，片内有一个4KB的 FLASH可 编程可擦除只读存储器(FPEROFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)，它采用了 CMO工艺和ATMEI公司的高密度非易失性存储器技术，而 且其输出引脚和指令系统都与 MS51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

26、活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于 各种控制领域 11 。3.1.1 主要特性(1) 与MCS-51产品指令系统兼容(2) 4K 字节可编程闪烁存储器(3) 寿命：1000写/擦循环(4) 数据保留时间： 10年(5) 全静态工作： 0Hz-24Hz(6) 三级程序存储器锁定(7) 128*8 位内部 RAM(8) 32 可编程 I/O 线(9) 两个 16位定时器 / 计数器(10) 6 个中断源(11) 可编程串行通道(12) 低功耗的闲置和掉电模式(13) 片内振荡器和时钟电路另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到零并提供两种 软件的省电方式-空闲方式和掉电方

27、式。在空闲方式中，CPU停止工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作， 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VCC(40):供电电压，其工作电压为 5V。GND( 20)：接地。P0端口( 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端口( P1

28、.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，被内部上拉为高电平，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端口( 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

29、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端口( P3.0-P3.7): P3 口管脚是一个带有内部上拉电阻的 8位的双向I/O端 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。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流(ILL )。P3 口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表 3.1所示。表 3.1 P3 端口引

30、脚兼用功能表端口引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2_NT0外中断0）P3.3inTH外中断1）P3.4T0 （定时/计数0）P3.5T1（定时/计数1）P3.6W_R_外部数据存储器写选通）P3.7rD外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。复位RST（9）:复位输入。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期） 以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P3.0-P3.7 口均置1,引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功 能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变

31、为低电平时，芯片为ROM勺00H处开始 运行程序。复位操作不会对内部 RAMt所影响。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FLASHS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 MOV，MOVC旨令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部 执行状态ALE禁止，置位无效。PS

32、EN（29）:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间， 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 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):来自反向振荡器的输出。其引脚图如图 3.1所示。19J-XTAL1POM

33、ADCl PD.1JAD 1阳肿毋 PD.諏 D* pH閔mP0J5WD6PD.TWDT39 3?ItXTAL236r2£33RST无P2JJW3P22W.1DPZ3WVMP2.MM2P2JA1521P&EN"ALE 应22262T23P1JP1 1PdJWfDP3.1/TXDP33FHTP3.</raP3£/T1PjSIAJR-F*3,7/RD"1D11u > 1 P121213r 1心P14 PISP1J6 P1.7141515vFU129 _1AWC51图3.1 AT89C51引脚图3.1.3振荡器特性XTAL1和XTAL2分别

34、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。3.1.2芯片擦除整个PERO阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“T且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种 软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU亭止工作。但R

35、AM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM勺内容并且冻结振荡器，禁止所用 其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.5 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、电容，如需要按键复位，加上按键即可组成一个 最小系统，按要求通电后，系统就可以工作了。U1>XTAL1XTA12RSTPnBflA.00PD.1AD1 PD2RD2PCI 朋 D3 PELMMHPD£.D6PQ7ADT-3 FC1IPSEN ALE eJTPW33 PZ1卿 P221D

36、P2JW11 P2.i12 P2SWD P2J&M14P2T15AJ30K3&35孔甜322122R24K2S2T23pidP1.1 pi5P13 Pl 4P1J5P1£PI?MVTXDpj.anrniP331fSYTP3AT0P5HJ_P3J6WWFP3.TJRD"图3.2 AT89C51最小系统3.2探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3.4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

37、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

38、低电平4。图3.3轨迹探测电路图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，

39、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。3.3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一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

40、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。3.4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、

41、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12。（1）超声发射电路

42、超声发射电路由时基电路555组成，555振荡电路的频率可以调整，调节电位器 RP1可以将接受超声传感器的输出电压调至最大，通常可调至40kHz。电路如图3.6所示。R3 i 卜$.1kQC1口 XllpFR1/ 'XIRP1IkQ图3.6超声波发射电路该电路用到时基电路LM555 LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、 输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。其各个引脚的功能如下：6脚为阀值端（TH）,是上比较器的输入。2脚为触发端 （TR），是下比较器的输入。3脚为输出端（OUT，有0和1两种状态，它的状态由 输入端所加的电平决定。7脚为放电端（DIS），是内部

43、放电管的输出，它有悬空和接 地两种状态，也是由输入端的状态决定。4脚为复位端（R）,叫上低电平（ 0.3V ）时可使输出端为低电平。5脚为控制电压端（CV ），可以用它来改变上下触发电平值。 8脚为电源（VCC, 1脚为地（GND。一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的 R-S触发器。这个特殊的触发 器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端R，高电平有效；触发端（TR可看 成是置位端S,低电平有效。它只有一个输出端 OUT OUT可等效成触发器的Q端。 放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制：反Q=1时DIS端接地；反Q=0时DIS端悬空。

44、此外这个触发器还有复位端 R， 控制电压端CV电源端VCC和接地端GND图3.7是等效的触发器和它的功能真值表。16THTRVCCQOUTRTHTrOUTDIS110接地101Q N保持DIS*01开路0*0接地37CVGND图3.7等效的触发器和它的功能真值表这个特殊的R-S触发器工作原理： 两个输入端的触发电平要求一高一低：置零端 R即阀值端TH要求高电平，而 置位端S即触发端TR则要求低电平。 两个输入端的触发电平，是使它们翻转的阀值电压值也不同，当 CV端不接控 制电压时，对TH ( R)端来讲，大于2/3VCC是高电平1,小于2/3VCC是低电平0； 而对TR (S)端来讲，大于1/

45、3VCC是高电平1,小于1/3VCC是低电平0。如果在控 制端CV加上控制电压VC,这时上触发电平就变成 VC值,而下触发电平则变成1/2VC< 可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。(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。17+12WR6R8XIC2'IR7R95.W1卒D：u別-6-CC10FITOFH+WHO-OPM-ETKM0+ VCR29mair宦U1ja眄FU2：A 二-Ji

46、5ikRCa5.1KQI-I-|. R4-Trp11ri®SdkfiFourv空D3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勺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

47、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，线性度典型值为土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勺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勺内部结构及各引脚功能如图3.9所示，LM2907N勺引脚功能如下： 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

48、体管的发射极（U08脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（UC9脚为正电源端（VCC12脚为接地端（GND6, 7, 13, 14脚未用图3.9 LM2907N原理框图将LM2907N勺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 Q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+俞入电压，它是电阻R （51KQ）上的电压，这个电压和频率 有关的。当Vop+大于Vop-时，比较器输出为“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LM555产生4

49、0KHZ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，使单片机该根据信号控制小车转向， 从而实现避开障 碍物的目的。3.5检测光源电路利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性

50、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7。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。19- +5V12K R1R4 2KOUT6.7K R320#图3.10光源检测电路3.6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所示。单片机的P1 口与LCD1602的连接。L

51、CD1r g 门 r» E CN - 口U1P1T/RDPITPMPinriPISP3.</TOP14PMPlJ/lNTDiP12旧/TXDP1.1POXDPIU陀环"贬环13EfiALEP2.3W.11PSEN陀的P2EWP"聃”RSTPC6.D6PC.05fo mo*P0WD3XTAL2PQ244.D2PD moiPOEPDOXTAH3233訓35363T35苗LUD16LA31F?1291SqpF12UMZ |#图3.11显示电路14脚接口，如图3.12该电路用到2行16个字的DM-162液晶模块，它采用标准的 所示。其中：LCD图3.12 DM-16

52、2液晶模块第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。 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RV、为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 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：DOD7为8位双向数据线。3.7测量里程电路本设计采用霍尔传感器A

53、4EE测量里程。A4EE集成霍尔开关属于开关型的霍尔器 件，其工作电压范围比较宽(4.518V)，其输出的信号符合TTL电平标准。它由稳 压器A、霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B、差分放大器C施密特触发器D和OC门输 出E五个基本部分组成12。如图3.13所示。在输入端输入电压VCC经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，根据霍尔 效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流， 则与这二者相垂 直的方向上将会产生霍尔电势差 HV输出，该HV信号经放大器放大后送至施密特触发 器整形，使其成为方波输送到 OC门输出。当施加的磁场达到工作点时，触发器输出 高电压(相对于地电位)，使三极管

54、导通，此时 OC门输出端输出低电压，通常称这种 状态称为开。当施加的磁场达到释放点时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态称为关。两次电压的变换，霍耳开关就完成了一次开关动作。21图3.13霍尔传感器A4EE的内部结构将霍尔元器件以一定方式装成后，再将霍尔传感器H的1脚和3脚间接2KQ的电阻12，霍尔传感器的使用原理如图3.14所示。在非磁材料的车后轮上粘贴片磁钢 （N、S磁极），将霍尔传感器固定在小磁钢（N、 S磁极）附近，当车轮转动时，磁钢也跟着转动，霍尔元件感应到磁场的变化。若 N极 经过霍尔开关，其输出电压为正，则 S极经过霍尔开关，其输出电压为负；反之，亦 然。

55、所以N极穿过霍尔开关产生正脉冲，S极穿过霍尔开关产生负脉冲。每经过一对 N S极，就出现一个完整的正弦波或一对正、负方波。因此，汽车后轮每转一圈， 霍尔元件产生个脉冲，将其送入单片机进行计数小汽车车轮转的圈数，转一周所产生的正负方波总长度，即是电机的转动周期T。将其送入单片机进行计数，假设为 N,并设车轮的周长为L,通过S=N*L，就可以计算出小车在一段时间内的距离。本设计选 择P3.3 口作为信号的输入端，内部采用外部中断1,车轮每转一圈，霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，从而对脉冲计数。+5V2k Q丫P3.33图3.14霍尔传感器测速电路3.8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3.15所示。9 +12V图3