基于单片机的智能循迹小车设计

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1、基于单片机的智能循迹小车设计摘 要随着智能化技术的飞速发展，对于该技术的研究也越来越受研究者的关注。近年来国内外的教育部门都在组织有关智能化技术的比拼赛，由此证明智能化技术是时代发张的必经之路也只至关重要的。智能小车在这方面有很大的探索意义和代表性。本设计的主要控制功能用STC-80C51单片机来实现的。大概实现的实物操作过程是，第一步是用手按下单片机上电按键，第二步按下电机驱动模块的上电按键。智能小车会按提前划定好4cm的黑线车道行驶并在显示屏上显示智能小车实时速度、智能小车行实时驶路程和智能小车行驶实时时间。应用的原理和技术是智能小车的STC-80C51单片机控制车轴上的电机调速按行车黑线

2、轨道向前行驶，安装在小车最前沿车盘地下的四个感器开始检测4cm的黑线道，循迹模块的探头不断扫瞄检测循迹，此时时钟模块开始计时并且将行驶时间、路程和速度显示在LCD1602液晶屏上。本设计采用了双极式脉宽调制技术来控制智能小车的行驶车速。采用LCD1602液晶屏显示行驶时间、里程和速度。本设计着重介绍了基于单片机的智能循迹小车的硬件设计方法以及应用到的技术与原理。还有实物调试、硬件测试和所遇到的问题分析解决过程。关键词： STC-80C51单片机；智能小车；红外光电检测器；测速技术AbstractWith the rapid development of intelligent technolo

3、gy, the research of the technology is becoming more and more concerned by the researchers. Education departments in organizations at home and abroad in recent years intelligent technology contest, proving intelligent technology when issuing a path is only vital. Smart cars have a lot of exploration

4、and representation in this area.The main control functions of this design are implemented using stc-80c51 singlechip.The first step is to press the electric key on a single chip, and the second step presses the electrical key on the motor drive module. Car smart cars will be defined in advance good

5、black line lane and displayed on the display real-time intelligent vehicle speed, real time intelligent car driving distance and intelligent car driving time. Principle and technology of functionality: on STC - 80 c51 single chip microcomputer control motor speed according to driving the black orbit

6、 along, installed in the car head car plate at the bottom of the two groups of four infrared electric sensor starting test black line, continuous tracking tracking module, timing starts when the clock module and the driving time, distance and speed in the LCD1602 LCD display. This design adopts bipo

7、lar pulse width modulation technology to control the speed of a smart car. Use LCD1602 LCD to display the driving time, mileage and speed. This design focuses on the hardware design method of intelligent tracking car based on single chip microcomputer and the technology and principle applied to it.

8、There is also physical debugging, hardware testing, and problem analysis.Key words:STC-80C51;Smart car;Infrared photodetector;velocimetry目 录摘要IAbstractII目录IIITOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc75493198 1 绪论133445588899001111314561 绪论1.1 选题意义由于智能化的产品深受广大人民的喜爱、关注和接受。才不断推进了现代智能化技术的飞速发展。全世界的各个高校都非常重视这方面的教育和研

9、究。近年来有关智能化技术方面举行的设计竞赛是越来越多。吸引了很多学子和研究者的目光，同时各校也是非常重视该类竞赛。智能化产品在国内外不断畅销，以及在军事领域的应用也至关重要。然而智能小车这方面在当代大学生的实践中是一个很好的学习素材。智能小车设计就是在这种发展趋势下提出来的。本设计的智能小车能够在LCD1602液晶显示屏上实现实时显示行驶时间、行驶里程和行驶车速并且能够自动循迹、自动起停和自动控制车速。采用STC-80C51单片机为本题所设计的智能小车的主要程序控制芯片，当然也可以选择其它单片机来控制智能小车。STC80C51是一个8位的单片机，其多功能和易用性能很是受到广大研究者的认可。它是

10、第三代单片机的代表。第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,还包括了PhilipsSiemensADMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色与80C51兼容的单片机。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线-CAN(Controller Area Network BUS).1.2 论文总体安排本设计是对基于单片机的智能循迹小车的设计做了具体的讲解和分析。主要设计大概划分了四大模

11、块：循迹模块，时钟模块，测速模块和显示模块。为了利于设计、理解和程序的编辑。四大模块协同互相调用实现了循迹小车的论文要求。总体内容安排如下：1绪论。概述了此次选题的意义以及国内外在这方面的重视程度和研究价值。2硬件电路设计。主要介绍了STC-80C51单片机的硬件结构的各个功能；脉冲宽度调制的基本原理和调速技术的选择；最小应用系统的设计；还有起停、位移和检测电路的设计技术的具体选用。来达到设计的硬件结构要求的功能。3软件设计。绘制了利用程序设计所采用的分模块设计思想来构思出来的主程序流程图和各个子模块的程序流程图。4实物调试及测试。通过实际可行电路对焊接的实物电路进行测试，以及对源程序的不断修

12、改烧录源程序到STC-80C51单片机内，来调试实物的功能来达到设计的要求。2 硬件设计本设计中的智能小车采用STC-80C51单片机为智能小车主程序的烧录芯片所以这里就大概介绍一下STC-80C51单片机的结构。采用了红外光电探测器，探测黑色小车行驶轨迹。采用LCD1602液晶屏显示行驶时间、里程和速度。大概分了四大模块：循迹模块，时钟模块，测速模块和显示模块。四大模块协同互相调用实现了循迹小车的论文要求。系统原理图如图1所示。图6系统原理图1 系统原理图2.1 STC-80C51单片机硬件结构STC-80C51单片机集成了控制所需的最基本的电路于芯片上。按负责的功能不同和任务分配执行的过程

13、不同划分了八个部分：第一部分中央微处理器；第二部分程序存储器；第三部分数据存储器；第四部分串行接口；第五部并行扩展I/O接口；第六部分定时器/计数器；第七部分中断系统第八部分特殊性能的寄存器，这些都被分别连在单片机芯片内的数据总线。2.2 电机驱动设计本设计实现智能小车调速功能采用脉冲宽度调制原理来调速。智能小车大概调速原理：采用可逆脉冲宽度调制变换器实现智能小汽车的左转和右转。可逆脉冲宽度调制变换器主电路形式有T型、H型等等。我采用的是H型变换器，这个H型变换器是由桥式电路结构组成的，这个桥式电路中有四个续流二极管和四个三极电力晶体管串并联链接组成。具体结构设计如图2所示智能小车的双极式H型

14、可逆脉冲宽度调制变换器的电路原理图。当降低速度慢速行驶时晶体管的驱动脉冲依然很宽。这样就能更好的保证晶体管的可靠导通性；慢速行驶时智能小车的平稳性比较好，以及智能小车的调速范围也相对与高速行驶时比较广。图2 智能小车的双极式H型可逆脉冲宽度调制变换器的电路原理图2.2.1 脉冲宽度调制原理脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称PWM。我们知道可以通过数字信号中的01代码来产生矩形波，而这个0代表低电平，1代表高电平，1的个数与0的个数之比就是脉冲宽度调制的占空比。矩形脉冲的占空比越大所控制的电机运转速度越高，矩形脉冲的占空比越小所控制的电机运转速度越低。这就是脉冲宽度

15、调制调速的原理。智能小车电源的设计为轻便的干电池。这样就能使智能小车行驶方便了很多。2.3 最小应用系统设计STC-80C51芯片内有ROM/EPROM的单片机，所以这种芯片构成的最小系统具有简单和可靠的特性。最小应用系统由任何单片机和外围链接时钟电路以及复位电路构成的如图3。其应用特点如下：(1) 有大量I/O接口可供使用。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。图3 80C51单片机最小系统2.3.1 时钟电路即使STC-80C51单片机片内有振荡电路，但是我们要实现智能小车的计时功能还必须在智能小车的STC-80C51单片机外加电路。智能小车的STC-80C51单片机

16、的时钟计时功能实现有两大种方法，第一是内部时钟方式，第二是外部时钟方式。本设计采纳外部时钟方式，利用外部振荡脉冲接入XTAL1端或XTAL2端。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入的方式各不同，HMOS型单片机（例如STC-80C51）外时钟信号由XTAL2端脚注入后直接送至内部时钟电路，输入端XTAL1引脚应接地。是由于XTAL2端的逻辑电平它不是晶体管-晶体管逻辑电平，建议在HMOS型单片机外围在接上个电阻。而CHMOS型的单片机（例如STC-80C51）内部时钟发生器的信号来自CD4069UBE型号反相器的IN输入端。考虑以上技术的适用性优点智能小车采用外部时钟源时来完成智能小车的计

17、时要求，因此外部时钟信号接到XTAL1端、XTAL2端悬空。2.3.2 复位电路的设计复位电路一般只采用按键复位和上电自动复位这两种方式，给实物通上电源后智能小车STC-80C51的单片机就会控制电路自动复位。这个功能是由智能小车外围复位电路的电容元器件连续充电的过程，还有确保电源端的上电电压上升时间没有超过1ms时,才能够实现STC-80C51单片机自动上电复位的功能，时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1K。智能小车的按键复位电路有两种方式，第一电平按键复位方式，第二脉冲按键复位方式。第一是通过RST端的电阻和智能小车的STC-80C51单片机的电源导通来实现的第一种按键复位方式。按键复

18、位电路如图4所示。图4 STC-80C51按键复位电路2.4 起停、位移和检测电路2.4.1 小车行驶起点、终点及光线检测本智能小车设计采用光线反射型的红外光电传感器用于检测智能小车的行驶路面上的黑色轨迹。还有用它来检测路面小车的起点和终点的黑线。满足智能小车到的起始点记时开始和终点的停车位置功能要求。使用光敏晶体管来接收发光二级管发出的光线，当发光二级管感受到光线照射时c端与e端间的阻值就会立马减小，智能小车的检测电路端口就会输出高电平，把这个高电平经过LM393电压比较器和74LS14施密特触发器进行整形后输送STC-80C51单片机控制处理。本设计共设计了四个光电三极管，为了便于检测将其

19、分别安装在智能小车的车头下方，从左到右等距离安装这四个光电三极管分别依次为左1号位、左2号位、右2号位和右1号位。本文就是用这种安装四个光电三极管的方式来控制智能小车的运动方向。所以当左侧1号位和2号位的光电三级管都受到光照时，STC80C51单片机就会控制万向轮转向电机向左转45度；当只有左侧2号位的光电三级管受到光照时，左侧1号位光电管没有受到光照时STC80C51单片机就会控制万向轮转向电机向左转22.5度；智能小车的STC80C51单片机就会控制转向电机向右转45度时，右侧的受光与左侧相同；智能小车的STC-80C51单片机就会控制转向电机向右转时红外光电管受光和左边受光一样；左1号位

20、、左2号位、右2号位、右1号位两侧的四个光电管同时受到光照时主控芯片STC-80C51单片机控制直行。如图5所示是循迹智能小车的四路红外光电管检测电路。图5循迹智能小车的四路红外光电管检测电路智能小车的红外光电管循迹原理是，应用了物理中的反射接收原理来设计了红外线收发的黑色和白传感器。本智能小车设计中的循迹电路由红外光敏三极管、红外发光二极管和50欧的上拉电阻构成。循迹检测过程是当白色二极管传感器发射一定强度的红外线照射黑线上时会被吸收光线，从而导致黑色的传感器接收不到白管发射的反射光线，是小车会按照程序指令选择左转还是右转。当白色三极管发射红外线遇到相对于黑色比较暗的颜色时，红外光线就会立马

21、发生发射，从而安装在白管旁边的黑色的三级管会感应到反射回来的红外光线，三极管再发出一个跳变电平信号传输给主控芯片STC-80C51单片机进行处理，进而通过程序指令来选择直线行驶。循迹智能小车转弯是通过循迹的黑线判断情况来用程序控制左右车轮产生转速差，来实现转弯行驶。2.5 显示电路设计本设计智能小车选用LCD1602液晶显示屏论文要求显示的数据，因为液晶显示屏与数码管的显示相比我觉得LCD1602液晶显示屏观察起来更加直观大方；LCD1602液晶显示屏与12864液晶显示屏相比应用起来LCD1602液晶显示屏更加轻便占用空间少，因为智能小车本身载重能力有限外加12864耗电量太大，所以LCD1

22、602液晶显示屏更适合本设计的需求。2.5.1 LCD1602液晶显示屏的显示原理LCD1602液晶屏上的16个显示单元与显示RAM区1024字节是相对应的，每一个字节的内容和LCD1602液晶显示屏上相应位置点的亮暗相对应。比如当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD1602液晶显示屏的基本原理。LCD1602的基本参数:显示容量162个字符；芯片工作电压4.55.5V；工作电流2.0mA（5.0V）；模块最佳工作电压5.0V；字符尺寸2.954.35（W

23、H）mm。2.5.2 LCD1602液晶显示与单片机的连接本设计LCD1602液晶显示模块采用直接和单片机STC-89C51接口链接，电路连接简单。单片机的P3.7-P3.5端口依次对应链接显示器的RS、RW、E端口；单片机的P1.0-P1.7端口依次对应链接显示器的D0-D7端口。LCD1602显示链接电路如图6所示。图6 LCD1602显示链接电路2.6 测速模块电路设计测速模块电路是为智能小车等电玩产品自动化机械装置的。智能小车选用的是一对白管和黑管组成的红外收发管WYC H206，外加和使用带施密特触发器的反向器，来防止临界输出抖动做为智能小车测速模块核心器件构成的主要控制电路。智能化

24、轮式车和智能化履带车测速都是安装的配合编码盘。2.6.1 速度检测电路的基本原理速度检测电路的基本原理就是在很短的时间内，通过智能小车的光电传感器所感应到码盘通过的孔数个数，输送到智能小车的STC-80C51单片机的脉冲累加器外部引脚上，经过车轮的周长和行车时间来换算计算出智能小车的实际速度。这个黑色码盘安装很容易而且反应也很灵敏。测速模块原理如图7所示。图7 测速模块原理端口定义VCC :+5V ；GND : 电源接线端；OUT1、OUT2 ：对应输出端；参数工作电流：25ma；工作电压：4.0-6.5V；可检测大于 2MM（非透明）物体 。3 软件设计本设计采用的是模块化结构设计思想其优点

25、：模块与模块之间相互共存；编写时易于实现；易于维护。对于本系统，软件设计实现更为重要。为此本设计主要分了四大模块：液晶显示模块；循迹模块；时钟模块；测速模块。3.1 主程序设计软件总程序流程如图8：图8 软件总流程图3.2 显示子程序设计显示模块子程序流程如图9：图9 显示模块子程序流程图3.3 循迹子程序设计循迹模块子程序流程如图10：图10 循迹模块子程序流程图3.4 时钟子程序设计时钟模块子程序流程如图11：图11 时钟模块子程序流程图3.5 测速子程序设计测速模块子程序流程如图12：图12 测速模块子程序流程图3.6 中断程序设计中断主程序流程序如图13：图12 中断主程序序流程图中断

26、服务程序流程如图14：图13 中断服务程序流程图4 实物调试与测试4.1 测试方法与仪器硬件测试所需仪器：电脑、keil uvision4语言程序编程软件、ZN-1070B信号发生器、M169725双踪示波器、DT830B数字万用表、直流稳压电源等等。智能小车功能主要测试方法：DT830B数字万用表主要用来检测单个元件电阻、电容、电感的各个元器件的接入正确还是错误。还有检测漏电流的截止/导通状态的正确参数是否正确；ZN-1070B信号发生器与M169725双踪示波器用于检测各红外光电传感器信号的接收与发送情况是否正确。keil uvision4语言程序编程软件用于编写可执行的正确程序来测试硬件

27、是否达到智能小车设计功能的要求。直流稳压电源是用来给智能小车系统运行供电的。确保按照老师下发的任务书对本设计的基本要求来对实物的完整系统进行全面测试。4.2 测试数据及测试结果分析智能小车的时钟精度分析：时钟系统采用外部时钟方式来实现计时功能。理论上的误差不到1秒/年。智能小车的测速精度分析：在测速模块智能小车选用了一个电机轴上安装光电码盘来检测智能小车速度的技术。车轮周长135mm,光电码盘与电机轴安装在一起，电机轴每一转产生2个脉冲，智能小车轮子每转产生32个脉冲，理论上智能小车的测量精度可以达到135mm/32=4.22mm4.5mm。定位精度分析：本设计采用实际测量与软件补偿技术，理论

28、上可使定位精度提高到误差10mm。4.3 实物的总体调试方法首先把搭建好的实物用下载线与电脑链接起来；其次打开电脑打开keil软件把写好的程序通过下载线，把程序烧录到STC-80C51芯片内；然后拔掉下载线把小车放到行驶黑线轨道起点处，按下复位键后再按下启动键。观察小车行驶状态及LCD1602显示屏的显示状况，对比任务书上的功能描述是否达到要求。若达到调试成功，若没有分析原因重复上述过程修改程序继续调试观察对比。直至调试成功。实物图如图15所示。结 论通过基于单片机的智能循迹小车设计提高了我本人自身的实践动手能力，实现了我在咸阳师范学院电子信息科学与技术专业中所学的理论知识应用到现实生活中去的

29、质的转折，同时也是理论和现实的一个重要的联系过程。在整个设计实现的过程中。我首先是学习有关设计的资料，采用STC-80C51单片机为主空芯片，大胆的设计了所需的硬件电路结构图，按图逻列设计所需的材料清单。其次在淘宝上购买所需元器件和材料，按照自己设计的原理图焊接电路安装完整的小车。在第一章中对论文做了总体安排的概述，一个论文好的总体安排，需要精心策划来按章一定的逻辑顺序来安排的。这样才显得论文有条理性。在第二章中有很多硬件上的原理应用是很难理解的，通过查询一些有关这方面原理应用的实例来对照到自己所设计的智能小车的技术方面加以改进和适用性的设计来达到论文要求的硬件具备的功能。在第三章中遇到的问题

30、是画各个子程序的流程图。画图是有很多规范性的要求不同功能的框图有不同形状的图形来圈起来，才显得这个流程图看起来直观易懂。在第四章最后写程序，把写好的程序烧录到单片机中进行调试，不断重复这个调试过程。在焊接电路时出现过虚焊的情况导致电路不通。为此使用万用表检查，排除焊接上的问题。同时在选择器件时吴把不同规格的器件接错导致电路参数值错误。经过观察参数值对比理论值来排除这种错误。在程序编写的过程中最大的困难就是实现实时显示速度和对中断应用。通过自己多次深究中断这方面的控制思路以及在网上找相关视频的讲解，这个问题才得以解决。我本人对于自己的这次实物作品还是比较满意的。但是硬件基础上我想还可以实现避障的

31、功能以及遥控行车的功能。这些功能可以更好的丰富小车的有趣性和全面性。还有对技术要求就会更高一层，对于学习有很大实际效用和对自己来说又是一个新的挑战。参考文献1王秋爽.曾兆龙.单片机开发基础与经典设计实例M.第三版 北京：北京机械工业出版社，2008.2吴锤红.MCS-51微机原理与接口技术M.第三版 厦门： 厦门大学出版社， 2005.6童诗白.华成英.模拟电子技术基础M.第二版 北京：北京高等教育出版社，2003.9刘少强.传感器设计与应用实例M.第三版 北京：中国电力出版社，2008.1齐英鑫.基于80C51单片机的智能电动小车J.科技信息,2008(31):42-43.2王宝萍.玩具智能

32、小车控制系统的设计与实现D.电子科技大学,2013.3孟海岗常美孙剑.基于8051单片机控制的直流电机PWM调速系统设计J.伺服控制, 2013(2):42-46.4陈志楚.基于AT89C52的电动智能小车系统设计J.赤峰学院学报(自然科学版), 2012(18):54-57.5樊娜.潜器直流永磁电机推进系统的自适应控制D.哈尔滨工程大学, 2005.6王文华.基于80C51单片机的智能小车设计J.山西电子技术, 2010(4):11-12.7张瑞刘银年.基于频率计的电机转速实时非接触测量方法J.科学技术与工程, 2006(2):37-40.10陈会香.多用途自行车测速仪J.电子世界, 2013(8):128-129.11李博.基于单片机控制的高精度电荷校准仪的设计D.中北大学, 2008.14朱海宽.基于AT89S52的汽车测速与倒车提示模拟系统的设计D.南昌大学, 2013.15王维维.单片机最小系统实现智能抢答器J.邢台职业技术学院学报, 2014(1):90-93.16李刚.超大功率LD和高亮度LED性能测试系统D.北京工业大学, 2002.17孙静.小型自来水厂数据采集和控制系统D.福建农林大学, 2005.