基于AT89C51小车寻迹系统的设计Word格式文档下载.docx
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1
第1章系统总体设计思路方案·
3
1.1寻迹小车总体概况·
1.1.1概况·
1.1.2总体结构图·
1.2小车寻迹的原理·
4
1.3模块方案比较与论证·
5
1.3.1车体的选择·
1.3.2寻迹传感器方案的设计·
1.3.3控制器模块·
6
1.3.4电机方案的选择·
1.3.5电机驱动模块选择·
7
1.3.6小车系统总体设计方案·
第2章硬件实现及单元电路设计·
8
2.1单元电路设计·
2.1.1AT89C51主控芯片介绍·
2.1.2电源电路的设计·
10
2.1.3红外对管传感器ST168电路的设计·
11
2.1.4驱动电路L298N的设计·
14
2.2系统电路·
19
2.2.1电路原理图·
2.2.2电路工作原理·
20
第3章软件设计·
21
3.1定时器T0、T1的功能和使用方法·
3.2软件设计思路及流程图·
23
3.3寻迹小车系统的软件程序·
29
第4章系统的安装与调试·
30
4.1硬件系统的安装·
4.1.1车体的安装·
4.1.2红外对管传感器ST168的安装·
4.1.3其他电路的安装·
31
4.1.4硬件实物图·
4.2硬件系统的调试·
4.3硬件与软件的联机调试·
33
参考文献·
35
致谢词·
36
附录·
37
附录1基于AT89C51小车寻迹系统的设计整机电原理图
附录2基于AT89C51小车寻迹系统的软件程序
附录3寻迹小车实物图
附录4英汉翻译
前言
在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代。
人们在从事工业生产和科学实验等活动中，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息。
都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。
传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术不可缺少的重要组成部分[1]。
直流电机作为执行机构被广泛地应用于各类控制系统中，其驱动与转速精度是电机能够稳定工作的关键。
与此同时，调速系统的电路结构和有关理论发展非常迅速，随着可控关断的电力电子器件的出现，由它实现的斩波与PWM技术的应用也越来越广泛。
为使智能车系统反应更为快速，该智能车应用AT89C51单片机和传感器系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良等特点。
采用红外探测法实现寻迹功能，即将红外光电传感器固定在底盘前沿，利用其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，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。
根据光电反射原理，调整车速。
为保证智能车在行驶过程具有良好的平稳性，控制系统对直流电机驱动提出了较为理想的解决方案。
当设计完成后，要求达到一个能在一定的弧度范围内，并利用小车的底盘、左右轮电机及其自动复原装置，能够平稳跟踪路面黑色轨迹。
本次毕业设计研究的小车寻迹系统的主要内容，是一种基于AT89C51单片机的小车寻迹系统。
该系统采用两组高灵敏度的光电对管，对路面黑色轨迹进行检测，并利用单片机产生的PWM波来控制小车速度。
其硬件电路设计包括四部分由：
电源电路；
AT89C51单片机系统；
电机驱动电路；
寻迹传感器。
电路设计要求输出电压为5V，而且寻迹传感器的寻迹检测距离必须在8-15mm之间。
基于AT89C51小车寻迹系统采用光电传感器可自动对小车前进方向的路径进行识别。
路径识别模块能准确、快速、超前的采集路面信息，把它转变成电信号，传送到单片机中处理。
通过此课题的研究学习，我将所学到的单片机知识也应用到了实际中去，了解了两组高灵敏度的光电对管，对路面黑色轨迹进行检测的原理，还掌握了电机驱动电路在电路设计中的作用。
另外，通过此次综合毕业设计的制作，我对硬件软件的设计，及对专业知识及应用动手能力方面都得到了一个巩固和提高。
本次毕业设计分4章。
第1章介绍了寻迹小车的系统总体设计思路方案，给出小车总体概况；
第2章介绍寻迹小车的硬件实现及单元电路设计，概括整机电路的工作原理；
第3章介绍系统的软件设计，分模块设计；
第4章介绍寻迹小车系统的安装与调试。
第1章系统总体设计思路方案
1.1寻迹小车总体概况
智能寻迹小车的整个电路系统分为检测、控制、驱动三个模块。
首先利用光电对管对路面信号进行检测，经过反相器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。
1.1.1概况
小车是以AT89C51为核心，经焊接相关芯片用电路板自制加工而成，通过I/O口检测信号，输出信号到L298N驱动芯片，从而驱动左右两个直流电机控制小车的前进、停止、左转、右转，并在左右两边分别装两个发光二极管，左转时左边灯亮，右转时右边灯亮，车子转弯和灯亮就达到了一个同步，非常的直观。
检测路面信号则为两组红外发射和接收管，两组红外发射和接收管同时对路面的黑色轨迹进行检测，当检测到黑色线时就发出低电平信号给单片机表明车子开歪了，单片机接收到信号就调用相应的程序来调节车子左右两个电机的转速，最终控制小车的方向；
当四个传感器都没检测到黑色线时，输出高电平信号给单片机，表明车子正常在路面上行驶。
该智能寻迹小车在没有人为干预的情况下，通过传感器对路面信号的传递，送给单片机再驱动电机的这样一个过程，能够自主运行，稳定的跟踪黑色轨迹。
达到一个无需人为去控制的行驶过程[2、3]。
1.1.2总体结构图
本设计制作的小车是一个简易的小车寻迹电路系统，整个系统基于普通玩具小车的机械结构，是一个三轮小车结构，后面配有一个万向轮，配合小车左右轮来控制方向，前面安装有两个轮子，利用了小车的底盘、左右两电机及小车的三个轮子，能够平稳的跟踪路面上的黑色轨迹。
寻迹小车的外部总体框架结构图如图1-1所示，一个非常简易的小车结构图。
图1-1寻迹小车结构图
1.2小车寻迹的原理
本次设计的寻迹是指小车在白色纸上寻着黑线行走，采用了四个传感器，利用红外探测法来检测黑色轨迹。
红外传感器工作时是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，它会不断地向地面发射红外光，当四个传感器的其中一个发出的红外光遇到白纸上的黑线时，那么红外光就被吸收，小车上的红外对管的接收管就接收不到红外光即输出为1，但是由于单片机本身的处理问题，单片机上电时I/O口为高电平1，所以在红外对管外接了一个非门或者是比较器，但非门比比较器的分析容易，它们的最终结果是一样的。
当检测到黑线时，送给单片机的信号应该是为低电平，单片机收到信号时就给予对应的处理，调用相应的程序，再将信号送给电机驱动芯片驱动电机控制左右两个轮子的转速，最终使车子在正确的轨道上行驶；
当四个传感器都没有检测到黑线时，红外光是被反射的，小车上的红外对管的接收管就接收到红外光即输出为低电平0，通过非门处理后，送到单片机的信号为高电平信号，表明车子是正常开的，并没有开歪。
单片机就是通过是否能收到反射回来的红外光为依据来调整小车的行走路径。
本次设计关键是传感器的安装，传感器的探测距离是有限的，一般在离地面8-15mm处，超过这个距离的话，红外光会发散开来，接收管就无法正常接收路面信号[4、5]。
小车在进行速度调整时是通过合理利用单片机的PWM控制口对电机进行转速的控制。
通过控制PWM波的占空比来调节左右两个电机的转速，从而来控制小车方向。
当占空比为百分之一百时，就相当于电机接了一个恒压源，电机是一直转动的；
当占空比为百分之八十时，电机的转速就会变慢；
当占空比为百分之五十了，电机的转速就会更加慢。
由于电机在转动的过程中有惯性，通过改变占空比达到了改变电机的转速。
这就是PWM技术，通过软件的反复调试会见到小车能非常准确的按着轨迹前进的结果。
1.3模块方案比较与论证
根据设计要求，小车寻迹系统主要由：
寻迹传感器模块及非门设计、微控制器模块、直流电机以及驱动电机模块等构成的。
各个模块在整个小车的寻迹过程中都占有重要的地位，为了较好的实现各模块的功能，下面分别参照了几种方案并分别进行了论证，最终确定自己的设计方案。
1.3.1车体的选择
方案1：
购买玩具电动车。
购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。
但是一般的来说，玩具电动车具有如下缺点：
首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。
其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。
再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。
而且这种电动车一般都价格不菲。
因此此方案不怎么合理[5]。
方案2：
自己制作小车。
经过反复的考虑论证，决定在网上买车，自己组装小车并将设计的电路板安装在车子的底座上。
制作一辆简易的三轮车，左右两轮分别由左右电机驱动，后万向轮定向的方案，即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车尾部装一个万向轮。
在安装时保证两个驱动电机同轴。
当小车前进时，左右两驱动轮与万向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而左右两驱动轮驱动力不够的情况。
为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。
对于车架材料的选择，鉴于方便性，我选择了电路板。
即选择了方案2。
1.3.2寻迹传感器方案的设计
这里的寻迹是指小车在带有黑色线的白色纸上，会自动寻着黑色线的轨迹行走，参考了以下两种方案。
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。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化经过比较器就可以输出高低电平了。
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
因此我考虑其他更加稳定的方案。
由红外发射管和接收管做成的光电对管寻迹传感器ST168。
红外发射管发出红外光，当发出的红外线照射到白色的纸后反射，若红外接收管能接收到反射回来的光线则检测出的是白线，输出就是高电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出的是黑线，输出就是低电平。
外部环境对其具有一定的影响[6]。
虽然还有其他的设计方案，但是有很多都不怎么容易实现，也有的不易买到，所以我选择了第二种方案。
1.3.3控制器模块
采用凌阳公司的16位单片机，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当AT89C51单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得单片机同时处理其他任务的速度和能力下降了。
但是本系统设计是主要进行寻迹运行的检测以及电机的控制。
如果单纯的使用单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。
从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我放弃了单纯的使用凌阳单片机而考虑其他的方案。
采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控制器。
AT89C51是一个低功耗，高性能的8位单片机，32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。
从方便使用的角度和工作稳定性考虑，我选择了方案2[7]。
1.3.4电机方案的选择
由于小车要实现对路径的准确定位和精确测量，综合考虑了一下两个方案。
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确地定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。
经综合比较考虑，我对此方案采取放弃态度。
采用直流电机。
直流电机转动力矩大，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，带动变速齿轮组，可以产生较大扭力。
所以电机选择方案2比较合适。
1.3.5电机驱动模块选择
采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动电路，操作方便，稳定性好，性能优良。
对于直流电机用分立元件构成驱动电路。
由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。
但是这种电路工作性能不够稳定。
因此采用方案1[7]。
1.3.6小车系统总体设计方案
一、经过反复论证，最终确定如下方案：
（1）车体采用带有万向轮的简易三轮车；
（2）采用红外对管传感器进行寻迹；
（3）AT89C51单片机作为主控制器；
（4）L298N作为直流电机的驱动芯片。
二、系统结构框图，如图1-2所示。
图1-2系统结构框图
第2章硬件实现及单元电路设计
2.1单元电路设计
2.1.1AT89C51主控芯片介绍
一、AT89C51的管脚图
单片机主控电路的主要元器件是AT89C51，其管脚图如图2-1所示：
图2-1AT89C51管脚图
AT89C51是一个低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（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，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案[8]。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
二、管脚说明
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，
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