畢業(yè)設計紅外線避障小車的設計

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1、摘 要 隨著生產自動化的發(fā)展需要，機器人已經越來越廣泛地應用到生產自動化上，隨著科學技術的發(fā)展，機器人的傳感器種類也越來越多，其中紅外傳感器已經成為自動行走和駕駛的重要部件。 紅外的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，機器人要實現(xiàn)自動避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相當給機器人一個視覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實現(xiàn)前方障礙物檢測，并判斷障礙物遠近。 由于時間和水平有限，我們暫選最基本的避障功能作為此次設計的目標。 本設計通過小車這個載體再結合由AT89S51為核心的控制板可以達到其基本功能，再輔加由漫反射式光電開關組成的避障電路、555組成的轉速控制電路

2、、電源電路、差分驅動電路就可以完善整個設計。 關鍵詞：避障 光電開關 紅外線漫反射 差分控制 Infrared obstacle avoidance car Abstract With the development needs of the production automation, robots have been more and more widely applied to the automation of production, with the development of

3、 science and technology, the robot more and more types of sensors, including infrared sensors has become an important component of the automatic walking and driving . Infrared Typical applications for autonomous intelligent navigation systems, robotics to achieve automatic obstacle avoidance must b

4、e perceived obstacles, perceived obstacles to the robot quite a visual function. Intelligent obstacle avoidance system based on infrared sensor, infrared sensor front obstacle detection and determine the obstacle distance. Due to the limited time and the level of our most basic obstacle avoidance t

5、emporary as the design goal. Design by car carrier recombination by AT89S51 as the core of the control panel can achieve its basic functions, supplemented plus diffuse photoelectric switch obstacle avoidance circuit 555 comprising a speed control circuit, power circuit, a differential drive circuit

6、. You can improve the entire design. Keywords: obstacle avoidance photoelectric switch infrared diffuse reflectance differential control 目 錄 前 言 1 第1章 課題研究價值 2 第1.1節(jié) 選題背景 2 第2章 課題設計 3 第2.1節(jié) 設計要求 3 第2.2節(jié) 總體設計 3 第3章 方案論證 5 第3.1節(jié) 單片機選擇論證 5 第3.2節(jié) 傳感器設計方

7、案 5 第3.3節(jié) 控制算法設計方案 6 第4章 智能小車硬件設計 8 第4.1節(jié) 智能小車硬件分配 8 第4.2節(jié) AT89S51單片機簡介 11 第4.3節(jié) 電路設計 14 第5章 智能小車軟件設計 20 第5.1節(jié) 總體流程圖 20 第5.2節(jié) 最少拍控制算法 22 第6章 開發(fā)流程 25 第6.1節(jié) 編譯環(huán)境 25 第6.2節(jié) 下載調試 27 第6.3節(jié) 單片機的I/O分配 28 結 論 29 附 錄A 30 附 錄B 34 附 錄C 35 參考文獻 39 致 謝 40

8、 前 言 隨著生產自動化的發(fā)展需要，機器人已經越來越廣泛地應用到生產自動化上，隨著科學技術的發(fā)展，機器人的傳感器種類也越來越多，其中紅外傳感器已經成為自動行走和駕駛的重要部件。 紅外的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，機器人要實現(xiàn)自動避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相當給機器人一個視覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實現(xiàn)前方障礙物檢測，并判斷障礙物遠近。 由于時間和水平有限，我們暫選最基本的避障功能作為此次設計的目標。 本設計通過小車這個載體再結合由AT89S51為核心的控制板可以達到其基本功能，

9、再輔加由漫反射式光電開關組成的避障電路、555組成的轉速控制電路、電源電路、差分驅動電路就可以完善整個設計。 第1章 課題研究價值 第1.1節(jié) 選題背景 國內外隨著計算機技術，控制技術，信息技術的快速發(fā)展，工業(yè)的生產和管理進入了自動化，信息化和智能化的時代，智能化已經成為時代發(fā)展的需要。第三代單片機包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,還包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujuts

10、u﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色﹑與80C51兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任，將一些外部接口功能單元如A/D﹑PWM﹑PCA(可編程計數器陣列)﹑WDT(監(jiān)視定時器)﹑高速I/O口﹑計數器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機80C51系列8ｘC592單片機引入了具有較強功能的設備間網絡系統(tǒng)總線----CAN(Contr

11、oller Area Network BUS).新一代單片機為外部提供了相當完善的總線結構，為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎。該項目可以應用于機車頭自動尋跡，工廠自動化，倉庫管理，可提高勞動生產效率，改善勞動環(huán)境。在柔性自動化生產線，智能倉庫管理及物流配送等領域，當生產環(huán)境惡劣時，工人不能完成的任務如物料運輸和裝卸等，可采用智能尋跡小車完成相應的任務?；谏a現(xiàn)場和日常生活的實際需要，研究和開發(fā)智能尋跡小車系統(tǒng)具有十分重要的意義。 第2章 課題設計 第2.1節(jié) 設計要求 在本次設計中，要求所設計的小車具有自動避障的功能，能在紅外探頭探測到前方有障礙物的時候先進行后退大約

12、2秒再進行向左轉180度角，第二次探測到前方障礙物的時候再后退大約2秒再進行向右轉180度角，這樣循環(huán)下去。很明顯，我要設計的小車是要能遇見障礙物自動窺探到障礙物并立即倒退和轉動方向重新行駛，當然小車行駛速度不會有太大的變化。 第2.2節(jié) 總體設計 單片機 AT89S51 指示燈 紅外發(fā)射 紅外接收 電機驅 器 電機M1 電機M2 紅外發(fā)射 紅外接收 紅外接收 紅外發(fā)射 圖2.1 系統(tǒng)框架圖說明 智能避障小車能避障主要是由前方的兩對紅外發(fā)射與接收探頭來完成的。根據光有反射的特性。所以說當

13、紅外發(fā)射出來的光線遇到物體時，就會形成反射的光線，而這個經反射的紅外光線剛好被紅外接收探頭接收到。當紅外接收探頭接收到信號后，再將信號送到單片機由單片機內部程序來控制電機，由電機完成小車的前進，轉向。 第3章 方案論證 第3.1節(jié) 單片機選擇論證 在單片機選擇提供兩種選擇一種是8031另一種是AT89S51。 選用8031單片機系統(tǒng) 8031單片機內不帶程序存儲器ROM，使用時用戶需外接程序存儲器8255和一片2764，來進行擴展。電路復雜。選用AT89S51單片機系統(tǒng)AT89S51里有4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用

14、戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。不用擴展外部存儲器。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。 由此可見選用AT89S51單片機。 第3.2節(jié) 傳感器設計方案 在傳感器方案的選擇中，有以下兩種方案供參考： 方案一：使用CCD傳感器來采集路面信息。使用CCD傳感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進行較遠距離的預測和識別圖像復雜的路面而且抗干擾能力強。但是對于本項目來說，使用CCD傳感器也有其不足之處。首先使用CCD傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進行大量數據的存儲和計算。因為是以實現(xiàn)小車視覺為目的，實現(xiàn)起來工作量較大，電路復雜。

15、 方案二：使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點就是結構簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，免去了復雜的圖像處理工作，反應靈敏，響應時間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測距離有限，而且容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其造成干擾。 經過綜合考慮，在本設計中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。 第3.3節(jié) 控制算法設計方案 在小車的運行中，主要有方向和速度的控制，即舵機和電機的控制，這兩個控制是系統(tǒng)軟件的核心操作，對小車的性能有著決定

16、性的作用。 對電機的控制，要達到的目的就是：在任何情況下，總能給電機一個合適的高低電壓，保證小車能始終遇見障礙物時可以隨時轉動運行的方向。在電機的控制方案中，有以下兩種方案可供選擇： 方案一：比例控制 這種控制方法就是在檢測到車體偏離的信息時給小車一個預置的反向偏移量，讓其回到跑道。比例算法簡單有效，參數容易調整，算法實現(xiàn)簡單，不需要復雜的數字計算。在實際應用中，由于傳感器的個數與布局方式的限制，其控制量的輸出是一個離散值，不能對舵機進行精確地控制，容易引起舵機左右搖擺，造成小車行駛過程中的振蕩，而且其收斂速度也有限。 方案二PID控制 PID控制在比例控制的基礎上加入了積分和微分控

17、制，可以抑制振蕩，加快收斂速度，調節(jié)適當的參數可以有效地解決方案一的不足。不過P，I，D三個參數的設定較難，需要不斷的進行調試，憑經驗來設定，因此其適應性較差。 方案三：最少拍控制 最少拍設計，是指系統(tǒng)在典型輸入信號（如階躍信號，速度信號，加速度信號等）作用下，經過最少拍（有限拍），使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。所以，最少拍控制系統(tǒng)，也稱最少拍無差系統(tǒng)，最少拍隨動系統(tǒng)，實質上是時間最優(yōu)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能指標就是系統(tǒng)的調節(jié)時間最短或盡可能短?？梢钥闯鱿到y(tǒng)對閉環(huán)脈沖傳遞函數的要求是快速性和準確性。也就是說讓小車在行駛出跑道后，能在最短的時間內回到跑道上。最少拍控制系統(tǒng)的設計與被控對象的零極位置有

18、很密切的關系。 在本次設計中小車只要求按照跑道行駛，跑道簡單。能有快速性，準確性的反應就可以，經過綜合考慮后，采用最少拍控制。 第4章 智能小車硬件設計 第4.1節(jié) 智能小車硬件分配 本設計的小車硬件設計分為兩部分，一部分是機械設計，一部分是電路設計。機械設計主要是對小車的機械部件進行選件與組裝。電路設計是對核心單片機、還有復位操作方式、晶振頻率、傳感器電路設計、電源管理模塊、驅動模塊進行介紹。組裝注意事項請看附錄B 4.1.1 機械部分材料清單 材料清單分為：電

19、動機芯裝配材料清單與小車裝配清單 表4.1 電動機芯裝配材料清單 序號 名稱 規(guī)格 1 電機 131U=6V10000轉/分 2 蝸桿 M=0.5 Z=1 3 二牙軸 Φ2*18 4 二牙片 M=0.5Z=10/20 5 三牙軸 2.5*2.5*68方軸 6 三牙片 M=0.5 Z=12/38方孔 7 電機夾板A 8 四牙軸 2.5*2.5*z8方軸 9 四牙片 M=0.5 Z=42方孔 10 電機夾板B 11 自攻螺絲 M2.5*8 12 機制螺絲 M3*30 表4.2 小車裝配清單 序號

20、 名稱 規(guī)格 數量 1 底板 1 2 機制螺絲 M38 4對 3 機芯 2 4 后輪 2 5 開關 1 6 機制螺絲 M28 2對 7 雙聯(lián)極片 3 8 前輪 2 9 前輪架 2 10 單聯(lián)極片 2 11 機制螺絲 M38 4對 12 前輪軸 Φ3118 1 13 前輪固定圈 2 4.1.2電路板硬件材料清單 表4.3 材料清單 位號 名稱 備注 位號 名稱 備注 M1 電機1接線座 SIU1 LED數碼管 M2 電機2接線座

21、 IR1 紅外接收頭 X1 前端探測板接線座 RX1 10K排阻 DC 電源接線座 Z1 11.0592晶振 R1 15K IC1 AT89S51 R2 220 IC2 MAX232CPE R3 150K IC3 LG911集成電路 R4 1M IC4 LG911集成電路 R5 47K C1 10uF/16v R6 560 C2 104 R7 560 C3 104 R8 560 C4 104 R9 560 C5 1

22、0uF/16v R10 560 C6 10uF/16v R11 560 C7 30PF R12 560 C8 30PF R13 560 C9 104 R14 220 C10 10uF/16v R15 10K C11 10uF/16v R16 560 C12 10uF/16v R17 10K C13 10uF/16v R18 560 D1-D8 紅色發(fā)光二極管 R19 560 D9 綠色發(fā)光二極管 R20 560 S1 按

23、鍵開關 R21 560 S2 按鍵開關 R22 560 S3 開關 R23 560 COM1 9針串行端口 R24 560 D1-D2 LED發(fā)光二極管 前板用 R25 10K V1 紅外發(fā)射頭 前板用 R26 560 V2 紅外接收頭 前板用 RL1 光敏電阻 V3 紅外發(fā)射頭 前板用 SB1 蜂鳴器 V4 紅外接收頭 前板用 B1 話筒 V5 紅外接收頭 前板用 R1 220 前板用 V6 紅外發(fā)射頭 前板用 R2 220 前板用 R3

24、 560 前板用 R4 15K 前板用 R5 15K 前板用 R6 220 前板用 R7 560 前板用 R8 15K 前板用 COM數據線 第4.2節(jié) AT89S51單片機簡介 AT89S51作為本設計的核心芯片如圖所示3-1，是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP F

25、lash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。以下是詳細介紹。 圖4.1 AT89S51 4.2.1 AT89S51單片機的硬件結構 AT89S51單片機系列的存儲器用的是哈佛結構，即將程序和數據存儲器截然分開，程序存儲器和數據存儲器各有自己的尋址方式、尋址空間和控制系統(tǒng)。AT89S51的存儲器可分為五類：程序存儲器，內部數據存儲器，特殊功能寄存器，位地址空間，外部數據存儲器。 4.2.2 AT89S51單片機管腳簡介 AT89S51有40引腳雙列直插（DIP）、44引腳（PLCC）、44引腳（TQFP）封裝形式。AT

26、89S51的引腳功能如圖3-2所示。AT89S51系列單片機采用了CMOS技術制造，它集成度高、速度快、功耗低。 4.2.3 AT89S51單片機的內部存儲結構 AT89S51單片機片內總體結構的詳細框圖如圖3-3所示，主要由9個部分組成，分別是：1個8位中央處理器；4KBFlash存儲器；128B的數據存儲器；32條I/O接口線（P0、P1、P2、P3）；2個定時/計數器；1個具有6個中斷源、4個優(yōu)先級的中斷嵌套結構；用于多處理機通信、I/O擴展或全雙工UART的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；1個片內振蕩器和時鐘電路。 圖4.2 40引腳雙列直插（DIP）封裝 圖

27、4.3 AT89S51單片機片內總體結構圖 第4.3節(jié) 電路設計 在本設計中電路設計非常重要包括復位操作方式、晶振頻率、傳感器電路設計、電源管理模塊、驅動模塊的設計。這些電路設計都以簡單、使用為原則進行設計。其中復位電路、晶振電路和電源構成了單片機的最小系統(tǒng)。下面是詳細介紹。 4.3.1復位操作方式 復位是單片機的初始化操作，其主要功能是PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化外，由于程序運行時出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為使單片機正常工作，也需按復位鍵以從新啟動。除PC之外，復位操作還對其它特殊功能寄存器有影

28、響。復位操作還對單片機的個別引腳信號有影響。它們的復位狀態(tài)見附錄表例如；在復位期間ALE和PSEN信號變?yōu)闊o效狀態(tài)，即ALE=1，PSEN=1。 (1) 復位信號及其產生 RST引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩脈沖周期（即兩個機器周期）以上。若使用頻率為6MHZ的晶振，則復位信號持續(xù)時間應超過4微秒才能完成復位操作。 整個復位電路包括芯片內、外兩部分。外部電路產生的復位信號（RST）送施密特觸發(fā)器，再由片內復位電路在每個機器周期的S5P2時刻對施密特觸發(fā)器的輸出進行采樣，然后才得到內部復位操作所需要的信號。 (2) 復位操作方式 復位操作有上電

29、自動復位、按鍵電平復位、外部脈沖復位和自動復位四種方式。 圖4.4 AT89S51復位電路 本次設計采用的是上電復位，上電復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的，只要電源VCC的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復位初始化。 4.3.2晶振頻率 晶振電路是單片機不可缺少的，這種電路是單片機內部振蕩電路，由只需要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳邊接一個晶體振蕩器或一個陶瓷振蕩器，并通過兩個電容后接地即可， XTAL1 和XTAL2分別為單片機片內反相器的輸入和輸出端口，因為單片機內部工作 需要時鐘，產生機器周期，振蕩電容一般選取10-30PF

30、，振蕩電路的頻率要滿足單片機的工作頻率要求，單片機才能正常工作。如圖4.5所示。 圖4.5晶振的應用原理圖 4.3.3傳感器電路設計 尋跡傳感器模塊的設計是整個智能小車設計中最重要的一部分，其作用相當于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并將其送入單片機進行數據處理，其能否正常工作直接影響著小車隊路面的判斷以及小車下一步的行動，因而其布局的合理性與有效對小車穩(wěn)定而又快速的行駛起著關鍵的作用。我們認為在傳感器的布局中，要解決兩個問題：信息檢測的精確度和信息檢測的前沿性。 （1）本設計中選用的傳感器如圖3-6所示，白色為：紅外發(fā)射探頭（連續(xù)的發(fā)射紅外光線）。黑色為：紅外接收探

31、頭（接收反射回來的紅外光線） 圖4.6 紅外發(fā)射管與紅外接收探頭 本設計中安裝了三組（也可兩組）紅外探頭，排成三角形。 傳感器電路圖如圖所示4.7 詳細全圖見附錄 圖4.7紅外發(fā)射與接收探頭相關的匹配電阻 220電阻：紅外發(fā)射器的降壓與限流電阻（完成對紅外發(fā)射器的保護）。因為單片機的電源是5V，流過放光二極管的電流小于20MA，放光二極管的管壓降為1.7V~2V。所以根據單片機電源減去二極管管壓降除以流過二極管電流，就可以得到所需要的電阻。 15K電阻：紅外接收探器的光信號變電信號電阻（完成將反射回來的光信號）。15K的電阻選擇是隨意選擇的，也可以選擇10K，20K。因

32、為紅外接收探頭在工作時，就相當于一個開關，所以電阻是隨意的。 紅外發(fā)射與紅外接收器 V1紅外發(fā)射器：主要完成紅外線的發(fā)射 V2紅外接收器：主要完成將反射回來的紅外光線接收到后再由電阻轉換為電信號。 （3）避障小車的避障原理 避障小車之所以能夠避障，主要是由前方的兩對紅外發(fā)射與接收探頭來完成的。我們知道光有反射的特性。所以說當前方的紅外發(fā)射出來的光線遇到物體時，就會形成反射的光線，而這個經反射的紅外光線剛好被紅外接收探頭接收到。當紅外接收探頭接收到信號后，再將信號送到單片機由單片機內部的程序來控制小車的運行情況。那么如何知道是如何有障礙物呢？原來紅外光線有一個反射特性。但對于不用的物體

33、反射特性是不一樣的，特別是對白色反光的物體，紅外光線的反射量將會多一點。而沒有明顯障礙物，紅外反射量將會大量的減少。那么我們就可以利用這個特性來完成障礙物的判斷。通過電路的合理安裝，可以將這種接收到的紅外光線變化量轉換為電壓值傳送到單片機中。返回的電壓值為低電平，而單片機就可以進行各種智能化控制了。例如，完成避障的轉動功能，還有倒車停車的功能。 4.3.4驅動模塊 直流電機的控制一般由單片機的PWM信號來完成，因為單片機產生的信號很小，所以采用電機驅動芯片L9110驅動器。電路圖示見4.7，器件管腳圖見4.8，管腳定義見表4.1 圖4.8 驅動芯片使用電路 圖4.9 器件管腳圖

34、 表4.1 引腳說明 圖4.10管腳波形圖 描述：L9110是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性;兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過750~800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.5~2.0A；同時它具有較低的輸出飽和壓降；內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，使它在驅動繼電器、直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠。 4.3.5電源管理模塊 方案1：采

35、用交流電經直流穩(wěn)壓處理后供電 采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，電流驅動能力及電壓穩(wěn)定性最好，且負載對電源影響也最小。但由于需要電線對小車供電，極大影響了避障小車行動的靈活性及地形的適應能力。而且避障小車極易把拖在地上的電線識別為障礙物，人為增加了不必要的障礙。故放棄了這一方案。 方案2：采用干電池組進行供電 采用四節(jié)干電池降壓至5V后給單片機及其他邏輯單元供電，。這樣電機啟動及制動時的短暫電壓干擾不會影響到邏輯單元和單片機的工作。所以采取此方案。 第5章 智能小車軟件設計 第5.1節(jié) 總體流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 執(zhí)行主程序小車前進 電機模式選擇 電機左

36、轉 電機反轉 電機右轉 N 遇見障礙 物否 控制算法 控制算法 控制算法 遇見障礙否 遇見障礙否 遇見障礙否 N N Y N Y Y Y 流程圖說明：首先開始啟動，進入系統(tǒng)初始化定義引腳，執(zhí)行主程序小車前進。根據小車的指示燈來判斷小車的運行情況。如果小車遇見障礙物，會給單片機一個低電平信號進入電機模式選擇，例如：小車遇見障礙物，傳感器開始掃描，當紅外接受探頭接受到紅外光線，給單片機底電平信號，這時經過單片機內部程序的處理設置合理的托退和轉動時間函數，同時電

37、機后退加轉動。直到小車跑回沒有障礙物的軌道，正常前進。反復的重復這樣的動作就可以實現(xiàn)一直蔽障的功能。 第5.2節(jié) 最少拍控制算法 最少拍設計，是指系統(tǒng)在典型輸入信號（如階躍信號，速度信號，加速度信號等）作用下，經過最少拍（有限拍），使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。所以，最少拍控制系統(tǒng)，也稱最少拍無差系統(tǒng)，最少拍隨動系統(tǒng)，實質上是時間最優(yōu)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能指標就是系統(tǒng)的調節(jié)時間最短或盡可能短?？梢钥闯鱿到y(tǒng)對閉環(huán)脈沖傳遞函數的要求是快速性和準確性。也就是說讓小車在遇見障礙物后，能在最短的時間內躲開障礙物。最少拍控制系統(tǒng)的設計與被控對象的零極位置有很密切的關系。下面先從簡單情形開始介紹最少

38、拍控制器的設計。 對最小拍控制系統(tǒng)設計的要求是： （1）調節(jié)時間最短，即系統(tǒng)跟蹤輸入信號所需的采樣周期數最少； （2）在采樣點處無靜差，即對特定的參考輸入信號，在達到穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)在采樣點能精確實現(xiàn)對輸入信號的跟蹤； （3）設計出來的數字控制器必須是物理上可以實現(xiàn)的； （4）閉環(huán)系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。 最小拍閉環(huán)脈沖傳遞函數的確定 首先根據對控制系統(tǒng)性能指標的要求和其他約束條件，構造系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數。最小拍控制系統(tǒng)的設計要求是對特定的參考輸入信號，在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)在采樣點處靜差為零。根據此約束條件可以構造出系統(tǒng)的誤差脈沖傳遞函數。典型計算機控制系統(tǒng)結構圖如圖4-1所示

39、。 其中，GP(S)為被控對象H0（S）為零階保持器，D(Z)即為待設計的最少拍控制器。 D（z） H0(S) GP(S) 最少拍控制器 零階保持器 被控對象 R(S) T E(z) T Y(S) T Y(z) 圖5.1最少拍隨動系統(tǒng)框圖 由離散控制理論，最少拍控制系統(tǒng)的誤差脈沖傳遞函數 Φe（z）= =1－Φ（z） （5.1） = 系統(tǒng)偏差為：E(Z)= Φe（z）R(Z) 一般控制系統(tǒng)有三種典型輸入形式： （1）單位階躍輸入：r(t)=1R(Z)= （5.

40、2） （2）單位速度輸入：r(t)=tR(Z)= （5.3） （3）單位加速度輸入：r(t)= t2R(Z)= （5.4） 在本設計中采用單位階躍輸入，被控對象為直流電機，零階保持器傳遞函數已知。只要查出直流電機傳遞函數就可以求得最少拍控制器D(Z)。根據圖4-1求得方法如下。 最小拍控制器D(Z)的確定 由離散控制系統(tǒng)理論，可以求出圖4-1所示的計算機控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數為：Φ(Z)= （5.5） 由此可以得到數字控制器為 D(Z)= （5.6） 或D(Z)= （5.7）

41、 第6章 開發(fā)流程 開發(fā)流程是在硬件設計與軟件設計的基礎上展開的，主要是把硬件與軟件結合起來。經過編譯、環(huán)境下載調試、單片機資源劃分。 第6.1節(jié) 編譯環(huán)境 一．Keil C51 介紹 KeilC51 mVision2集成開發(fā)環(huán)境是KeiSoftwre，lnc/KeilElektronikGmbH開發(fā)的基于80C51內核的微處理器軟件開發(fā)平臺，內以多種符合當前工業(yè)標準的開發(fā)工具，可以完成從工和建立、管理，編譯，連接，目標代碼的生成，軟件訪真，硬件訪真等完整的開發(fā)流和。尤其C編譯工具在產生代碼的準確性和效率性達到了較高的水平，而可以附加靈活的控制選項。Ke

42、ilC51集成開發(fā)環(huán)境的主要環(huán)境的主要功能是以下幾點： （1）mVision2 for WindowsTM：是一個集成開發(fā)環(huán)境，它將項目管理，源代碼編輯和程序調試等組合在一個功能強大的Z1環(huán)境中。 （2）C51國際標準優(yōu)化C交叉編譯器：從C源代碼產生可重定位的口標模塊。 （3）A51宏匯編器：從80C51匯編冤代碼產生可重定位的口標模塊。 （4）BL51連接/定位器：組合由C51和A51產生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊。 （5）LIB51庫管理器：從口際模塊生成連接器可以使用的庫文件。 （6）OH51目標文件至HEX格式的轉換器：從絕對目標模塊生成IntelHEX

43、文件。 （7） RTX-51實時操作系統(tǒng)：簡化了復雜的實時應用軟件項口的設計。 這個工具套件足為專業(yè)軟件開發(fā)人員設計的，但任何層次的編程人員都可以使用，并獲得80C51微控制器的部分應用。 二．Keil C51 集成工具和用途 mVision2支持所有的Keil80C51的工具軟件，包括C51編譯器、宏匯編器、連接器/定位器和目標文件至Hex格式轉換器，mVision2可以自動完成便宜、匯編、連接程序的操作。 （1）C51便宜器和ASI匯編器 由mVision21DE創(chuàng)建的潭文件，可以被C51便宜器或A51匯編器處理，生成可重定位的object文件。KeilC51以直接支持8

44、0C51結構的特性。KeilA51宏匯編器支持80C51及其派聲系列的怕有指令集。 （2）LIB51庫管理器 BL51庫管理器可以從由匯編器和便宜器創(chuàng)建的目標文件建立目標庫。這些庫是按規(guī)定格式排列的目標模塊，可在以后被連接器所使用。當連接器處理一個庫時，僅僅使用了庫中程序使用的目標模塊而不是全部加以引用。 （3）BLSI連接器/定位器 BL51連接器使用從庫中提取出來的目標模塊和便宜器，匯編器生成的目標模塊，創(chuàng)建一個絕對地址目標模塊。絕對地址目標文件或模塊包括不可重定位的代碼和數據，所有的代碼和數據都被個在具體的存儲器單元中。 （4）mVision2軟件調試器

45、 mVision2軟件調試器能十分理想地進行快速，可靠的程序調節(jié)，調試器包括一個同速模擬器，您可以使用它模擬整個80C50系統(tǒng)，包括片上外圍器件和外部器件，當您從器件數據庫選擇時，這個器件的屬性會被自動配置。 （5）mVision2硬件調試器 mVision2調試器響您提供廠幾種在實際目標硬件上測試程序的方法。按MON51目標監(jiān)控器到您的目標系統(tǒng)，并通過monitor-51接口下在你的程序，使用高級GDI接口，將mVision2調試同類似于DP-51S單片機仿真實驗儀或者TKS系列仿真器的硬件系統(tǒng)相連接，通過mVision2的人機交互環(huán)境指揮連接的硬件完成仿真操作。 （6）RT

46、X51實時操作系統(tǒng) RTX51實時操作系統(tǒng)是針對80C51微控制器系列的一個多任務內核。RTX51實時內核簡化廠需要對實時事件進行反應的復雜應用的系統(tǒng)設計、編程和調試。這個內核完全集成在C51編譯器中，使用非常簡單，任務描述表和操作系統(tǒng)的統(tǒng)一性由BL51連接器/定位器自動進行控制。 此外Vision2還只有極強的軟件環(huán)境，友好的操作界面和簡單快捷的操作方法，主要表現(xiàn)在以下幾點： （1）豐富的菜單欄； （2）可以快色選擇命令按鈕的工具欄； （3）一些源代碼文件窗口； （4）對話框窗口； （5）直觀明了的信息顯示窗口。 第6.2節(jié) 下載調試 下載調試工具

47、有很多，本次設計用的下載器為STC_ISP_V483，這類下載器兼容AT，STC系列的單片機下載程序。下面詳細介紹下載過程。 首先在下載之前必須在Keil C51中生成可下載文件 .HEX與.BIN 文件。 打開下載器主界面如圖5-1 步驟一：Select Mcu Type選擇單片機型號 步驟二：Open File 打開文件（Keil C51中生成可下載文件 .HEX與.BIN 文件） 步驟三：Select COM Port,Max Baud/選擇串行口，最高波特率 步驟四：設置本框和右下方‘選項’中的選項 步驟五：下載 注意：在步驟三中選擇正確的COM口，特別注意的是步驟五先

48、點擊下載，再給單片機上電，這是單片機的冷啟動。 第6.3節(jié) 單片機的I/O分配 以AT89S51為主芯片如圖5-2。40腳的DIP封裝使它擁有32個完全IO端口，通過這些端口加以信號輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完成尋跡小車。P0.0,P0.1,P0.2,P0.3分別通過LG9110電機驅動來驅動電機1和電機2。由電機的正轉與反轉來完成小車的前進，后退，左轉，右轉。小車行走時會通過P3.5,P3.6,P3.7的紅外接收探頭來進行檢測。當走出跑道時，P3.5,P3.6或P3.7將收到一個電平信號，此電平信號將通過相應端口傳送入主芯片中，主芯片通過內部代碼完成小車的尋跡

49、操作。同時P3.5與P3.6的信號狀態(tài)將通過P2.6和P2.7顯示出來。在小車的左轉，右轉，后退的過程，可以通過觀看以P2.0和P2.7為指示等的運行狀態(tài)。 圖6.1 系統(tǒng)連線圖 結 論 尋跡檢測單元的核心部件選擇了紅外探頭傳感器。紅外探頭傳感器具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優(yōu)點；另外再加上AT89S51單片機與電機驅動芯片的結合，實現(xiàn)了智能小車的尋跡功能。 綜上所述，我們可以看出電子設計自動化逐漸成為重要的設計手段，單片機己經成為當今電子設計應用市場上首選的可編程邏輯器件之一。單片機應用在控制領域中，既降低了系

50、統(tǒng)成本也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。 最終在指導教師的指導下對整個尋跡檢測進行選件、制造單片機系統(tǒng)并測試、軟件設計后實現(xiàn)單片機控制下的尋跡檢測系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)可以在實際中應用。 希望通過我們不斷地努力，使單片機這一重要設計手段能夠更好的為我以后的學習效力。最后，在此誠懇地希望老師和同學提出寶貴的批評和意見 附 錄A #include //=========================數據類型定義===================== signed char INT

51、8; //重定義有符號字符8位數據 typedef unsigned char UINT8; //重定義無符號字符8位數據 typedef int INT16; //重定義有符號字符16位數據 typedef unsigned int UINT16; //重定義無符號字符16位數據 #define TRUE 1 //邏輯真 #define FALSE 0 //邏輯假 #define NULL 0

52、 //指針空 //======================== 硬件對應端口定義=================== sbit FontLeftLed=P2^3; //前左方指示燈 sbit FontRightLed=P2^4; //前右方指示燈 sbit FontIR=P2^7; //前方紅外接收探頭 sbit MA1=P0^1; //左方電機控制驅動 sbit MB1=P0^0;

53、 //左方電機控制驅動 sbit MA2=P0^5; //右方電機控制驅動 sbit MB2=P0^6; //右方電機控制驅動 sbit SB1=P2^1; //蜂鳴器控制端口定義 sbit RunLed=P1^5; //運行指示燈 //=================== 功能函數定義============================

54、= void Delay(UINT16 DelayTime) //延時函數 { while(DelayTime--); //延時函數循環(huán)體 } void ControlCar(UINT8 ConType) //車體控制函數 { MA1=0; //左電機清零 MA2=0;

55、 //右電機清零 MB1=0; //左電機清零 MB2=0; //右電機清零 FontLeftLed=1; //前左方指示燈滅 FontRightLed=1; //前右方指示燈滅

56、 switch(ConType) //判斷控制叁數類型 { case 1: //前進 { MA2=1; //左電機向前運動 MB1=1; //右電機向前運動 FontLeftLed=0; //前左方指示燈

57、亮 FontRightLed=0; //前右方指示燈亮 break; } case 2: //后退 { MB2=1; //右電機向后運動 MA1=1; //左電機向后運動 break; } case 3:

58、 //左轉 { MA1=1; //左電機向后運動 MA2=1; //右電機向前運動 FontLeftLed=0; //前左方指示燈亮 break; } case 4: //右轉 {

59、 MB1=1; //右電機向后運動 MB2=1; //左電機向前運動 FontRightLed=0; //前右方指示燈亮 break; } } } //====================主程序=================================== void main()

60、 //主函數 { UINT8 RunFlag=1; //運行標志位 ControlCar(1); //前進 RunLed=0; while(1) //程序主打循環(huán) { if(FontIR==0)

61、 /判斷前方紅外接收探頭 { ControlCar(2); //小車后退(用于急剎車) Delay(50000); //延時300毫秒 Delay(20000); //小車后退 if(RunFlag) //判斷小車運行標志位 { Contr

62、olCar(3); //小車左轉 } else //為假的情況下 { ControlCar(4); //小車右轉 } Delay(30000); //左轉彎 SB1=0; //小車響鈴 De

63、lay(30000); //左轉彎 SB1=1; //小車不響鈴 Delay(30000); //左轉彎 SB1=0; //小車響鈴 Delay(30000); //左轉彎

64、 SB1=1; //小車不響鈴 ControlCar(1); //小車前進 RunFlag=!RunFlag; //改變小車運行狀態(tài)位 } } } 附 錄B 1、電容有正負極之分，長正短負； 2、二極管有正負極之分，長正短負； 3、話筒有正負之分，負極與外殼相連； 4、蜂鳴

65、器有正負之分，長正短負； 5、三極管按照電路板封裝焊接； 6、集成電路即芯片，安裝時要注意缺口對應（缺口對應位置和封裝對應位置要一致）。（缺口在芯片或芯片底座的一端） 7、數碼管焊接時注意數碼管上的小數點要與電路板封裝上的小數點對應。 8、強烈推薦電池采用南孚電池或其他高性能電池。 附 錄C AT89S51 (8位微控制單片機，片內含4K bytes可系統(tǒng)編程的存儲器) AT89S51是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATME

66、L公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP)也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價位AT89S51單片機可為您提供許多高性價比的應用場介，可靈活應用于各種控制領域。 （1）主要性能參數： ?與MCS-51 產品指令系統(tǒng)完全兼:容 ?4k字節(jié)在線系統(tǒng)編程(ISP) Flash閃速存儲器 ?1000次擦寫周期 ?4. 0---5. 5V的工作電壓范圍 ?全靜態(tài)工作模式：0Hz---33MHz ?三級程序加密鎖 ?1288字節(jié)內部RAM ?32個可編程I/O口線 ?2個16位定時/計數器 ?6個中斷源 ?全雙工串行UART通道 ?低功耗空閑和掉電模式 ?中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) ?看門狗(WDT)及雙數據指針 ?掉電標識和快速編程特性 ?靈活的在線系統(tǒng)編程(ISP一字節(jié)或頁寫模式) （2）功能特性概述： AT89S51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM， 32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個