红外线避障小车

II诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：年月日红外线避障小车电子信息工程信工学号指导老师摘要随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。本设计通过小车这个载体再结合由AT89S51为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555组成的转速控制电路、电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。关键词：避障光电开关红外线漫反射差分控制Infraredobstacleavoidancecar AbstractWiththedevelopmentneedsoftheproductionautomation,robotshavebeenmoreandmorewidelyappliedtotheautomationofproduction,withthedevelopmentofscienceandtechnology,therobotmoreandmoretypesofsensors,includinginfraredsensorshasbecomeanimportantcomponentoftheautomaticwalkinganddriving.InfraredTypicalapplicationsforautonomousintelligentnavigationsystems,roboticstoachieveautomaticobstacleavoidancemustbeperceivedobstacles,perceivedobstaclestotherobotquiteavisualfunction.Intelligentobstacleavoidancesystembasedoninfraredsensor,infraredsensorfrontobstacledetectionanddeterminetheobstacledistance.Duetothelimitedtimeandthelevelofourmostbasicobstacleavoidancetemporaryasthedesigngoal.DesignbycarcarrierrecombinationbyAT89S51asthecoreofthecontrolpanelcanachieveitsbasicfunctions,supplementedplusdiffusephotoelectricswitchobstacleavoidancecircuit555comprisingaspeedcontrolcircuit,powercircuit,adifferentialdrivecircuit.Youcanimprovetheentiredesign.Keywords:obstacleavoidancephotoelectricswitchinfrareddiffusereflectancedifferentialcontrol目录TOC\o"1-2"\h\z\u前言 1第1章课题研究价值 2第1.1节选题背景 2第2章课题设计 3第2.1节设计要求 3第2.2节总体设计 3第3章方案论证 5第3.1节单片机选择论证 5第3.2节传感器设计方案 5第3.3节控制算法设计方案 6第4章智能小车硬件设计 8第4.1节智能小车硬件分配 8第4.2节AT89S51单片机简介 11第4.3节电路设计 14第5章智能小车软件设计 20第5.1节总体流程图 20第5.2节最少拍控制算法 22第6章开发流程 25第6.1节编译环境 25第6.2节下载调试 27第6.3节单片机的I/O分配 28结论 29附录A 30附录B 34附录C 35参考文献 39致谢 40前言随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。本设计通过小车这个载体再结合由AT89S51为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555组成的转速控制电路、电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。第1章课题研究价值第1.1节选题背景国内外随着计算机技术，控制技术，信息技术的快速发展，工业的生产和管理进入了自动化，信息化和智能化的时代，智能化已经成为时代发展的需要。第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑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，将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA(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8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线CAN(ControllerAreaNetworkBUS).新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。该项目可以应用于机车头自动寻迹，工厂自动化，仓库管理，可提高劳动生产效率，改善劳动环境。在柔性自动化生产线，智能仓库管理及物流配送等领域，当生产环境恶劣时，工人不能完成的任务如物料运输和装卸等，可采用智能寻迹小车完成相应的任务。基于生产现场和日常生活的实际需要，研究和开发智能寻迹小车系统具有十分重要的意义。第2章课题设计第2.1节设计要求在本次设计中，要求所设计的小车具有自动避障的功能，能在红外探头探测到前方有障碍物的时候先进行后退大约2秒再进行向左转180度角，第二次探测到前方障碍物的时候再后退大约2秒再进行向右转180度角，这样循环下去。很明显，我要设计的小车是要能遇见障碍物自动窥探到障碍物并立即倒退和转动方向重新行驶，当然小车行驶速度不会有太大的变化。第2.2节总体设计单片机单片机AT89S51指示灯红外发射红外接收电机驱器电机M1电机M2红外发射红外接收红外接收红外发射图2.1系统框架图说明智能避障小车能避障主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完成的。根据光有反射的特性。所以说当红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。当红外接收探头接收到信号后，再将信号送到单片机由单片机内部程序来控制电机，由电机完成小车的前进，转向。第3章方案论证第3.1节单片机选择论证在单片机选择提供两种选择一种是8031另一种是AT89S51。选用8031单片机系统8031单片机内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器8255和一片2764，来进行扩展。电路复杂。选用AT89S51单片机系统AT89S51里有4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。不用扩展外部存储器。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。由此可见选用AT89S51单片机。第3.2节传感器设计方案在传感器方案的选择中，有以下两种方案供参考：方案一：使用CCD传感器来采集路面信息。使用CCD传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用CCD传感器也有其不足之处。首先使用CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为目的，实现起来工作量较大，电路复杂。方案二：使用光电传感器来采集路面信息。使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了复杂的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。经过综合考虑，在本设计中采用红外光电传感器作为信息采集元件。第3.3节控制算法设计方案在小车的运行中，主要有方向和速度的控制，即舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心操作，对小车的性能有着决定性的作用。对电机的控制，要达到的目的就是：在任何情况下，总能给电机一个合适的高低电压，保证小车能始终遇见障碍物时可以随时转动运行的方向。在电机的控制方案中，有以下两种方案可供选择：方案一：比例控制这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到跑道。比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需要复杂的数字计算。在实际应用中，由于传感器的个数与布局方式的限制，其控制量的输出是一个离散值，不能对舵机进行精确地控制，容易引起舵机左右摇摆，造成小车行驶过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。方案二PID控制PID控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，调节适当的参数可以有效地解决方案一的不足。不过P，I，D三个参数的设定较难，需要不断的进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。方案三：最少拍控制最少拍设计，是指系统在典型输入信号（如阶跃信号，速度信号，加速度信号等）作用下，经过最少拍（有限拍），使系统输出的稳态误差为零。所以，最少拍控制系统，也称最少拍无差系统，最少拍随动系统，实质上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短。可以看出系统对闭环脉冲传递函数的要求是快速性和准确性。也就是说让小车在行驶出跑道后，能在最短的时间内回到跑道上。最少拍控制系统的设计与被控对象的零极位置有很密切的关系。在本次设计中小车只要求按照跑道行驶，跑道简单。能有快速性，准确性的反应就可以，经过综合考虑后，采用最少拍控制。第4章智能小车硬件设计第4.1节智能小车硬件分配本设计的小车硬件设计分为两部分，一部分是机械设计，一部分是电路设计。机械设计主要是对小车的机械部件进行选件与组装。电路设计是对核心单片机、还有复位操作方式、晶振频率、传感器电路设计、电源管理模块、驱动模块进行介绍。组装注意事项请看附录B4.1.1机械部分材料清单材料清单分为：电动机芯装配材料清单与小车装配清单表4.1电动机芯装配材料清单序号名称规格1电机131U=6V10000转/分2蜗杆M=0.5Z=13二牙轴Φ2*184二牙片M=0.5Z=10/205三牙轴2.5*2.5*68方轴6三牙片M=0.5Z=12/38方孔7电机夹板A8四牙轴2.5*2.5*z8方轴9四牙片M=0.5Z=42方孔10电机夹板B11自攻螺丝M2.5*812机制螺丝M3*30表4.2小车装配清单序号名称规格数量1底板12机制螺丝M3×84对3机芯24后轮25开关16机制螺丝M2×82对7双联极片38前轮29前轮架210单联极片211机制螺丝M3×84对12前轮轴Φ3×118113前轮固定圈24.1.2电路板硬件材料清单表4.3材料清单位号名称备注位号名称备注M1电机1接线座SIU1LED数码管M2电机2接线座IR1红外接收头X1前端探测板接线座RX110K排阻DC电源接线座Z111.0592晶振R115KIC1AT89S51R2220IC2MAX232CPER3150KIC3LG911集成电路R41MIC4LG911集成电路R547KC110uF/16vR6560C2104R7560C3104R8560C4104R9560C510uF/16vR10560C610uF/16vR11560C730PFR12560C830PFR13560C9104R14220C1010uF/16vR1510KC1110uF/16vR16560C1210uF/16vR1710KC1310uF/16vR18560D1-D8红色发光二极管R19560D9绿色发光二极管R20560S1按键开关R21560S2按键开关R22560S3开关R23560COM19针串行端口R24560D1-D2LED发光二极管前板用R2510KV1红外发射头前板用R26560V2红外接收头前板用RL1光敏电阻V3红外发射头前板用SB1蜂鸣器V4红外接收头前板用B1话筒V5红外接收头前板用R1220前板用V6红外发射头前板用R2220前板用R3560前板用R415K前板用R515K前板用R6220前板用R7560前板用R815K前板用COM数据线第4.2节AT89S51单片机简介AT89S51作为本设计的核心芯片如图所示3-1，是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。以下是详细介绍。图4.1AT89S514.2.1AT89S51单片机的硬件结构AT89S51单片机系列的存储器用的是哈佛结构，即将程序和数据存储器截然分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。AT89S51的存储器可分为五类：程序存储器，内部数据存储器，特殊功能寄存器，位地址空间，外部数据存储器。4.2.2AT89S51单片机管脚简介AT89S51有40引脚双列直插（DIP）、44引脚（PLCC）、44引脚（TQFP）封装形式。AT89S51的引脚功能如图3-2所示。AT89S51系列单片机采用了CMOS技术制造，它集成度高、速度快、功耗低。4.2.3AT89S51单片机的内部存储结构AT89S51单片机片内总体结构的详细框图如图3-3所示，主要由9个部分组成，分别是：1个8位中央处理器；4KBFlash存储器；128B的数据存储器；32条I/O接口线（P0、P1、P2、P3）；2个定时/计数器；1个具有6个中断源、4个优先级的中断嵌套结构；用于多处理机通信、I/O扩展或全双工UART的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；1个片内振荡器和时钟电路。图4.2 40引脚双列直插（DIP）封装图4.3AT89S51单片机片内总体结构图第4.3节电路设计在本设计中电路设计非常重要包括复位操作方式、晶振频率、传感器电路设计、电源管理模块、驱动模块的设计。这些电路设计都以简单、使用为原则进行设计。其中复位电路、晶振电路和电源构成了单片机的最小系统。下面是详细介绍。4.3.1复位操作方式复位是单片机的初始化操作，其主要功能是PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化外，由于程序运行时出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也需按复位键以从新启动。除PC之外，复位操作还对其它特殊功能寄存器有影响。复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响。它们的复位状态见附录表例如；在复位期间ALE和PSEN信号变为无效状态，即ALE=1，PSEN=1。(1) 复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。若使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4微秒才能完成复位操作。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号（RST）送施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。(2) 复位操作方式复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式。图4.4 AT89S51复位电路本次设计采用的是上电复位，上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。4.3.2晶振频率晶振电路是单片机不可缺少的，这种电路是单片机内部振荡电路，由只需要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚边接一个晶体振荡器或一个陶瓷振荡器，并通过两个电容后接地即可，XTAL1和XTAL2分别为单片机片内反相器的输入和输出端口，因为单片机内部工作需要时钟，产生机器周期，振荡电容一般选取10-30PF，振荡电路的频率要满足单片机的工作频率要求，单片机才能正常工作。如图4.5所示。图4.5晶振的应用原理图4.3.3传感器电路设计寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中最重要的一部分，其作用相当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入单片机进行数据处理，其能否正常工作直接影响着小车队路面的判断以及小车下一步的行动，因而其布局的合理性与有效对小车稳定而又快速的行驶起着关键的作用。我们认为在传感器的布局中，要解决两个问题：信息检测的精确度和信息检测的前沿性。（1）本设计中选用的传感器如图3-6所示，白色为：红外发射探头（连续的发射红外光线）。黑色为：红外接收探头（接收反射回来的红外光线）图4.6红外发射管与红外接收探头本设计中安装了三组（也可两组）红外探头，排成三角形。传感器电路图如图所示4.7详细全图见附录图4.7红外发射与接收探头相关的匹配电阻220电阻：红外发射器的降压与限流电阻（完成对红外发射器的保护）。因为单片机的电源是5V，流过放光二极管的电流小于20MA，放光二极管的管压降为1.7V~2V。所以根据单片机电源减去二极管管压降除以流过二极管电流，就可以得到所需要的电阻。15K电阻：红外接收探器的光信号变电信号电阻（完成将反射回来的光信号）。15K的电阻选择是随意选择的，也可以选择10K，20K。因为红外接收探头在工作时，就相当于一个开关，所以电阻是随意的。红外发射与红外接收器V1红外发射器：主要完成红外线的发射V2红外接收器：主要完成将反射回来的红外光线接收到后再由电阻转换为电信号。（3）避障小车的避障原理避障小车之所以能够避障，主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完成的。我们知道光有反射的特性。所以说当前方的红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。当红外接收探头接收到信号后，再将信号送到单片机由单片机内部的程序来控制小车的运行情况。那么如何知道是如何有障碍物呢？原来红外光线有一个反射特性。但对于不用的物体反射特性是不一样的，特别是对白色反光的物体，红外光线的反射量将会多一点。而没有明显障碍物，红外反射量将会大量的减少。那么我们就可以利用这个特性来完成障碍物的判断。通过电路的合理安装，可以将这种接收到的红外光线变化量转换为电压值传送到单片机中。返回的电压值为低电平，而单片机就可以进行各种智能化控制了。例如，完成避障的转动功能，还有倒车停车的功能。4.3.4驱动模块直流电机的控制一般由单片机的PWM信号来完成，因为单片机产生的信号很小，所以采用电机驱动芯片L9110驱动器。电路图示见4.7，器件管脚图见4.8，管脚定义见表4.1图4.8驱动芯片使用电路图4.9器件管脚图表4.1引脚说明图4.10管脚波形图描述：L9110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750~800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5~2.0A；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。4.3.5电源管理模块方案1：采用交流电经直流稳压处理后供电采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。但由于需要电线对小车供电，极大影响了避障小车行动的灵活性及地形的适应能力。而且避障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍。故放弃了这一方案。方案2：采用干电池组进行供电采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。所以采取此方案。第5章智能小车软件设计第5.1节总体流程图开始开始系统初始化执行主程序小车前进电机模式选择电机左转电机反转电机右转N遇见障碍物否控制算法控制算法控制算法遇见障碍否遇见障碍否遇见障碍否NNYNYYY流程图说明：首先开始启动，进入系统初始化定义引脚，执行主程序小车前进。根据小车的指示灯来判断小车的运行情况。如果小车遇见障碍物，会给单片机一个低电平信号进入电机模式选择，例如：小车遇见障碍物，传感器开始扫描，当红外接受探头接受到红外光线，给单片机底电平信号，这时经过单片机内部程序的处理设置合理的托退和转动时间函数，同时电机后退加转动。直到小车跑回没有障碍物的轨道，正常前进。反复的重复这样的动作就可以实现一直蔽障的功能。第5.2节最少拍控制算法最少拍设计，是指系统在典型输入信号（如阶跃信号，速度信号，加速度信号等）作用下，经过最少拍（有限拍），使系统输出的稳态误差为零。所以，最少拍控制系统，也称最少拍无差系统，最少拍随动系统，实质上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短。可以看出系统对闭环脉冲传递函数的要求是快速性和准确性。也就是说让小车在遇见障碍物后，能在最短的时间内躲开障碍物。最少拍控制系统的设计与被控对象的零极位置有很密切的关系。下面先从简单情形开始介绍最少拍控制器的设计。对最小拍控制系统设计的要求是：（1）调节时间最短，即系统跟踪输入信号所需的采样周期数最少；（2）在采样点处无静差，即对特定的参考输入信号，在达到稳态后，系统在采样点能精确实现对输入信号的跟踪；（3）设计出来的数字控制器必须是物理上可以实现的；（4）闭环系统必须是稳定的。最小拍闭环脉冲传递函数的确定首先根据对控制系统性能指标的要求和其他约束条件，构造系统的闭环脉冲传递函数。最小拍控制系统的设计要求是对特定的参考输入信号，在系统达到稳态后，系统在采样点处静差为零。根据此约束条件可以构造出系统的误差脉冲传递函数。典型计算机控制系统结构图如图4-1所示。其中，GP(S)为被控对象H0（S）为零阶保持器，D(Z)即为待设计的最少拍控制器。DD（z）H0(S)GP(S)最少拍控制器零阶保持器被控对象R(S)TE(z)TY(S)TY(z)图5.1最少拍随动系统框图由离散控制理论，最少拍控制系统的误差脉冲传递函数Φe（z）==1－Φ（z）（5.1）=系统偏差为：E(Z)=Φe（z）R(Z)一般控制系统有三种典型输入形式：（1）单位阶跃输入：r(t)=1R(Z)=（5.2）（2）单位速度输入：r(t)=tR(Z)=（5.3）（3）单位加速度输入：r(t)=t2R(Z)=（5.4）在本设计中采用单位阶跃输入，被控对象为直流电机，零阶保持器传递函数已知。只要查出直流电机传递函数就可以求得最少拍控制器D(Z)。根据图4-1求得方法如下。最小拍控制器D(Z)的确定由离散控制系统理论，可以求出图4-1所示的计算机控制系统的闭环脉冲传递函数为：Φ(Z)=（5.5）由此可以得到数字控制器为D(Z)=（5.6）或D(Z)=（5.7）第6章开发流程开发流程是在硬件设计与软件设计的基础上展开的，主要是把硬件与软件结合起来。经过编译、环境下载调试、单片机资源划分。第6.1节编译环境一．KeilC51介绍KeilC51mVision2集成开发环境是KeiSoftwre，lnc/KeilElektronikGmbH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内以多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工和建立、管理，编译，连接，目标代码的生成，软件访真，硬件访真等完整的开发流和。尤其C编译工具在产生代码的准确性和效率性达到了较高的水平，而可以附加灵活的控制选项。KeilC51集成开发环境的主要环境的主要功能是以下几点：（1）mVision2forWindowsTM：是一个集成开发环境，它将项目管理，源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的Z1环境中。（2）C51国际标准优化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的口标模块。（3）A51宏汇编器：从80C51汇编冤代码产生可重定位的口标模块。（4）BL51连接/定位器：组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。（5）LIB51库管理器：从口际模块生成连接器可以使用的库文件。（6）OH51目标文件至HEX格式的转换器：从绝对目标模块生成IntelHEX文件。（7）RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项口的设计。这个工具套件足为专业软件开发人员设计的，但任何层次的编程人员都可以使用，并获得80C51微控制器的部分应用。二．KeilC51集成工具和用途mVision2支持所有的Keil80C51的工具软件，包括C51编译器、宏汇编器、连接器/定位器和目标文件至Hex格式转换器，mVision2可以自动完成便宜、汇编、连接程序的操作。（1）C51便宜器和ASI汇编器由mVision21DE创建的潭文件，可以被C51便宜器或A51汇编器处理，生成可重定位的object文件。KeilC51以直接支持80C51结构的特性。KeilA51宏汇编器支持80C51及其派声系列的怕有指令集。（2）LIB51库管理器BL51库管理器可以从由汇编器和便宜器创建的目标文件建立目标库。这些库是按规定格式排列的目标模块，可在以后被连接器所使用。当连接器处理一个库时，仅仅使用了库中程序使用的目标模块而不是全部加以引用。（3）BLSI连接器/定位器BL51连接器使用从库中提取出来的目标模块和便宜器，汇编器生成的目标模块，创建一个绝对地址目标模块。绝对地址目标文件或模块包括不可重定位的代码和数据，所有的代码和数据都被个在具体的存储器单元中。（4）mVision2软件调试器mVision2软件调试器能十分理想地进行快速，可靠的程序调节，调试器包括一个同速模拟器，您可以使用它模拟整个80C50系统，包括片上外围器件和外部器件，当您从器件数据库选择时，这个器件的属性会被自动配置。（5）mVision2硬件调试器mVision2调试器响您提供厂几种在实际目标硬件上测试程序的方法。按MON51目标监控器到您的目标系统，并通过monitor-51接口下在你的程序，使用高级GDI接口，将mVision2调试同类似于DP-51S单片机仿真实验仪或者TKS系列仿真器的硬件系统相连接，通过mVision2的人机交互环境指挥连接的硬件完成仿真操作。（6）RTX51实时操作系统RTX51实时操作系统是针对80C51微控制器系列的一个多任务内核。RTX51实时内核简化厂需要对实时事件进行反应的复杂应用的系统设计、编程和调试。这个内核完全集成在C51编译器中，使用非常简单，任务描述表和操作系统的统一性由BL51连接器/定位器自动进行控制。此外Vision2还只有极强的软件环境，友好的操作界面和简单快捷的操作方法，主要表现在以下几点：（1）丰富的菜单栏；（2）可以快色选择命令按钮的工具栏；（3）一些源代码文件窗口；（4）对话框窗口；（5）直观明了的信息显示窗口。第6.2节下载调试下载调试工具有很多，本次设计用的下载器为STC_ISP_V483，这类下载器兼容AT，STC系列的单片机下载程序。下面详细介绍下载过程。首先在下载之前必须在KeilC51中生成可下载文件.HEX与.BIN文件。打开下载器主界面如图5-1步骤一：SelectMcuType选择单片机型号步骤二：OpenFile打开文件（KeilC51中生成可下载文件.HEX与.BIN文件）步骤三：SelectCOMPort,MaxBaud/选择串行口，最高波特率步骤四：设置本框和右下方‘选项’中的选项步骤五：下载注意：在步骤三中选择正确的COM口，特别注意的是步骤五先点击下载，再给单片机上电，这是单片机的冷启动。第6.3节单片机的I/O分配以AT89S51为主芯片如图5-2。40脚的DIP封装使它拥有32个完全IO端口，通过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小车。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小车的前进，后退，左转，右转。小车行走时会通过P3.5,P3.6,P3.7的红外接收探头来进行检测。当走出跑道时，P3.5,P3.6或P3.7将收到一个电平信号，此电平信号将通过相应端口传送入主芯片中，主芯片通过内部代码完成小车的寻迹操作。同时P3.5与P3.6的信号状态将通过P2.6和P2.7显示出来。在小车的左转，右转，后退的过程，可以通过观看以P2.0和P2.7为指示等的运行状态。图6.1系统连线图结论寻迹检测单元的核心部件选择了红外探头传感器。红外探头传感器具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点；另外再加上AT89S51单片机与电机驱动芯片的结合，实现了智能小车的寻迹功能。综上所述，我们可以看出电子设计自动化逐渐成为重要的设计手段，单片机己经成为当今电子设计应用市场上首选的可编程逻辑器件之一。单片机应用在控制领域中，既降低了系统成本也提高了系统的可靠性和稳定性。最终在指导教师的指导下对整个寻迹检测进行选件、制造单片机系统并测试、软件设计后实现单片机控制下的寻迹检测系统，使整个系统可以在实际中应用。希望通过我们不断地努力，使单片机这一重要设计手段能够更好的为我以后的学习效力。最后，在此诚恳地希望老师和同学提出宝贵的批评和意见附录A#include<reg52.h>//=========================数据类型定义=====================signedcharINT8;//重定义有符号字符8位数据typedefunsignedcharUINT8;//重定义无符号字符8位数据typedefintINT16;//重定义有符号字符16位数据typedefunsignedintUINT16;//重定义无符号字符16位数据#defineTRUE 1 //逻辑真 #defineFALSE 0//逻辑假#defineNULL0//指针空//========================硬件对应端口定义===================sbitFontLeftLed=P2^3;//前左方指示灯sbitFontRightLed=P2^4;//前右方指示灯sbitFontIR=P2^7;//前方红外接收探头sbitMA1=P0^1;//左方电机控制驱动sbitMB1=P0^0;//左方电机控制驱动sbitMA2=P0^5;//右方电机控制驱动sbitMB2=P0^6;//右方电机控制驱动sbitSB1=P2^1;//蜂鸣器控制端口定义sbitRunLed=P1^5;//运行指示灯//===================功能函数定义=============================voidDelay(UINT16DelayTime)//延时函数{while(DelayTime--);//延时函数循环体}voidControlCar(UINT8ConType)//车体控制函数{MA1=0;//左电机清零MA2=0;//右电机清零MB1=0;//左电机清零MB2=0;//右电机清零FontLeftLed=1;//前左方指示灯灭FontRightLed=1;//前右方指示灯灭switch(ConType)//判断控制叁数类型{ case1://前进 { MA2=1;//左电机向前运动 MB1=1;//右电机向前运动 FontLeftLed=0;//前左方指示灯亮FontRightLed=0;//前右方指示灯亮 break; } case2://后退 { MB2=1;//右电机向后运动 MA1=1;//左电机向后运动 break; } case3://左转 { MA1=1;//左电机向后运动MA2=1;//右电机向前运动FontLeftLed=0;//前左方指示灯亮 break; } case4://右转 { MB1=1;//右电机向后运动MB2=1;//左电机向前运动FontRightLed=0;//前右方指示灯亮 break; }}}//====================主程序===================================voidmain()//主函数{UINT8RunFlag=1;//运行标志位ControlCar(1);//前进RunLed=0;while(1)//程序主打循环 {if(FontIR==0)/判断前方红外接收探头{ControlCar(2);//小车后退(用于急刹车)Delay(50000);//延时300毫秒 Delay(20210);//小车后退if(RunFlag)//判断小车运行标志位 { ControlCar(3);//小车左转} else//为假的情况下 { ControlCar(4);//小车右转 } Delay(30000);//左转弯SB1=0;//小车响铃Delay(30000);//左转弯SB1=1;//小车不响铃 Delay(30000);//左转弯SB1=0;//小车响铃Delay(30000);//左转弯SB1=1;//小车不响铃 ControlCar(1);//小车前进RunFlag=!RunFlag;//改变小车运行状态位 }}}附录B1、电容有正负极之分，长正短负；2、二极管有正负极之分，长正短负；3、话筒有正负之分，负极与外壳相连；4、蜂鸣器有正负之分，长正短负；5、三极管按照电路板封装焊接；6、集成电路即芯片，安装时要注意缺口对应（缺口对应位置和封装对应位置要一致）。（缺口在芯片或芯片底座的一端）7、数码管焊接时注意数码管上的小数点要与电路板封装上的小数点对应。8、强烈推荐电池采用南孚电池或其他高性能电池。附录CAT89S51(8位微控制单片机，片内含4Kbytes可系统编程的存储器)AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，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8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场介，可灵活应用于各种控制领域。（1）主要性能参数：•与MCS-51产品指令系统完全兼:容•4k字节在线系统编程(ISP)Flash闪速存储器•1000次擦写周期•4.05.5V的工作电压范围•全静态工作模式：0Hz33MHz•三级程序加密锁•128×8字节内部RAM•32个可编程I/O口线•2个16位定时/计数器•6个中断源•全双工串行UART通道•低功耗空闲和掉电模式•中断可从空闲模式唤醒系统•看门狗(WDT)及双数据指针•掉电标识和快速编程特性•灵活的在线系统编程(ISP一字节或页写模式)（2）功能特性概述：AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。（3）引脚功能说明：•Vcc：电源电压•GND：地•P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写‘1’可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0•P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写‘1’，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，囚为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(In)。Flash编程和程序校验期间P1接收低8•P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写‘1’，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，囚为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(In)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@Ri指令)时，P2口线卜的内容(也即特殊功能寄存器（SFR)区中P2寄存器的内容)，在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2•P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（In）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。P3口还接收一些用于Flash•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使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。•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。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，囚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，可禁正ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。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AT89S51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。当访问外部数据存储器，没有两次有效的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),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中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。•XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。•XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。•特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的于片内的空间分布的这些地址并没有全部占用，没有占用的地址亦不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。而写这些地址单元将不能得到预期的结果。•中断寄存器：各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。•双时钟指针寄存器：为更方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针寄存器：DP0位于SFR(特殊功能寄存器)区块中的地址82H,83H和DP1位于地址84H,85H，当SFR中的位DPS=0选择DP0，而DPS=1则选择DP1。用户应在访问相应的数据指针寄存器前初始化DPS位。•电源空闲标志：电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存器SFR中PCON的第4位(PCON.4}，电源打开时POF置‘1’•程序存储器：如果EA引脚接地(GND)，全部程序均执行外部存储器。在AT89S51,假如EA接至Vcc(电源+)，程序首先执行地址从0000H-OFFFH（4KB）内部程序存储器，而执行地址为1000H-FFFFH(60KB)的外部程序存储器。•数据存储器：AT89S51的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。•看门狗定时器(WDT)：WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看门狗复位SFR(WDTRST)构成。外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，用户必须按顺序将01EH和0E1H写到WDTRST寄存器（SFR地址为OA6H},当启动了WDT，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT，当WDT溢出，将使RSF引脚输出高电平的复位脉冲。•定时器0和定时器1：定时器0和1都是一个16位定时/计数器。参考文献[1]陈伯时，电力拖动自动控制系统。北京：机械工业出版社[2]冯先成，单片机应用系统设计。北京：航天航空大学出版社[3]何希才，新型实用电子电路400例。电子工业出版社[4]李念强，王玉泰，张鲁，张羽，单片机原理及应用。机械工业出版社[5]赵负图，传感器集成电路手册，第一版，化学工业出版社[6]康化光，电子技术基础，北京：出等教育出版社。[7]刘雨棣、杜伟略单片机微型接口技术，北京：西安电子科技大学出版社[8]吴建平，传感器原理及应用。清华大学出版社[9]张磊，C语言程序设计，清华大学出版社[10]张毅刚，新版MCS-51单片机应用设计，哈工大出版社[11]求是科技，8051系列单片机C程序设计完全手册，人民邮电出版社[12]李剑心基于单片机的红外发射器科技信息：学术版202112S[13]孟建华郝晋霞AT89S系列单片机及在线编程技术西安工程科技学院学报[14]张莉娟MCS——51单片机典型程序设计的教学研究致谢历时四年的大学生活将结束了，在大学四年和论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师张老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很