基于单片机的智能循迹小车设计和实现 电子信息工程专业.docx

基于单片机的智能循迹小车设计摘要随着我国科学技术的进步，智能化作为现代社会的新产物开始越来越普及，各种高新技术也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能小车是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，可以涉及到当今许多前沿领域的技术。智能小车的研究和开发正成为广泛关注的焦点。本设计是一种基于单片机控制的简易自动循迹小车系统，系统的设计主要分为总体方案设计、硬件和软件设计，其中每一部分均采用模块化设计原则，使得设计易读、易修改、易扩充。整个小车平台主要以51单片机为控制核心，通过无线遥控实现前进后退和转向行驶，通过红外线以及超声波传感器,实现小车的自适应循迹、避障等功能。设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。从最小系统到无线遥控，红外线对黑线的自动循迹再到超声波自动避障，完成各模块设计。通过调试检测各模块，得到正确的信号输出，实现其应有的功能。关键词：智能小车；单片机；无线遥控；循迹；避障摘要I第一章绪论11.1 智能循迹小车概述11.1.1 循迹小车的发展历程11.1.2 智能循迹分类21.1.3 智能循迹小车的应用31.2 课题研究的目的及意义51.3 课题研究的工作安排6第二章系统总体方案的确定72.1 小车循迹原理72.2 方案的选择与论证72.2.1 控制器的选择72.2.2 电源模块的选择92.2.3 电动机的选择92.2.4 电动机驱动模块的选择102.2.5 循迹传感器的选择112.3 系统总体方案确定11第三章硬件系统设计133.1 单片机控制模块133.1.1 STC89C52简介133.1.2 单片机最小系统设计163.1.3 核心控制模块设计173.2 电源模块183.2.1 稳压芯片简介183.2.2 电源稳压模块设计193.3 电机驱动模块193.3.1 电动机驱动芯片L293D简介193.3.2 模块设计213.4 循迹模块223.5 避障模块233.6 无线遥控模块24第四章软件系统设计264.1 PWM调速简介以及实现264.2 主程序设计274.3 程序的模块化设计284.3.1 循迹模块流程图294.3.2 避障模块流程图304.3.3 无线遥控模块流程图31第五章系统调试与分析335.1 软件调试平台335.2 程序调试355.2.1 设置和删除断点355.2.2 查看和修改程序35结论37参考文献38致谢39第一章绪论1.1 智能循迹小车概述智能循迹小车(AGV),英文全称是AutomatedGuidedVehicleo其最初产自于上世纪中叶，作为新式的智能搬运机器人执行货物输送等功能。AGV在传统小车的基础上增加了电磁转换的控制结构,或者利用光学原理等实现既定路径的前进与障碍躲避。智能小车使用的驱动方式是电力传动，以蓄电池作为储能设备，比较低碳节能，而且相比于内燃机驱动的汽车，电动小车的噪声明显降低，整体的工作环境清洁有序。其运动功能的实现有两种方式：一、下载程序，在小车的芯片中烧录给定的轨迹行进程序，使小车按照约定好的路线前进；二、电磁轨道约束，在小车的工作地段铺设轨道，通过发射不同频率的电磁信息来给小车运动信号，牵引其走上规定的道路，在没有操作员的情况下将货品在收发地之间进行运输。AGV在流水线加工中表现出的自动化水平比较高，可以在保证精确度的前提下完成物料的装载、输送、卸货等系列操作。同时，小车的学习能力比较强大，能够自行收集路况数据，可以避开“陷阱”，找到并执行最短路径的规划，大大提高了工作效率。一般来说，AGV有机械手臂托举重物，还有与其他小车和站点相交互的接口，帮助彼此更好地配合工作。1.1.1 循迹小车的发展历程随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们日益迫切希望将自己从繁重的劳动中解脱出来，或者寻找一种工具，帮助自己完成精密度以及复杂程度更高的工作，于是就诞生出机器人这门学科。在20世纪的中叶，全球首部机器人出世，至今已有50多年的历史，关于机器人的研究，涉及到的知识比较多，因此，机器人专业是一个综合性比较强的学科。该专业主要设置的课程有，机械应用，通信与电子科学，计算机技术，还有信号处理以及计算机网络结构等。由于机器人自身要保持平衡，对于周围世界的感知程度要求比较高，所以要学好机器人系统，必须要掌握传感器原理。从历史来看，智能追踪轨迹小车的发展大致经历了三个阶段：第一阶段，运输车按照城区设计可以按照给定的路径运动，但是不具备学习功能，不能识别路况自行躲避障碍物，而且初代的机器人不含有任何的传感系统，他在运动过程中更像是履带上了发条的木偶，灵活性非常差。第二阶段，发展阶段。第二代小车装配了一定的传感器，因此能够对自己的速度进行记录，能够感知到自己与路径旁边的物体之间的距离，也就是说，能够初步定位自己的位置。他的自动控制是一个闭环的系统，具备一定的自我调节能力。第三阶段，人工智能。通过传感器性能的提升，还有算法的优化，第三代的运输车已经具备相当高的智能化程度和自动化程度。对于外部界环境，不仅可以收集大量用于评判的数据，甚至还可以对未来做出预测，也就是说，大数据系统的应用，许多智能小车功能和学习能力有大幅度的提升。同时.，机器人技术与其他专业的交叉融合，也为人工智能的应用领域拓宽了渠道。1.1.2 智能循迹分类AGV从发明至今已经有50多年的历史，而且技术和理论应用水平不断提高，所以使得智能小车自身的结构和功能更加多元。这里按照寻找路径的方式作为划分的依据，可以把小车分为以下几种：(1)电磁感应式电磁感应式引导一般铺设在路面，需要提前在地下埋设线路和轨迹。具体的来说，如果通入的电流是交变的，而且频率符合一定的要求，那么产生的磁场能够给小车提供符合协议的信息。小车通过传感器或者天线破解信息，然后按照要求寻路。小车内部装了自动控制系统，如果接收到的信息与给定信息质量差别比较大，就证明小车偏离指定路线的程度也比较大，这样就要求系统采取一定的负反馈措施回到既定轨道。目前，电磁感应式的机器小车应用比较广泛，主要在市场上发挥功能的是大中型的运输车，根据电磁波的信息进行导航和路径修正。(2)激光式激光的发射器和接收器镶嵌在一个设备上，且都应该安装在小车，以及小车所走过路径的周边物体上。比如说，镶嵌式激光传感器一般都安装在墙壁，以及标志建筑物上面。此外，特定路段，还有路灯以及其他标志物等，都应当安装有激光感应器。具体的原理是，小车每隔一段时间发射激光，周围的建筑物可以反射光束，然后小车在接收激光，判断自己与建筑物之间的距离，还有自己的位置，速度以及偏离正常轨道的方向等，通过这种方式来帮助小车返回到既定的轨迹。实际上，这种原理可以使用的具体载波种类有很多，比如说红外线，或者是超声波等，可以根据机器小车工作现场的环境以及精度要求，具体来确定。(3)视觉式视觉一词来源于人类的视觉处理,人的眼睛观察到的是周围的物体及物体运动的具体信息，小车识路能不能这样做呢？机器人视觉感知的专业发展为自动驾驶提供了可能。具体来解释，就是小车内部装设有计算机、摄像头还有相关的传感器。小车的出发地，目的地以及沿线的景观都被预先放置在计算机相关文件系统中，运输车一边行驶，一边要用摄像头扫描周围的图像信息，并且与计算机中的目标信息进行对比，如果发生了偏移，就需要由自动控制系统帮助小车回到设定的轨迹。与前两种方式相比,除了小车内部系统更加复杂以外,外部环境不需要增加其他的设备来辅助小车自动驾驶，而且，小车用于判断的信息更加丰富，所以精度更高，便捷性也更好。自视觉引导系统推出以来，小车的自动驾驶技术也在不断发展和突破。AGV除了上述已经提到的确定路径的办法以外，还可以采用铁磁陀螺惯性引导的办法，以及利用光学还有其他各种形式完成认路和躲避障碍和回到原来的轨迹的要求。1.1.3 智能循迹小车的应用智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下：(1)仓储业众所周知，货物的储存和运输需要耗费大量的人力和物力，而运输车自动驾驶技术的发展可以帮助节省大量人力资源，并且更有效率的完成货物运输。第一个将智能循迹小车应用于货物仓储的公司是美国的MercuryMotorFreight公司，当时是1954年，美国的自动控制和人工智能技术还不成熟，但是当时的运输车就已经能够实现从出货到入库的功能，长期来看，比雇佣人力可以获得更高的营收。截止到2021年，世界已经有超过2000家企业和工厂引进了两万台左右的中小型智能循迹小车，这些小车工作的地点就是仓库，主要工作是货物进出库的统计和运输。在使用自动驾驶小车用于仓储的领域，我国做的比较好的，就是海尔集团，该家公司在2000年的时候，就已经将九台自动运输车投入到仓库的工作中，根据当年的统计，一台运输车一天可以完成超过十千公斤的货物运输。(2)制造业在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，智能小车完成任务的速度快，而且这些熟的精度也很高，所以最终能够为企业节省大量的生产成本。止匕外，随着人工智能技术的发展，小车选择的前进路线根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高运输和产品制备的灵活机动性。一个具体的实例就是沃尔沃的汽车组装厂，当时是20世纪70年代，汽车厂为了提高零件装配的效率，使用AGV小车作为运输车，根据第二年的财报显示，投入智能小车以后，不仅件的装配时间减少了1/5,还将近节约了40%的错误成本，资金流的回收效率变高，而且相应的减少了流水线工人的开销。此后，在主要的汽车制造厂，比如通用系列，以及日本的丰田汽车，还有克拉斯洛以及大众等大中型企业零配件和车载器件的制造，都用到了AGV小车。实际上，现代工厂经理不开自动驾驶的循迹小车,不仅是机械加工制造,还有富士康等电子厂，以及烟草等需要流水线运作的行业,都选择了使用自动技术来代替传统的工人进行作业。(3)邮局、图书馆、港口码头和机场相比于制造业，在一些其他零散的需要物品运输的场所，比如说邮局还有图书馆将图书分类，还有码头和机场等公共交通需要装卸货物等场景，也出现了智能循迹小车的身影。因为小车最突出的特点不是他能够承载货物的重量，而是精密度和智能程度，应对不同情况的灵活性这样的特点，在上述的场景中小车也能够充分发挥自己的作用，代替人工来完成一系列单一的操作。比如说上世纪80年代，瑞典的大斯德哥尔摩邮局已经使用上自动运输小车，日本也紧随其后，我国也逐渐将运输小车投入到邮局的运输工作中，比如说上海的邮政公司。目前，智能循迹小车用于装载的工作已经越来越普遍，甚至在荷兰的鹿特丹港，原本已经司空见惯的将智能运载车称之为“院子里的拖拉机”，小车每日完成的集装箱运输工作范围半径达到几百米。(4)危险场所和特种行业如果需要运输的物品是危险化学品，那么人工操作当然的风险就比较大,相应的开支也会增加，但是如果用耐腐蚀和精密度好的智能小车，就可以有效的解决上面的问题。比如说，在核电厂应用AGV小车，就可以替代人工，避免人受到辐射而感染。另外，小车对于工作环境的要求并不高，可以在黑暗环境中，准确、可靠进行产品的装卸和运输。另外，智能小车用于战争方面也能够发挥自己的优势，这里主要应用的是其传感功能和自动驾驶技术，战场上通过精密的图像扫描还有位置感知，以及侦查他国武器等，能够有效的提高作战的能力。比如说，美国的军队已经研发了MINDER系统，用于侦查工作，具体的功能有雷达扫描，以及痕迹处理和导航功能。1.2 课题研究的目的及意义人工智能是未来发展的趋势，目前来看，自动驾驶功能是最有可能，首先被推广应用的,在这方面，国内外都已经投入了大量的专家学者进行专门研究,研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远距离和不需人工操作的方法来进行实现，比如人工智能和远距离的通信测控等。无线传输加快了信息交换的速度，同时也使测量不必受限于具体环境。智能小车可以说是智能机器的代表，AGV只要可以拆解为三大主要结构，第一，传感与检测系统，第二，执行结构，第三，中央处理器。目前对于智能小车的要求，仅限于可以自动在规定的路线上行进，或者说给定目的地，小车能够以最优的路径办法前进。另外，小车需要有效的躲避周围的障碍物，减少损耗。本课题以智能小车为研究对象，通过查阅文献以及使用单片机进行实践,基于自动控制原理实现小车的自动驾驶和自动避障。在具体实验过程中，需要注意传感器与小车的搭配，以及在仿真软件中设计驱动部件和外部的输出设备刻画，利用学过的微机原理以及传感器和机电知识，用理论结合实际，系统完成智能小车寻迹功能的实现。1.3 课题研究的工作安排首先，本文的布局和章节安排如下：第一章，绪论。探讨智能循迹小车对仓储业、制造业、运输业、医药、化工、食品等领域具有特殊的意义，对课题进行整体背景的调查，罗列出智能循迹分类，说明课题对设计的目的及意义。第二章，系统方案。确定及主要元件的选择，在课题的框架构思期间，通过各种手段对设计进行方案的提出与筛选,计划出论文叙述的整体设计方案等,为电路搭建做好铺垫。第三章，硬件设计。单片机系统设计需要软件调试结合硬件设计，对于智能小车，更需要注重硬件电路的设计，目前，IC的开发和应用渠道不断拓宽，可以实现的功能更加广泛，而且与软件结合的更加紧密，一般来说，仿真软件中有电路模型储存，同时也有硬件连接图直接生成代码的功能，在设计中，要着重用到这些功能。通过上述对智能循迹小车的叙述与理论基础，对红外测温装置进行初步的电路搭建。第四章，软件设计。电路搭建成功检查无误后，根据智能循迹小车的功能进行设计软件系统的整体结构、划分功能模块、确定每个模块的实现算法以及编写具体的程序。第五章，系统调试与分析。程序在编写过程中，要注意写好注释。调试过程中首先应当让程序跑完全程，记录出现的问题，还有具体出现问题的模块。第二，进行断点调试，分析出现的问题是单行的代码，还是整个模块的设计有欠缺。最后应当使用单步调试的办法，对于程序运行的bug,提出专门的解决问题，最终保障程序正确执行。第二章系统总体方案的确定2.1 小车循迹原理本文采取的办法是利用光线感应来告知小车路线。具体来说，就是在白板上刻画黑线，让智能小车沿着黑线走。因为白色对于光线的反射能力强，啊,黑色最弱，所以小车就能够根据樊效所得的光线强弱，判断自己是否走到了正确的路上。本文使用的光线感知元件是红外传感器。首先,小车上的红外发射装置需要发出红外线,根据不同颜色的感官特性,红外光落到白板上能够反射会去，而发射到黑线上则会被吸收，小车的接收器又能将反射得到的红外光转换为电信号，因此能够知道自己走的路线，是否是沿着黑线的。但是红外探测法有个缺陷，就是红外光的频率比较低，能量比较弱，可以发射的距离短，可能会出现接收不到信息的可能。其次，这里对光线具体经过的路径进行说明。小车供电后，由自身携带的光电二极管发射光束（红外线），当光束打到路面后反射被小车接受到后，利用传感器将光信号转变为电信号，此后再反馈给小车的单片机，让它判断执行哪条指令。前文提到过，白色和黑色返回的光强和数目相差很大，因此，按照设计规则，单片机需要做到避开反射光多的地方，走反射光少的地方。这里具体对设计黑白二色的路面做出解释：因为实验室中小车的工作环境不仅有铺设的路面，还有墙壁、实验桌以及其他的设备等，如果光线发射到其他地方发生漫反射和全反射，则会给小车路线的判断造成干扰，所以，应当选择光线反射能力差别最大的两种颜色进行实验。当然，AGV实际的工作情况要复杂的多，本文做了大量理想条件的模拟。2.2方案的选择与论证2.2.1 控制器的选择方案一：使用STC89C52单片机进行实验。51、52系列上世纪就风靡全球，随着科技进步和芯片材料制备的发展，开发板的追求方向越来越向着体积小、质量轻以及容量大的特点前进。而STC89C52开发板的功能比较齐全，工作损耗比较低，控制系统和CPU为8位，还支持在线修改程序代码和调试的功能。但是,在接线时要考虑的管脚接线比较麻烦。其配套使用的软件有KEIL系列和PROTEUS等。方案二：使用AVR单片机进行设计。该开发板是Atmel公司在1997年发行的。其体系采用的哈佛体系RISC协议。而RISC的指令使用效率更高，使用的代码也比较简洁，一行程序代码所占的字节宽度是一定的，选取对齐方式以后，可以大大减少运行起来的时间。AVR开发板最大的特点也就是运行速度快。可以达到IHZ执行一百万条执行的能力。方案三：选择FPGA开发板作为主芯片。这种方案是考虑到该开发板的技术优势，其上配备了IR接受器，可以方便地发出红外信号。而且，其开发板的RAM功能比较突出，擦除和重新编码的安全性比较高。一般来说，FPGA编程需要的软件范围广,通用编码器和PRoM都可以,至于电路连线设计,可以使用QUARTUS系列进行选线和接口配置。而且，FPGA的芯片可移植性比较强，一般换一片EPROM就能够解决一次应用的转换。方案比较与确定：首先，考虑到成本因素，方案一的单片机历史悠久，性能良好，芯片制造的成本比较低。而FPGA设计比较复杂，支持的功能更多，应用场景多，因此造价几乎是STC89C52的6倍。再加上，本科学习期间对于FPGA和AVR的接触并不多，设计起来花费的时间成本也要考虑,这样看来方案一比较实惠。第二，考虑功能因素，FPGA广泛用于车载和精密计算机的装配，性能优异，AVR芯片比较小，可以使用的场合也很多，比如电磁炉、手机等，而52开发板工作电压低，功能随设计的复杂度而更加广泛，在自动喷泉、车站实时车次显示等方面都可以看到它的身影。此外，52单片机的控制比较简单，操作和布线一目了然，可供学习的资源和例程都很多，能够满足本科设计的需求。因此，综合看来，本次设计选择了STC89C52作为实验用的开发板。对于本次设计的目标一一智能小车寻迹,需要考虑到程序的复杂以及硬件电路连接的精确性，所以要注意多开关量的系统设计，利用好51开发板的位操作指令，对于其输入输出端口功能的选择以及实现要多考量。本次编程量适中，使用单片机的8K存储空间也应当适合。在后续的操作里面，需要注意开发板与传感器和伺服、驱动电机的配合，充分发挥51的优势。2.2.2 电源模块的选择方案一：使用PC端的电脑USB口供电。但是由于电脑比较笨重，尽管有较多的接线选择，在智能车的场景变换上，仍然比较吃亏。此外，电脑接口提供的工作电压为+5V,为稳定直流，但在沿线可能会有损耗。方案二：使用外设电源（7.2V）,备用可充电电池（双排）。还需要经过滤波和稳定设备（7805）进行波形调整，送到51单片机。此外，电机的驱动电压只要不超过上限就好，所以可以用7.2V的输出直接与L293D相连。实际上，这种电池的获得十分容易，而且可以多次利用，经济性好。方案三：使用常用的一次干电池进行能量供应。这里选择4段5号通用电池，大约电压为6V,所以仍然需要进行电压调整和稳定，选择7805进行调压。然而，干电池的放点能力会随着时间而减弱，所以其电流或许会不稳定，而且电压也会下滑明显，需要实时监控调整，对稳压器的要求也提高了。所以该方案无论是时间复杂度还是操作复杂度都很高，性价比低。综合来看，选择方案二作为小车电源模块，经济实惠。2.2.3 电动机的选择方案一：使用直流电机驱动。由于该电机的驱动力矩比较强，还很灵敏，占地面积小，又轻便，可以很好满足小车的要求。其调节运行速度的水平也很高，能实现平稳变速。电机的壳体和齿轮材料可以保证高耐冲击性（低电压水平），并且实现启停以及反时针旋转的功能,对于小汽车多方位的运动提供支持。此外,这种电机的价格也很便宜。方案二:使用步进电机驱动。所谓步进，指的是脉冲驱动，具体解释，就是输入一个电平改变，则电机就进行角位移的旋转，当然，具体的电机要求的脉冲类型和单位旋转角度有所不同。该种类的电机总体来说还是比较精密的，要求的电压等级在5V以上，可靠性比较好，体型也很轻便，几乎可以做到瞬间的启停。但是，它有一个不利于小车平稳运动的缺点，就是电机本身防抖功能做得不太好，输出得力矩较低，如果要求小车快速前进的话，电机的减速很快，小车可能会有顿挫感，实际上，小车的平稳要求是基本运输车都会有的规定，所以，按照这方面来看，步进电机不适用与本设计。此外，这类电机的价格还贵，不符合经济性要求。总之，因为直流电机的市价便宜、控制简单，因此本设计用方案一。2.2.4 电动机驱动模块的选择方案一：使用阻尼拓扑或者数字信号控制的电平器来改善电机两端的电压，使得小车速度改变得到控制。然而阻尼拓扑的调速分为若干个阶段等级，不能平滑改变，而数字信号控制的器件价格很高，对于外界信号的干扰不能有效辨识，而且，一般来说，电机的阻尼不高，使用阻尼形式的调节器可能会分去更多的电压，不利于效率的提升。方案二：使用开关继电器控制电机的启停和调速。具体来说，就是在电路中按照继电器的控制接线，实现点动或者连动的操作。虽然实现起来很方便，但是继电器会有响应时间久、工作年限少的缺点，而且误触发的可能性也很大。方案三：使用专用的电机驱动芯片。通过同类型的对比，本文选择L293D作为驱动的芯片其内部具有桥式电路对电机进行接线控制。根据要求，L293D提供电能的一侧需要接低电平或者高电压，或者被单片机的接口决定。可以应用于多种电路结构的场合，而且该芯片的输出功率比较大，能够按照多种信号和水平的要求进行不同驱动，而且，芯片具有一定的反馈调节能力，面对高温以及电流超范围的情况，可以做到自动关机。综上，选择方案三的L293D作为本次的设计驱动元件。2.2.5 循迹传感器的选择方案一：使用光敏元件电阻做传感器。顾名思义，该电阻对光线敏感，当应用在小车上时，光敏传感器需要输入的是反射回来的红外光，根据强度改变电阻量,其后转换为电信号反映给单片机，让单片机决定接下来小车的运动方式。如果小车偏离了轨道，那么返回的光束多来自于白色地板，传感器电阻值变大，返回的电流信号变小，单片机的指令需要执行减速或者转向的那个，让小车偏移到黑线所示的区域。但是,小车不能只在暗室进行工作，要考虑自然光的照射，这样对光敏的干扰会加大，所以光敏电阻的方案并不适宜。方案二：使用RPR220型号的光电管。该器件的发射结构是碎化钱材料的红外发光二极管,可以用于专门发射红外线,而同时,其接收红外线的部分则是三极管，三极管采用的是混合型（掺杂型）硅面。也就是说，二极管发光，三极管接受光线并形成电通路，输出相应的电压信息。添加了晶闸管的电路一般比较好操作，精度也可以保证，因此能得到较好的工作效果。总体来说，循迹传感器使用的是RPR220光电对管，精确度高。2. 3系统总体方案确定通过对小车结构组成的各个部分进行分析，并同时考虑经济性和实现的复杂度，本文最终决定使用51开发板（STC89C52）做控制中心，使用直流电机进行驱动，同时选择L293D芯片对于电机的具体操作（启停、反转）进行调节。此外，本文选择的传感器是RPR220光电对管，让小车根据红外光进行路径判断，信息需要经过单片机进行判断和处理，而后实现小车路径的改变。另外,面对障碍物，小车可以采用超声波的手段进行测距，并反馈转向信息，单片机的I/O端口通过输出高低电平以及各自持续的时长来操作电机的启停和速度,若“0”的电平持续时间长，那么小车就应该减速，或者是刹车停止。最终希望实现的功能是自动驾驶和智能避障。整体的系统结构框架图如2.1所示。m、模块,=单片机最小系统模块, 流机直电图2.1智能循迹小车控制系统结构框图第三章硬件系统设计STC89C52开发板包含8位的CMOS结构，携带的RAM和可移除的EEROM都可以为其多样化编程提供便利。其功能是在传统的51基础上进行拓展，添加了新的引脚功能。但是可以做到向下兼容。STC89C52实物图如图3.I所示。2.1 单片机控制模块2.1.1 STC89C52简介STC89C52开发板包含8位的CMOS结构，携带的RAM和可移除的EEROM都可以为其多样化编程提供便利。其功能是在传统的51基础上进行拓展，添加了新的引脚功能。但是可以做到向下兼容。STC89C52实物图如图3.1所示。图3.1单片机实物图STC89C52具体介绍如下：在图3.2中，可以看到该开发板有40个引脚和借考进行插排设计，能支持可接线的外围电路拓展。按照其引脚功能来分，可以分为四组。下面分别说明这些引脚的名称和功能。一二POO POI P02 P03 PO4 1*05 P06 P07P30RXD P311X1) P32/INTO P331NTI P34 IoP35/TIXlX2RESETLZVVPP RQP37 WRP36 ALLPRDGPSEN9X760432 1 2 3 4 S 6 7 X I T-ACAO 945srr*e 3 既一，AAT89C52图3.2STC89C52引脚图1 .电源与地引脚Vcc:电源端，需要接+5V高电平，也可以通过上拉电阻与电源相连。Vss:地接口，是公共端2 .时钟电路引脚Xl和X2分别连接外部的石英片以及补偿电容的一侧，若时钟的提供者非8051,而是外部的钟，则Xl需要接低电平（地），X2接时钟的输入一侧。3. I/O端口引脚本文使用的51开发板有4个总端口，分别其不同的功能。这些端口分别命名为PO以及Pl,P2和P3,各自又有8个引脚，实现不同的作用，实际上，每个引脚按照硬件接线位置的不同，可以选择编码执行不同的复用功能（或分时复用）。第一、PO口：普通的用法就是公共的I/O接口，可以接上拉电阻或者驱动其他的负载元件。另外，其也可以作为总线使用，具体的来说，就是在开发板需要外接缓存时，需要一个总控线，那么这时的PO口就得按时段跳转，执行不同的任务，做数据传输用或者地址总线（低8位）。第二、PI口：普通的用法是做通用的接口，收集或者发出电平信息。而更多的功能体现体现与PO口一致，只是作为总线的高8位地址。第三、P3:除了做普通的I/O端口功能之外，该端口最特别的就是几乎每个引脚都有不同的用法规定，如表3.1所说明。表3.1P3口的特殊功能规定P3口引脚P3口引脚特殊功能说明P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INTO（外部中断O输入）P3.3INTI（外部中断1输入）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5Tl（定时器1的外部输入）P3.6WR（片外数据存储器写选通控制输出）P3.7RD（片外数据存储器读选通控制输出）4. 控制信号引脚PSEN:这里使用的用途是作为储存用。若CPU需要外部的Cache和Flash,则一定是需要该芯片进行脉冲的输入和处理的,接下来就是进行存储元件的选择。当负载过大而超过该引脚驱动能力时，可以在引脚后面先加上驱动芯片，经驱动芯片再对负载实现驱动。ALE/PROG:该引脚有两个功能，其一是地址锁存允许的接口。如果ALE进行的而外部地址的的存取或者程序的读取，那么低地址需要存放到PO,而高位则需要放到Pl端口。使用时具体的方式是分时复用。EA/Vpp:EA决定的是可以对外部的存储器是否可以访问，若其接高电平，且存储器的地址是低于OFFFFH的，那么中央处理器就需要给出取值的命令。若同时满足EA为高电平，而地址高于OFFFFH,单片机就可以开始执行程序。此外，该引脚同时也有VPP的功能，指的是，在编程时，需要给该引脚通高电平的电源，才可以保证其编码可以保存与实现。电源的电压水平一般要求12.5VoRST/VPD:前者的RST引脚需要接入的复位信息,且能控制其执行功能的电压需要是高电压。且当输入的时间在2个时钟周期的时候，才可以完成复位的命令。第二个功能VPD是说，若VCe的引脚不能用了，那么需要把电源给到VPP上面作为应急备用，RAM需要记录数据。保护现场。而起到控制作用的接线还包括P3.6、P3.7的复用作用，来与外部的存储结构执行读或写的操作。3.1.2 单片机最小系统设计AT89C51内部装有可编程的EEPROM以及RAM和ROM等寄存器，可以实现多空间的数据以及程序存取。而单片机的最小系统指的是，可以实现特定功能所需要的最少不见组成。一般有以下的特点：I/O接口线多，存储空间比较小，应用的领域有专门性的趋势。1.时钟电路AT89C51在自己的内部有时钟电路，但是在特殊的场合应用下，还需要外部的源帮助强制执行以及其他多功能的校准。本设计使用的是单片机内部的时钟源，因为比较经济，设计也相应地更加简单。上面说过XI、X2引脚可以用做定时与计数的实现。如今需要用到这两个口进行振荡频率的产生。而且形成的电路还包括电容以便形成谐振。时钟频率需要设计为1.2MHZ直至12MHZ,电容的值可以按照给定值进行，这里不用过多关注，一般都是20OoPF。总体看来，使用的11.059MHZ的频率和30pF的电容器。整个时钟的搭建如图3.3。在设计PCB板的时候，需要考虑石英晶体与电容之间的距离，为了节约时间减少寄生电容的影响，增强电路的精度，这里使用的是NPO电容。2）复位电路复位保证的是发生特殊情况是，电路能通过重启和复盘来避免损失。这里AT89C51的复位是外置的电路。其引脚名称是RST,在各个时钟周期都需要采集信息，得到内部的信息解码以及指令执行原则。一般来说，有上电时的自动3）程序存储器MCS-51具有64kB的可用容量，对于RoM而言，可以分为片外的内部的两种。可以存放数据信息，而且这里的数据可以是关于图像的，因为根据汇编的原理，图像可以转为点阵和数组的形式进行储存，因而可以实现储存的功能。不过，一般来说，51单片机的容量不足以存放大量的图片。另外，MCS-51系列中，其容量一般为4K字节，可用于信息储存的是ROM以及EEPROM,而80C52的空间可以扩容到8k字节，相当于2个51开发板的存储器，更别提还有更多功能的拓展5。3.1.3 核心控制模块设计这里需要注意，设计使用的中心在于单片机的各个组块说明：第一、供电部分。这里需要获得需要的能量动力，是设计的“源:第二、晶振部分。这里主要用于时钟的定位，计数以及定时等等，能够给单片机一个具体的信号，什么时候该做什么。第三、复位电路，用于初始化、重启等，若程序跑错也可以紧急关停进行损耗的规避。第四、下载接口部分。第五、控制部分。是整个设计的指挥中心。端口的设计如图3.5所示：3.2电源模块3.2.1 稳压芯片简介稳压器件本质也是一块IC芯片板，常见的三端稳压集成电路一般都是类似三极管的设计，有专门的导通电压和传输规则。常见的三端稳压集成电路有正电压的lm78XX系列以及负电压的lm79XX系列。图3.6lm7805样品本设计需要双5V电源为整个系统供电，电源模块以芯片LM7805为核心设计成输出+5V直流电压的稳压电源电路。电源需要的部分有：变压器、整流，以及滤波装置，还有稳压的电路这四大板块。据图3.7进行说明：因为三端固定集成稳压电路的使用方便，而且还需要安装足够大的散热器若小功率的条件则不需要用。另外，还应当保留一定的剩余部分，以避开特殊的过热损失。3.2.2 电源稳压模块设计本设计需要双5V电源为整个系统供电，电源模块以芯片LM7805为核心设计成输出+5V直流电压的稳压电源电路。电源需要的部分有：变压器、整流，以及滤波装置，还有稳压的电路这四3. 3电机驱动模块电动机驱动芯片L293D简介1.293D用的桥是H形状的,这里是两个脉宽调制进行的控制,有很多优点，电流也平稳连续。用1片芯片可以同时操作2个电机，实现多功能的运动。由于H桥电路可以很方便的实现电机正反转的驱动因此应用广泛。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整(PWM)。另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上,这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号ENl2、IN1、IN2,其中EN12是使能信号，INI、IN2为电机转动方向控制信号，INI、IN2分别为1,O时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一路I/O口,经反向器74HC14分别接INl和IN2引脚，控制电机的正反转。由于H桥电路可以很方便的实现电机正反转的驱动因此应用广泛。图3.8典型H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。如图3.9和图3.10分别表示的是不同导通情况与电机的转动结果图3. 9 H桥驱动电路正转图3. 10 H桥驱动电路反转此芯片其内部电路就是H桥驱动电路。下图3.11为L293D的引脚图:N,NEPACKAGE(TOPVIEW)1,2EN 1A 1Y HEAT SINK AND / GROUND v2 C21531441351261171089VeCl4A4Y HEAT SINK ANDf GROUND)3Y3A3,4EN图3.11L293D引脚图与一般的直流驱动相比较看来，脉冲、能量和速度本L293D都很突出。按照3.12,用完整的电机进行驱动和调节。图3.12L293D原理图3.1.1 模块设计在本次的设计中，驱动的部分电机是需要依赖单片机的。如表3.2是具体的功能和对应的指令。其中“1”指此I/O口输出高电平，“0”指此I/O口输出低电平。表3.2L293D芯片四个输出口在不同状态下执行的指令OUtl0ut20ut30ut4状态1OO1前行011O后退1O1O左转01O1右转根据如上所示的原理即设计，便可得出如图3.13所示的电路图。图3.13电机驱动模块电路图3.4循迹模块实际上，红外传感器的功能和模块应用十分广泛，抗干扰的水平强，而且发出的信号不易丢失。本次实验具体采用的通信协议是NPC编码，但是设计的复杂程度也相应提升了。具体的接线和原理如3.14所示。图3.14循迹模块电路图根据计划，选择并选择了主动红外跟踪检查方法。这种类型的方法取决于在具有不同目标的不同光谱仪中发送的数据信号的应用，这些光谱仪具有不同的弯曲特性，并且智能汽车可以在道路上安全行驶。在整个过程中持续不断地发送某些特性的红外传感器光源。特有的红外光传感器光源将木地板上的白光灯漫反射，然后将其转换为折射光，并安装在汽车底部的红外自动接收管中;预先设置的灰黑色指导线将消化并吸收特征性的红外光感测光源,这是全自动红外接收器不太可能接受的。根据钥匙模块接收到的数据信号的反馈，完成引导线间距和轿厢正确方向的调整。红外探测器的探测范围也有一定的局限性,一般来讲，不容易超过