基于51单单片机的自动循迹小车 (1).doc

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学号

毕业设计（论文）

基于单片机的自动循迹小车的设计

教学系：

指导教师：

专业班级：

学生姓名：

二〇一二年五月

毕业设计（论文）任务书

学生姓名

专业班级

指导教师

工作单位

设计（论文）题目

基于单片机的自动循迹小车的设计

设计（论文）主要内容：

设计一个基于单片机控制的自动循迹小车，选用一款自己熟悉的单片机作为主控芯片进行设计和实现。

具体任务包括项目的可行性分析，硬件电路的设计，系统软件设计，仿真调试，实际测试等。

具体要求如下：

1.小车结构为三轮小车，其中两个轮子为驱动轮，一个为万向轮；

2.沿着规定的目标线（通常是黑线或白线）行进，而不偏离轨道；

3.目标线轨道有直道和弯道，可包含90度以上弯道；

要求完成的主要任务及其时间安排:

第1-2周毕业实习，完成实习报告，下达任务书；

第3－4周撰写开题报告；

第4--5周系统的硬件设计；

第6－7周系统的软件设计；

第8－10周对系统进行编译、仿真、调试及综合测试；

第11—13周撰写毕业设计报告（初搞-修改-定搞）；

第14－15周毕业设计报告（论文）答辩，资料整理、并交与相关老师验收认证工作；

第16周参加毕业答辩。

必读参考资料：

1．曹天汉等编著.单片机原理与接口技术（第3版）.北京:

电子工业出版社,2009

2．楼然苗，李光飞编著.单片机课程设计指导.北京:

北京航空航天大学出版社,2007

3．秦志强，彭建盛，谭立新编著.AVR单片机与小型机器人制作.北京:

电子工业出版社,2009

4．江志红编著.AVR单片机系统开发实用案例精选.北京:

北京航空航天大学出版社,2010

5．谭浩强编著.C程序设计（第二版）.北京:

清华大学出版社,1999

指导教师签名：

教研室主任签名：

毕业设计（论文）开题报告

题目

基于单片机的自动循迹小车的设计

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）：

当今世界，随着计算机技术、控制技术、信息技术的快速发展，工业的生产和管理也都向着自动化、信息化、智能化方向发展。

随着人们生活水平的提高，人们越来越希望全智能化的生活，智能化的东西可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，为工业生产或日常生活提供很大的便利。

在自动化生产线，智能仓库管理及物流配送等领域，当生产现场环境十分恶劣或者许多人工无法完成的搬运或者装卸时，机器人却能够适应这样恶劣的环境，这时候就需要智能循迹小车这样的机器来完成此类任务，基于现场和生活的实际需要，研究智能循迹小车的意义不言而喻。

自动循迹小车就是最简单的智能化产品，通过单片机的控制，能够让其沿着固定的轨道自动行驶，通过对其的扩展，可以充分的应用在工厂自动化、军事领域、仓库管理、自动停车系统、智能玩具或民用服务等诸多领域，例如在自动仓库、码头、搬运、涂装等物流作业部门工作的物流小车就是在此基础上设计出来的。

而且通过对这个课题的学习，通过理论与实践的结合，能够让自己对单片机的了解和应用进一步加深，另外，通过这次的设计，能够大大提高自己的动手能力，也更大的激发自己的兴趣。

国内外的研究概况：

国外智能车辆的始于上世纪50年代，它的发展历程大致可以分为以下三个阶段：

第一阶段：

1954年美国BarrettElectronic公司研究开发出了世界上第一台自主引导车系统，该系统只是一个运行在固定路线上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本的特征无人驾驶。

第二阶段：

从80年代中后期，在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索，在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟，其目标之一就是研究发展智能车辆的可行性，并促进智能车辆技术进入实用化，在亚洲，日本与1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶演剧协会，主要目的是研制自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆的整体进步。

进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷了全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。

第三阶段：

从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模的研究阶段。

最为突出的是，美国卡内基-梅陇大学机器人研究所完成了Navlab系列的自主车的研究，取得了显著的成就。

相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究开始于20世纪80年代，而且大多数研究尚处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，但是我国也取得了一系列的成果，主要有：

中国第一汽车集团公司和国防科技大学于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车；上海交通大学应用现代控制理论设计出了一种自动驾驶汽车模型，该模型在汽车系统的动力学建模的基础之上，设计了自动驾驶的专项系统，它能根据弯道的弯曲变化程度实时的计算出车辆的转向盘角度，控制车辆按照预设道路行驶；清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室自1988年开始研制的THMR系列移动机器人取得了很大的成功。

它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已经能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。

2．基本内容和技术方案：

本课题的主要任务是设计一个基于单片机控制的自动循迹小车，利用单片机作为主控芯片，让一个三轮小车沿着规定的目标线（一般是黑线）行驶，而且不能偏离黑线，一旦小车偏离黑线，应能自动调整到所规定的轨道继续运行,达到自动循迹的目的。

技术方案：

以AT89C51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用红外线传感器检测电路，检测道路上的轨迹，并将路面信息传送给AT89C51，通过对单片机的编程，对采集到的路面信息进行处理，通过电机驱动电路控制电机正反转，实现小车在行驶中的自动循迹功能。

具体硬件框图如下图所示：

2个电动机

电机驱动模块L298

AT89C51

单片机

电源模块

轨迹探测模块

其中电源模块：

采用干电池供电，简单方便。

电机驱动模块：

采用两个普通直流电机分别驱动小车的轮子，而直流电机则采用专门的电机控制芯片L298，它可同时对两个电机进行驱动控制，电路简单，控制效果好，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转。

轨迹探测模块：

传感器选用RPR220型光电对管。

RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。

利用黑线吸收红外线的原理，当传感器在白线上时，发光二极管发出的光被反射回来，三极管导通输出低电平，反之在黑线上时，输出为高电平。

为了更好的检测小车是否在黑线上，可用5个传感器并排放在小车底部进行检测，其中最外围两个进行对小车的粗调，特别是小车转弯时的调整，中间三个用于对小车的微调。

3．进度安排：

第1-2周毕业实习，完成实习报告，下达任务书；

第3－4周撰写开题报告；

第4--5周系统的硬件设计；

第6－7周系统的软件设计；

第8－10周对系统进行编译、仿真、调试及综合测试；

第11—13周撰写毕业设计报告（初搞-修改-定搞）；

第14－15周毕业设计报告（论文）答辩，资料整理、并交与相关老师验收认证工作；

第16周参加毕业答辩。

4．指导老师意见：

指导教师签名：

年月日

郑重声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

本人签名：

日期：

目录

摘要 1

ABSTRACT 2

1绪论 3

1.1研究背景 3

1.2自动循迹小车的国内外研究现状 3

1.3本课题设计的主要工作及结构安排 4

2自动循迹小车系统方案设计 5

2.1自动循迹小车基本原理 5

2.2总体方案设计 5

2.2.1系统总体方案的设计 5

2.2.2方案选择与论证 5

3系统硬件设计 8

3.1自动循迹小车硬件设计 8

3.2单片机控制器模块设计 8

3.3稳压电路模块 10

3.4电动机驱动模块 12

3.5循迹电路设计 13

4系统软件设计 15

4.1系统软件流程图 15

4.2程序设计 16

4.2.1计时程序设计 16

4.2.2主程序设计 16

5系统扩展 18

5.1避障功能扩展 18

5.2遥控功能扩展 19

6系统调试 21

结束语 23

参考文献 24

附录A总电路图 25

附录B仿真电路图 26

附录C小车实物图 27

附录D循迹避障遥控源程序 28

摘要

本设计是基于单片机控制的简易自动循迹小车，小车能够沿着宽约3CM的黑色轨迹行驶，能够非常流畅的转大于90°小于180°的弯道。

本设计包括电源模块、微处理器控制模块、循迹模块和电机驱动模块。

其中控制器模块以STC89C52单片机为控制核心，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器，以有机玻璃作为小车的车架，循迹模块是用RPR220光电传感器来检测小车的运动轨迹，电机驱动模块使用的是L298电机驱动芯片驱动2个直流减速电机。

利用放置在小车前方的4个RPR220光电对管将检测到的信号送到STC89C52单片机，单片机对检测到的信号进行分析判断，利用单片机生成的PWM波来及时控制2个电动机各自的运行状态，从而使小车沿着黑色轨迹自动行驶，实现小车自动循迹的目的。

本小车采用的技术主要有传感器的有效应用和STC89C52芯片的使用。

有很多功能可以继续扩展，如小车避障和遥控等，值得进一步学习和研究。

本设计不仅给出了硬件设计流程，而且还给出了完整的硬件电路图和控制程序。

关键词：

单片机；光电传感器；直流电机

ABSTRACT

Thedesignisbasedonthesinglechipmicrocomputercontrolautomatictrackingcar,thecartoawidthofabout3CMalongblacktrackrunning,canbeverysmoothtogreaterthan90degreesandlessthan180degreecorners.Thedesignincludespowermodule,themicroprocessorcontrolmodule,thetrackingmoduleandmotordrivemodule.ThecontrollermodulewithSTC89C52MCUasthecontrolcore,STC89C52isalowpower,highperformanceCMOS8microcontroller,with8KinsystemprogrammableFlashmemory,organicglassasatrolleyframe,trackingmoduleistheRPR220photoelectricsensortodetectthemovementofthetrolleytrack,amotordrivingmoduleusingL298motordrivethechiptodrive2DCgearmotor.Usingplacedinthecarinfrontofthe4RPR220photoelectrictubewilldetectsignaltotheSTC89C52MCU,MCUdetectsthesignalanalysis,usingsinglechipcomputergeneratedPWMwavetocontrol2motorsoftherespectiveoperatingstate,sothatthecaralongtheblackpathautomaticdriving,realizeautomatictrackingpurposes.

ThecarusingthetechnologyaretheeffectiveapplicationofthesensorandtheSTC89C52chiptouse.Therearemanyfunctioncancontinuetoexpand,suchascarobstacleavoidanceandremotecontrol,worthyofstudyandResearchononestep.Thisdesignnotonlygivesthehardwaredesignprocess,butalsogivesacompletecircuitofthehardwareandcontrolprogram.

Keywords:

MCU；Photoelectricsensor；DCmotor

1绪论

1.1研究背景

目前，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，当生产现场环境恶劣时，人工不能完成的任务如物料运输和装卸等，可采用智能循迹小车完成相应的任务。

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06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，以轮子作为移动机构、能够实现自主行驶的机器人，我们称之为智能小车，又称轮式机器人，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。

在工业生产中，可以代替人类完成恶劣环境下的货物搬运、设备检测等任务；在军事上，可以在危险地带代替人类完成侦查、排雷等任务；在民用上，可以作为导盲车为盲人提供帮助；在科学研究方面，可以代替人类完成外星球勘探或者矿藏勘探等。

因此对智能小车的研究具有非常大的意义。

1.2自动循迹小车的国内外研究现状

国外智能小车始于上世纪50年代，它的发展历程大致可以分为以下三个阶段：

第一阶段：

1954年美国BarrettElectronic公司研究开发出了世界上第一台自主引导车系统，该系统只是一个运行在固定路线上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本的特征无人驾驶。

第二阶段：

从80年代中后期，在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索，在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟，其目标之一就是研究发展智能车辆的可行性，并促进智能车辆技术进入实用化，在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶演剧协会，主要目的是研制自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆的整体进步。

进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷了全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。

第三阶段：

从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模的研究阶段。

最为突出的是，美国卡内基-梅陇大学机器人研究所完成了Navlab系列的自主车的研究，取得了显著的成就。

相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究开始于20世纪80年代，而且大多数研究尚处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，但是我国也取得了一系列的成果，主要有：

中国第一汽车集团公司和国防科技大学于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车；上海交通大学应用现代控制理论设计出了一种自动驾驶汽车模型，该模型在汽车系统的动力学建模的基础之上，设计了自动驾驶的专项系统，它能根据弯道的弯曲变化程度实时的计算出车辆的转向盘角度，控制车辆按照预设道路行驶；清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室自1988年开始研制的THMR系列移动机器人取得了很大的成功。

它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已经能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶；哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。

1.3本课题设计的主要工作及结构安排

本设计的循迹小车具有自动循迹功能，另外扩展了避障和遥控功能，整体设计可以分为如下几个模块，控制核心采用STC89C52单片机，循迹避障是通过传感器实现的，利用RPR220型光电对管对轨迹信息进行检测，利用红外避障传感器检测道路上的障碍，用PT2272、PT2262组成无线遥控模块。

整个系统具有自动循迹避障和遥控避障等功能。

整个系统的电路结构较简单，可靠性能高，实验测试结果满足要求。

本论文分为以下几个方面进行阐述所设计的自动循迹小车系统：

第1章绪论。

主要概述自动循迹小车的研究背景和意义；

第2章系统总体方案设计。

主要叙述了自动循迹小车的基本原理和总体设计方案；

第3章系统硬件设计。

对系统的硬件电路进行分块设计；

第4章系统软件设计。

对系统的软件进行了设计与分析；

第5章系统扩展。

对系统的扩展电路进行了软硬件设计分析；

第6章系统调试。

主要概述了系统部分模块的调试方法。

2自动循迹小车系统方案设计

2.1自动循迹小车基本原理

循迹就是能够沿着给定的轨迹运行，一般给定的轨迹为在白色地面上黑色轨迹。

为了实现这一目的，就需要轨迹检测模块，这相当于小车的眼睛，需要将路面信息返回到大脑中，这大脑就需要有信息处理功能的微处理器来构成，处理的信息需要执行机构来执行，这就需要电机驱动模块，来实现小车的行走功能，而一个完整的系统，还需要有电源模块来提供能量。

简言之，系统的基本原理就是：

循迹模块将检测到的路面信息传送给微处理器来处理，然后将处理结果送到电机驱动模块执行，达到循迹的目的。

2.2总体方案设计

2.2.1系统总体方案的设计

根据论文的要求，系统设计方案如下：

本自动循迹小车以STC89C52单片机作为微控制器，采用RPR220型红外对管组成循迹模块，采用L298电机驱动芯片和两个直流减速电机构成电机驱动模块，以7805稳压管构成电源电路。

自动循迹小车系统结构框图如图2.1所示。

STC89C52

单片机

2个电动机

电机驱动模块L298

7805稳压电源模块

轨迹探测模块

图2.1自动循迹小车系统结构框图

2.2.2方案选择与论证

（1）控制器的选择

方案一：

STC89C52单片机作为系统的控制器。

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，stc系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试，并且价格便宜。

方案二：

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，常用于大规模实时性要求较高的系统，但价格高，编程实现难度大。

本系统逻辑功能简单，仅仅需要接收传感器的信号和控制电机，对控制器的数据处理能力要求不高，从性价比方面考虑选择方案一。

（2）电源模块

方案一：

电脑USB串口供电。

能直接为单片机提供稳定的+5V直流电压。

USB串口线又容易得到。

但需要很长的线，这样导致无法在室外工作。

方案二：

用7.2V充电电池组作为小车供电电源。

经7805稳压后给单片机供电，而7.2V电压可直接接在L298驱动芯片上作为两个直流电机的驱动电压。

在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动直流电机。

这个电源结构简单，价格便宜，容易得到，而且能够重复使用。

方案三：

采用4节普通5号电池作为小车的供电电源。

刚买的5号电池测得电压为1.7V，4节就是6.8V，单片机需要5V电源，因此用7805稳压到5V后供电，但是其放电电流不大，导致电动机转速很慢，而且在使用过程中，其电压会明显降低，普通5号电池会降到1.4V以下，这样导致经过7805稳压后电压小于5V，完全无法带动整个系统正常工作，因此放弃该方案。

综上所述，选择方案二作为小车电源模块，经济实惠。

（3）电动机的选择

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，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转,能满足各种不同的特殊运行要求，价格便宜。

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。

但步进电机的抖动比较大，输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，价格还比较昂贵，所以这里不采用此方案。

由于直流电机价格便宜、控制简单，因此本设计用方案一。

（4）电动机驱动模块的选择

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。

更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：

采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。

这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：

采用专用电机驱动芯片L298作为电机驱动芯片。

L298中有两套H桥电路，刚好可以控制两个电机。

它