毕业设计红外线避障小车的设计

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1、摘要随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化 上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已 经成为自动行走和驾驶的重要部件。红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就 必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红 外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。 本设计通过小车这个载体再结合由 AT89S51 为核心的控制板可以达到其基 本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555 组成的转速控制电路、 电

2、源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。关键词：避障 光电开关 红外线漫反射 差分控制Infrared obstacle avoidance carAbstractWith the development needs of the production automation, robots have been more and more widely applied to the automation of production, with the development of science and technology, the robot more and more types of s

3、ensors, including infrared sensors has become an important component of the automatic walking and driving .Infrared Typical applications for autonomous intelligent navigation systems, robotics to achieve automatic obstacle avoidance must be perceived obstacles, perceived obstacles to the robot quite

4、 a visual function. Intelligent obstacle avoidance system based on infrared sensor, infrared sensor front obstacle detection and determine the obstacle distance.Due to the limited time and the level of our most basic obstacle avoidance temporary as the design goal.Design by car carrier recombination

5、 by AT89S51 as the core of the control panel can achieve its basic functions, supplemented plus diffuse photoelectric switch obstacle avoidance circuit 555 comprising a speed control circuit, power circuit, a differential drive circuit. You can improve the entire design.Keywords: obstacle avoidance

6、photoelectric switch infrared diffuse reflectance differential control目录前 言 V第 1 章 课题研究价值 VI第1.1节 选题背景 VI第 2 章 课题设计 VII第2.1节 设计要求 VII第2.2节 总体设计 VII第 3 章 方案论证 IX第3.1节 单片机选择论证 IX第3.2节 传感器设计方案 IX第3.3节 控制算法设计方案 X第 4 章 智能小车硬件设计 XII第4.1节智能小车硬件分配 XII第4.2节AT89S51单片机简介XV第4.3节电路设计 XVIII第 5 章 智能小车软件设计 XXIV第5.1

7、节总体流程图XXIV第5.2节最少拍控制算法 XXVI第 6 章 开发流程 XXIX第 6.1 节 编译环境 XXIX第 6.2 节 下载调试 XXXI第 6.3 节 单片机的 I/O 分配 XXXI结 论 XXXIII附 录 A XXXIV附 录 B XXXVII附 录 C XXXVIII参考文献 XLII致 谢 XLIII-XX.-JL-前言随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化 上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已 经成为自动行走和驾驶的重要部件。红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就 必须要感知障碍

8、物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红 外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。 本设计通过小车这个载体再结合由 AT89S51 为核心的控制板可以达到其基 本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555 组成的转速控制电路、 电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。第1 章 课题研究价值第1.1 节 选题背景国内外随着计算机技术，控制技术，信息技术的快速发展，工业的生产 和管理进入了自动化，信息化和智能化的时代，智能化已经成为时代发展的 需要。第三代单片机包括了 Intel公司

9、发展MCS-51系列的新一代产品，如8 xC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8xC451、8 x C452，还包括了 Philips 、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL 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。新一代的单片机的最 主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制 功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA（可编程计数器 阵列）、WDT（监视定时器）、高速I/O 口、计数器的捕获/比较逻辑等。这一 代单片机中，在总线方面最重要的进

10、展是为单片机配置了芯片间的串行总 线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代 单片机80C51系列8 x C592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）. 新一代单片机为外部提供了相当完 善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。该项目可以应用于 机车头自动寻迹，工厂自动化，仓库管理，可提高劳动生产效率，改善劳动 环境。在柔性自动化生产线，智能仓库管理及物流配送等领域，当生产环境 恶劣时，工人不能完成的任务如物料运输和装卸等，可采用智能寻迹小车完 成相应的任务。基于生产现场和日常生

11、活的实际需要，研究和开发智能寻迹 小车系统具有十分重要的意义。第 2 章 课题设计第 2.1 节 设计要求在本次设计中，要求所设计的小车具有自动避障的功能，能在红外探头探测 到前方有障碍物的时候先进行后退大约 2 秒再进行向左转 180 度角，第二次探测 到前方障碍物的时候再后退大约 2 秒再进行向右转 180 度角，这样循环下去。很 明显，我要设计的小车是要能遇见障碍物自动窥探到障碍物并立即倒退和转动方向重新行驶，当然小车行驶速度不会有太大的变化。第 2.2 节 总体设计红外发射红外接收电单片机电机M1机AT89S51电机M2驱红外发射红外接收红外发射红外接收图 2.1 系统框架图说明智能避

12、障小车能避障主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完成的。根 据光有反射的特性。所以说当红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的 光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。当红外接收探头接 收到信号后，再将信号送到单片机由单片机内部程序来控制电机，由电机完成小 车的前进，转向。第 3 章 方案论证第 3.1 节 单片机选择论证在单片机选择提供两种选择一种是 8031 另一种是 AT89S51。选用8031单片机系统8031单片机内不带程序存储器ROM,使用时用户需 外接程序存储器8255和一片2764,来进行扩展。电路复杂。选用AT89S51单片 机系统AT89S51里有4K程

13、序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户 可以用电的方式瞬间擦除、改写。不用扩展外部存储器。显而易见,这种单片机 对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。由此可见选用 AT89S51 单片机。第 3.2 节 传感器设计方案在传感器方案的选择中,有以下两种方案供参考：方案一：使用 CCD 传感器来采集路面信息。使用 CCD 传感器,可以获 取大量的图像信息,可以全面完整的掌握路径信息,可以进行较远距离的预 测和识别图像复杂的路面而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说,使用 CCD 传感器也有其不足之处。首先使用 CCD 传感器需要有大量图像处理的 工作,需要进行大量数据的存储和计算。因为

14、是以实现小车视觉为目的,实 现起来工作量较大,电路复杂。方案二：使用光电传感器来采集路面信息。使用红外传感器最大的优点 就是结构简明,实现方便,成本低廉,免去了复杂的图像处理工作,反应灵 敏,响应时间低,便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是,它 所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有 限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间 的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。 经过综合考虑，在本设计中采用红外光电传感器作为信息采集元件。第 3.3 节 控制算法设计方案在小车的运行中，主要有方向和速度的控制，即舵机和电机的控制，这 两

15、个控制是系统软件的核心操作，对小车的性能有着决定性的作用。对电机的控制，要达到的目的就是：在任何情况下，总能给电机一个合 适的高低电压，保证小车能始终遇见障碍物时可以随时转动运行的方向。在 电机的控制方案中，有以下两种方案可供选择：方案一：比例控制这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向 偏移量，让其回到跑道。比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单， 不需要复杂的数字计算。在实际应用中，由于传感器的个数与布局方式的限 制，其控制量的输出是一个离散值，不能对舵机进行精确地控制，容易引起 舵机左右摇摆，造成小车行驶过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。方案二 PID 控制P

16、ID 控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，可以抑制振荡， 加快收敛速度，调节适当的参数可以有效地解决方案一的不足。不过 P，I， D 三个参数的设定较难，需要不断的进行调试，凭经验来设定，因此其适应 性较差。方案三：最少拍控制最少拍设计，是指系统在典型输入信号（如阶跃信号，速度信号，加速 度信号等）作用下，经过最少拍（有限拍），使系统输出的稳态误差为零。所 以，最少拍控制系统，也称最少拍无差系统，最少拍随动系统，实质上是时 间最优控制系统，系统的性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短。可 以看出系统对闭环脉冲传递函数的要求是快速性和准确性。也就是说让小车 在行驶出跑道后，能在最短的时

17、间内回到跑道上。最少拍控制系统的设计与 被控对象的零极位置有很密切的关系。在本次设计中小车只要求按照跑道行驶，跑道简单。能有快速性，准确性的 反应就可以，经过综合考虑后，采用最少拍控制。第 4 章 智能小车硬件设计第 4.1 节 智能小车硬件分配本设计的小车硬件设计分为两部分，一部分是机械设计，一部分是电路设计。 机械设计主要是对小车的机械部件进行选件与组装。电路设计是对核心单片机、 还有复位操作方式、晶振频率、传感器电路设计、电源管理模块、驱动模块进行 介绍。组装注意事项请看附录B4.1.1 机械部分材料清单材料清单分为：电动机芯装配材料清单与小车装配清单表4.1 电动机芯装配材料清单序号名

18、称规格1电机131U=6V10000 转/分2蜗杆M=0.5 Z=13二牙轴2*184二牙片M=0.5Z=10/205三牙轴2.5*2.5*68 方轴6三牙片M=0.5 Z=12/38 方孑L7电机夹板A8四牙轴2.5*2.5*z8 方轴9四牙片M=0.5 Z=42 方孑L10电机夹板B11自攻螺丝M2.5*812机制螺丝M3*30表4.2 小车装配清单序号名称规格数量1底板12机制螺丝M3x84对3机芯24后轮25开关16机制螺丝M2x82对7双联极片38前轮29前轮架210单联极片211机制螺丝M3x84对12前轮轴3x118113前轮固定圈24.1.2电路板硬件材料清单表4.3 材料清单

19、位号名称备注位号名称备注M1电机1接线座SIU1LED数码管M2电机2接线座IR1红外接收头X1前端探测板接线座RX110K排阻DC电源接线座Z111.0592 晶振R115KIC1AT89S51R2220IC2MAX232CPER3150KIC3LG911集成电路R41MIC4LG911集成电路R547KC110uF/16vR6560C2104R7560C3104R8560C4104R9560C510uF/16vRIO560C610uF/16vRll560C730PFR12560C830PFR13560C9104R14220C1010uF/16vR1510KC1110uF/16vR16560

20、C1210uF/16vR1710KC1310uF/16vR18560D1-D8红色发光二极管R19560D9绿色发光二极管R20560S1按键开关R21560S2按键开关R22560S3开关R23560COM19针串行端口R24560D1-D2LED发光二极管前板用R2510KV1红外发射头前板用R26560V2红外接收头前板用RL1光敏电阻V3红外发射头前板用SB1蜂鸣器V4红外接收头前板用B1话筒V5红外接收头前板用R1220前板用V6红外发射头前板用R2220前板用R3560前板用R415K前板用R515K前板用R6220前板用R7560前板用R815K前板用COM数据线第4.2节 AT

21、89S51单片机简介AT89S51作为本设计的核心芯片如图所示3-1,是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的 Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造, 兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器 和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应 用系统提供高性价比的解决方案。以下是详细介绍。图 4.1 AT89S514.2.1 AT89S51单片机的硬件结构AT89S51单片

22、机系列的存储器用的是哈佛结构，即将程序和数据存储器截 然分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。 AT89S51的存储器可分为五类：程序存储器，内部数据存储器，特殊功能寄存器, 位地址空间，外部数据存储器。4.2.2 AT89S51单片机管脚简介AT89S51有40引脚双列直插（DIP）、44引脚（PLCC）、44引脚（TQFP） 封装形式OAT89S51的引脚功能如图3-2所示AT89S51系列单片机采用了 CMOS 技术制造，它集成度高、速度快、功耗低。4.2.3 AT89S51单片机的内部存储结构AT89S51单片机片内总体结构的详细框图如图3-3所示，主要由

23、9个部分 组成，分别是：1个8位中央处理器；4KBFlash存储器；128B的数据存储器； 32条I/O接口线（PO、P1、P2、P3）； 2个定时/计数器；1个具有6个中断源、4 个优先级的中断嵌套结构；用于多处理机通信、I/O扩展或全双工UART的串行 口；特殊功能寄存器（SFR）； 1个片内振荡器和时钟电路。P1.1LP1卫厂P1 .3匚P1.4厂(MOSI1P1 ,5L(MISO)P1.6L(SCK)P1.7匚P1.0 匚RST l_(RXD)户日.a r (TXD) P3.1 匚 (into)户m卫 r (INTI ) P3.3 E(TO) P3.4 L(T1) P3.5 匚 (WR

24、) P3.6 匚(RD) P3.7 rXTAL2 匚XTAL1 匚GND r-OT1234567BB11O5E7654321O4333333333PD.OPD. HPO 2PO.3P0.4P0.5P0.6(AD Ci J (ADI J(AD 2AD3AD4(AD 5(AD 6 J(AD 7PO.7EA.-VPPAL E.-PROG户SENP2 7P2 6户禹P2 3P2 2P2. 1P2 0I Al 51 (A14) (AIS) I Al El (AVI (Al 01 (AS (AflJ图4.2 40引脚双列直插（DIP）封装振霸器和 甘序电蹄 -|Vf89S51:中断控制-JLIl中外部中断

25、程卑存诸 器 C4KB）数据存储 器7VL1可编危且 行匚. 总线非展控制器并行可编程IP两亍16莅 走时器/记数器V W控制外鄱事件计數图4.3 AT89S51单片机片内总体结构图第 4.3 节 电路设计在本设计中电路设计非常重要包括复位操作方式、晶振频率、传感器电路设 计、电源管理模块、驱动模块的设计。这些电路设计都以简单、使用为原则进行 设计。其中复位电路、晶振电路和电源构成了单片机的最小系统。下面是详细介 绍。4.3.1复位操作方式复位是单片机的初始化操作，其主要功能是PC初始化为0000H,使单片 机从 0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化外，由于程序运行 时出错或

26、操作错误使系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也需按复位键 以从新启动。除PC之外，复位操作还对其它特殊功能寄存器有影响。复位操作 还对单片机的个别引脚信号有影响。它们的复位状态见附录表例如；在复位期间 ALE 和 PSEN 信号变为无效状态，即 ALE=1， PSEN=1。(1) 复位信号及其产生RST 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持 续 24 个振荡脉冲周期(即两个机器周期)以上。若使用频率为 6MHZ 的晶振， 则复位信号持续时间应超过 4 微秒才能完成复位操作。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST) 送施密特触发器，再由片内

27、复位电路在每个机器周期的 S5P2 时刻对施密特触发 器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。(2) 复位操作方式复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种 方式。+5vWuF_cqR5T1K8.2KGNB图4.4 AT89S51复位电路本次设计采用的是上电复位，上电复位是通过外部复位电路的电容充电来 实现的，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位， 即接通电源就完成了系统的复位初始化。4.3.2晶振频率晶振电路是单片机不可缺少的，这种电路是单片机内部振荡电路，由只需 要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚边接一个晶体振荡器或一个陶瓷振

28、荡器, 并通过两个电容后接地即可，XTAL1和XTAL2分别为单片机片内反相器的 输入和输出端口，因为单片机内部工作需要时钟，产生机器周期，振荡电容 一般选取10-30PF，振荡电路的频率要满足单片机的工作频率要求，单片机才 能正常工作。如图4.5所示。NCUII引叶GNE -IIX7AL13DnF11.0592-XTAL2图4.5晶振的应用原理图433传感器电路设计寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中最重要的一部分，其作用相 当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入单片机进行数据处理， 其能否正常工作直接影响着小车队路面的判断以及小车下一步的行动，因而其 布局的合理性与有效对小车

29、稳定而又快速的行驶起着关键的作用。我们认为在 传感器的布局中，要解决两个问题：信息检测的精确度和信息检测的前沿性。（1）本设计中选用的传感器如图3-6所示，白色为：红外发射探头（连 续的发射红外光线）。黑色为：红外接收探头（接收反射回来的红外光线）图4.6红外发射管与红外接收探头本设计中安装了三组（也可两组）红外探头，排成三角形。传感器电路图如图所示4.7详细全图见附录图4.7红外发射与接收探头相关的匹配电阻220 电阻：红外发射器的降压与限流电阻（完成对红外发射器的保护）。 因为单片机的电源是5V,流过放光二极管的电流小于20MA，放光二极管的 管压降为1.7V2V。所以根据单片机电源减去二

30、极管管压降除以流过二极管电 流，就可以得到所需要的电阻。15K 电阻：红外接收探器的光信号变电信号电阻（完成将反射回来的光信 号）。15K的电阻选择是随意选择的，也可以选择10K，20K。因为红外接收 探头在工作时，就相当于一个开关，所以电阻是随意的。红外发射与红外接收器V1 红外发射器：主要完成红外线的发射V2 红外接收器：主要完成将反射回来的红外光线接收到后再由电阻转换 为电信号。（3）避障小车的避障原理避障小车之所以能够避障，主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完 成的。我们知道光有反射的特性。所以说当前方的红外发射出来的光线遇到物 体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好

31、被红外接收探头接 收到。当红外接收探头接收到信号后，再将信号送到单片机由单片机内部的程 序来控制小车的运行情况。那么如何知道是如何有障碍物呢？原来红外光线有 一个反射特性。但对于不用的物体反射特性是不一样的，特别是对白色反光的 物体，红外光线的反射量将会多一点。而没有明显障碍物，红外反射量将会大 量的减少。那么我们就可以利用这个特性来完成障碍物的判断。通过电路的合 理安装，可以将这种接收到的红外光线变化量转换为电压值传送到单片机中。 返回的电压值为低电平，而单片机就可以进行各种智能化控制了。例如，完成 避障的转动功能，还有倒车停车的功能。4.3.4 驱动模块直流电机的控制一般由单片机的 PWM

32、 信号来完成，因为单片机产生的信号 很小，所以采用电机驱动芯片L9110驱动器。电路图示见4.7,器件管脚图见 4.8，管脚定义见表4.1ZHAAACyFi流樂机L9110L-rcY gmd图4.8驱动芯片使用电路器件管脚图0A匚1_1 GNDVCC匚 IBVCC匚 IA08匚 GND图4.9器件管脚图序号符号功能10AA碍输出詹胸2VCC型询电医?VCC电源电压4OB5GND辿线eIAA牌输入酋脚7IBB路输入恃脚eGND表4.1引脚说明ifiijAE输H A输出B图4.10管脚波形图描述：L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集 成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中

33、，使外围器件成本降低，整机 可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干 扰性;两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能 力，每通道能通过750800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.52.0A； 同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向 冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上 安全可靠。4.3.5电源管理模块方案1：采用交流电经直流稳压处理后供电采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负 载对电源影响也最小。但由于需要电线对小车供电，极大影响了避障小车行 动的灵活性及地形

34、的适应能力。而且避障小车极易把拖在地上的电线识别为 障碍物，人为增加了不必要的障碍。故放弃了这一方案。方案2：采用干电池组进行供电采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，这样电机 启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。所以采 取此方案。第 5 章 智能小车软件设计第 5.1 节 总体流程图流程图说明：首先开始启动，进入系统初始化定义引脚，执行主程序小车前 进。根据小车的指示灯来判断小车的运行情况。如果小车遇见障碍物，会给单片 机一个低电平信号进入电机模式选择，例如：小车遇见障碍物，传感器开始扫描， 当红外接受探头接受到红外光线，给单片机底电平信号，这时经过单

35、片机内部程 序的处理设置合理的托退和转动时间函数，同时电机后退加转动。直到小车跑回 没有障碍物的轨道，正常前进。反复的重复这样的动作就可以实现一直蔽障的功能。第 5.2 节=J最少拍控制算法最少拍设计，是指系统在典型输入信号（如阶跃信号，速度信号，加速度信 号等）作用下，经过最少拍（有限拍），使系统输出的稳态误差为零。所以，最 少拍控制系统，也称最少拍无差系统，最少拍随动系统，实质上是时间最优控制 系统，系统的性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短。可以看出系统对闭 环脉冲传递函数的要求是快速性和准确性。也就是说让小车在遇见障碍物后，能 在最短的时间内躲开障碍物。最少拍控制系统的设计与被控对

36、象的零极位置有很 密切的关系。下面先从简单情形开始介绍最少拍控制器的设计。对最小拍控制系统设计的要求是：（1）调节时间最短，即系统跟踪输入信号所需的采样周期数最少；（2）在采样点处无静差，即对特定的参考输入信号，在达到稳态后，系统 在采样点能精确实现对输入信号的跟踪；（3）设计出来的数字控制器必须是物理上可以实现的；（4）闭环系统必须是稳定的。最小拍闭环脉冲传递函数的确定首先根据对控制系统性能指标的要求和其他约束条件，构造系统的闭环脉冲 传递函数。最小拍控制系统的设计要求是对特定的参考输入信号，在系统达到稳 态后，系统在采样点处静差为零。根据此约束条件可以构造出系统的误差脉冲传 递函数。典型计

37、算机控制系统结构图如图 4-1 所示。其中，GP（S）为被控对象HO （S）为零阶保持器，D（Z）即为待设计的最少拍 控制器。图5.1最少拍随动系统框图由离散控制理论，最少拍控制系统的误差脉冲传递函数5.1)Ez)(Z) =1一(z)R ( z )= 11 + D (Z )G (Z)系统偏差为：E(Z)二e (z) R(Z)一般控制系统有三种典型输入形式：(1) 单位阶跃输入：r(t)=1R(Z)二 -1 - Z-1(5.2)(2) 单位速度输入：r( t)二t R(Z) =(1 - Z-1 )2(5.3)1(3) 单位加速度输入：r(t)二 2 t2R(Z)= T2Z1(1 + Z-1)2(

38、1 - Z-1)2(5.4)在本设计中采用单位阶跃输入，被控对象为直流电机，零阶保持器传递函数已知。只要查出直流电机传递函数就可以求得最少拍控制器D(Z)。根据图4-1求得方 法如下。最小拍控制器D(Z)的确定 由离散控制系统理论，可以求出图4-1所示的计算机控制系统的闭环脉冲传递函 数为：二需脇5.5)由此可以得到数字控制器为D(Z)=或 D(Z)eG (Z )1-Q (z)1 -叽z)餐(z)QZ)5.6)5.7)第 6 章 开发流程开发流程是在硬件设计与软件设计的基础上展开的，主要是把硬件与软件结合起来。经过编译、环境下载调试、单片机资源划分。第 6.1 节 编译环境一.Keil C51

39、 介绍KeilC51 mVision2 集成开发环境是 KeiSoftwre，lnc/KeilElektronikGmbH 开发的基于 80C51 内核的微处理器软件开发平台，内以多种符合当前工业标准 的开发工具，可以完成从工和建立、管理，编译，连接，目标代码的生成，软件 访真，硬件访真等完整的开发流和。尤其 C 编译工具在产生代码的准确性和效率 性达到了较高的水平，而可以附加灵活的控制选项。KeilC51集成开发环境的主 要环境的主要功能是以下几点：(1) mVision2 for WindowsTM:是一个集成开发环境，它将项目管理，源代 码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的 Z1 环境

40、中。(2) C51国际标准优化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的口标模块。(3) A51 宏汇编器:从 80C51 汇编冤代码产生可重定位的口标模块。(4) BL51连接/定位器：组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生 成绝对目标模块。(5) LIB51 库管理器：从口际模块生成连接器可以使用的库文件。(6) OH51 目标文件至 HEX 格式的转换器：从绝对目标模块生成 IntelHEX 文件。(7) RTX-51 实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项口的设计。 这个工具套件足为专业软件开发人员设计的，但任何层次的编程人员都可以使 用，并获得80C51微控制器的部分应用。二

41、.Keil C51集成工具和用途mVision2支持所有的Keil80C51的工具软件，包括C51编译器、宏汇 编器、连接器/定位器和目标文件至Hex格式转换器，mVision2可以自动完成便 宜、汇编、连接程序的操作。（1）C51便宜器和ASI汇编器由mVision21DE创建的潭文件，可以被C51便宜器或A51汇编器处理，生 成可重定位的object文件。KeilC51以直接支持80C51结构的特性。KeilA51宏 汇编器支持80C51及其派声系列的怕有指令集。（2）LIB51库管理器BL51库管理器可以从由汇编器和便宜器创建的目标文件建立目标库。这些 库是按规定格式排列的目标模块，可在

42、以后被连接器所使用。当连接器处理一个 库时，仅仅使用了库中程序使用的目标模块而不是全部加以引用。（3）BLSI连接器/定位器BL51连接器使用从库中提取出来的目标模块和便宜器，汇编器生成的目标 模块，创建一个绝对地址目标模块。绝对地址目标文件或模块包括不可重定位的 代码和数据，所有的代码和数据都被个在具体的存储器单元中。（4）mVision2软件调试器mVision2软件调试器能十分理想地进行快速，可靠的程序调节，调试器包 括一个同速模拟器，您可以使用它模拟整个 80C50 系统，包括片上外围器件和 外部器件，当您从器件数据库选择时，这个器件的属性会被自动配置。（5）mVision2硬件调试器

43、mVision2 调试器响您提供厂几种在实际目标硬件上测试程序的方法。按MON51目标监控器到您的目标系统，并通过monitor-51接口下在你的程序，使 用高级GDI接口，将mVision2调试同类似于DP-51S单片机仿真实验仪或者TKS 系列仿真器的硬件系统相连接，通过 mVision2 的人机交互环境指挥连接的硬件 完成仿真操作。（6）RTX51实时操作系统RTX51实时操作系统是针对80C51微控制器系列的一个多任务内核RTX51 实时内核简化厂需要对实时事件进行反应的复杂应用的系统设计、编程和调试。 这个内核完全集成在 C51 编译器中，使用非常简单，任务描述表和操作系统的 统一性

44、由 BL51 连接器/定位器自动进行控制。此外Vision2还只有极强的软件环境，友好的操作界面和简单快捷的操作方 法，主要表现在以下几点：（1）丰富的菜单栏；（2）可以快色选择命令按钮的工具栏；（3）一些源代码文件窗口；（4）对话框窗口；（5）直观明了的信息显示窗口。第6.2 节 下载调试下载调试工具有很多，本次设计用的下载器为STC_ISP_V483,这类下载器 兼容AT，STC系列的单片机下载程序。下面详细介绍下载过程。首先在下载之前必须在Keil C51中生成可下载文件.HEX与.BIN文件。 打开下载器主界面如图 5-1步骤一：Select Mcu Type选择单片机型号步骤二：Op

45、en File打开文件（Keil C51中生成可下载文件.HEX与.BIN文件） 步骤三：Select COM Port,Max Baud/选择串行口，最高波特率 步骤四：设置本框和右下方选项中的选项步骤五：下载 注意：在步骤三中选择正确的 COM 口，特别注意的是步骤五先点击下载，再给 单片机上电，这是单片机的冷启动。第 6.3 节 单片机的 I/O 分配以 AT89S51 为主芯片如图 5-2 。 40 脚的 DIP 封装使它拥有 32 个完全 IO 端 口，通过这些端口加以信号输入电路，控制电路，执行电路共同完成寻迹小车。 P0.0,P0.1,P0.2,P0.3分别通过LG9110电机驱

46、动来驱动电机1和电机2。由电机的 正转与反转来完成 小 车的前 进 ，后退 ， 左转，右 转。小 车行走时会 通过 P3.5,P3.6,P3.7的红外接收探头来进行检测。当走出跑道时，P3.5,P3.6或P3.7将 收到一个电平信号，此电平信号将通过相应端口传送入主芯片中，主芯片通过内 部代码完成小车的寻迹操作。同时 P3.5 与 P3.6 的信号状态将通过 P2.6 和 P2.7 显示出来。在小车的左转，右转，后退的过程，可以通过观看以 P2.0 和 P2.7 为 指示等的运行状态。结论寻迹检测单元的核心部件选择了红外探头传感器。红外探头传感器具有精度 高、成本低、体积小、接口简单等优点；另

47、外再加上 AT89S51 单片机与电机驱 动芯片的结合，实现了智能小车的寻迹功能。综上所述，我们可以看出电子设计自动化逐渐成为重要的设计手段，单片机 己经成为当今电子设计应用市场上首选的可编程逻辑器件之一。单片机应用在控 制领域中，既降低了系统成本也提高了系统的可靠性和稳定性。 最终在指导教师的指导下对整个寻迹检测进行选件、制造单片机系统并测试、软 件设计后实现单片机控制下的寻迹检测系统，使整个系统可以在实际中应用。希望通过我们不断地努力，使单片机这一重要设计手段能够更好的为我以后 的学习效力。最后，在此诚恳地希望老师和同学提出宝贵的批评和意见#include =数据类型定义=signed c

48、harINT8;/重定义有符号字符8位数据typedefunsignedcharUINT8;/重定义无符号字符8位数据typedefintINT16;/重定义有符号字符16位数据typedefunsignedintUINT16;/重定义无符号字符16位数据#defineTRUE1/逻辑真#defineFALSEO/逻辑假#define NULLO/指针空/=硬件对应端口定义=sbit FontLeftLed二P23; sbit FontRightLed二P2“4;sbit FontIR二P2“7;sbit MAI二POJ;sbit MB1=P00;sbit MA2=P05;sbit MB2二P

49、O飞；sbit SBI二P2J;sbi t RunLed二P5;/前左方指示灯 /前右方指示灯 /前方红外接收探头 /左方电机控制驱动 /左方电机控制驱动 /右方电机控制驱动 /右方电机控制驱动 /蜂鸣器控制端口定义 /运行指示灯/延时函数/延时函数循环体/车体控制函数/左电机清零/右电机清零/左电机清零/右电机清零/ 前左方指示灯/ 前右方指示/= 功能函数定义= void Delay(UINT16 DelayTime) while(DelayTime-);voidControlCar(UINT8ConType) MA1=O;MA2=O;MB1=O;MB2=O;FontLeftLed=1;灭

50、FontRightLed=1;灯灭亮break;case 4:/判断控制叁数类型case 1:MA2=1;MB1=1;FontLeftLed=0;亮FontRightLed=0;亮break;switch(ConType)case 2:/前进/左电机向前运动/右电机向前运动/前左方指示灯/ 前右方指示灯MB2=1;MA1=1;break;case 3:MA1=1;MA2=1;FontLeftLed=0;/后退/右电机向后运动/左电机向后运动/左转/左电机向后运动/右电机向前运动/ 前左方指示灯/右转/右电机向后运动/左电机向前运动/ 前右方指示灯MB1=1;MB2=1;FontRightLed

51、=0; 亮break;=主程序/主函数void main()UINT8 RunFlag=1;ControlCar(1);RunLed=0;while(1)if(FontIR=0)头ControlCar(2);车)Delay(50000);Delay(20000);if(RunFlag)位ControlCar(3);elseControlCar(4);Delay(30000);SB1=0;Delay(30000);SB1=1;Delay(30000);SB1=0;Delay(30000);SB1=1;ControlCar(1);RunFlag=!RunFlag; 位/运行标志位/前进/程序主打循

52、环/判断前方红外接收探/小车后退（用于急刹/延时300毫秒/小车后退/判断小车运行标志/小车左转/为假的情况下/小车右转/左转弯/小车响铃/左转弯/小车不响铃/左转弯/小车响铃/左转弯/小车不响铃/小车前进/改变小车运行状态1、电容有正负极之分，长正短负；2、二极管有正负极之分，长正短负3、话筒有正负之分，负极与外壳相连；4、蜂鸣器有正负之分，长正短负；5、三极管按照电路板封装焊接；6、集成电路即芯片，安装时要注意缺口对应（缺口对应位置和封装对应位置要 一致）。（缺口在芯片或芯片底座的一端）7、数码管焊接时注意数码管上的小数点要与电路板封装上的小数点对应。8、强烈推荐电池采用南孚电池或其他高性

53、能电池。AT89S51 （8位微控制单片机，片内含 4K bytes 可系统编程的存储器）AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，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 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序 存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片 芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性 价比的应用场介，可灵活应用于各种控制领域。（1）主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统完全兼:

54、容4k字节在线系统编程（ISP） Flash闪速存储器1000 次擦写周期4. 0-5. 5V的工作电压范围全静态工作模式：0Hz-33MHz三级程序加密锁128X8字节内部RAM32 个可编程 I/O 口线2 个 16 位定时/计数器6 个中断源全双工串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模式唤醒系统 看门狗（WDT）及双数据指针 掉电标识和快速编程特性灵活的在线系统编程（ISP 字节或页写模式）（ 2）功能特性概述：AT89S51 提供以下标准功能： 4k 字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM,32个I/O 口线，看门狗（WDT）,两个数据指针，两个16位

55、定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作 模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM,定时/计数器，串行通信口及 中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其 它所有部件工作直到下一个硬件复位。（ 3）引脚功能说明：Vcc： 电源电压GND:地P0 口： P0 口是一组8位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写 T 可作为高阻 抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储

56、器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时， P0 口 接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口： P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写1,通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，囚为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（In）。Flash编程和程序校验期间P 1 接收低 8 位地址。P2 口： P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2的

57、输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写1,通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，囚为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（In）。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2 口送出高8位 地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX Ri 指令）时， P2 口线卜的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问 期间不改变。 Flash 编程或校验时， P2 亦接收高位地址和其它控制信号。P3 口： P3 口是一组带有内部上

58、拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可 驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部 上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3 口将用上拉电 阻输出电流（In）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二 功能。P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平 将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRTO 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打 开状态。ALE/PROG：当访