基于STC89C52单片机的智能循迹小车毕业设计论文.docx
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基于STC89C52单片机的智能循迹小车毕业设计论文
沈阳理工大学
毕业设计（论文）
题目：
基于单片机的智能循迹小车
院系：
信息与控制学院
专业：
自动化
摘要
本文论述了基于单片机的智能循迹小车的控制过程。
智能循迹是基于自动引导机器人系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。
智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技。
该技术已经应用于无人驾驶机动车，无人工厂，仓库，服务机器人等多种领域。
本设计采用STC89C52单片机作为小车的控制核心；采用TCRT5000红外反射式开关传感器作为小车的循迹模块来识别白色路面中央的黑色引导线，采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号；采用驱动芯片L298N构成双H桥控制直流电机，其中软件系统采用C程序，本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高。
关键词：
单片机；自动循迹；驱动电路
Abstract
Thispaperdiscussestheintelligenttracingelectrictrolleycontrolprocess.Automatictracingisusedtomakethecarindentifyrouteautomatically,andchoosingtherightroute,basedontheautomaticguiderobotsystem.Intelligenttracingelectrictrolleyisanadvancedtechnologytorealizeautomatictracingnavigation.Itisoutofhumanmanagementbutunderthedesignedmodethatuseoftheuseofatransducer,singlechip,motordriveandautomaticcontrol.Thistechnologyhasbeenappliedinunmannedvehicle,unmannedfactory,warehouse,servicerobotandmanyotherfields.
DuringthedesignofIntelligenttracingelectrictrolley,STC89C52singleclipisusedasthecontrolcore;atthesametimewithTCRT5000reflectiveinfraredtransducerswitchtoidentifytheblackguidelineatthecentralofthewhiteroad,whichusedasthecartracingmodule,itcangatherthesignalandtransferitintodigitalsignalthatcanberecognizedbysinglechip.AndthedrivingchipL298NconstitutethedoubleHbridgeconstituteofdrivingchipL298Ncancontroldirectcurrentmotor.AmongwhichthesoftwaresystemisusingCprogram.Inanutshell,thedesignofthecircuithastheadvantagesofsimplestructure,easyimplementation,andhighreliability.
Keywords：
singlechipmicrocomputer;automatictracing;drivingcircuit
1绪论
进入二十一世纪，随着计算机技术和科学技术的不断进步，机器人技术较以往已经有了突飞猛进的提高，智能循迹小车即带有视觉和触觉的小车就是其中的典型代表。
1.1智能循迹小车概述
智能循迹小车又被称为AutomatedGuidedVehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。
智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。
工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。
AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。
AGV小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。
此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。
1.1.1循迹小车的发展历程回顾
随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。
世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：
机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。
循迹小车共历了三代技术创新变革：
第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。
支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。
第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。
智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。
为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息[1]。
1.1.2智能循迹分类
AGV从发明至今已经有50多年的历史，随着应用领域范围的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。
一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型：
（1）电磁感应式
电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动，AGV小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映的AGV偏离程度路径的程度。
AGV自动化控制系统，基于这种偏差值，以控制车辆的转向，连续的动态的闭环控制设置能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。
在目前商业用途的AGV中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。
（2）激光式
安装有可旋转的激光扫描器的AGV，可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者路径上运行，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接收由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理。
目前，这种AGV类型的应用比较广泛。
基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器，或超声波发射取代，激光制导的AGV小车可以转变为红外引导和超声引导的AGV。
（3）视觉式
视觉引导式AGV是的迅速发展和比较成熟的AGV，这种AGV配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境图像数库。
在AGV的行驶过程中，相机得到的图像与图像数据库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对驾驶下一步作出决定。
这种AGV小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速发展的今天，这种类型的AGV实用性越来越强。
此外，还有铁磁陀螺惯性引导式AGV、光学引导式AGV等多种形式的AGV[2]。
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
1954年，来自美国南卡罗来纳州的MercuryMotorFreight公司成为第一批把AGV小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。
至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的AGV小车应用到自己的仓库中。
中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。
（2）制造业
在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。
由多台AGV小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。
在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以AGV小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。
目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、大众AGV小车已被广泛应用。
近年来，作为CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystems，直译为基于计算机的现代集成制造系统）的基础搬运工具，AGV已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为AGV小车使用最广泛的领域。
（3）邮局、图书馆、港口码头和机场
在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。
AGV有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。
1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国上海的邮政相继开始使用AGV小车来完成邮品的搬运工作。
在荷兰的鹿特丹港口，50辆被称为“院子里的拖拉机”的AGV小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中。
（4）烟草、医药、化工、食品
对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑AGV小车的应用。
在全国许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。
（5）危险场所和特种行业
在军事方面，以AGV小车为基础有着自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦察和扫雷，英国军方正在开发MINDER侦察系统，这是一种具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。
在钢铁厂，AGV小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。
在核电厂的核储存地点使用AGV小车，以避免辐射的危险。
AGV小车可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料[3]。
1.2智能循迹小车研究中的关键技术
现在全世界越来越多的国家都在做着研究智能化、多样化的自动汽车导航的工作。
自动汽车导航是一个非常复杂的系统，它不仅应具有正常的运动功能的成分，而且还应具有任务分析，路径规划，信息感知，自主决策等类似人类的智能行为。
人类可以利用自己的听觉、视觉、味觉、触觉等功能获取事物的信息，人类的大脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析，从而全面了解认知事物。
这样一个认识事物、分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程。
多传感器信息融合的基本原理就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。
多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程[4]。
多传感器信息融合具有许多性能上的优点：
（1）增加了系统的生存能力；
（2）减少了信息的模糊性；（3）扩展了采集数据覆盖范围；（4）增加了可信度；（5）改善了探测性能；（6）提高了空间的分辨力；（7）改善了系统的可靠性（8）信息的低成本性[5]。
本文主要由五章组成，第1章为绪论，主要讲述循迹小车的发展历程及在目前所应用领域中的作用。
第2章为总体规划智能循迹小车系统的设计，包含主系统流程图。
第3章是系统的硬件设计，其中包含单片机电路的设计，光电传感器模块和电机驱动电路。
第4章为系统的软件设计，主要介绍的是软件实现过程的框图。
第5章是对硬件和软件的调试，最终保证了系统的正常运行。
2智能循迹小车总体设计方案
2.1整体设计方案
本系统采用简单明了的设计方案。
通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块判断黑线路经，然后由STC89C52通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。
2.1.1系统设计步骤
（1）根据设计要求，确定控制方案。
（2）利用Protel99se设计合理的硬件原理图。
（3）画出程序流程图，使用C语言进行编程，运用WAVE6000进行模拟调试。
（4）将各元件焊接在PCB板上，并将程序烧录到单片机内。
（5）进行调试以实现控制功能。
2.1.2系统基本组成
智能循迹小车主要由STC89C52单片机电路、TCRT5000循迹模块、L298N驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。
图2.1智能循迹小车控制系统结构框图
（1）单片机电路：
采用STC89C52芯片作为控制单元。
STC89C52单片机具有低成本、高性能、抗干扰能力强、超低功耗、低电磁干扰，并且与传统的8051单片机程序兼容，无需改变硬件，支持在系统编程技术。
使用ISP可不用编程器直接在PCB板上烧录程序，修改、调速都很方便。
（2）TCRT5000循迹模块：
采用脉冲调制反射式红外发射接收器作为循迹传感器，调制信号带有交流分量，可减少外界的大量干扰。
信号采集部分就相当于智能循迹小车的眼睛，由它完成黑线识别并生产高、低平信号传送到控制单元，然后单片机生成指令来控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，来完成自动循迹。
JY043W型光电管和电压比较器LM393为核心部分，再加上必要的外围电路。
（3）L298N驱动模块：
采用L298N作为电机驱动芯片。
L298N具有高电压、大电流、响应频率高的全桥驱动芯片，一片L298N可以分别控制两个直流电机，并且带有控制使能端。
该电机驱动芯片驱动能力强、操作方便，稳定性好，性能优良。
L298N的使能端可以外接电平控制，也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需要。
另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够的问题。
（4）直流电机：
采用双直流电动机。
直流电动机的控制方法比异步电动机简单，只需给电机两条控制线加上适当的电压就能使电机旋转，在正常工作电压范围，电压越高直流电机转速越高。
直流电动机调速方法分为两种：
一种是直接调整电压，另一种通过PWM调速。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压波形为矩形波，改变矩形波的占空比就能实现电压的改变，从而实现电机转速的改变。
（5）电源模块：
由三个串联1.5V干电池作为电源。
通过7805稳压芯片稳压，通过0.1uF和470μF电容进行滤波。
2.2整体控制方案确定
图2.2为循迹小车的系统控制框图。
引导线是小车跟踪的目标，检测系统检测车的相对路径，然后将此信息输入到单片机，单片机处理此信息后，将控制命令输出到驱动模块，以控制小车的直流电机，保证小车快速平稳地沿预先设定好的路线行驶。
图2.2智能循迹小车系统控制框图
采用3个1.5V的可充电池组作为主电源。
STC89C52单片机作为主控制器。
因为小车电机内部装有减速齿轮组，所以不需考虑调速功能，采用电机驱动芯片L298N控制直流电机，而不使用步进电机。
L298N是利用TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
这样单片机和循迹传感器组成了一个带有反馈信号的系统。
3系统的硬件设计
3.1单片机电路的设计
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D、D/A转换器等。
3.1.1单片机的功能特性描述
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜。
单片机内部也有和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
本课题选择了STC公司的生产的STC89C52单片机。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器。
一个芯片上拥有8位CPU，并且在系统可编程Flash。
STC89C52提供给为众多嵌入式控制应用系统高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，两个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
此外，空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
表3.1STC89C52单片机和AT89S52单片机的对比
STC89C52单片机
AT89S52单片机
序存储空间
8K字节
8K字节
数据存储空间
512字节
256字节
EEPROM存储空间
内带4K字节
无
是否可以直接使用串口下载
可以
不可以
3.1.2晶振电路
在STC89S52单片机上内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
在1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
从XTAL1接入，如图3.2所示。
由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有要求。
本设计选用的是12MHZ无源晶振、2个22pF电容，使得一个机器周期是1μs。
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，而两个电容则是起到并联谐振的作用，如果没电容，振荡电路会因为没有回路而停振，电路不能正常工作。
图3.2单片机晶振电路图
3.1.3复位电路
复位电路的作用是在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：
这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。
不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。
如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
本设计采用的电容值为10μF的电容和电阻采用1.5KΩ和200Ω的电阻。
如图3.3所示上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。
当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作[6][7]。
图3.3单片机复位电路图
3.2光电传感器模块
循迹光电传感器原理，就是利用黑线对红外线不同的反射能力通过光敏二极管或光敏三极管，接收反射回的不同光强信号，把不同光强转换为电流信号，最后通过电阻，转换为单片机可识别的高低电平。
光电传感器实现循迹的基本电路如3.4所示。
图3.4循迹传感器电路图
循迹传感器工作原理：
TC端是传感器工作控制端，为高电平时，发光二极管不工作，传感器休眠，为低电平时，传感器启动。
Signal端为检测信号输出，当遇到黑线，黑线吸收大量的红外线，反射的红外线很弱，光敏三极管不导通，Signal输出高电平；当遇到白线，与黑线相反，反射的红外线很强，使光敏三极管导通，Signal输出低电平。
这种探测方法，即利用红外线在不同颜色的表面特征，具有不同的反射性能，汽车行驶过程中接收地面的红外光。
当红外光遇到白色路线，地板发生漫反射，安装在小型车的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路线，红外光将被黑线吸收，安装在小车上的接收管没有收到红外光。
控制器会根据是否收到反射的红外光为判断依据来确定的黑线的位置和小车的路线。
红外探测器距离通常是不应超过15厘米的。
红外发射和接收红外线感应器，可以使自己或直接使用集成红外探头。
调整左右传感器之间的距离，两探头距离约等于黑线宽度最合适，选择宽度为3–5厘米的黑线。
该传感器的灵敏度是可调的，传感器有时遇到黑线却不能送出相应的信号，通过调节传感器上的可调电阻，适当的增大或减小可改变灵敏度。
另外，循迹传感器的放置也是有讲究的，有两种方法，一种是两个都是放置在黑线内侧紧贴黑线边缘，第二种是都放置在黑线的外侧，同样紧贴黑线边缘。
本设计采用第二种方法。
单片机烧录程序后，就可以执行循迹指令了。
如果小车向前行驶时向左偏离了黑线，那么右边传感器会产生一个高电平，单片机判断这个信号，然后向右拐回到黑线。
两传感器输出信号为低电平时，小车前进。
如果小车向右偏离黑线，左边传感器产生一个高电平，单片机判断这个信号，然后向左拐。
这样，小车一定不会偏离黑线。
若两个光电传感器同时输出的信号为高电平，即单片机判断的都为高电平时，小车向前直走。
3.2.1传感器分布
传感器通过信号采集，向单片机提供信息。
因此传感器合理的布局很重要，传
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