智能小车(单片机格式)循迹 遥控 避障

1、西安科技大学自动寻迹及避障小车学院： 电气与控制工程学院 专业： 测控技术与仪器 学生： 潘富强 袁鑫 朱明 指导老师：侯媛彬 陈毅静 王建摘 要单片机应用技术飞速发展，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。单片机是集CPU，RAM，ROM ，定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。本文是基于单片机的智能小车设计，通过红外遥控、躲避障碍物功能，寻迹功能和测速功能来诠释智能小车的冰山一角，向大家展示智

2、能小车的强大功能。关键词：单片机，智能小车，红外遥控，躲避障碍物，寻迹，测速。AbstractSCM application technology is developing rapidly from the missile's navigation devices, to the aircraft instrument control, computer network communications and data transmission, industrial automation process real-time control and data processing, a

3、s well as the widely used in a variety of intelligent life IC card, electronic pets, which are inseparable from the microcontroller. SCM is a set of the CPU, RAM, ROM, timing, counting and a variety of interfaces in one of the microcontroller. Its small size, low cost, functional, widely used in sma

4、rt industries and industrial automation.Microcontroller-based intelligent car design, infrared remote control, to avoid obstacles feature, look for the trace function and speed function to interpret the tip of the iceberg of the smart car, to show a strong function of the smart car.Keywords: microco

5、ntroller, smart car, infrared remote control to avoid obstacles, tracing velocimetry.40目录第1章 绪论31.1 智能小车成果31.2 智能小车发展31.3 本次智能小车设计3第2章 智能小车设计及器件介绍52.1 设计思路52.2 器件介绍62.2.1 主芯片STC89C5262.2.2 马达控制驱动芯片L911072.2.3 MAX23282.2.4 OPTC光断续器82.2.5 液晶显示LM016L8第3章 单元模块设计103.1 红外遥控及避障模块设计103.1.1 功能103.1.2 电路结构103

6、.1.3 程序流程图103.1.4 实现效果123.2 寻迹模块设计123.2.1 功能123.2.2 电路结构123.2.3 程序流程图133.2.4 实现效果133.3 测速模块设计143.3.1 功能143.3.2 电路设计143.3.3 程序流程图153.3.4 实现功能15小车附加功能16设计总结17参考文献18附录一 红外遥控及避障编程19附录二 寻迹编程27附录三 测速编程30附录四 元件清单38附录五 实物图39第1章 绪论1.1 智能小车成果 系统运用多重传感器与控制器良好的结合，系统可分为传感器检测部分，智能控制部分和电源模块。传感器部分为红外循迹模块。智能控制部分包括四个

7、主要单元模块：单片机控制模块、电机驱动模块、显示模块、信号传输模块。该系统的独特之处在于没有人的操作与干预下可以智能的完成多项任务，比如小车的直线行驶，寻迹，避障，测速等各项任务。1.2 智能小车发展 智能小车的发展主要是在自动化控制领域，一些高校为了培养学生动手及编程能力，同时提高学生的兴趣，为智能小车控制领域提供了环境。同时一些比较大型的比赛，如全国电子设计大赛开始采用这类的题目，虽然都是用小车，但是控制方式都是不一样。智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨科学的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。智能作为现代社会

8、的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运行，可运用于科学勘探等用途，无需人为的管理，便可以完成预期所要达到的或更高的目标。智能机器人正在代替人们完成这些任务，凡不宜有人直接承担的任务，均可由智能机器人代替，可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段，人类无法介入等特殊情况下的任务，智能小车就是其中的一个体现。智能车辆又称为轮式移动机器人，是移动机器人的一种，是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合体统。如果将以上技术引用到现实生活中，可以使我们的未来生活变得更加智能。除了潜在的军用价值外，还可以应用于科学研究、地质勘探、危

9、险搜索、智能救援等，其在交通运输中的应用前景也受到西方国家的普遍关注。1.3 本次智能小车设计 智能寻迹机器人采用现在较为流行的8 位单片机作为系统大脑。以8051系列家族中的STC89C51/STC89C52 为主芯片。40 脚的DIP 封装使它拥有32 个完全I/O(GPIO通用输入输出)端口，通过对这些端口加以信号输入电路，控制电路，执行电路共同完成寻迹机器人。P0.0，P0.1，P0.2，P0.3 分别通过LG9110电机驱动来驱动电机1 和电机2。由电机的正转与反转来完成机器人的前进，后退，左转，右转，遇障碍物绕行等基本动作。在机器人前进时如果前方有障碍物，由红外发射管发射的红外信号

10、被反射给红外接收管，红外接收管将此信号经过P3.7 传送入STC89C52 中，主芯片通过内部的代码进行机器人的绕障碍物操作，同时主芯片将P3.7 的信号状态通过P2.5 的LED 指示灯显示出来。机器人行走时会通过P3.5 与P3.6 的红外接收探头来进行检测路面情况，实现小车自动寻迹功能。P0.4 为机器人的声控检测端口，在运行为前进状态时，可以能过声控(如拍手声)来控制它的运行与停止。P0.6 为机器人的声音输出端。在机器人遇到障碍物时可以通过此端口控制蜂鸣器发出报警声。当为白天或黑夜时可以通过P0.5端口中的光敏电阻来进行判断，以方便完成机器人夜间自动照明等功能。两个按键以查询/中断两

11、种不同的方式来展现按键操作。你可以按下S1 键来进行机器的停止。再按下S2 键来进行机器人的运行。这个按键的信息分别被P3.2，P3.4接收到。IR1 为红外遥控接收器，这就为机器人进行远程遥控创造了可能。这个红外遥控接收头接收到红外信号时将信号经过P3.3 送入到主芯片，主芯片对其进行解密后以不同的方式对机器人进行控制。同时将使用者的按键信息通过P2 端口上LED 数码管显示出来。 第2章 智能小车设计及器件介绍2.1 设计思路本次设计主要实现小车的自动寻迹,红外遥控、躲避障碍物及测速功能，由红外发射管发射红外信号被红外接收管反射接收，红外接管将此信号经过数据线传送入STC89C52 中，主

12、芯片通过内部的代码进行机器人的功能操作，同时主芯片将接收的信号状态通过数据线由LED指示灯或数码管显示出来。在测速模块中，由另一块STC89C52为控制核心，采用光电断续器检测车轮运转情况，通过计算处理后，由LM16L液晶屏显示速度。单片机红外发射管红外接收管LG9110驱动芯片数码管显示LED指示灯显示驱动电机M1M2晶振电路复位电路图1 红外遥控、避障模块，寻迹模块硬件设计图单片机光电断续器LM16L液晶显示屏晶振电路复位电路图2 测速模块硬件设计图2.2 器件介绍2.2.1 主芯片STC89C52STC89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能COMS8位单片机，片内含4Kbyt

13、es的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机为我们提供许多较复杂系统控制应用场合。STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。2.2.2 马达控制驱动芯片L9110L9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC 之中，使外围器

14、件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过800mA 的持续电流，峰值电流能力可达1.5A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、脉冲电磁阀门驱动，步进电机驱动和开关功率管等电路上。2.2.3 MAX232max232是一种把 电脑的串行口rs232信号电平（-10 ，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0 ，+5）

15、的芯片。RS232引脚定义：1 载波测       DCD2 接收据       RXD3 发送据       TXD4 数据终端准备端 DTR5 信号地       SG6 数据准备端     DSR 7 请求发送    

16、60; RTS8 清除发送      CTS9 振铃提示      RI 2.2.4 OPTC光断续器光断续器都是用来检测物体的靠近、通过等状态。其发射、接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，所以两者能可靠对准。可分为遮断式和反射式两种，遮断式的槽宽，深度及光敏元件各不同，反射式的检测距离较短，多用于安装空间较小的场合。由于检测范围小，光电断续器的发光二极管可用直流电驱动，红外LED的正向压降约1.2到1.5V，驱动电流控制在几十毫安。光电断续器是较便宜，简单，可靠的

17、光电器件，广泛用于自动控制系统，机电一体化设备，办公设备和家用电器中。本设计采用遮断式光电断续器，将其输出端口与单片机的P3.2口相连接，用于向单片机提供一定频率的脉冲。 2.2.5 液晶显示LM016LLM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。I

18、R用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDRAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种。可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM但愿，LM016L液晶模块的引脚功能如下表所示图3 LM016L功能引脚图在本设计中，我

19、们将LCD的D0D7口分别与单片机的p1.0p1.7口相连接，因p1口是一个准双向口，可用作通用I/O口。内部有上拉电阻与电源相连。实际上，电阻是两个场效应管（FET）并在一起：一个FET为负载管，其电阻固定。另一个FET可工作在导通或者截止状态，使其总阻值变化近似为0或阻值很大的两种情况。当阻值近似为0时，可将引脚快速拉致高电平；当阻值很大时，P1口为高阻输入状态。当p1口输出高电平时，能向外提供电流负载，所以不必再接上拉电阻。第3章 单元模块设计3.1 红外遥控及躲避障碍物模块设计3.1.1 功能小车在完成自动躲避障碍物动作外，还可以通过红外遥控器进行远程遥控。在正常的运行过程中，还可以通

20、过声控(拍手声)来对小车进行控制，每一种控制小车都会完成相应的功能。为了更清晰的看到小车运行过程状态，特将P1 端口中的8 个指示灯作为运行状态指示灯。以用来观察小车运行中的每一步。3.1.2 电路结构3.1.3 程序流程图 左转180度车后退，蜂鸣器报警遥控按1小车前进，数码管显示1停止前方是否有障碍是否声控是否声控是否红外遥控遥控按2小车后退，数码管显示2遥控按3小车左转，数码管显示3遥控按4小车后退，数码管显示4按下电源电，小车停止，数码管显示5系统初始化前进状态开始判断S2是否按下判断S1是否按下小车停止数码管显示3小车前进，数码管显示13.1.4 实现效果将小车置于一个桌面上。打开电

21、源的开关，小车开始前进运行，同时运行指示灯闪亮，这时如果前方有障碍物，小车将会先进行后退一段时间，并有蜂鸣器报警，再向左转一段时间，最后开始向前运行、左转、后退、右转、可以通过前方指示灯来观察。这时可以能过声控(如拍手声)来让小车停止和开启.同时也可以用遥控来控制小车的运行。按“1”，小车将向前运行，按“2”小车将后退，按“3”小车将左转,按“4”小车将右转.按其它(0-9)键，小车数管码显示相应的数字符号。按电源键，小车将会停止运行当然S1、S2 也是起作用，分别用于控制小车的停止和开启。3.2 寻迹模块设计3.2.1 功能通过前方下端的四个红外探头来检测地面的信号,根据设计的要求,当道路为

22、白色时，红外接收到信号，与地面检测的红外相应端口低电平,当道路为黑色时，与地面检测的红外相应端口为高电平,我们就可以根据这和判断条件来进行道路黑白线的寻找。 3.2.2 电路结构3.2.3 程序流程图开始系统初始化小车前进，数码管显示“1”左、右转选择小车左转，数码管显示“3”，前端左边灯亮，蜂鸣器报警小车右转，数码管显示“4”，前端左边灯亮，蜂鸣器报警左边是否越界右边是否越界 3.2.4 实现效果 进行走黑线功能。 3.3 测速模块设计3.3.1 功能通过光断续器对外部物理量（通光与遮光）进行测量，再将物理信号转换为电压信号（脉冲电压），输入单片机，单片机对所输入的电压信号，在汇编程序的控制

23、之下，进行处理、计算、储存，最后通过LCD输出显示速度、里程的信息。3.3.2 电路设计3.3.3 程序流程图开始初始化OPTC光电断续器数据转换数据算法处理LCD显示3.3.4 实现功能 对小车速度进行检测。小车附加功能1 按键查询中断：通过两个按键对数码管进行操作,分别演示了查询与中断的操作方式,中断中应用了对按键进行查询的方法来判断按键的键值,查询按键方法中则采用了键盘延迟的方法来消除按键重复输入。通过这两种方法的学习,让其理解中断的应用技巧，及对查询方法的理解。2 程序状态指示灯：通过闪灯不断的闪动,及闪灯闪动的快慢来表示程序不同工作状态.它也是常数字设备中进行状态表示的方法之一。3

24、光敏电阻：述了光敏电阻的使用方法。当处于光暗时,光敏电阻导通,将信号传入到单片机,单片机将控制蜂鸣器按一定的频率响亮,并且前方的指示灯也开始闪亮。通过对光敏电阻信号的接收,从而实现了夜间自动照明的功能。4 红外反射：通过前端,底端的红外发射头和接收头来判断小车的运行轨迹,当前与底端发生信号输入时,信号将被单片机接收,单片机来控制机器按照写好的程序开始运行。同时为达到好的效果,加入声音识别与蜂鸣器输入输出设备，使得此机人的运动变得更加有趣。5 话筒识别：通过话筒对声音信号进行识别,由于本电路有效的去除杂波,所以仅能对响度较大的声音进行识别(例:拍手声)。像正常的说话声对本电路虑除,不会产生信息的

25、输入.话筒识别的加入,为我们建立了声控平台。6 流水灯演示：程序全面的表现了子程序的用法,它从对几个子程序的操作,显示不同的流灯技术,流水灯的不同需要不同的表现的形式,而这里主要介绍了移位操作和内部数据存储及读入操作。延时函数采用可重入标志,可进行函数的递归调用。7 数码管演示：通过对端口的置数操作,展示了数码管的应用技术,数码管是将发光二 极管通过一定的形式封装在一个数字的外壳中,可以通过不同的点亮方式来显不同的数字符号。8 数码管与跑马灯：将数码管及跑马灯放在一起显示,它主要说明了,如何将在单系 中运行多个看似并行运行的子系统.本程序在此将跑马灯子程序放入到一个头文件中,对于一个大的工程这

26、样将有益于程序文件的管理。设计总结通过这次智能小车制作，把理论知识与实际动手相结合，更加深刻学习了单片机知识。在制作之前，参考了一些相关的资料。在制作过程中参考了所学单片机的知识及单片机应用设计举例，有了设计系统的基本框架，加之在网上找到的一些相关资料最终制作出了智能小车。在实际动手过程中遇到了许多问题，例如各芯片的引脚连接及实现功能，电路各模块的意义，和在焊接过程中出现的错误查找等等。有问题就要解决，通过查找资料，我们对电路的设计，芯片的学习都有了更深入的学习了解。在原先设计中通过4节五号电池供电，但由于电池消耗过快，我们想过多种供电方法，例如使用直流电源，使用USB接口为系统供电，但由于技

27、术能力不足，只有继续使用电池供电。在实现小车寻迹功能时多次出现差错，通过调整红外发射头和红外接收头的位置，和软件中的调整延时，使小车寻迹功能更加精准稳定。在设计过程中学会熟练运用多种软件，如Keil uVision2，STC_ISP_V479等，并且发现许多有趣并有用的小软件如电阻色环的识别，数码管段码查询软件等。本次设计还有许多的不足之处，比如说小车的设计电路中多出了一些多余的模块，使电力耗费更多。另外就是对速度控制方面不是很全面，在对小车测度模块中，由于小车匀速行驶，所以只能测量得到的值不变，且由于知识能力善不足我们现在无法对小车进行速度控制，这激励着我们再今后的学习中更加认真，争取早日解

28、决问题。总之，通过这次智能小车的设计，我们都受益匪浅，不仅培养了我们的设计思维，增加了动手实践能力，更重要的是我们学会了团结合作，在制作过程中一起发现问题，一起解决问题，在制作中献言献策，积极发挥着个人的聪明与才智。共同体会制作过程的努力和成功后的喜悦。在这里，我们也要对陈毅静老师，侯媛彬老师，王建老师说一声真诚的感谢。谢谢老师对我们的小车制作提出宝贵的建议。此外，感谢同学们对我们的帮助。另外，还要感谢学校能安排这次单片机竞赛，为我们提供了良好的平台。参考文献【1】 柴钰 单片机原理及应用 西安：西安电子科技大学出版社 2009.2【2】 张振荣，晋明武 MSC-51系列单片机原理及实用技术

29、人民邮电出版社 2000.6【3】 赵燕 传感器原理及应用 北京：北京大学出版社 2010.2【4】 谭浩强 C程序设计(第二版)M 北京，清华大学出版社 1999.【5】 周润景，张丽娜 基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真M 北京,北京航空航天大学出版社 2006.【6】 徐爱钧，彭秀华 Keil Cx51 V7.0 单片机高级语言编程与uVision2应用实践M 北京,电子工业出版社 2004.6【7】 马达控制驱动芯片L9110 【8】 max232中文资料及应用 附录一 红外遥控及躲避障碍物编程#include <reg52.h> /包含51单片机相关的头文件#

30、define uint unsigned int /重定义无符号整数类型#define uchar unsigned char /重定义无符号字符类型uchar code LedShowData=0x03,0x9F,0x25,0x0D,0x99, /定义数码管显示数据 0x49,0x41,0x1F,0x01,0x19;/0,1,2,3,4,5,6,7,8,9uchar code RecvData=0x07,0x0A,0x1B,0x1F,0x0C,0x0D,0x0E,0x00,0x0F,0x19;uchar IRCOM7; /接收数据缓冲区static unsigned int LedFlash

31、; /定义闪动频率计数变量unsigned char RunFlag=0; /定义运行标志位bit EnableLight=0; /定义指示灯使能位/*完成基本数据变量定义*/sbit S1State=P10; /定义S1状态标志位sbit S2State=P11; /定义S2状态标志位sbit B1State=P12; /定义B1状态标志位sbit IRState=P13; /定义IR状态标志位sbit RunStopState=P14; /定义运行停止标志位sbit FontIRState=P15; /定义FontIR状态标志位sbit LeftIRState=P16; /定义LeftIR

32、状态标志位sbit RightIRState=P17; /定义RightIRState状态标志位/*完成状态指示灯定义*/sbit S1=P32; /定义S1按键端口sbit S2=P34; /定义S2按键端口/*完成按键端口的定义*/ sbit LeftLed=P20; /定义前方左侧指示灯端口sbit RightLed=P07; /定义前方右侧指示灯端口/*完成前方指示灯端口定义*/sbit LeftIR=P35; /定义前方左侧红外探头sbit RightIR=P36; /定义前主右侧红外探头sbit FontIR=P37; /定义正前方红外探头/*完成红外探头端口定义*/sbit M1

33、A=P00; /定义电机1正向端口sbit M1B=P01; /定义电机1反向端口sbit M2A=P02; /定义电机2正向端口sbit M2B=P03; /定义电机2反向端口/*完成电机端口定义*/sbit B1=P04; /定义话筒传感器端口sbit RL1=P05; /定义光敏电阻端口sbit SB1=P06; /定义蜂鸣端口/*完成话筒,光敏电阻,蜂鸣器.端口定义*/sbit IRIN=P33; /定义红外接收端口/*完成红外接收端口的定义*/#define ShowPort P2 /定义数码管显示端口extern void ControlCar(uchar CarType); /声

34、明小车控制子程序void delay(unsigned char x) /0.14mS延时程序 unsigned char i; /定义临时变量 while(x-) /延时时间循环 for (i = 0; i<13; i+) /14mS延时 void Delay() /定义延时子程序 uint DelayTime=33000; /定义延时时间变量 while(DelayTime-); /开始进行延时循环 return; /子程序返回void ControlCar(uchar CarType) /定义小车控制子程序 M1A=0; /将电机1正向电平置低 M1B=0; /将电机1反向电平置低

35、 M2A=0; /将电机2正向电平置低 M2B=0; /将电机2反向电平置低 LeftLed=1; /关闭前方左侧指示灯 RightLed=1; /关闭前方右侧指示灯 Delay(); /将此状态延时一段时间 switch(CarType) /判断小车控制指令类型 case 1: /前进 /判断是否是前进 M1A=1; /将电机1正向端口置高 M2A=1; /将电机2正向端口置高 ShowPort=LedShowData1; /数码管显示前进状态 break; /退出判断 case 2: /后退 /判断是否是后退 M1B=1; /将电机1反向端口置高 M2B=1; /将电机2反向端口置高 Sh

36、owPort=LedShowData2; /数码管显示后退状态 RightLed=0; /将前方右侧指示灯置低(亮) LeftLed=0; /将前方左侧指示灯置低(亮) break; /退出判断 case 3: /左转 /判断是否是左转 M1B=1; /将电机1反向端口置高 M2A=1; /将电机2正向端口置高 ShowPort=LedShowData3; /数码管显示左转状态 LeftLed=0; /将前方左侧指示灯置低(亮) break; /退出判断 case 4: /右转 /判断是否是右转 M1A=1; /将电机1正向端口置高 M2B=1; /将电机2反向端口置高 ShowPort=Le

37、dShowData4; /数码管显示右转状态 RightLed=0; /将前方右侧指示灯置低(亮) break; /退出判断 default: /默认情况下的判断 break; /直接退出判断 void IR_IN() interrupt 2 using 0 /定义INT2外部中断函数 unsigned char j,k,N=0; /定义临时接收变量 EX1 = 0; /关闭外部中断,防止再有信号到达 delay(15); /延时时间，进行红外消抖 if (IRIN=1) /判断红外信号是否消失 EX1 =1; /外部中断开 return; /返回 while (!IRIN) /等IR变为高电平，跳过9ms的前导低电平信号。 delay(1); /延时等待 for (j=0;j<4;j+) /采集红外遥控器数据 for (k=0;k<8;k+) /分次采集8位数据 while (IRIN) /等 IR 变为低电平，跳过4.5ms的前导高电平信号。 delay(1); /延时等待 while (!IR