基于51单片机智能小车设计.docx

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基于51单片机智能小车设计

北华航天工业学院

课程设计报告（论文）

设计课题：

基于51单片机智能循迹小车设计

专业班级：

B12242

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设计时间：

2014年6月15日

北华航天工业学院电子工程系

基于51单片机智能循迹小车课程设计任务书

姓名：

李云鑫

专业：

测控技术与仪器

班级：

B12242

指导教师：

王晓

职称：

学生

课程设计题目：

基于51单片机智能循迹小车设计。

已知技术参数和设计要求：

1.小车具有自动循迹功能。

2.当小车运行时对应的发光二极管发光。

3.当小车脱离跑道后直接直线行驶。

4.在跑道上运行时，始终保持只有一个电机在转动，且小车沿直线行驶。

所需仪器设备：

1、proteus.7仿真软件

2.VisualC++.6.0C语言编程软件

成果验收形式：

1、实物验收

2、实验报告验收.

3、现场进行答辩

参考文献：

[1]胡辉.单片机原理及应用.中国水利水电出版社.2007.9月第一版

[2]谭浩强、C语言程序设计（第二版）。

清华大学出版社

[3]康光华、电子技术基础模拟部分（第四版）、高等教育出版社

时间

安排

2014年6月20日至2014年6月30日期间

指导教师：

王晓教研室主任：

王晓

2014年06月15日

注：

本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。

课程设计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。

内容摘要

本设计主要有单片机模块、地面寻线模块、发光二极管模块，电机驱动模块

以及电源模块组成，小车具有自主寻迹的功能。

本次设计采用ATMEL公司的

AT89C2051单片机作为控制芯片，传感器模块采用红外接收管和比较器实现，能

够轻松识别黑白两色路面，同时具有抗环境干扰能力，电机模由LM393芯片和两

个直流电机构成，组成了智能车的动力系统，电源采用5V的直流电池，经过系

统组装，从而实现了小车的自动循迹的功能。

索引关键词：

智能小车AT89C2051单片机LM393红

外接收管

一概述………………………………………………………………1

二方案设计与论证……………………………………………………………8

三单元电路设计及各模块具体电路…………………………………………3

3.1.电路中51单片机芯片介绍…………………………………………13

3.2最小系统部分电路……………………………………………………19

3.3控制模块电路电路…………………………………………………20

3.4电机驱动及二极管模块电路………………………………………………20

3.5寻线检测模块部分电路……………………………………………………21

3.6软件设计……………………………………………………22

四总原理图及元器件清单

4.1总原理图……………………………………………………23

4.2元器件清单……………………………………………………23

五安装与调试

5.1．电子元器件的装配……………………………………………………24

5.2.机械装配……………………………………………………25

5.3．总装……………………………………………………25

六性能测试与分析

6.1测试方法及注意事项……………………………………………………26

6.2源程序………………………………………………………………26

七结论

…………………………………………………………………………………27

八心得体会

…………………………………………………………………………………28

九参考文献

…………………………………………………………………………………29

一、概述

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。

移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。

当时斯

坦福研究院（SRI）的NilsNilssen和charlesRosen等人，在1966年至1972年中研

制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环

境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。

从此，移动机器人从无到有，

数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。

智能小车，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、导航及白动控制等技术，是典型的

高新技术综合体。

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。

智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知预警系统、车辆驾驶系统和全自

动操作系统团。

上一层技术是下一层技术的基础。

三个层次具体如下

（1）智能感知系统，利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及驾

驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。

主要包括碰撞预警系统和驾驶员状

态监控系统。

碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、

换道、并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等.驾驶员状

态监控系统包括驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。

（2）辅助驾驶系统，利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶

建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。

主要包括巡航控制、车辆跟踪系统、

准确泊车系统及精确机动系统。

（3）车辆自动驾驶系统，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自

动地实现车辆操作功能。

目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。

这种智能小车的主要应用领域包括以下几个方面

:

（1）军事侦察与环境探测

现代战争对军事侦察提出了更高的要求，世界各国普遍重视对军事侦察的建设，

采取各种有效措施预防敌方的突然袭击，并广泛应用先进科学技术，不断研制多

用途的侦察器材和探测设备，在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和

卫星全球定位仪等设备，通过光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标

搜索和自主巡逻等任务，进一步扩大侦察的范围，提高侦察的时效性和准确性。

（2）探测危险与排除险情

在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。

这时，智能化探测小车就会发

挥很好的作用。

战场上，可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。

民

用方面，可以探测化学泄漏物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到

废墟中寻找被埋人员等。

（3）安全检测受损评估

在工程建设领域，可对高速公路自动巡迹，进行道路质量检测和破坏分析检测

对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。

在制造领域，可用

于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄漏和破损点

的查找和定位等。

（4）智能家居

在家庭中，可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器，

控制室温等等。

对这种小车的研究，将为未来环境探测术上的有力支持。

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”。

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。

二、方案设计与论证

2.1:

：

设计内容概述:

作为一个初学者,我只是着重于设计调试智能小车中一项颇具代表性的功能,

就是循迹,最终设计出来的成品经调试成功后,可以按照自己设置好的路线（轨迹）,，

并且可以自动转向。

2.2：

系统简介：

本系统的寻线传感器使用的是红外线接收管，并使用LM393电压比较器将

红外线接收管的模拟信号转为单片机能识别的电平信号。

嵌入式控制核心采用的

是51系列单片机AT89C2051。

采用AT89C2051位嵌入式控制核心主要是成本和性能的兼顾，AT89C2051

和AT89X51在不适用外部ROM，RAM时功能和指令时一样的，而且AT89C2051

具有更小的体积，适合初学者使用。

2.3：

系统组成：

1、设计主要分为以下几个模块:

1）路面检测模块；

2）电源模块为约为5V；

3）单片机模块；

4）电机及驱动模块;

5）发光二极管模块

1）：

路面检测模块：

用红外探测法，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

纸质地板时发生漫反射，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。

单片机就是否收到反射

回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。

2）电源模块：

电源采用直流电源，为两节五号电池供电。

为电机驱动电路板、传感器模

块板和单片机主控制板提供能源，由于AT89C2051能耗低，故6v电压可以满足

寻迹要求。

3）单片机模块；

采用AT89C2051单片机作为主控制器。

它是一个低功耗，高性能的8位单

片机，片内含2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时

器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两

种可选的软件节电工作方式。

空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、

串行工作口和中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁

止有其它部件的工作到下一个硬件复位。

AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不

能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。

4）电机及驱动模块；

1、电机模块：

车体采用四轮结构，前轮驱动；为三级减速机构，有一级蜗轮蜗杆传动，两

级直齿轮传动。

电机采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重

量轻，装配简单，使用方便。

由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速

（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。

2、驱动模块

驱动模块采用专用芯片LM393作为电机驱动芯片。

5）发光二极管模块；

用两个发光二极管连接到芯片上，通过程序控制，让它只有在电机转动时才能发光。

2、系统框图：

电

源

电

路

直流电机的驱动模块

路面寻线模块

2.4：

课程设计的理论基础及工作原理。

首先智能小车是如何实现循迹功能的呢？

那么这就涉及到了红外线接收管

的概念：

红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是

一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线

接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面

积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

红外线接收二极管是在

反向电压作用之下工作的。

没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），

称为暗电流。

当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量

传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对（简

称：

光生载流子）。

它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，

光的强度越大，反向电流也越大。

这种特性称为“光电导”。

红外线接收二极管

在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。

如果在外电路上接上负载，

负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

而此次设计中我用的是黑色红外线接收管，也就是说当接收管检测不到黑色

的反射光时，通过它的电流很小，即电路不能工作，反之，当接收管接收到了黑

光的刺激，即电路开始工作，这也就说明循迹小车必须寻得是一条黑色的轨迹，

即跑道是黑色的。

而且，我们都知道，轨迹必然不可能是一条直线，这样可以说一点挑战性都

没有，那么，如果轨迹是弯曲的，要想让小车沿着轨迹行走，它就必须会转弯，

不会转弯，它就偏离了跑道了，循迹就会失败，可是一个没有思想，没有生命的

小车自己怎么能够转弯呢，这些将会在底下统统揭晓。

绕了这么多弯，现在我就来讲讲我的小车工作原理，或者说当你打开电源

后它到底是怎么工作的。

首先，我事先会在我的AT89C2051芯片中输入已经调试好的程序，在小车的

底部会有两个两个黑色红外线接收管，分别对应着小车的左右两个电机，当左边

接收管探测到黑线时即p1-5=0，则左侧电机停止转动，即p1-6=1反之，则继续

转动，即p1-6=0。

而当右边接收管探测到黑线时，即p1-4=1则右侧电机停止运

动，即p1-3=1反之则转动，即p1-3=1。

而这也保证了小车会自己转向，比如，

当轨迹向右弯曲时，当小车运动至转弯处，即必然会导致左边接收管位探测到黑

线，而右边电机探测到黑线，所以便会导致左边电机转动，而右边电机不转动，

小车便会向右转动，即实现了小车的转向功能。

而有时，左边与右边接收管会同时探测到黑线，即小车眼直线行走时（p1-5=1；

p1-4=1），那么我们可以让右边电机运转动（p1-3=0），左侧电机不运行，即停

止转动（p1-6=1），那么此刻小车就会有一个向左转向的趋势，然而当小车转动

一个角度后，立马便会出现一种情况，即左侧接收管不会再探测到黑线，而右侧

还会，这便出现了上面的情况，小车便会左边电机转动，而右边电机不会转动，

所以小车就会有右转动的趋势，而紧接着，右边接收管便会检测不到黑线，而左

边会检测到黑线，即左边电机不转，右边电机会转，如此往复，小车便会摇摇晃

晃地走过这条直线啦。

而在我设计的电路中，为了方便清楚地观察到电机的转动与不转动，特地增

加了一个发光二极管电路，即小车左右两侧各有一个发光二极管对应着小车的左

右电机，当电机转动时，二极管会发光，当电机不转动时，即发光二极管熄灭。

三、单元电路设计与参数计算

3.1.电路中51单片机芯片介绍。

AT89C2051

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。

1内部结构编辑

AT89C2051是一个带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微处理器。

它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。

通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。

AT89C2051提供以下标准功能：

2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。

空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。

2程序保密编辑

AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。

3软硬件的开发编辑

AT89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统。

1、由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。

调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。

但是做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。

2、将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0～P1.7和P3.0～P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。

4引脚说明编辑

AT89C2051芯片引脚图

AT89C2051芯片实物图如右图所示。

1、VCC：

电源电压。

2、GND：

地。

3、P1口：

P1口是一个8位双向I/O口。

口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（ANI0）和反相输入（AIN1）。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。

当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。

4、P3口：

P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。

P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。

P3口还用于实现AT89C2051的各种第二功能，如下表所列：

引脚口

功能

P3.0

RXD串行输入端口

P3.1

TXD串行输出端口

P3.2

INT0　外中断0

P3.3

INT1　外中断1

P3.4

T0定时器0外部输入

P3.5

T1定时器1外部输入

P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

5、RST：

复位输入。

RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。

当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

6、XTAL1：

作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。

7、XTAL2：

作为振荡器反相放大器的输出。

5主要性能编辑

1、和MCS-51产品兼容；

2、2KB可重编程FLASH存储器（10000次）；

3、2.7-6V电压范围；

4、全静态工作：

0Hz-24MHz；

5、2级程序存储器保密锁定；

6、128*8位内部RAM；

7、15条可编程I/O线；

8、两个16位定时器/计数器；

9、6个中断源；

10、可编程串行通道；

11、高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）；

12、直接驱动LED的输出端口。

2、LM393

1主要特点编辑

LM393是双电压比较器集成电路。

该电路的特点如下：

比较器数:

2

工作温度范围:

0°C--+70°C

SVHC（高度关注物质）:

NoSVHC（18-Jun-2010）

器件标号:

393

通道数:

2

逻辑功能号:

393

工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源：

±1～±18V；

消耗电流小，ICC=0.8mA；

输入失调电压小，VIO=±2mV；

共模输入电压范围宽，VIC=0～VCC-1.5V；

输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；

输出可以用开路集电极连接“或”门；

表面安装器件:

表面安装

2结构图编辑

LM393内部采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）

3封装体积编辑

LM393封装形状

三种封装体积数据（3张）

型号封装

型号识别

封装命名

又名（通俗）

LM393D

SOIC8

SOP8/贴片8脚

LM393DG

SOIC8

SOP8

LM393DR2

SOIC8

SOP8

LM393DR2G

SOIC8

SOP8

LM393N

PDIP8

DIP8/直插8脚

LM393NG

PDIP8

DIP8/

LM393DMR2

Micro8

SMD8/SSOP8

LM393DMR2G

Micro8

SMD8/SSOP8

型号的尾缀区分不同的封装。

不同的封装有不同的体积、请参考上项封装数据图。

4应用说明编辑

LM393是高增益,宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。

这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。

减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC（集成电路板integratedcircuit，缩写：

IC）并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。

比较器的所有没有用的引脚必须接地。

LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关。

通常电源不需要加旁路电容。

差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件，保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。

LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供或ORing功能。

输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制。

此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制。

当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升.输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。

当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许输出箝位在零电平。

5主要功能编辑

输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值