基于51單片機(jī)的循跡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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基于51單片機(jī)的循跡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 80C51單片機(jī)是一款八位單片機(jī)，他的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。在生活中但凡涉及到自動(dòng)控制的地方都會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)的身影，單片機(jī)的應(yīng)用有利于產(chǎn)品的小型化、智能化，并且能夠提高生產(chǎn)效率。這里介紹的是如何用AT89C52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的循跡功能，該設(shè)計(jì)是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為目的，采用AT89C52單片機(jī)為控制核心，利用紅外傳感器檢測(cè)道路上的黑線，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)循跡，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，和尋光功能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，可靠性能很高。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法及測(cè)試結(jié)果分析。 關(guān)鍵詞:80C51單片機(jī)；電動(dòng)小車；pwm調(diào)速；光電檢測(cè)；自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) Car tracking system based on microcontroller Abstract 80C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. In life, whenever it comes to automatic control of the local microcontroller will appear figure, microcontroller applications in favor of product miniaturization, intelligent, and can improve productivity. Here is how to use AT89C52 microcontroller to achieve the car tracking feature, which is designed to determine the combination of scientific research and design class topic. This system design requirements of the subject for the purpose of using AT89C52 microcontroller core, the use of infrared sensors to detect the black line on the road, the automatic tracking control of electric cars, fast low traffic speeds, as well as automatic parking, and can automatically record time , mileage and speed, and look for the light function. The circuit structure of the entire system is very simple, very high reliability. The test results meet the requirements, the paper focuses on the hardware design and test results of the system analysis. Keywords: 80C51 microcontroller; Electric car Pwm speed; A photodetector; Automatic Speed Control System. III 目 錄 中文摘要 I 外文摘要 Ⅱ 1 緒論 1 1.1 課題背景及意義 1 1.2 智能小車研究前景及功能 3 1.3 國(guó)內(nèi)外的研究情況 6 1.3.1 智能小車國(guó)外研究現(xiàn)狀......................... 1.3.2 智能小車國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀......................... 1.4 本課題具體應(yīng)用方面及場(chǎng)合 2 智能循跡小車的方案設(shè)計(jì) 2.1 智能小車的運(yùn)行環(huán)境及行走路線 7 2.1.1 智能小車的運(yùn)行環(huán)境 2.1.2 智能小車的運(yùn)行路線 2.2 主控芯片的選擇與原理 8 2.2.1 51單片機(jī)引腳與功能說(shuō)明 2.3 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 2.3.1 PWM逆變電路及其控制方法 2.3.1.1 計(jì)算法 2.3.1.2 調(diào)制法 2.3.2 PWM調(diào)速的優(yōu)點(diǎn) 3 硬件電路的選擇與搭建 3.1 單片機(jī)的輔助電路 3.1.1 時(shí)鐘電路 3.1.2 復(fù)位電路 3.2 單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì) 3.3 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 3.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 3.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 3.4 循跡模塊的制作與設(shè)計(jì) 3.4.1 循跡傳感器工作原理 3.4.2 尋光電路分析 3.4.3 循跡電路分析 3.4.3.1 紅外對(duì)管TCRT500 3.4.3.2 電壓比較器 LM324 3.5 各模塊的組裝與連接 4 循跡小車的軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái) 15 4.2 小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析及三路算法的設(shè)計(jì) 16 4.2.1 小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析 16 4.2.2 三路循跡算法設(shè)計(jì) 17 4.3 軟件設(shè)計(jì)流程圖 20 4.4 軟件的調(diào)試 24 4.4.1 設(shè)置和刪除斷點(diǎn) 24 4.4.2 查看和修改寄存器的內(nèi)容 26 4.4.3 觀察和修改變量 28 4.4.4 查看存儲(chǔ)器區(qū)域 結(jié) 論 44 參考文獻(xiàn) 45 致 謝 46 附錄1 智能循跡小車原理圖 50 附錄2 循跡程序 附錄3 外文參考文獻(xiàn)（譯文） 50 附錄4 外文參考文獻(xiàn)（原文） 5 1 緒論 1.1 課題背景及意義 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在全國(guó)電子大賽以及省內(nèi)的電子大賽上，我們幾乎每次都能看到智能小車這方面的題目，在全國(guó)各的高校中也都很重視該類型題目的研究。由此可見(jiàn)其研究意義很大，故本設(shè)計(jì)中就是在這樣的背景下提出來(lái)的。本題目是結(jié)合科研類項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。本設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車應(yīng)該具有自動(dòng)循跡的功能，并且可以擴(kuò)展實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、速度、里程、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車等功能。近幾十年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人從無(wú)到有，數(shù)量不斷增多，智能車輛作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支也得到越來(lái)越多的關(guān)注。 1.2 智能小車研究前景及功能 智能車輛也叫做無(wú)人車輛，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它具有道路障礙自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)的報(bào)警、自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)保持安全距離、車速和巡航控制等功能。智能車輛的主要特點(diǎn)是在復(fù)雜的道路情況下，能夠自動(dòng)地操縱和駕駛車輛繞開(kāi)障礙物并沿著預(yù)定的道路(軌跡)前進(jìn)。 智能車輛在原有的車輛系統(tǒng)中，增加了一些智能化的技術(shù)設(shè)備: (1)在計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，智能車主要來(lái)獲取圖像，并預(yù)處理、增強(qiáng)、分析、識(shí)別等工作; (2)攝像機(jī)，用來(lái)獲得道路圖像信息; (3)傳感器設(shè)備，車速傳感器可以用來(lái)獲得當(dāng)前車速，障礙物傳感器可以用來(lái)獲得前方、側(cè)方、后方障礙物等信息。 智能車輛技術(shù)按照其功能可劃分為三層，即智能感知/預(yù)警系統(tǒng)、車輛駕駛系統(tǒng)和全自動(dòng)操作系統(tǒng)團(tuán)。且上一層技術(shù)是下一層技術(shù)的基礎(chǔ)?？梢岳酶鞣N傳感器來(lái)獲得車輛自身、車輛行駛的周圍環(huán)境及駕駛員自身的狀態(tài)信息，必要時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。主要包括碰撞預(yù)警系統(tǒng)和駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。碰撞預(yù)警系統(tǒng)可以給出前方碰撞警告、十字路口警告、車道偏離警告、盲點(diǎn)警告、換道/并道警告、后方碰撞警告、行人檢測(cè)與警告等.駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。 1.3 國(guó)內(nèi)外的研究情況 智能小車技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 。智能小車技術(shù)是一個(gè)體現(xiàn)國(guó)家高技術(shù)實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，它涉及到多個(gè)學(xué)科，機(jī)械、電工、數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)測(cè)量、人工智能、傳感技術(shù)等等，是眾多領(lǐng)域的高科技。而智能小車比賽就是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，目前許多國(guó)家己經(jīng)開(kāi)始把移動(dòng)機(jī)器人比賽作為創(chuàng)新教育的一個(gè)戰(zhàn)略性手段。 移動(dòng)機(jī)器人比賽是一種高科技的對(duì)抗性的活動(dòng)，各國(guó)的專家和學(xué)者來(lái)通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人競(jìng)賽，推進(jìn)了在競(jìng)賽型移動(dòng)機(jī)器人方面的研究，不改進(jìn)機(jī)器人尋址速度和算法研究，并試圖讓機(jī)器人更加的接近智能化，它集高科技、娛樂(lè)和比賽于一體，引起了各國(guó)的廣泛關(guān)注和極大興趣，從而推動(dòng)了移動(dòng)機(jī)器人研究熱潮...... 據(jù)統(tǒng)計(jì)部門的數(shù)據(jù)，至2006年中國(guó)汽車保有量已達(dá)3500萬(wàn)輛（其中轎車占80%，約2500萬(wàn)輛）,每年仍以30%的速度遞增。我國(guó)成為了繼美國(guó)之后的第二大汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。汽車行業(yè)的發(fā)展也帶動(dòng)了相關(guān)服務(wù)業(yè)的發(fā)展。而將功能強(qiáng)大的智能車載信息系統(tǒng)——車載電腦加載到汽車上已經(jīng)成為歐美、日本等國(guó)汽車市場(chǎng)的首選新裝備。車載電腦給汽車帶來(lái)了一場(chǎng)信息化的革命，讓每輛汽車構(gòu)都建成一個(gè)完美的車載信息與娛樂(lè)系統(tǒng)終端，我們坐在汽車?yán)锩媛?tīng)廣播或者音樂(lè)已經(jīng)習(xí)以為常。讓你在開(kāi)車的時(shí)候聽(tīng)音樂(lè)，在休息的時(shí)候欣賞好萊塢大片或是收看電視，甚至玩各種游戲。車載通訊與導(dǎo)航系統(tǒng)主要指 GPRS和GPS，可以讓你“輕車熟路”，而且可以輕松的打電話。智能小車，就是在關(guān)鍵得基礎(chǔ)理論模型研究的前提下，把先進(jìn)的信息技術(shù)、、數(shù)據(jù)通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等技術(shù)有效地綜合運(yùn)用于汽車交通體系，從而可以大范圍、全方位的發(fā)揮準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效的功能，是很好的交通工具。它可以利用無(wú)線通訊的專網(wǎng)低頻段并以其低成本實(shí)現(xiàn)了智能小車的實(shí)時(shí)控制、快速傳輸，并自行開(kāi)發(fā)研制出了無(wú)線通訊系統(tǒng)的車載智能終端設(shè)備及控制系統(tǒng)，使智能小車能夠完全利用無(wú)線通訊系統(tǒng)來(lái)采集和傳輸路面狀況數(shù)據(jù)，并進(jìn)行小車速度和方向的控制，具有載人和自動(dòng)控制的雙重功能。小車信息響應(yīng)速度快、全自動(dòng)方向控制自動(dòng)化、信息發(fā)布智能化、設(shè)備自維護(hù)智能化的特點(diǎn)。 1.3.1 智能小車國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外的智能車輛研究歷史比較長(zhǎng)，開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)的50年代，其發(fā)展歷程大致可以分為三個(gè)階段 。第一階段：20世紀(jì)50年代是智能車輛研究的初始階段。1954年美國(guó)的Barrett Electronic公司研究出了世界上的第一臺(tái)自主引導(dǎo)車系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)可以運(yùn)行在固定路線上的拖車式的運(yùn)貨平臺(tái)，但是它卻具有了智能車輛所具有的最基本的的特征。第二階段：開(kāi)始于80年代中后期，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)智能車輛的開(kāi)展具有卓有成效的研究，在歐洲，普羅米修斯項(xiàng)目于1986年開(kāi)始在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)探索，在北美，美國(guó)于1995年成立了國(guó)家自動(dòng)高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟，他的目標(biāo)之一就是來(lái)研究發(fā)展智能車輛的可行性，并促進(jìn)智能車輛技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化，來(lái)為人類謀福利。 第三個(gè)階段：從90年代開(kāi)始，智能車輛進(jìn)入了更加深入、系統(tǒng)、大規(guī)模的研究階段。其中最為突出的是，美國(guó)卡內(nèi)基-梅隴大學(xué)的機(jī)器人研究所完成的Navlab系列的自主車的研究，取得了非常顯著的成就。目前無(wú)人駕駛技術(shù)越來(lái)越成熟，谷歌的無(wú)人駕駛汽車內(nèi)置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以被認(rèn)定為合法的“駕駛員”，而這一政策在未來(lái)將會(huì)對(duì)無(wú)人駕駛的汽車在美國(guó)公路上能夠順暢行駛起到積極的促進(jìn)作用。目前，像谷歌和福特等都正在積極的進(jìn)行無(wú)人駕駛汽車的測(cè)試，而特斯拉甚至已經(jīng)開(kāi)始為旗下車型升級(jí)了一些輔助駕駛功能 1.3.2 智能小車國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)的智能車輛研究開(kāi)始于上世紀(jì)80年代末。當(dāng)時(shí)國(guó)家的863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器人主題確定立項(xiàng)進(jìn)行遙控駕駛的智能移動(dòng)平臺(tái)的研制；幾乎同時(shí)國(guó)家部委也開(kāi)始在規(guī)劃“八五”預(yù)研項(xiàng)目中的地面智能機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行研究，并確定研制成功了我國(guó)第一輛樣車ATB-1(AutonmousTestBed-1)。該車是由國(guó)內(nèi)的多所重點(diǎn)大學(xué)聯(lián)合研制，在1996年的演示中，該車自主行駛的最高速度可達(dá)74.5km/h，正常行駛速度為30.6km/h，在越野環(huán)境下，白天行駛的最高速度為24km/h，夜間行駛最高速度為15km/h。目前，開(kāi)展這方面研究工作的單位主要包括一些大學(xué)和科研院所，比如國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、西安交通大學(xué)、重慶大學(xué)等。近幾年來(lái)，具有代表性的典型系統(tǒng)包括：由國(guó)內(nèi)多家大學(xué)參與的“十五”期間的第三代自主地面車輛ATB-3；國(guó)防科技大學(xué)研制的新一代地面無(wú)人駕駛車輛CITAVT-IV及其與中國(guó)一汽合作研制的“紅旗”自主轎車；清華大學(xué)研制的THMR-V型智能車輛；吉林大學(xué)的Cybercar智能車輛；重慶大學(xué)的CQAC-I型智能車輛等。這一時(shí)期國(guó)內(nèi)研究工作的主要方向是智能車輛的應(yīng)用環(huán)境由簡(jiǎn)單場(chǎng)景向非結(jié)構(gòu)化、復(fù)雜場(chǎng)景的轉(zhuǎn)變，以及全天候條件下的實(shí)用化技術(shù)，基于多源信息融合的系統(tǒng)魯棒性研究等。 1.4 本課題具體應(yīng)用方面及場(chǎng)合 目前，人工智能技術(shù)取得了諸多的突破。一方面，計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)搜集、存儲(chǔ)和管理等能力上有了很大的進(jìn)步；另一方面，云技術(shù)的迅猛發(fā)展也使得云計(jì)算基礎(chǔ)能力也有所提升。人工智能的發(fā)展勢(shì)必會(huì)對(duì)智能小車產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。 從2014年的車聯(lián)網(wǎng),到2015年自動(dòng)駕駛的初露端倪,智能汽車已經(jīng)連續(xù)兩屆成為CES的主題,2016年CES無(wú)人駕駛與智能汽車吸引了全球的矚目。 如今，汽車智能化、共享化趨勢(shì)愈加明顯。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展,汽車智能化技術(shù)正在逐步得到應(yīng)用,這種技術(shù)使汽車的操縱越來(lái)越簡(jiǎn)單,動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性也會(huì)越來(lái)越高,行駛安全性越來(lái)越好。目前,汽車已進(jìn)入“智能機(jī)”時(shí)代,將催生智能汽車投資機(jī)會(huì)。汽車共享化,即車聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛,將依托于汽車制造商、經(jīng)銷商與運(yùn)營(yíng)商,汽車電子化與智能化實(shí)現(xiàn)“人-車”互動(dòng),車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“人-車-網(wǎng)絡(luò)”的互動(dòng),而智能交通將實(shí)現(xiàn)“人-車-網(wǎng)絡(luò)-路”的互動(dòng),共享化亦是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。 在智能汽車主戰(zhàn)場(chǎng),汽車智能化步伐加速。從谷歌低成本的LIDAR感官系統(tǒng)和英偉達(dá)的DrivePX無(wú)人駕駛處理平臺(tái),到豐田的低成本高精地圖繪制,再到寶馬i8Spyder、微軟、谷歌等企業(yè)的人機(jī)交互,無(wú)論是互聯(lián)網(wǎng)巨頭、汽車零部件供應(yīng)商,還是傳統(tǒng)車企,都把智能化擺在了極為重要的戰(zhàn)略位置。我們認(rèn)為感官系統(tǒng)和處理判斷系統(tǒng)技術(shù)是未來(lái)決戰(zhàn)汽車智能化的關(guān)鍵所在,而低成本可靠的智能技術(shù)將加快汽車智能化步伐。 互聯(lián)網(wǎng)巨頭自身的無(wú)人駕駛技術(shù)與傳統(tǒng)車企的汽車制造經(jīng)驗(yàn)結(jié)合碰撞會(huì)加快無(wú)人駕駛汽車的商業(yè)化。與此同時(shí),德?tīng)柛?、大陸與博世三大零部件供應(yīng)商將紛紛推出全新的汽車共享解決方案。 智能化、共享化,智能網(wǎng)聯(lián)汽車,汽車智能革命到來(lái)。智能化就是智能汽車,共享化就是無(wú)人駕駛、車聯(lián)網(wǎng),智能網(wǎng)聯(lián)汽車將是未來(lái)發(fā)展方向。 2 智能循跡小車的方案設(shè)計(jì) 2.1 智能小車的運(yùn)行環(huán)境及行走路線 根據(jù)題目的要求，可以確定如下方案：在玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。 2.1.1 智能小車的運(yùn)行環(huán)境 循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)就會(huì)發(fā)生漫反射，反射光可以被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接就收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)，來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。但是，紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限。小車在進(jìn)入循跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)，便進(jìn)入判斷處理程序（switch）,可以先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級(jí)傳感器或是右面第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。 利用LED來(lái)顯示小車運(yùn)行的狀態(tài)，并且利用倒計(jì)時(shí)模塊來(lái)啟動(dòng)小車。 2.1.2 智能小車的運(yùn)行路線 本設(shè)計(jì)中小車的循跡路線大致可分三種：“7”字型路線、“T”字型路線、“十”字型路線。具體路線如下圖所示。 2.2 主控芯片的選擇與原理 51系列單片機(jī)除了Intel公司的MCS-51系列外，還有美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT系列、硅存儲(chǔ)技術(shù)公司的SST系列、深圳宏晶公司生產(chǎn)的STC系列等公司的兼容產(chǎn)品，這些公司的51單片機(jī)封裝、引腳與Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)完全兼容。51系列單片機(jī)有不同封裝形式，外觀各不相同。本設(shè)計(jì)選用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52型號(hào)的單片機(jī)。 2.2.1 51單片機(jī)引腳與功能說(shuō)明 如左圖2-2所示為40腳雙列直插式封裝8051單片機(jī)引腳圖。按照其引腳功能來(lái)分，可以分為四組。下面分別說(shuō)明這些引腳的名稱和功能。 1. 電源與地引腳 Vcc：電源引腳，用于接+5V電源。 Vss:接地引腳，連接時(shí)接公共地端 2. 時(shí)鐘電路引腳 X1：接外部石英晶體和補(bǔ)償電容一端；如果使用外部時(shí)鐘源，則該引腳應(yīng)該接地。實(shí)際上該引腳為片內(nèi)振蕩電路放大器部分的輸入端。 X2：接外部石英晶體和補(bǔ)償電容的 圖2-2 18051的引腳排列 另一端；在使用外部時(shí)鐘源時(shí)，該引腳作為外部時(shí)鐘源的輸入端。在片內(nèi)該引腳為振蕩電路放大器的輸出端。 3. I/O端口引腳 51系列單片機(jī)I/O端口的個(gè)數(shù)依據(jù)封裝、引腳不同也不相同，40腳封裝的芯片共有4個(gè)8位端口，分別是P0、P1、P2、P3，這些端口大都為復(fù)用功能，分別說(shuō)明如下。 P0口：端口P0共有8根引腳，分別表示為P0.0，P0.1，．．．，P0.7。P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，作為漏極開(kāi)路的輸出端口，每位可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。 P0口有兩種使用方式：一種是作為普通并口使用，可以直接連外部設(shè)備或外設(shè)接口，如連接LED驅(qū)動(dòng)電路，作為普通并口時(shí)的端口地址為80H；第二種使用方式是單片機(jī)需要外部片外存儲(chǔ)器時(shí)，P0口作為總線使用。作總線使用時(shí)，P0口采用分時(shí)工作，用于低8位地址或8位數(shù)據(jù)復(fù)用總線。 P1口：P1口也有8根引腳，記為P1.0，P1.1，…，P1.7.P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，P1口的每味能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。在P1口用作輸入口時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器（地址90H寫入全1），此時(shí)，端口引腳由內(nèi)部上拉電阻上拉成高電平。 P2口：P2口的8根引腳記為P2.0，P2.1，…P2.7。P2口也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P2口的每位也可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P2口也有兩種使用方式：一種是作為普通并口使用，作為普通并口時(shí)的端口地址為A0H；二是單片機(jī)需要外接片外存儲(chǔ)器時(shí)，P2口要作為地址總線使用，做地址總線使用時(shí)，P2口用于高8位地址總線。 P3口：P3口也是8根引腳，記為P3.0，P3.1，…P3.7。P3口也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，P3口的每位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載，端口地址為B0H。 P3口與其他I/O端口最大的區(qū)別在于它除作為一般準(zhǔn)雙向I/O端口外，P3口的每個(gè)引腳還具有專門的第二功能，也就是說(shuō)，P3口也有兩種應(yīng)用方式。其一是作為普通并口使用，其二適用于特殊功能引腳（也稱為第二功能），其特殊功能規(guī)定與說(shuō)明如表2-1所示。 表2-1 P3口的特殊功能規(guī)定 P3口引腳 P3口引腳特殊功能說(shuō)明 P3.0 RXD（串行口輸入） P3.1 TXD（串行口輸出） P3.2 INT0（外部中斷0輸入） P3.3 INT1（外部中斷1輸入） P3.4 T0（定時(shí)器0的外部輸入） P3.5 T1（定時(shí)器1的外部輸入） P3.6 WR（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通控制輸出） P3.7 RD（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通控制輸出） 4. 控制信號(hào)引腳 PSEN：程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)引腳。CPU在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，該引腳輸出負(fù)脈沖作為存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。8051的PSEN引腳可以直接驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。當(dāng)負(fù)載過(guò)大而超過(guò)該引腳驅(qū)動(dòng)能力時(shí)，可以在引腳后面先加上驅(qū)動(dòng)芯片，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片再對(duì)負(fù)載實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。 ALE/PROG：該引腳有兩個(gè)功能，其一是地址鎖存允許（ALE）信號(hào)引腳。當(dāng)CPU訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM或程序存儲(chǔ)器ROM，由于地址信號(hào)低8位與數(shù)據(jù)總線都是P0提供，為分時(shí)復(fù)用總線，所以當(dāng)單片機(jī)先給出地址信號(hào)后，由于地址信號(hào)低8位與數(shù)據(jù)總線都是P0提供，為分時(shí)復(fù)用總線，所以當(dāng)單片機(jī)先給出地址信號(hào)后，由ALE信號(hào)作為輸出地址低8位的地址鎖存使能信號(hào)，把地址低8位鎖存到鎖存器中。該引腳的第個(gè)功能就是片內(nèi)存儲(chǔ)器編程脈沖輸入引腳。 EA/Vpp ：EA是訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。如果EA端接高電平，程序存儲(chǔ)器地址值小于0FFFFH（4KB程序地址）時(shí)，8051CPU會(huì)到片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中取指令。當(dāng)?shù)刂分党?FFFFH時(shí)，單片機(jī)將自動(dòng)尋址片外程序存儲(chǔ)器的程序。如果EA為低電平，CPU僅訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器，不會(huì)訪問(wèn)片內(nèi)存儲(chǔ)器。另外Vpp為編程電源功能，當(dāng)對(duì)51單片機(jī)內(nèi)部EPROM編程時(shí)，Vpp引腳接編程電源（12.5V）。 RST/VPD：RST引腳是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期的高電平）時(shí)就可以完成對(duì)單片機(jī)的復(fù)位操作。該引腳的第二功能VPD即備用電源的輸入端，當(dāng)主電源Vcc發(fā)生故障或降低到低電平規(guī)定值時(shí)，將+5V電源自動(dòng)接入VPD端，為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM提供備用電源，以保證存儲(chǔ)在RAM中的信息不丟失，以使復(fù)電后能繼續(xù)正常工作。 控制線除以上4根線以外，還有P3口的P3.6和P3.7第二功能也可以作為控制線，主要用作對(duì)片外存儲(chǔ)器讀寫控制。 WR（P3.6）：用于片外存儲(chǔ)器寫控制，低電平有效。該信號(hào)接在片外存儲(chǔ)器的寫信號(hào)端上，當(dāng)WR信號(hào)到來(lái)時(shí)，完成對(duì)外部存儲(chǔ)器寫入操作。 RD（P3.7）：用于片外存儲(chǔ)器讀控制，低電平有效。該信號(hào)接在片外存儲(chǔ)器的讀信號(hào)端上，當(dāng)RD信號(hào)到來(lái)時(shí)，完成對(duì)外部存儲(chǔ)器讀取操作。 2.3 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)速系統(tǒng)。PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。 2.3.1 PWM逆變電路及其控制方法 2.3.1.1 計(jì)算法 根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計(jì)算法。 2.3.1.2 調(diào)制法 把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。 2.3.2 PWM調(diào)速的優(yōu)點(diǎn) 由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 由于電力電子器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 3 硬件電路的選擇與搭建 本設(shè)計(jì)中的硬件部分包括傳感器的選擇、單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、循跡模塊的設(shè)計(jì)以及小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析等。小車的核心控制部件采用宏晶公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)STC89C52，小車可通過(guò)識(shí)別黑色線條來(lái)控制方向和轉(zhuǎn)速。 3.1 單片機(jī)的輔助電路 單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng).對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路.如下圖3-1所示為51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖. 3.1.1 時(shí)鐘電路 單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)放大倍數(shù)很高的反向放大器，其輸入端為引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2，單片機(jī)的時(shí)鐘電路有兩種構(gòu)成方式。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，這種方式采用在XTAL1與XTAL2間外接石英晶體振蕩器和補(bǔ)償電容。晶振和補(bǔ)償電容均外接電路，反向放大器電路在單片機(jī)內(nèi)部，由外部晶振與內(nèi)部反向放大器共同構(gòu)成振蕩電路。在內(nèi)部時(shí)鐘源方式下，時(shí)鐘信號(hào)的頻率主要由晶振的固有諧振頻率決定電 3-1 51單片機(jī)最小系統(tǒng) 容主要起信號(hào)補(bǔ)償作用。 3.1.2 復(fù)位電路 所謂的系統(tǒng)復(fù)位，就是使CPU和單片機(jī)系統(tǒng)中各相關(guān)部件都處于一個(gè)確定初始狀態(tài)的過(guò)程。單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行是從一個(gè)確定的初始狀態(tài)開(kāi)始的，這個(gè)初始狀態(tài)只有通過(guò)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位才能達(dá)到。 3.2 單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì) 智能循跡小車主要由STC89C52單片機(jī)電路、TCRT5000循跡模塊、L298N驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)、小車底板、電源模塊等組成。電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制方式有4種：開(kāi)環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速、雙閉環(huán)調(diào)速和三閉環(huán)調(diào)速。在本設(shè)計(jì)中采用單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。下圖3-2為循跡小車的系統(tǒng)控制框圖。 圖3-2 循跡小車控制框圖 引導(dǎo)線是小車跟蹤的目標(biāo)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)車的相對(duì)路徑，然后將此信息輸入到單片機(jī)，單片機(jī)處理此信息后，將控制命令輸出到驅(qū)動(dòng)模塊，以控制小車的直流電機(jī)，保證小車快速平穩(wěn)地沿預(yù)先設(shè)定好的路線行駛。采用4個(gè)1.5V的可充電池組作為主電源。STC89C52單片機(jī)作為主控制器。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D控制直流電機(jī)，而不使用步進(jìn)電機(jī)。L293D是利用TTL電平進(jìn)行控制，通過(guò)改變芯片控制端的輸入電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作，亦能滿足直流減速電機(jī)的要求，用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有的操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。這樣單片機(jī)和循跡傳感器組成了一個(gè)帶有反饋信號(hào)的系統(tǒng)。單片機(jī)控制模塊實(shí)物圖如下圖3-3所示。 圖3-3循跡小車控電路主板 3.3 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 對(duì)于驅(qū)動(dòng)力不足和轉(zhuǎn)向問(wèn)題，設(shè)計(jì)一般會(huì)采用兩種方法，一是設(shè)計(jì)由分離原件組成的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，另一種方法則是采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于專用的驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、可靠性高等特點(diǎn)，因而被廣泛的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。L298N 驅(qū)動(dòng)模塊，采用 ST 公司原裝全新的 L298N 芯片， SMT 工藝穩(wěn)定性高，采用高質(zhì)量鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作。可以直接驅(qū)動(dòng)兩路 3-35V 直流電機(jī)，并提供了 5V 輸出接口（輸入最低只要6V），可以給 5V 單片機(jī)電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持 3.3V MCU和ARM 控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制 2相步進(jìn)電機(jī)，5 線 4 相步進(jìn)電機(jī)，是智能小車必備利器。驅(qū)動(dòng)電路板如下圖3-4所示。 圖3-4 驅(qū)動(dòng)電路板 3.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 為雙 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍 Vs：＋5V～＋16V ；如果需要在板內(nèi)取電，則供電范圍為Vs：+6V～+16V。驅(qū)動(dòng)部分峰值電流 Io為2A。邏輯部分端子供電范圍 Vss：＋5V～＋7V（可板內(nèi)取電＋5V）；邏輯部分工作電流范圍為0～36mA；控制信號(hào)輸入電壓范圍（IN1 IN2 IN3 IN4）為低電平時(shí)是－0.3V≤Vin≤1.5V，若為高電平則為2.3V≤Vin≤Vss。對(duì)于使能信號(hào)輸入電壓范圍（ENA ENB），低電平時(shí)為－0.3≤Vin≤1.5V（控制信號(hào)無(wú)效）；高電平時(shí)為2.3V≤Vin≤Vss（控制信號(hào)有效）。最大功耗為20W（溫度 T＝75℃時(shí)），存儲(chǔ)溫度為－25℃～＋130℃。H橋電路可以用下圖3-5表示其原理。 從圖中可以看出，假設(shè)開(kāi)關(guān)A、D接通，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，而開(kāi)關(guān)B、C接通時(shí)，直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正向控制。當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中我們還可以得到其他兩種狀態(tài)。當(dāng)剎車時(shí)，將A、C或B、D接通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電流，開(kāi)成“剎車”作用。當(dāng)惰行時(shí)，4個(gè)開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)，則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)將無(wú)法開(kāi)成電路，從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的感應(yīng) 電流，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間。 圖3-5 H橋電路 3.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片驅(qū)動(dòng)方式比較簡(jiǎn)單，直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。具體電路圖如下圖3-5所示。 圖3-6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖 3.4 循跡模塊的制作與設(shè)計(jì) 循跡光電傳感器的原理，就是利用黑線對(duì)紅外線不同的反射能力通過(guò)光敏二極管或光敏三極管，接收反射回的不同光強(qiáng)信號(hào)，把不同光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，最后通過(guò)電阻，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的高低電平。光電傳感器的循跡模塊如下圖中3-7所示。 圖3-7 智能小車循跡模塊 在裝配循跡傳感器時(shí)需注意：循跡傳感器上面的電位器默認(rèn)位置是“103”字樣的位置和板子是垂直的，此時(shí)的循跡靈敏度比較高，對(duì)黑色線的識(shí)別靈敏度不高，會(huì)誤認(rèn)為是白色的，會(huì)導(dǎo)致循跡效果不好，所以做循跡使用的時(shí)候務(wù)必將電位器位置調(diào)節(jié)到如上圖所示的地方。其原理是降低循跡傳感器的靈敏度，注意：電位器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)降低傳感器的靈敏度，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)增加傳感器的靈敏度，如果作為避障傳感器使用時(shí)可以適當(dāng)加大傳感器的靈敏度，則可以往逆時(shí)針轉(zhuǎn)一定的角度。切記一點(diǎn)，不管是逆時(shí)針轉(zhuǎn)還是順時(shí)針轉(zhuǎn)都不能轉(zhuǎn)到底，要留出一點(diǎn)空間。 3.4.1 循跡傳感器工作原理 循跡傳感器工作原理：TC端是傳感器工作控制端，為高電平時(shí)，發(fā)光二極管不工作，傳感器休眠，為低電平時(shí)，傳感器啟動(dòng)。Signal端為檢測(cè)信號(hào)輸出，當(dāng)遇到黑線，黑線吸收大量的紅外線，反射的紅外線很弱，光敏三極管不導(dǎo)通，Signal輸出高電平；當(dāng)遇到白線，與黑線相反，反射的紅外線很強(qiáng)，使光敏三極管導(dǎo)通，Signal輸出低電平。下圖3-8為循跡傳感器的電路圖。 圖3-8 循跡傳感器原理圖 這種探測(cè)方法，即利用紅外線在不同顏色的表面特征，具有不同的反射性能，汽車行駛過(guò)程中接收地面的紅外光。當(dāng)紅外光遇到白色路線，地板發(fā)生漫反射，安裝在小型車的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路線，紅外光將被黑線吸收，安裝在小車上的接收管沒(méi)有收到紅外光。控制器會(huì)根據(jù)是否收到反射的紅外光為判斷依據(jù)來(lái)確定的黑線的位置和小車的路線。紅外探測(cè)器距離通常是不應(yīng)超過(guò)15厘米的。紅外發(fā)射和接收紅外線感應(yīng)器，可以使自己或直接使用集成紅外探頭。調(diào)整左右傳感器之間的距離，兩探頭距離約等于黑線寬度最合適，選擇寬度為3 – 5厘米的黑線。該傳感器的靈敏度是可調(diào)的，傳感器有時(shí)遇到黑線卻不能送出相應(yīng)的信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器上的可調(diào)電阻，適當(dāng)?shù)脑龃蠡驕p小可改變靈敏度。另外，循跡傳感器的放置也是有講究的，有兩種方法，一種是兩個(gè)都是放置在黑線內(nèi)側(cè)緊貼黑線邊緣，第二種是都放置在黑線的外側(cè)，同樣緊貼黑線邊緣。本設(shè)計(jì)采用第二種方法。 單片機(jī)燒錄程序后，就可以執(zhí)行循跡指令了。如果小車向前行駛時(shí)向左偏離了黑線，那么右邊傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平，單片機(jī)判斷這個(gè)信號(hào)，然后向右拐回到黑線。兩傳感器輸出信號(hào)為低電平時(shí)，小車前進(jìn)。如果小車向右偏離黑線，左邊傳感器產(chǎn)生一個(gè)高電平，單片機(jī)判斷這個(gè)信號(hào)，然后向左拐。這樣，小車一定不會(huì)偏離黑線。若兩個(gè)光電傳感器同時(shí)輸出的信號(hào)為高電平，即單片機(jī)判斷的都為高電平時(shí)，小車向前直走。 3.4.2 尋光電路分析 如下圖3-9所示為尋光電路 圖3-9 尋光電路原理圖 V2的電壓計(jì)算公式為： 電阻R6為固定值不變有光照時(shí)R1變小，此時(shí)V2變大。當(dāng)無(wú)光照時(shí)R1變大，則V2變小。有光照情況時(shí)光敏電阻R1變小，V2變大。 假設(shè)V2=4.6VT，V3電壓為 4V，則V2>V3 反向端大于同向端，運(yùn)放作為比較器部分 ，則OUT5輸出低電平為低0給單片機(jī)識(shí)別，單片機(jī)通過(guò)if來(lái)掃描out5給的引腳。 3.4.3 循跡電路分析 該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不 同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、 應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在 小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射 光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。 3.4.3.1 紅外對(duì)管TCRT500 TCRT5000紅外對(duì)管工作原理：工作時(shí)由藍(lán)色發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線由遮擋物反射回來(lái)被接收管接收。接收反射光線后的接收管呈導(dǎo)通狀態(tài)，與一電阻串聯(lián)即可構(gòu)成一個(gè)由發(fā)射管控制的分壓電路，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)遮擋物反射光線強(qiáng)度的檢測(cè)。我們經(jīng)常利用這一特性去實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別。其原理圖如下圖3-10所示。 圖3-10 TCRT5000原理圖 在小車行駛過(guò)程中發(fā)射管不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。如圖 3-10 軌跡識(shí)別電路所示，發(fā)射管（1、2 端）與阻值為 330 歐姆的電阻串聯(lián)發(fā)射紅外線。接收管（3、4）與阻值為 47K 歐姆的電阻串聯(lián)。在沒(méi)有接收到反射光線時(shí)接收管截止呈高阻態(tài)，TX 輸出高電平。當(dāng)接收管接收到反射光線時(shí)，接收管被導(dǎo)通，并且電阻遠(yuǎn)小于47K，TX 輸出低電平。對(duì)于光電傳感器沒(méi)有檢測(cè)到黑線時(shí)，則H4發(fā)光到白紙光反射到H4接收端，H4接收端導(dǎo)通，導(dǎo)通則T1接地=0。若有檢測(cè)到黑線，則H4發(fā)光到黑線光全部被吸收，H4接收端，沒(méi)有收到任何信號(hào)，因?yàn)镠4不導(dǎo)通（截止），則T1=VCC。 3.4.3.2 電壓比較器 LM324 LM324電壓比較器工作原理：該芯片內(nèi)部有四組比較器，原理就是反向輸入端與同向輸入端的電壓進(jìn)行比較，若同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓，則比較器的輸出端輸出高電平+5V；若同向輸入端的電壓小于反向輸入端的電壓，則比較器的輸出端輸出低電平0V。下圖3-11為L(zhǎng)M324的原理圖。 圖3-11 電壓比較器LM324電路圖 即當(dāng)傳感器檢測(cè)到白紙有接收到反射光時(shí)，LM324的2腳比較器反向端T1=0V，3腳比較器同向端=3V；同向端大于反向端則OUT1輸出高電平。檢測(cè)到黑線沒(méi)接收到反射光了，LM324的2腳比較器反向端T1=5V，3腳比較器同向端=3V，反向端大于同向端則OUT1輸出低電平。 LM324的調(diào)試方法為：看黑色物體遮擋傳感器檢測(cè)T1腳電壓變化是否正常，調(diào)節(jié)電位器R13,使得3腳電壓介于（2腳）T1電壓的最大和最小值之間。 3.5 各模塊的組裝與連接 這里應(yīng)該把電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸入端接到單片機(jī)的 P0 上，因?yàn)?P0 口我們外接有上拉電阻，其他 I/O 口雖然集成上拉電阻但驅(qū)動(dòng)能力太弱，很不穩(wěn)定。如果把驅(qū)動(dòng)輸入端接到 P0 口仍不太受控，可以嘗試將上拉電阻改為 1K 或更小的。）循跡模塊輸出端分別接單片機(jī)的 P1.0、P1.1、P1.2。注意分別對(duì)應(yīng)右邊的光電管輸出端（從循跡板對(duì)應(yīng)的右邊光電管信號(hào)輸出端接至單片機(jī) P1.0）、左邊的光電管輸出端（從循跡板對(duì)應(yīng)的左邊光電管信號(hào)輸出端接至單片機(jī) P1.1）、前邊的光電管輸出端（從循跡板對(duì)應(yīng)的前邊光電管信號(hào)輸出端接至單片機(jī) P1.2）。連接好的事物圖如下圖所示。 圖3-12 小車事物圖 4 循跡小車的軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái) 本設(shè)計(jì)采用Keil C51單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Keil μ Vision系列是德國(guó)Keil Software公司出品的51系列單片機(jī)C語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。該平臺(tái)可用于編輯C或匯編源文件。它提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，是目前使用最廣泛的C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。 4.2 小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析及三路算法的設(shè)計(jì) 4.2.1 小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析 小車在運(yùn)行過(guò)程中可以前進(jìn)，可以后退，也可以轉(zhuǎn)彎。只需控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向即可。下圖4-1為小車結(jié)構(gòu)圖。 該結(jié)構(gòu)是由2個(gè)輪胎，減速箱+電機(jī)2套 2個(gè)后輪，黃色底盤 以及PCB敷銅板和亞克力板等組成。 從左圖我們可以看出控制小車的核心方法就是通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。 圖4-1小車結(jié)構(gòu)圖 我們可用如下表4-1所示內(nèi)容來(lái)表明電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 表4-1電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 左電機(jī) 右電機(jī) P1.3（LA） P1.2（LB） 電機(jī)狀態(tài) P1.1（RA） P1.0（RB） 電機(jī)狀態(tài) 0 0 不轉(zhuǎn) 0 0 不轉(zhuǎn) 0 1 前轉(zhuǎn) 0 1 前轉(zhuǎn) 1 0 后轉(zhuǎn) 1 0 后轉(zhuǎn) 1 1 不轉(zhuǎn) 1 1 不轉(zhuǎn) 下表所示為小車在跑道上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可前進(jìn)后退，也可轉(zhuǎn)彎，具體事由 單片機(jī)P1口各I/O口的電平高低決定的。 表4-2小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài) P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 0 1 0 1 前進(jìn) 1 0 1 0 后退 1 1 0 1 左轉(zhuǎn)彎 0 1 1 1 右轉(zhuǎn)彎 4.2.2 三路循跡算法設(shè)計(jì) 如左圖4-2所示，如果中間探測(cè)頭P0.1右測(cè)到黑線，則小車前進(jìn)?？捎萌缦鲁绦虮硎尽? if(P0==0x05) { P1=0X05 } 如果右邊探測(cè)頭P0.2測(cè)到黑線，則小車偏了，小車左轉(zhuǎn)彎。則可用如下程序表示。 圖4-2小車結(jié)構(gòu)圖 if(P0==0x03) { P1=0X0D } 如果左邊探測(cè)頭P0.0測(cè)到黑線，則小車偏了，小車右轉(zhuǎn)彎。 if(P0==0x06) { P1=0X07 } 由上述分析可寫出如下所示循跡核心程序 X=P0&0XFF; switch(X) { case 0x00:P1=0x0f； break； case 0x01:P1=0x0d； break； case 0x02:； break； case 0x03:P1=0x0d； break； case 0x04:P1=0x07； break； case 0x05:P1=0x05； break； case 0x06:P1=0x07； break； case 0x07:； break； default: break; } 4.3 軟件設(shè)計(jì)流程圖 單片機(jī)初始化程序后，小車通過(guò)傳感器判定路況并設(shè)定狀態(tài)，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)到的光電信號(hào)，來(lái)控制小車運(yùn)行狀態(tài)，具體程序如下所示。 4.4 軟件的調(diào)試 程序?qū)懞煤笠话愣紩?huì)有各種錯(cuò)誤，有些錯(cuò)誤是語(yǔ)法錯(cuò)誤，編譯器在編譯時(shí)會(huì)給出提示，按照提示進(jìn)行修改即可。還可能有不容易發(fā)現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤、算法的不完善等問(wèn)題，這些問(wèn)題只能通過(guò)反復(fù)調(diào)試來(lái)解決。Keil μ Vision提供了多種調(diào)試方法幫助我們對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。 4.4.1 設(shè)置和刪除斷點(diǎn) 在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)置斷點(diǎn)+單步運(yùn)行是最常用的程序調(diào)試方法。在程序可能出現(xiàn)問(wèn)題的地方加上斷點(diǎn)，當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處會(huì)停止，這時(shí)再采用單步方式來(lái)運(yùn)行。這種做法能夠有效地縮小出錯(cuò)范圍，幫助我們更快地找到出現(xiàn)問(wèn)題的程序塊。 當(dāng)程序編譯之后，通過(guò)Debug菜單下的Start/Stop Debug Session命令啟動(dòng)Keil μ Vision的調(diào)試界面，這時(shí)我們?cè)谠闯绦虼翱诖砑訑帱c(diǎn)的行號(hào)前雙擊鼠標(biāo)，就可以在該行添加一個(gè)斷點(diǎn)。也可以通過(guò)View菜單下的Disassemblely Window選項(xiàng)查看源程序反匯編以后的匯編代碼窗口（這里的匯編代碼與項(xiàng)目中的C51源程序是對(duì)應(yīng)的，在這兩個(gè)窗口添加斷點(diǎn)是等效的），并在該窗口中雙擊待添加斷點(diǎn)。在其中一個(gè)窗口添加斷點(diǎn)后另一個(gè)窗口也會(huì)自動(dòng)在相應(yīng)位置加上斷點(diǎn)。再次雙擊斷點(diǎn)可以取消該斷點(diǎn)。 4.4.2 查看和修改寄存器的內(nèi)容 在調(diào)試過(guò)程中，可以通過(guò)View菜單下的Registers Windows來(lái)查看各寄存器的內(nèi)容，由于它們都是通過(guò)軟件仿真來(lái)模擬的，并非真正運(yùn)行在MCS-51單片機(jī)上，所以我們不僅可以觀察程序運(yùn)行過(guò)程中各寄存器的值，還可以在需要時(shí)，在程序運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行修改，只要雙擊該數(shù)值，修改完畢后按回車鍵即可。 4.4.3 觀察和修改變量 通過(guò)View菜單下的Watch Windows/Watch1或Watch2子菜單可以打開(kāi)一個(gè)查看窗口，如圖4-3所示。在查看窗口中雙擊或按下F2可以添加想要查看的變量或寄存器值，包括程序中定義的變量、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值、I/O接口狀態(tài)等，雙擊變量的當(dāng)前值可以改變它。 圖4-3 調(diào)試界面窗口 4.4.4 查看存儲(chǔ)器區(qū)域 Keil μ Vision允許區(qū)域性的觀察和修改所有的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是由軟件模擬得到的。 由于MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器資源可以被劃分成4個(gè)區(qū)域：內(nèi)部可直接尋址RAM區(qū)data、內(nèi)部間接尋址RAM區(qū)idata、外部RAM區(qū)xdata、程序存儲(chǔ)器ROM區(qū)code。 為了區(qū)分這些區(qū)域，Keil μ Vision將它們分別表示為D、I、X、C。例如，D：0x00表示內(nèi)部直接可尋址RAM區(qū)從0x00處開(kāi)始的存儲(chǔ)單元。通過(guò)這種表示方法，可以準(zhǔn)確描述我們想要觀察或修改的存儲(chǔ)區(qū)域。 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)循跡小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同，根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”。本設(shè)計(jì)中采用紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。智能小車應(yīng)用前景廣闊，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模塊在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)行，可運(yùn)用于科學(xué)勘探等用途，無(wú)需人為的管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或更高的目標(biāo)。智能機(jī)器人正在代替人們完成這些任務(wù)，凡不宜有人直接承擔(dān)的任務(wù)，均可由智能機(jī)器人代替，可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段，人類無(wú)法介入等特殊情況下的任務(wù)，智能小車就是其中的一個(gè)體現(xiàn)。智能車輛又稱為輪式移動(dòng)機(jī)器人，是移動(dòng)機(jī)器人的一種，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)駕駛等多種功能于一體的綜合體統(tǒng)。如果將以上技術(shù)引用到現(xiàn)實(shí)生活中，可以使我們的未來(lái)生活變得更加智能。除了潛在的軍用價(jià)值外，還可以應(yīng)用于科學(xué)研究、地質(zhì)勘探、危險(xiǎn)搜索、智能救援等，其在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用前景也受到西方國(guó)家的普遍關(guān)注。 參考文獻(xiàn) [1] 鄧興成，姜寶鈞.單片機(jī)原理與實(shí)踐指導(dǎo)［M］. 成都：電子科技大學(xué)出版社，2004.. 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