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智能尋跡遙控避障小車 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)智能尋跡遙控避障小車 學(xué)生姓名: XXXXXXX 學(xué)生學(xué)號(hào): XXXXXXXXXXXX 院(系): 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院 年級(jí)專業(yè):09級(jí)信息與計(jì)算機(jī)科學(xué) 指導(dǎo)教師:XXXXXX 講師 二?一三年六月摘 要 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng),它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。 本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用STC89C52RC作為控制核心,與顯示器、驅(qū)動(dòng)電路等相結(jié)合的系統(tǒng)?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)STC89C52RC作為報(bào)警裝置的控制器,能充分發(fā)揮STC89C52RC的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制功能。使系統(tǒng)工作處于最佳狀態(tài),提高系統(tǒng)的靈敏度。當(dāng)產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)時(shí),通過(guò)尋跡模塊里的紅外對(duì)管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號(hào)再返回到單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)計(jì)要求做出相應(yīng)的判斷送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.控制小車讓其在黑線上實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向。關(guān)鍵詞 單片機(jī),尋跡,紅外,電機(jī)驅(qū)動(dòng)ABSTRACT Embedded system is take the application as the center, take the computer technology as the foundation, and hardware and software can be cut, for the application of the system function, reliability, cost, volume, power requirements are strictly dedicated computer system. It is generally composed of four parts of embedded microprocessor, peripheral hardware, embedded operating system and user applications, used to implement the control of other equipment, monitoring or management functions. Embedded systems generally refers to non - PC system, it includes two parts: hardware and software. The hardware includes a processor and microprocessor, memory and peripheral devices and I / O ports, such as graphics controller. The software includes operating system software OS the requirement of real-time and multi-task operation and application programming. Sometimes the design personnel to the two kinds of software together. Application control the operation of the system and behavior; and operational interaction system controls the application programming and hardware. The design of the main application STC89C52RC as the control,and display driver integrated circuits and other systems. Based on single chip design. MCU STC89C52RC using the controller as an alarm device that can give full play to STC89C52RC of data processing and real-time control functions. Make the system work in the best condition, improve the system sensitivity.When two signal driven forward by car tracing module,the on whether to produce level signals through the black,retutn again ainfrares ccording to requirement of design procedure of judgment for motor driver module,it controls the car turning back forward of running on the black line. Key words:SCM,Tracing,Level signals,Motor driver module目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒 論11.1 課題提出的背景11.2 智能尋跡機(jī)器人的研究意義31.3 課題研究方法41.3.1 智能尋跡機(jī)器人的原理41.3.2 智能尋跡機(jī)器人功能說(shuō)明51.4 智能尋跡機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況62 系統(tǒng)的需求分析與方案選擇72.1 可行性分析72.1.1技術(shù)可行性72.1.2操作可行性72.2 需求分析82.2.1應(yīng)用程序的功能需求分析82.2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境需求分析82.2.2.1 硬件環(huán)境82.2.2.2 軟件環(huán)境103 研究方案及技術(shù)路線113.1 智能循跡機(jī)器人方案113.2 使用技術(shù)123.2.1繼電器開(kāi)關(guān)控制123.2.2三極管輸出控制123.2.3單片機(jī)邏輯控制124 系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)154.1 應(yīng)用程序的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖154.2 實(shí)驗(yàn)原理圖154.3各模塊功能概述164.3.1 程序狀態(tài)指示燈模塊164.3.1.1 實(shí)現(xiàn)功能164.3.1.2程序代碼164.3.1.3運(yùn)行效果174.3.2 流水燈模塊174.3.2.1 實(shí)現(xiàn)功能174.3.2.2程序代碼174.3.2.3運(yùn)行效果194.3.3數(shù)碼管模塊194.3.3.1 實(shí)現(xiàn)功能194.3.3.2程序代碼194.3.3.3運(yùn)行效果204.3.4 數(shù)碼管及跑馬燈模塊204.3.4.1 實(shí)現(xiàn)功能204.3.4.2程序代碼204.3.4.3運(yùn)行效果234.3.5串口通信程模塊234.3.5.1 實(shí)現(xiàn)功能234.3.5.2程序代碼244.3.4.3運(yùn)行效果255 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)265.1 單片機(jī)總控制電路265.1.1時(shí)鐘電路詳細(xì)設(shè)計(jì)265.1.2復(fù)位及復(fù)位電路詳細(xì)設(shè)計(jì)265.1.3 STC89C52詳細(xì)設(shè)計(jì)315.2 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)375.2.1 循跡模塊375.2.1主控系統(tǒng)模塊376 結(jié)束語(yǔ)406.1應(yīng)用程序特點(diǎn)406.2心得體會(huì)40附錄A41參考文獻(xiàn)49致 謝501 緒 論 當(dāng)今世界,傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)正在飛速發(fā)展,機(jī)械、電氣和電子信息已經(jīng)不再明顯分家,自動(dòng)控制在工業(yè)領(lǐng)域中的地位已經(jīng)越來(lái)越重要,“智能”這個(gè)詞也已經(jīng)成為了熱門詞匯?，F(xiàn)在國(guó)外的自動(dòng)控制和傳感器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平,特別是日本,比如日本本田制作的機(jī)器人,其仿人雙足行走已經(jīng)做得十分逼真,而且具有一定的學(xué)習(xí)能力,還據(jù)說(shuō)其智商已達(dá)到6歲兒童的水平。 作為機(jī)械行業(yè)的代表產(chǎn)品?汽車,其與電子信息產(chǎn)業(yè)的融合速度也顯著提高呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的特點(diǎn):一是電子裝置占汽車整車(特別是轎車)的價(jià)值量比例逐步提高,汽車將由以機(jī)械產(chǎn)品為主向高級(jí)的機(jī)電一體化方向發(fā)展,汽車電子產(chǎn)業(yè)也很有可能成為依托整車制造業(yè)和用車提升配置而快速成為新的增長(zhǎng)點(diǎn);二是汽車開(kāi)始向電子化、多媒體化和智能化方向發(fā)展,使其不僅作為一種代步工具、同時(shí)能具有交通、娛樂(lè)、辦公和通訊等多種功能。 無(wú)容置疑,電子信息化人才的培養(yǎng)不論是在國(guó)外還是國(guó)內(nèi),都開(kāi)始重視起來(lái),主要表現(xiàn)在大學(xué)生的各種大型的創(chuàng)新比賽,比如:亞洲廣播電視聯(lián)盟亞太地區(qū)機(jī)器人大賽(ABU ROBCON)、全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽等眾多重要競(jìng)賽都能很好的培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)于機(jī)電一體化的興趣與強(qiáng)化機(jī)電一體化的相關(guān)知識(shí)。但很現(xiàn)實(shí)的狀況是,國(guó)內(nèi)不論是在機(jī)械還是電氣領(lǐng)域,與國(guó)外的差距還是很明顯的,所以作為電子信息化學(xué)生,必須加倍努力,為逐步趕上國(guó)外先進(jìn)水平并超過(guò)之而努力。為了適應(yīng)智能控制的發(fā)展在汽車智能化方向的發(fā)展要求,提出簡(jiǎn)易智能小車的構(gòu)想,目的在于:通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作一輛具有簡(jiǎn)單智能化的簡(jiǎn)易小車,獲得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)的能力,并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。所以立“智能尋跡小車”一題作為嘗試。 此項(xiàng)設(shè)計(jì)是在以騰芯ZN02智能小車為基礎(chǔ),采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制核心,實(shí)現(xiàn)能夠自主識(shí)別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。 1.1 課題提出的背景 智能尋跡機(jī)器人采用現(xiàn)在較為流行的8 位單片機(jī)作為系統(tǒng)大腦。以8052系列家族中的 89C52RC為主芯片。40 腳的 DIP 封裝使它擁有 32 個(gè)完全 IOGPIO?通用輸入輸出 端口,通過(guò)對(duì)這些端口加以信號(hào)輸入電路,控制電路,執(zhí)行電路共同完成尋跡機(jī)器人。P0.0,P0.1,P0.2,P0.3 分別通過(guò) LG9110驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)驅(qū)使電機(jī)1 和電機(jī) 2。用電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)去完成機(jī)器人的前進(jìn),后退,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn),遇遮擋物繞行,避開(kāi)懸崖等一系列的動(dòng)作。在機(jī)器人前進(jìn)時(shí)如果前方有遮擋物體,由紅外發(fā)射探頭發(fā)出的紅外信號(hào)被反射回紅外接收管,及將此信息通過(guò) P3.7 傳送入 芯片中,主芯片通過(guò)C代碼進(jìn)行機(jī)器人的繞物操作, 同時(shí)CPU將P3.7 的信號(hào)狀態(tài)通過(guò) P2.5 的 指示燈顯示出來(lái)。機(jī)器人前進(jìn)時(shí)能通過(guò) P3.5 與 P3.6 的紅外接收探頭來(lái)進(jìn)行探測(cè)。 如果行到懸崖時(shí), P3.5 或 P3.6 會(huì)收到一個(gè)電信號(hào),這個(gè)電平信號(hào)會(huì)通過(guò)指定入口傳送到主芯片中, 主芯片通過(guò)C代碼執(zhí)行機(jī)器人的避懸崖動(dòng)作。 此時(shí)P3.5 與 P3.6的狀態(tài)將通過(guò) P2.6/P2.7 顯示出來(lái)。在機(jī)器人的左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn),后退的過(guò)程,可以通過(guò)觀看以P2.0/P0.7 為指示燈的運(yùn)行狀態(tài)。P0.4 為機(jī)器人的聲控檢測(cè)端口,在運(yùn)行為前進(jìn)狀態(tài)時(shí),可以能過(guò)聲控 如拍手聲來(lái)控制它的運(yùn)行與停止。 P0.6 為機(jī)器人的聲音輸出端。 在機(jī)器人遇到障礙物時(shí)。 進(jìn)行繞障礙物與避懸崖 時(shí)可以通過(guò)此端口控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。當(dāng)為白天或黑夜時(shí)可以通P0.5端口中的光敏電阻來(lái)進(jìn)行判斷,以方便完成機(jī)器人夜間自動(dòng)照明等功能。兩個(gè)按鍵以查詢/中斷兩種不同的方式來(lái)展現(xiàn)按鍵操作。你可以按下 S1 鍵來(lái)進(jìn)行機(jī)器的停止。 再按下S2 鍵來(lái)進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)行。 這個(gè)按鍵的信息分別被P3.2,P3.4接收到。IR1 為紅外遙控接收器,這就為機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控創(chuàng)造了可能。 這個(gè)紅外遙控接收頭接收到紅外信號(hào)時(shí)將信號(hào)經(jīng)P3.3 送入到主芯片,主芯片對(duì)其進(jìn)行解密后以不同的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。同時(shí)將用戶的按鍵信息通過(guò)P2 端口上 LED 數(shù)碼管顯示出來(lái)。P3.0、P3.l 中 COM 端口的加入,讓你完全可以用電腦對(duì)其進(jìn)行控制。你可以通過(guò)對(duì)串口發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)會(huì)被顯示到LED數(shù)碼管中,并讓機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的功能。電腦的串口軟件要求波特率為9600。8 位數(shù)據(jù)位,這時(shí)你就可以快樂(lè)的用電腦來(lái)對(duì)它進(jìn)行你的完全控制了。圖1.1 智能尋跡機(jī)器人實(shí)物圖圖1.2智能尋跡機(jī)器人實(shí)物圖1.2 智能尋跡機(jī)器人的研究意義 智能尋跡機(jī)器人之所以能夠?qū)ほE,主要是由前方的兩對(duì)紅外發(fā)射與接收探頭來(lái)完成的。我們知道光有反射的特性。所以說(shuō)當(dāng)前防的紅外發(fā)射出來(lái)的光線遇到物體時(shí),就會(huì)形成反射的光線,而這個(gè)經(jīng)反射的紅外光線剛好被紅外接收探頭接收到。當(dāng)紅外接收探頭接收到信號(hào)后,再將信號(hào)送到單片機(jī),由單片機(jī)內(nèi)部的程序來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)行情況。那么如何知道是黑線還是白線了?原來(lái)這樣的,紅外光線有一反射的特性。但對(duì)于不同的物體反射特性是不一樣的,特別是對(duì)白色的物體,紅外光線的反射量將會(huì)多一點(diǎn)。而對(duì)于黑色的物體,紅外反射量將會(huì)大量的減少。那么我們就可以利用這個(gè)特性來(lái)完成黑與白的判斷。通過(guò)電路的合理安裝,可以將這種接收到的紅外光線變化量轉(zhuǎn)換為電壓值傳送到主芯片中。從而單片機(jī)就可以進(jìn)行各種智能化的控制了。例如,完成黑線的尋跡和白線的尋跡功能。 圖 1.3智能尋跡機(jī)器人實(shí)物圖 1.3 課題研究方法1.3.1 智能尋跡機(jī)器人的原理 正前方的一對(duì)紅外發(fā)射與接收探頭,可以良好的完成前方是否有障礙物的判斷,當(dāng)前外無(wú)障礙物時(shí)沒(méi)有紅外光線被反射機(jī)器人按原來(lái)路線行走。當(dāng)有紅外光線反射時(shí),機(jī)器人會(huì)根據(jù)內(nèi)部的智能程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。 前下方的尋跡探頭 白色為:紅外發(fā)射探頭(連續(xù)的發(fā)射紅外光線) 黑色為:紅外接收探頭(接收反射回來(lái)的紅外光線) 圖1.4紅外發(fā)射與接收探頭相關(guān)的匹配電阻 220電阻:紅外發(fā)射器的降壓與限流電阻(完成對(duì)紅外發(fā)射器的保護(hù))。 15K電阻:紅外接收器的光信號(hào)變電信號(hào)電阻(完成將反射回來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào))。 V1紅外發(fā)射器:主要完成紅外光線的發(fā)射。 V2紅外接收器:主要完成將反射回來(lái)的紅外光線接收到后再由電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。 經(jīng)過(guò)以上的原理說(shuō)明與實(shí)物參照,我們可以看出紅外光線是通過(guò)電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的。這里我們采用的15K的電阻,并且在進(jìn)行尋變時(shí)建議將紅外接收探頭用黑色的套管套住,以免多余的光線進(jìn)入,影響程序的正常判斷。如果需要對(duì)紅外采集信號(hào)的靈敏度進(jìn)行調(diào)整,可以將紅外發(fā)射與紅外接收的距離進(jìn)行與地面距離的調(diào)整。另一種方法可以用來(lái)將那個(gè)用于紅外接收探頭的15K電阻進(jìn)行調(diào)整,以使靈敏度適合自己的需求。在進(jìn)行實(shí)際的智能尋跡時(shí),如果是第一次使用,建議先將其他的軟件功能關(guān)閉,只留尋跡功能來(lái)進(jìn)行測(cè)試,完畢后再添加更多的功能到尋跡框架中,來(lái)發(fā)揮它更多的功能。在尋跡功能不能很好的完成時(shí),也應(yīng)考慮到太陽(yáng)光線或者其他多余的光線的影響,最好在室內(nèi)較暗的進(jìn)行,等測(cè)試完畢后再轉(zhuǎn)到正常光線下運(yùn)行。圖 1.5智能尋跡機(jī)器人實(shí)物圖1.3.2 智能尋跡機(jī)器人功能說(shuō)明 A:探照燈采用了左右兩個(gè)LED燈來(lái)表示,在程序可以通過(guò)軟件代碼的編寫(xiě)來(lái)模擬汽車的照明與轉(zhuǎn)向燈。更可以在實(shí)現(xiàn)尋跡功能時(shí)來(lái)表示前方探頭的探測(cè)情況。 B:前方智能防撞采用了紅外光線反射原理,可以很好的檢測(cè)到前方能夠反光的白色物體,從而實(shí)現(xiàn)繞障礙物與防撞的功能。 C:智能尋跡紅外對(duì)射頭采用紅外光線對(duì)黑色兩色反光程度不同的原理,可以用來(lái)檢測(cè)黑線與白線,實(shí)現(xiàn)智能尋跡的功能。同時(shí)也可以根據(jù)這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)避懸崖及其他更多的高級(jí)功能。 D: 電機(jī)齒輪箱采用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,為機(jī)器人的運(yùn)行加入了力量。讓高速的電機(jī)運(yùn)動(dòng)變的穩(wěn)定可靠,增大了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。 E:智能機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)輪,可以完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。 F:機(jī)器人電池座采用了電池的安裝方式,更好的完成了多次復(fù)用及易用的特點(diǎn)。易更換的特點(diǎn)為機(jī)器人的連續(xù)運(yùn)行增加了可靠性。 G:直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用簡(jiǎn)單易管理的L9110驅(qū)動(dòng)芯片,主程序有充分時(shí)間去處理其他更多功能。此步進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)更簡(jiǎn)單,更省主芯片效率。 H:聲控裝置-話筒采用了模擬電路數(shù)字電路的有機(jī)結(jié)合,聲控使機(jī)器人更有趣,模擬電路的建立有效的濾除了多余的雜波,運(yùn)行更可靠。 I:機(jī)器人主芯片采用STC單片機(jī)系列,完全實(shí)現(xiàn)ISP/IAP在線編程,無(wú)需編程器,程序下載更容易。同時(shí)完全兼容AT89系列芯片與AVR、PIC相關(guān)的系列芯片。 J:8位LED指示燈直接連接端口電路,能完全自由控制。充分發(fā)揮程序狀態(tài)指示燈、跑馬燈、流水燈、花樣燈等更變幻多樣的功能。 K:按鍵采用了電平觸的方式,可以較好的學(xué)習(xí)按鍵中斷與按鍵查詢等功能,掌握鍵盤(pán)掃描原理與查詢方法。 1.4 智能尋跡機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 從第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)生到現(xiàn)在,機(jī)器人的范圍已經(jīng)涉及電子、機(jī)械、家電、運(yùn)輸、航空、航海等領(lǐng)域。這些年機(jī)器人的智能化越來(lái)越先進(jìn),并且迅速地改變著人們的生活方式。人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中,制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人的感系統(tǒng),相對(duì)視覺(jué)的許多技術(shù)來(lái)說(shuō)圖像處理技術(shù)已經(jīng)很發(fā)達(dá),但關(guān)于圖像的理解技術(shù)確很滯后,小車視覺(jué)經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算也只能分辨少許結(jié)構(gòu)化比較簡(jiǎn)單的環(huán)境。視覺(jué)傳感器的重要元件是攝像管或CCD,目前的CCD可以做到自動(dòng)聚焦。但CCD的費(fèi)用、大小與使用方法確不占優(yōu)勢(shì),所以在不需要清晰圖像而只要大概感覺(jué)的系統(tǒng)中可以使用接近覺(jué)傳感器是覺(jué)傳感器種類越來(lái)越多,其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航一種實(shí)用有效的方法。 現(xiàn)智能小車發(fā)展很快,從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)貼片、尋光入庫(kù)、避崖等基本功能,這幾節(jié)的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障這兩個(gè)功能。 2 系統(tǒng)的需求分析與方案選擇 智能循跡機(jī)器人現(xiàn)在應(yīng)用于許多領(lǐng)域,但是智能機(jī)器人技術(shù)也是一項(xiàng)近年來(lái)興起的,且不大為人所知的新技術(shù)。在我國(guó)以及其他國(guó)家都有大量的學(xué)者正在研究之中,不斷的提高機(jī)器人的智能化,以便更好的為人們服務(wù),達(dá)到人機(jī)一體化。2.1 可行性分析 在擁有電動(dòng)車的條件下,加裝光電檢測(cè)器,完成對(duì)小車的速度、運(yùn)行、位置狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,而且將獲得數(shù)據(jù)傳達(dá)到單片機(jī)進(jìn)行處理,而后由芯片根據(jù)所收到的各種數(shù)據(jù)完成對(duì)小車的控制。這種方法能夠完成對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),控制靈活、可靠,精度高,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的諸項(xiàng)要求。2.1.1技術(shù)可行性 小車循跡原理是小車在貼有黑膠帶的地板上行駛,由于黑色和白色對(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。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?紅外檢測(cè)法。 紅外檢測(cè)法,即利用紅外線在不一樣顏色的表面擁有不一樣的反射特性。在智能車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中連續(xù)的向地面發(fā)射紅外線,如果紅外光遇到白色地面就產(chǎn)生漫發(fā)射,反射光線被接收管接收到;假如遇到黑線那么紅外光被吸收掉,那么小車上的接收管就收不到信號(hào)。2.1.2操作可行性 運(yùn)用單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,用它控制行駛中的小車,來(lái)完成其既定的性能目標(biāo)。簡(jiǎn)單分析我們的系統(tǒng),其中關(guān)鍵在于完成小車的自動(dòng)控制,在這一點(diǎn)上,單片機(jī)就突顯出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)?控制簡(jiǎn)單、快捷、容易。這樣,單片機(jī)就能夠充分發(fā)揮它資源豐富、擁有比較強(qiáng)大的控制功能和可位尋址操作功能、價(jià)格便宜等好處。所以,此種方法是一種比較理想的方案。 根據(jù)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)?多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜控制系統(tǒng),需要能夠處理多開(kāi)關(guān)量的單片機(jī),但是不能用精簡(jiǎn)I/O口與程序存儲(chǔ)器的小體積的單片機(jī),D/A、A/D功能也無(wú)需應(yīng)用。依據(jù)這些根據(jù),我選擇了STC89C52單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控設(shè)備,51系列單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令,I/O口都可按位尋址,程序空間高達(dá)8K,對(duì)于本設(shè)計(jì)的運(yùn)行也足夠了。 在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等諸多因素后,我們決定采用一片單片機(jī),充分利用STC89C52單片機(jī)的資源。2.2 需求分析2.2.1應(yīng)用程序的功能需求分析 本設(shè)計(jì)主要有三個(gè)模塊包括信號(hào)檢測(cè)模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。信號(hào)檢測(cè)模塊采用紅外光對(duì)管,用以對(duì)黑線進(jìn)行檢測(cè)。主控電路采用宏晶公司的8051 核心的STC89C52單片機(jī)為控制芯片。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用意法半導(dǎo)體的L298N專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,單片控制與傳統(tǒng)分立元件電路相比,使整個(gè)系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。信號(hào)檢測(cè)模塊將采集到的路況信號(hào)傳入STC89C52單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)處理過(guò)后對(duì)L298發(fā)出指令盡心相應(yīng)的調(diào)整。小車速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制?？刂齐妱?dòng)小車的速度及轉(zhuǎn)向,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的功能。2.2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境需求分析2.2.2.1 硬件環(huán)境 1信號(hào)檢測(cè)模塊 為了防止因傳感器太少引起的誤動(dòng)作,因而在車體前段安裝了5個(gè)紅外光對(duì)管,有效的減小了誤動(dòng)作的發(fā)生,減小了小車沖出跑道的幾率。 圖 2.1 路光對(duì)管 2 主控電路 本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析,同時(shí)控制電機(jī)起停、正反轉(zhuǎn)。 該模塊包括電源模塊,串口電平轉(zhuǎn)換模塊,以及I/O口擴(kuò)展模塊。電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源,串口電平轉(zhuǎn)換模塊可以將電腦與單片機(jī)串口相連從而實(shí)現(xiàn)程序的下載以及串口打印debug調(diào)試功能。I/O擴(kuò)展排針將單片機(jī)的管腳引出,可以實(shí)現(xiàn)靈活的擴(kuò)展功能。 圖 2.2 電源電路 3 驅(qū)動(dòng)電路 本模塊主要是對(duì)單片機(jī)傳送過(guò)來(lái)的高低電平信號(hào)進(jìn)行處理,控制電機(jī)起停、正反轉(zhuǎn)。 圖 2.3 驅(qū)動(dòng)電路 4 總體設(shè)計(jì) 智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng),前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的,后輪是萬(wàn)向輪,起支撐的作用。將循跡光對(duì)管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí),主控芯片控制左輪電機(jī)停止,車向左修正,當(dāng)車身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí),主控芯片控制右輪電機(jī)停止,車向右修正。由于系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),各個(gè)模塊之間采用杜邦線連接 圖 2.4 最小系統(tǒng)圖 2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.2.2.2 軟件環(huán)境 1軟件配置原則 能夠滿足該軟件的可用性,可靠性和安全性的要求 2系統(tǒng)軟件的配置選擇 配置工作能力有持續(xù)性、穩(wěn)定性高、集成度也高的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng),如WindowsXP,UNIX,Window7,Linux等。 使用符合ANSI/ISO標(biāo)準(zhǔn)的程序設(shè)計(jì)編輯器(Keil)和燒寫(xiě)軟件ISP。 使用C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行軟件的編寫(xiě)。 3 研究方案及技術(shù)路線 3.1 智能循跡機(jī)器人方案 智能尋跡機(jī)器人采用現(xiàn)在較為流行的8位單片機(jī)作為系統(tǒng)。以8051系列家族中的 STC89C52/STC89C52為主芯片。40腳的DIP封裝使它擁有32個(gè)完全I(xiàn)OGPIO?通用輸入輸出 端口,通過(guò)對(duì)這些端口加以信號(hào)輸入電路,控制電路, 執(zhí)行電路共同完成尋跡機(jī)器人。P0.0,P0.1,P0.2,P0.3分別通過(guò) LG9110電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1與電機(jī)2。用電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)完成機(jī)器人的前進(jìn),后退,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn),遇遮擋物繞行,避懸崖等基本動(dòng)作。 在機(jī)器人前進(jìn)時(shí)如果前方有遮擋物,由紅外發(fā)射探頭發(fā)射的紅外線反射給紅外接探頭,紅外接探頭將這信號(hào)通過(guò) P3.7 傳送到 STC89C52中,CPU通過(guò)C代碼進(jìn)行機(jī)器人的繞物操作, 于此同時(shí)CPU將P3.7 的信號(hào)狀況用 P2.5 的 LED 燈展示出來(lái)。小車行駛時(shí)會(huì)通過(guò) P3.5 與 P3.6 的紅外接收管來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)走到崖處時(shí), P3.5 或 P3.6 將收到一個(gè)電平信號(hào),此電平信號(hào)將通過(guò)相應(yīng)端口傳送入主芯片中, 主芯片通過(guò)內(nèi)部代碼完成機(jī)器人的避懸崖操作。 同時(shí)P3.5 與 P3.6的信號(hào)狀態(tài)將通過(guò) P2.6/P2.7 顯示出來(lái)。在機(jī)器人的左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn),后退的過(guò)程,可以通過(guò)觀看以P2.0/P0.7 為指示燈的運(yùn)行狀態(tài)。P0.4 為機(jī)器人的聲控檢測(cè)端口,在運(yùn)行為前進(jìn)狀態(tài)時(shí),可以能過(guò)聲控 如拍手聲來(lái)控制它的運(yùn)行與停止。P0.6為機(jī)器人的聲音輸出端。 在機(jī)器人遇到障礙物時(shí)。 進(jìn)行繞障礙物與避懸崖時(shí)可以通過(guò)此端口控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。當(dāng)為白天或黑夜時(shí)可以通過(guò)P0.5端口中的光敏電阻來(lái)進(jìn)行判斷,以方便完成機(jī)器人夜間自動(dòng)照明等功能。兩個(gè)按鍵以查詢/中斷兩種不同的方式來(lái)展現(xiàn)按鍵操作。你可以按下 S1 鍵來(lái)進(jìn)行機(jī)器的停止。再按下S2 鍵來(lái)進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)行。這個(gè)按鍵的信息分別被P3.2,P3.4接收到。IR1為紅外遙控接收器,這就為機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控創(chuàng)造了可能。這個(gè)紅外遙控接收頭接收到紅外信號(hào)時(shí)將信號(hào)經(jīng)過(guò)P3.3 送入到主芯片,主芯片對(duì)其進(jìn)行解密后以不同的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。同時(shí)將用戶的按鍵信息通過(guò)P2 端口上LED 數(shù)碼管顯示出來(lái)。P3.0、P3.l 中 COM 端口的加入,讓你完全可以用電腦對(duì)其進(jìn)行控制。你可以通過(guò)對(duì)串口發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)會(huì)被顯示到LED數(shù)碼管中,并讓機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的功能。電腦的串口軟件要求波特率為9600。8 位數(shù)據(jù)位,這時(shí)你就可以快樂(lè)的用電腦來(lái)對(duì)它進(jìn)行你的完全控制了。 3.2 使用技術(shù)3.2.1繼電器開(kāi)關(guān)控制 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。3.2.2三極管輸出控制 采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單,加速能力強(qiáng),采用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路(如圖2-4)。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下,精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下,效率非常高,H型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制,電子管的開(kāi)關(guān)速度很快,穩(wěn)定性也極強(qiáng),是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)。 圖 3.1 H橋式電路3.2.3單片機(jī)邏輯控制 單片機(jī)又被稱為單片微控制器,單片機(jī)不是完成某個(gè)邏輯功能的芯片,它是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。總的來(lái)說(shuō):一塊芯片就好比一臺(tái)電腦。單片機(jī)的體積小、價(jià)格較便宜、質(zhì)量很輕、使學(xué)習(xí)更加便利而且花錢少。同時(shí),學(xué)習(xí)單片機(jī)是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)原理和結(jié)構(gòu)的最好選擇。 單片機(jī)也用與電腦功能相似的模塊,比如CPU,內(nèi)存,并行總線,還有與硬盤(pán)相同作用的存儲(chǔ)器,與之不同的是單片機(jī)的這些元件性能相比我們的電腦弱很多,不過(guò)價(jià)錢也較低,一般不超過(guò)15元即可用它來(lái)做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足夠了。我們現(xiàn)在用的全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)、排煙罩等等的家電里面都可以看到單片機(jī)的身影!單片機(jī)主要是作為控制部分的核心部件。 它是一種在線式控制計(jì)算機(jī),在線式也就是現(xiàn)場(chǎng)控制,需要的是有比較強(qiáng)的抗干擾能力和較低的成本,這也是和離線式計(jì)算機(jī)的(比如家用PC)的主要區(qū)別。 單片機(jī)是靠程序的,而且能夠修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不一樣的功能,特別是特殊的獨(dú)特的某些功能,這是其他器件需要花費(fèi)大力氣才能辦到的,有些則是花大力氣也很難辦到的。一個(gè)比較簡(jiǎn)單的功能要是用美國(guó)50年代開(kāi)發(fā)的74系列,或60年代的CD4000系列這些純硬件來(lái)工作的話,電路必定是一塊大PCB板!但是要是用美國(guó)70年代開(kāi)始投放市場(chǎng)的系列單片機(jī),結(jié)果就會(huì)有天壤之別!只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過(guò)你編寫(xiě)的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能,高效率,以及高可靠性! 由于單片機(jī)對(duì)成本是敏感的,所以現(xiàn)在占主要地位的語(yǔ)言還是最低級(jí)匯編語(yǔ)言,這是除開(kāi)二進(jìn)制機(jī)器碼以外最低的語(yǔ)言了,這么低級(jí)怎么還要用它呢?許多高級(jí)編程語(yǔ)言已到達(dá)了可視化的編程高度怎么不用它們呢?其實(shí)很簡(jiǎn)單,那是單片機(jī)無(wú)家里用的電腦那樣的cpu,而且無(wú)似硬盤(pán)這樣大量的存儲(chǔ)器。某個(gè)可視化高級(jí)程序語(yǔ)言寫(xiě)的程序里哪怕只有一個(gè)按鈕,也會(huì)達(dá)到幾十K的大小!對(duì)于家用電腦的硬盤(pán)來(lái)講沒(méi)什么,但是對(duì)于單片機(jī)來(lái)講是不可以的。 單片機(jī)硬件資源的利用率一定要很高才行,因此匯編即使原始但還是在大量使用。同樣的道理,要是把巨型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件安裝到個(gè)人計(jì)算機(jī)上來(lái)運(yùn)行,那么它也是滿足不了的。 可以說(shuō),二十世紀(jì)跨越了三個(gè)電的時(shí)代,一是電氣時(shí)代、二是電子時(shí)代與現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。不過(guò),這種電腦,通常是指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī),簡(jiǎn)稱PC機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤(pán)、顯示器等組成。另外一類計(jì)算機(jī),大多數(shù)人不怎么熟悉。這種計(jì)算機(jī)就是把智能給予各種機(jī)械的單片機(jī)(亦稱微控制器)。這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一塊集成電路,就是完成簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。由于它體積小,通常都藏在被控機(jī)械的內(nèi)部。它在整個(gè)裝置中,起著猶如人類大腦的作用,它出了問(wèn)題,整個(gè)設(shè)備就不能正常運(yùn)行了。現(xiàn)在,單片機(jī)的使用范圍已十分廣泛,像實(shí)時(shí)工控、智能儀表、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器、通訊設(shè)備等。這些產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī),就會(huì)起到讓產(chǎn)品升級(jí)換代的作用,常在產(chǎn)品名稱前用以形容詞?“智能型”,像智能型空調(diào)等?，F(xiàn)在許多工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)出來(lái)的一些產(chǎn)品,要么電路太復(fù)雜,要么功能太簡(jiǎn)單且和極易被仿制。追究到底,或許就卡在產(chǎn)品未使用單片機(jī)或其它可編程元器件上。 STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory )的低電壓,高性能COMOS8的微處理器,俗稱單片機(jī)。該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。圖 3.2 STC89C52電路圖4 系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì) 本章主要介紹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程以及系統(tǒng)各模塊的功能及相關(guān)原理。 4.1 應(yīng)用程序的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖圖 4.1總體結(jié)構(gòu)圖4.2 實(shí)驗(yàn)原理圖圖4.2 實(shí)驗(yàn)原理圖4.3各模塊功能概述4.3.1 程序狀態(tài)指示燈模塊4.3.1.1 實(shí)現(xiàn)功能 本程序重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最簡(jiǎn)程序的基本結(jié)構(gòu),它從順序、判斷、循環(huán)的形式表現(xiàn)程序的基本結(jié)構(gòu),此程序通過(guò)閃燈不斷的閃動(dòng),及閃燈閃動(dòng)的快慢來(lái)表示程序不不同工作狀態(tài)。它也是常數(shù)字設(shè)備中進(jìn)行狀態(tài)表示的方法之一。4.3.1.2程序代碼 #include #define LED P1 void Delayunsigned int DelayTime whileDelayTime-; void main unsigned int CountData0; while1 ifCountData30 Delay60000; else ifCountData60 Delay30000; else ifCountData90 Delay10000; else ifCountData120 CountData0; CountDataCountData+1; LEDLED; 4.3.1.3運(yùn)行效果 開(kāi)機(jī)后程序以慢速閃動(dòng),一段時(shí)間后速度開(kāi)始加快,再等待時(shí)間,閃燈的速度達(dá)到最快,之后一段時(shí)間后,閃動(dòng)將回到開(kāi)始狀態(tài)。4.3.2 流水燈模塊4.3.2.1 實(shí)現(xiàn)功能 本程序全面的表現(xiàn)了子程序的用法,它從對(duì)幾個(gè)子程序的操作,顯示不同的流燈技術(shù),流水燈的不同需要不同的表現(xiàn)的形式,而這里主要介紹了移位操作和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀入操作。延時(shí)函數(shù)采用可重入標(biāo)志,可進(jìn)行函數(shù)的遞歸調(diào)用。4.3.2.2程序代碼 #include #define Led P1 unsigned int code BToM0x7E,0x3C,0x18,0x00; unsigned int code MToB0xE7,0xC3,0x81,0x00; void Delay reentrant unsigned int DelayTime10000; whileDelayTime-; void LeftToRight unsigned char TempCount0; Led0xFE; /定義從左邊到右邊顯示函數(shù) /定義顯示次數(shù)變量 /定義初步顯示數(shù)據(jù) forTempCount0;TempCount8;TempCount+ Delay; LedLed1; return; void RightToLeft unsigned char TempCount0; Led0x7F; forTempCount0;TempCount8;TempCount+ Delay; LedLed1; return; void BothToMid unsigned char TempCount0; Led0xFF; forTempCount0;TempCount5;TempCount+ Delay; LedBToMTempCount; return; void MidToBoth unsigned char TempCount0; Led0xFF; forTempCount0;TempCount5;TempCount+ Delay; LedMToBTempCount; return; void main while1 LeftToRight; RightToLeft; BothToMid; MidToBoth; 4.3.2.3運(yùn)行效果 開(kāi)機(jī)后,指示燈向從左向右依次點(diǎn)亮,從右向左依次點(diǎn)亮,由兩邊向中間依次點(diǎn)亮,由中間向兩邊依次點(diǎn)亮。4.3.3數(shù)碼管模塊4.3.3.1 實(shí)現(xiàn)功能 本程序通過(guò)對(duì)端口s的置數(shù)操作, 展示了數(shù)碼管的應(yīng)用技術(shù), 數(shù)碼管是將發(fā)光二極管通過(guò)一定的形式封裝在一個(gè)數(shù)字的外殼中,可以通過(guò)不同的點(diǎn)亮方式來(lái)顯不同的數(shù)字符號(hào)。4.3.3.2程序代碼 #include typedef unsigned int uint; typedef unsigned char uchar; /包含頭文件 /重命名整數(shù)類型關(guān)鍵字 /重命名字符類型關(guān)鍵字 *uchar code LedShowData0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49,/定義固定存儲(chǔ)顯示字符 0x41,0x1F,0x01,0x19,0x03; /1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 void Delay uint TempTime20000; whileTempTime-; void main uchar CountData0; while1 P2LedShowDataCountData; CountData+; ifCountData10 CountData0; Delay; 4.3.3.3運(yùn)行效果 程序運(yùn)行效果為:程序下載后,數(shù)碼管將從 1-9 依次顯示,最后將顯示數(shù)字 0.4.3.4 數(shù)碼管及跑馬燈模塊4.3.4.1 實(shí)現(xiàn)功能 本程序主要是將數(shù)碼管及跑馬燈放在一起顯示,它主要說(shuō)明了,如何將在單系中運(yùn)行多個(gè)看似并行運(yùn)行的子系統(tǒng).本程序在此將跑馬燈子程序放入到一個(gè)頭文件中, 對(duì)于一個(gè)大的工程這樣將有益于程序文件的管理。4.3.4.2程序代碼 #include /包含端口定義頭文件 unsigned char code LedShowData0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49, /定義數(shù)碼管顯示字符 0x41,0x1F,0x01,0x19,0x03; /1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 #define Led P1 unsigned char CountData0; unsigned int code BToM0x7E,0x3C,0x18,0x00; unsigned int code MToB0xE7,0xC3,0x81,0x00; void Delay reentrant unsigned int DelayTime10000; whileDelayTime-; P2LedShowDataCountData; CountData+; ifCountData10 CountData0; #include 跑馬燈.h void main while1 LeftToRight; RightToLeft; BothToMid; MidToBoth; /包含顯示方式頭文件 /主程序入口 /無(wú)窮循環(huán)開(kāi)始. /從左到右進(jìn)行顯示 /從右到左進(jìn)行顯示 /由兩邊到中間進(jìn)行顯示 /由中間到兩邊進(jìn)行顯