第八届节操队

1、一、设计要求：设计一辆由程序控制的智能小车，要求小车在活动场上能利用编写的程序，自动走出我们设计的路线，同时能在场地上画出相应的图形二、主控系统2.1主控系统采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。

2、根据这些分析,我选定了STC89C52RA单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。2.2驱动系统用单片机控制使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。是一种广泛采用的 PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N。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，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点

3、。2.3 机械系统本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，可选用三轮和四轮式，考虑到现在的汽车多采用四轮式我选用四轮式的设计，使设计更贴近生活需求。驱动和转向方式和现在的汽车一样。驱动部分：采用玩具小车原有的驱动电机，由L298N双通道马达驱动模块驱动前后两个马达，其力矩完全可以达到模拟效果。电池的安装：将电池放置在车体的下面，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。电源模块：采用11V航模电池给电机供电，再用稳压芯片对电池电压进行降压给单片机。采用一套电源可减少小车的负重。电源模块三、主要器件介绍3.1 STC89C52的介绍该单片机是宏晶公司生产的S

4、TC89C52，其片内带有8K字节闪速可编程、可擦除寿命1000次程序存储器。该产品与工业标准8051中单片机完全兼容，并且还可支持两种软件可选的省电模式，工作时钟最高可达到24MHz。使实时控制、实时处理的功能更加完善，简化了硬件配置。与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz 、三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针、掉电标识符 。STC89C52实物如图4。图4 STC89

5、C52引脚示意图STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用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允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52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。 STC89C52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

6、及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。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。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 FlashP0 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

7、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（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2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），具体如下表所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。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 T2

8、EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在线系统编程用）P1.6 MISO（在线系统编程用）P1.7 SCK（在线系统编程用）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（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（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

9、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，p2 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（IIL）。 P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚 第二功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2

10、INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)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)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉

11、冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH

12、），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。3.2 L298N的介绍L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有

13、两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。3.2.1 L298的引脚功能L298芯片的引脚图如下图5，其引脚功能见表1。 图5 L298引脚图 表1 L298引脚功能表引脚符号 功能1SENSING A 与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号15SENSING B 与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号2OUT1 此脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载3OUT2 此脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载4Vs 电机驱动电源输入端5IN1 输

14、入标准的TTL逻辑电平信号，控制全桥式驱动器A的开关7IN2 输入标准的TTL逻辑电平信号，控制全桥式驱动器A的开关611 8 910121314ENABLE A 使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁 工作。 ENABLE B 使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。GND 接地端，芯片本身的散热片与8脚相通Vss 逻辑控制部分的电源输人端口IN3 输入标准的TTL逻辑电平信号，控制全桥式驱动器B的开关IN4 输入标准的TTL逻辑电平信号，控制全桥式驱动器B的开关OUT3 此脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载OUT4 此脚是全桥

15、式驱动器B的两个输出端，用来连接负载3.2.2 LL298的运行参数见如下表3表2 L198的运行参数参数测试环境最小值最大值驱动电源电压 Vs逻辑电源电压Vss输入低电平电压ViL输入高电平电压ViH使能端低电平电压Ven=L使能端高电平电压Ven=H全桥式驱动电压Vce（sat）持续工作时-IL=1A IL=2A2.5V4.5V0.3V2.3V0.3V2.3V1.8V46V7V1.5VVss1.5VVss4.9V3.2.3 L298的逻辑控制L298的逻辑控制见如下表3。其中C、D分别为IN1、IN2或IN3、IN4；L为低电平，H为高电平，为不管是低电平还是高电平。表3 L298对直流电

16、机控制的逻辑真值表输入输出Ven=HC=H；D=L正转C=L；D=H反转C=D制动Ven=LC=；D=没有输出，电机不工作四、硬件设计4.1总体设计从画画小车的设计要求出发，经过前面的方案论证我决定用原有的玩具小车作为设计模型。再在小车身上加上轨迹识别和马达驱动装置来完成整个功能。智能小车采用后轮驱动，前轮转换方向。循迹红外发射与接收管分别装在车头下的左中右。当车身下左边的传感器检测到超出黑线时，前轮右转，当车身下右边传感器检测到超出黑线时，车轮左转。直到小车完全回到黑线。如果转向过程中中间传感器也检测到超出黑线则说明小车以这个转向角度不能回到黑线，则改变前轮方向并后退。同样可以起到转向的作用

17、，避免小车离线太远最终回不到黑线上。当小车完全回到黑线再继续向前，在检测到下一次出线后再进行同样的调整。信号流程如图11所示。红外轨迹识别红外轨迹识别 马达驱动模块 单片机控制系统电压比较电压比较 黑线识别模块图11 整体设计框图STC89C52单片机控制电路单片机控制电路由但单片机最小系统组成，主要作用是接受探头传来的电压信号，再通过程序设定的逻辑算法给出下一级马达驱动电路的指令。单片机最小系统包括主控IC，外部时钟电路，复位电路和电源组成。本设计采用如图14所示的单片机最先系统。在此就图14为参照解释一下51单片机最小系统各子电路的特点。图14单片机主控电路4.2.1XTAL1 和XTAL

18、2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图14 中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2 12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 40pF 之间选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电

19、容要适当地增大一些，在30 50pF 之间。通常选取33pF 的陶瓷电容就可以了。另外值得一提的是如果在设计单片机系统的印刷电路板（PCB） 时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到XTAL2 输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（ 把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到2V 左右一点的电压。4.2.2 在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST（ 第9 管脚）

20、出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图14 中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚上保持10ms 以上的高

21、电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC 充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。4.4.3 EA/VPP（31 脚）的功能和接法51 单片机的EA/VPP（31 脚） 是内部和外部程序存储器的选择管脚。当EA 保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA 保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。在本实验套件中，EA 管脚接到了VC

22、C 上，只使用内部的程序存储器。4.4.4 P0 口外接上拉电阻51 单片机的P0 端口为开漏输出，内部无上拉电阻（见图15）。所以在当做普通I/O 输出数据时，由于V2 截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。另外，避免输入时读取数据出错，也需外接上拉电阻。在这里简要的说下其原因：在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q 0， Q 1，场效应管V1 开通，端口线呈低电平状态。此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的

23、信号。又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q 1, Q 0,场效应管V1 截止。如外接引脚信号为低电平， 从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。所以当P0 口作为通用I/O 接口输入使用时，在输入数据前，应先向P0 口写“1”，此时锁存器的Q 端为“0”，使输出级的两个场效应管V1、V2 均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。总结来说：为了能使P0 口在输出时能驱动NMOS 电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。在设计中采用的是外加一个10K 排阻。此外，51 单片机在对端口P0P3 的输入操作上，为避免读错，应先向电路中的锁存器写入“1”，使场效应管截止，以避免锁存器为

24、“0”状态时对引脚读入的干扰。4.5 L298N马达驱动电路电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度，起停。为了设计方便我采用了市面上已有的L298N电机驱动模块，其特点便宜稳定性高。为了是设计达到更加好的效果我选用了L298N马达驱动模块。其原理图如图16所示。实物图如图17所示。图16 L298N引脚图 注意需增加轨迹识别电路程序设计#include unsigned char code table=0 xf1,0 xf3,0 xf2,0 xf6,0 xf4,0 xfc,

25、0 xf8,0 xf9,0 x00,0 xf1,0 xf9,0 xf8,0 xfc,0 xf4,0 xf6,0 xf2,0 xf3,0 x00;unsigned char temp,temp_old;unsigned char key;unsigned char i,j,k,m,s;void delay(int i) for(m=i;m0;m-) for(j=250;j0;j-) for(k=10;k0;k-); void saomiao() P3=0 xff; P3_4=0; temp=P3; temp=temp&0 x0f; if(temp!=0 x0f) for(i=50;i0;i-)

26、for(j=200;j0;j-); temp=P3; temp=temp&0 x0f; if(temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp&0 x0f; switch(temp) case 0 x0e: key=1; break; case 0 x0d: key=2; break; case 0 x0b: key=3; break; case 0 x07: key=4; break; temp=P3; temp=temp&0 x0f; while(temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp&0 x0f; P3=0 xff; P3_5=0; temp=P3; temp=temp&0 x0f; if(temp!=0 x0f) for(i=50;i0;i-) for(j=200;j0;j-); temp=P3; temp=temp&0 x0f; if(temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp&0 x0f; switch(temp) case 0 x0d: