基于单片机的简易寻迹机器人设计(毕业论文).doc

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1、目录摘 要IABSTRACTII1.绪论11.1 课题背景11.2 国内外的研究现状分析11.3 课题研究的目的和意义22.系统方案设计32.1 循迹原理32.2 系统总体框图32.3 轨迹检测模块42.3.1传感器模块42.3.2检测放大器方案42.4 MCU控制模块62.5 电机及驱动模块72.5.1转向和动力72.5.2电动机模块72.5.3调速系统82.5.4电机驱动模块92.6 电源模块92.7 显示模块102.8 系统工作原理103.硬件设计113.1 电源模块设计113.1.1 智能车电源设计要点113.1.2 低压差稳压芯片LM2940 简介113.2 单片机最小系统设计123

2、.3 前向通道设计143.4 后向通道设计203.4.1 后向通道简介203.4.2 后轮电机驱动模块设计214.软件设计254.1 系统总体流程图254.2 PWM调速简介以及实现264.3 程序的模块化设计274.3.1 小车循迹原理流程图274.3.2 定时器中断程序流程图294.3.3 部分程序设计305.仿真结果分析及结论335.1 proteus 软件仿真结果335.2 仿真结果分析356.结束语36致 谢37参考文献38附 件39文献综述45摘要 智能车辆作为现代社会的新产物，以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备，智能小车的研究和开

3、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寻迹小车系统，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。该设计重点介绍循迹小车如何解决轨迹检测和路线跟随问题。系统以AT89C51为控制核心，利用定时器T0通过定时器中断产生PWM波形，通过调整占空比控制小车速度和转向。利用红外光电传感器ST188对路面黑色轨迹进行检测，并将路面检测信号反馈给单片机，单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制左右轮电机的转速以调整小车转向，从而使小车能够沿着环形黑色轨迹自动行驶，达到自动寻迹的目的。关键词：80C51单片机、光电检测

4、器、PWM调速、电动小车AbstractIntelligent vehicle is a new product of modern society， and product development based on intelligent vehicle has become a key equipment automation logistics transportation， flexible production organization system， research and development of intelligent vehicle is becoming the fo

5、cus of attention. The design is a simple car auto tracing system based on single-chip microcomputer control， system design mainly includes design， as the scheme of hardware and software design， where each part adopts modular design makes the design principle， readable， easy to modify， extend.The des

6、ign focuses on how to solve the problem of trajectory tracking car detection and route to follow problem. System uses AT89C51 as the control core， using the timer T0 timer interrupt through PWM waveform generation， by adjusting the duty cycle control vehicle speed and steering. For tracing using inf

7、rared photoelectric sensor ST188， and the pavement detection signals back to the SCM， SCM to analysis signal collected， timely control left and right wheel motor speed to adjust the car steering， so that the car can along the ring shaped black trajectory automatically， to achieve the purpose of auto

8、matic tracing.keyword: 80C51 microcontroller， photoelectric detector， PWM speed， electric car1.绪论 1.1课题背景目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆

9、的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备: 1) 计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作。2) 摄像机，用来获得道路图像信息。3) 传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。智能车辆作为移动机器人的一个重要分支正得到越来越多的关注。1.2国内外的研究现状分析智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更

10、高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制其速度，而智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。国外智能车辆的研究历史较长。它的发展历程大体可以分成三个阶段：第一阶段 20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehic

11、le System）。第二阶段 从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目开始在这个领域的探索。在美洲，美国成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC）。在亚洲，日本成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会。第三阶段 从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1Navlab10）的研究，取得了显著的成就。而我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多

12、数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有：1) 中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。2) 南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深课堂上学到的理论知识，更能将理论转化为实际运用，为将来打下

13、坚实的基础。1.3课题研究的目的和意义目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力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程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现循迹功能，还可以扩展自动避障等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核

14、心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。2.系统方案设计按照题目要求，本次设计的系统是利用主控芯片控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行检测，并将检测信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现小车的寻迹前行。设计的首要问题即解决路径检测和小车转向。2.1循迹原理采用与地面颜色有较大差别的线条(例如白色路面上画一条黑色曲线)作引导线，由于不同颜色对光线的反射系数不同，因此可根据反射光的强弱来判断路径是否正确。在该

15、模块中可选用一种简单有效、应用较普遍的检测方法红外探测法1。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，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。正是基于光电传感器对是否接收到反射信号所产生的电压信号原理，经过后续电路处理来判断行车路径是否正确，通过单片机控制系统调节寻迹小车的转向使其能够自动检测到引导线，并沿此引导线移动。2.2系统总体框图根据设计要求，小车系统主要分为以下几个模块: 单片机控制模块、轨迹检测模块、电机驱动模块。系统框架图如图2.

16、1所示电机驱动模块单片机控制模块电机轨迹检测模块小车图2.1 系统框架图单片机控制系统相当于寻迹机器人的大脑，轨迹检测系统相当于寻迹机器人的眼睛，电机系统相当于机器人的腿脚。由轨迹检测系统检测曲线的位置并输出检测信息，对检测信息进行处理后将其输入到控制系统，控制系统根据输入信息进行判断，并根据判断结果输出指令给移动系统，移动系统根据指令驱动寻迹机器人左转、右转、前行等，从而实现寻迹功能。2.3轨迹检测模块根据引导线与路面的反射系数不同，通过以光电传感器为核心的光电检测电路对路面两种颜色进行区分，并将传感器信号转化为不同电平信号，将此电平信号送单片机，由单片机控制转向电机作相应的转向，确保小车沿

17、引导线行驶。2.3.1传感器模块方案一：采用光敏电阻组成光敏传感器。光敏电阻原理简单，使用方便，价格低廉，但受光照强度影响很大，可靠性不高。方案二：采用角度传感器。实用角度传感器来测量车体水平方向和竖直方向的角度，感测到的倾角信号经编码后传感给单片机，由单片机控制电动机的运行。角度传感器灵敏度合适，响应速度好，但使用复杂，价格高昂，且不易购买。方案三：采用光电传感器。光电传感器原理简单，实现方便，价格低廉，可集发射器和接收器于一体。使用这类光电传感器电路简单，工作性能稳定，能完成需要的信号检测功能。考虑到小车和路面的相对位置，本设计选择方案三，采用红外线反射式光电检测电路。选择ST188红外光

18、电传感器，它的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小、工作较稳定、外围电路简单。2.3.2检测放大器方案由于传感器的输出信号很微弱且带有噪音，因此必须先将该信号进行放大整形，整成高低电平形式再供单片机读取，在放大电路上有以下三种方案可供选择：方案一：使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差动放大电路。选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能

19、力。这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。方案三：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较，在UiUr和UiUr两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。而Ui变化经过Ur时，比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。比较器有各种不同的类型。对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。比较器的特点：1

20、)工作在开环或正反馈状态放大、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。2)非线性由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。3)开关特性比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的

21、开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。由于比较器的上述特点，在分析时既不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，也不能象分析运算电路那样去求解输出与输入的函数关系，而应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。但实际集成运放的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的

22、阶跃信号。电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。响应时间越短，响应速度越快。减小比较器响应时间的主要方法有： 尽可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近理想阶跃且幅度足够大。 选用集成电压比较器。 如果选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子进入深饱和区。具体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。如图2.2 电压比较器电路所示：图2.2 电压比较器电路在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我们尝试采用了一种滞回比较器。简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输

23、入信号因受干扰在阈值附近变化，则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。如果用这样的输出电压控制电机或继电器，将出现频繁动作或起停现象。这种情况，通常是不允许的。而滞回比较器则解决了这个问题。滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出电压就不会来回变化。所以抗干扰能力强。但是，滞回比较器毕竟是模拟器件，温度的漂移是它无法消除的。方案四：施密特触发器。综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用数字器件施密特触发器。施密特触发器是双稳态触发器的变形，它有两个稳定状态，触发方式为电平触发，只要外加触发信号的幅值增加到足够

24、大，它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性，但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更强。2.4 MCU控制模块方案一：采用FPGA作为系统的主控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大集成度高，体积小稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，但是适用于大规模实时性要求较高的系统，价格高，编程实现难度大。本系统只需要完成信号检测和电机驱动的控制，逻辑功能简单，对控制器的数据处理能力要求不高，所以不选择此方案。方案二：采用嵌入式系统作为主控制器。嵌入式系统工作频率较高，速度较快，控制能力很强，也有较强的数据处理能力。但价格较高，编

25、程实现难度大。方案三：采用AT89C51单片机作为主控制器。AT89C51是一款低功耗，高性能的8位单片机，片内含有8KB的Flash片内程序存储器，256 Bytes的RAM，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断等。价格便宜，使用方便。编程实现难度低，适合用来实现系统的控制功能。综上分析，本设计使用方案三。2.5电机及驱动模块2.5.1转向和动力方案一：转向和动力分开的电动小车。转向和动力分开的电动小车是将轮胎分为两组，一组与电动机相连输出动力控制小车的行驶；另外一组控制小车的方向。（两组轮胎的前后顺序可调，其影响不大。转向轮可使用单轮。）方案一需电动机和一

26、个转向器。由主控制器分别进行控制，器件和控制程序较多。方案二：转向和动力结合的电动小车。转向和动力结合的电动小车是使用两个独立的电动机各自带动一个轮胎位于两侧，通过两个轮胎速度的改变实现小车的转向。控制所用程序较少，控制器控制起来简单（这种转向方式类似于坦克的转向方式。）为了小车的平衡再装上保持平衡的轮子。综上分析，本设计使用方案二。2.5.2电动机模块为了实现电动小车对行走路径的准确定位和精确测量，有以下两种方案：方案一：采用直流电机。直流电机转动力矩大，响应快速，体积小，重量轻，较大的起动转矩使其有从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。可用变速齿轮改变其速度来达到本系统要求。价格较低

27、。方案二：采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行原件。控制方便，体积小，灵活性和可靠性高，具有瞬时启动和急速停止的优越性，比较适合本系统控制精度高的特点。价格较高。从成本分析，本设计用方案一。选用减速比为1：74 的直流电机，减速后电机的转速为100r/min。若车轮直径为6cm，则小车的最大速度可以达到能够较好的满足系统的要求。2.5.3 调速系统方案一：旋转变流系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向

28、都随着改变，所以旋转变流系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。方案二：静止可控整流器，简称V-M系统。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。方案三：脉

29、宽调速系统。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。可在行进间变速，直道高速，弯道低速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：1) 由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可

30、达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。2) 同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。3) 由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用PWM波进行调速。PWM的产生可通过单片机中的定时器来实现，但是驱动能力有限，因此PWM的输出需通过驱动电路才能驱动电机正常运转。综上，考虑到本设计重在寻迹，且PWM波可由软件直接实现，简单方便，因此本设计选择方案三。2.5.4电机驱动模块

31、方案一：在直流电机中，可用功率管构成驱动电路来驱动电机，如GTR集电极输出型和射极输出性驱动电路。其性能可靠，具有自动保护功能，但是它们都属于不可逆变速控制， 其电流不能反向， 无制动能力， 也不能反向驱动， 电机只能单方向旋转， 因此这种驱动电路受到了很大的限制。方案二：采用集成芯片L298N驱动直流电机。L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片。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；额定功率25W。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；采用标准逻辑电平信号控制；具有

32、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。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。综上分析，本设计选择方案二。2.6 电源模块方案一：利用电池组构成5V电源，直接给系统各部件供电，此电路结构简单成本低，但稳定性不好，电机工作时易产生较大干扰电流窜入控制系统影响系统正常运行。方案二：用电池串联6-8V电压，接后续稳压电路，单片机与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰。在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动

33、直流电机。且这个电源结构简单，价格便宜，容易得到。综上所述，本设计选择方案二。2.7显示模块本系统采用两个颜色不同的的LED灯来显示系统的运行状况，P2.6口接绿灯，P2.7口接红灯。当系统正常运行时，P2.6口输出低电平，P2.7口输出高电平，绿色LED灯亮，红灯熄灭，电机正常运行。当系统出现问题时，P2.6输出高电平，P2.7输出低电平，绿灯熄灭，红灯亮，电机停转，系统须复位后才能正常运行。2.8系统工作原理本次设计利用ST188红外传感器作为路经检测元件，由于传感器输出信号微弱且带有噪音干扰，因此传感器输出接放大电路（施密特触发器）进行滤波整形，将传感器信号转换为稳定的高低电平以供单片机

34、查询。系统上电后，单片机开始不停地扫描与检测电路连接的I/O 口状态。一旦检测到某个I/O 口有信号变化，就执行相应的判断程序，并通过电机驱动LN298N驱动左、右电机。在驱动过程中，单片机采用T0定时计数器，通过来产生PWM波，控制电机转速。当左右电机转速相同时则小车直走，若不同则实现转向功能。小车转向主要通过两不同占空比的PWM波通过驱动电路来控制左右轮电机的转速，由于占空比不同因此两轮转速不同，左轮快则向右转反之则左转从而纠正小车的状态，使之回到预设轨道上。系统原理图如图2.3所示。AT89C51LN289N直流电机晶振复位ST188放大电路电源图2.3 系统原理图3.硬件设计根据各模块

35、方案选择结果，本次设计所涉及到的硬件部分主要包括：1) 电源模块，电源采用干电池接后续稳压电路为各模块独立供电。2) 单片机最小系统模块，使单片机能正常工作。3) 前向通道模块，包括传感器电路和放大电路。4) 后向通道模块，利用单片机通过驱动芯片L298N驱动直流电机。3.1 电源模块设计3.1.1 智能车电源设计要点由于电机在正常工作时对电源的干扰很大， 只用一组电源时会影响单片机的正常工作， 所以选用双电源供电。一组5V 电源给单片机和控制电路供电， 另外一组5V、9V 电源给L298N 的+VSS、+VS供电。电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源设计，且应该主要注意稳压

36、压差和最大输出电流两个指标能否满足设计要求。对于小车来说电源设计应注意两点：1. 与一般的稳压电源不同，小车的电池电压一般在6-8V ，还要考虑在电池损耗的情况下电压的降低，因此常用的78系列稳压芯片不再能够满足要求，因此必须采用低压差的稳压芯片，在本设计中以较为常见的LM2940-5.0 为核心器件。2. 单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，影响单片机的稳定运行。3.1.2 低压差稳压芯片LM2940 简介LM2940 系列是输出电压固定的低压差三端端稳压器；输出电压有5V、8V、10V 多种；最大输出电流1A；输出电流1A 时，最小输入输出电压差小于0.8V；最

37、大输入电压26V；工作温度-40+125；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。同时LM2940 价格适中而且较容易购买，非常适合在本设计中使用。LM2940-5.0 封装和实物图如图3.1 所示。图3.1 LM2940 封装和实物图从封装可以看出LM2940-5.0 与78 系列完全相同，实际应用中电路也大同小异。图3.2 为参考电路图。图 3.2 LM2940 参考电路图如图3.2 所示，采用两路供电，这样可以使用其中一路单独为单片机，指示灯等供电。另外一路提供L298N、光电管工作电压。3.2单片机最小系统设计AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机

38、，因此，这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用89C51单片机构成最小应用系统4时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可2。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：有可供用户使用的大量I/O口线，内部存储器容量有限，应用系统开发具有特殊性。1) 时钟电路AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89C51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并

39、联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值。所以本设计中，振荡晶体选择11.0592MHZ，电容选择30pF。在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。2) 复位电路AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过在每个机器周期的对复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容

40、充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF，R取10K。控制器模块如图3.3所示。图3.3 51 单片机最小系统除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路见图3.4。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF，Rs取200，RK取1K。图3.4 80C51复位电路3) 程序存储器MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，可以分为片内ROM空间和片外ROM空间，主要用于存放程序（可执行的二进

41、制代码映像文件，包括程序中的数据信息）以及初始化代码等软件。在MCS-51系列中，8051/89C51片内分别驻留最低地址空间的4KB的ROM/EPROM，而8031则无内部程序存储器，需要外部扩展EPROM6。80C52内部驻留最低地址空间的8KB ROM，8032无内部程序存储器，也需要外部扩展EPROM5。MCS-51系列的程序计数器PC是16位的寄存器，它具有64KB的寻址能力。在使用逻辑地址寻址程序存储器时，不分内部和外部，CPU会自动按指定地址去片内或片外读取程序的指令代码。但是MCS-51不会把程序的执行从程序存储器地址空间转移到数据存储器地址空间，它不提供这种转移指令5。3.3

42、 前向通道设计单片机用于测控系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道5。因此，前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。1) 前向通道的含义当将单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件，这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物

43、理量，如温度、压力、载荷、位移等，而计算机是一个数字电路系统。因此，在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路，故也可称为传感器接口通道7。在单片机应用系统中，对信号输入、传感、变换应作广义理解，例如开关量的检测及信号输入，在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道就是一

44、个具有TTL电平的状态开关，如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。并不是所有单片机应用系统都有前向通道，例如时序控制系统，只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态；分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。这些应用系统没有被测对象，故不需要前向通道。2) 前向通道的设计本设计采用ST188红外传感器作为探测行车路径的检测元件。红外线传感器采用反射接收原理，一个红外线传感器配置了一个红外线发接受器、一个红外线接受器及其上拉电阻。其应用电路如图3.5所示。红外线发射器通电后不断会发射

45、一定强度的红外线照射物体。红外线接收器在接受到一定强度的红外线会后导通。如图通过在红外线的正极接出一个信号来观察红外线接收器是否导通。当红外线接收器导通时，输出信号为0；反之则为1。红外线在不同颜色的物体上反射程度是不同的，当红外线传感器在黑色物体时，黑色物体吸收大量红外线，反射少量红外线，红外线接收其不足以导通，输出信号为1。当红外线传感器在白色物体上时，白色物体吸收的红外线少，反射的红外线少，红外线接收器导通，输出信号为0。因此本设计采用红外线传感器模块与有黑线的路面组合使用。图3.5 红外线传感器的应用电路3) 红外传感器ST188简介ST188含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块

46、（光敏三极管），实物如图3.6。通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。A、K之间接发光二极管，C、E之间接光敏三极管（二者在电路中均正接，但要串联一定阻值的电阻），其特点如下： 采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 检测距离：4-13mm。图3.6 ST188实物图 光电特性如表3-1：（Ta=25）表3-1：ST188光电特性（Ta=25）项目符号测试条件最小典型最大单位输入正向压降VFIF=20mA-1.251.5V反向电流IRVR=3V-10uA输出集电极暗电流IceoVce=20V-1uA集电极亮电流ILVce=15VIF=8mAL30.30-mAL40.40-mAL50.50-mA饱和压降VceIF=8mA，Ic=0.15mA-0.4V传输特性响应时间TrIF=200mA，Vce=5VRc=100-10-usTf-10-us4) 传感器的安装在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。这4个红外探头的具体位置如图3.7所示：左X2左X1右Y1右Y2右