基于单片机的智能跟踪小车1.docx
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基于单片机的智能跟踪小车1
NINGXIAUNIVERSITY
毕业设计
（2016届）
题目基于单片机的智能跟踪小车
的设计以及实现
学院物理电气信息学院
专业电气工程与自动化
年级2012级
学生学号12012242019
学生姓名段春瑞
指导教师白娜
2016年5月12日
基于单片机的智能跟踪的小车及实现
摘要
智能车辆作为现代社会的新产物，并且在智能车辆开发出来的各种功能如跟踪、循迹、避障、自动停泊等，这些功能让生产工作，日常生活变得更加智能，自动化程度更进一步。
目前，关于智能小车的研究越来越成为社会关注的焦点。
这次的毕业设计是将STC89C5单
片机为核心，由直流电机作为驱动，通过红外线传感器来发出跟踪信号，来实现智能小车的跟踪功能。
论文先对自动跟踪功能做了整体的介绍，然后对小车的硬件如单片机，传感器做了介绍。
最后在理解硬件的原理的基础上，使用C语
言编程和Keil软件与烧写软件实现自动跟踪的功能。
关键词：
自动跟踪单片机红外传感器
Abstract
Intelligentvehicleasanewproductofmodernsociety,andonthebasisofintelligentvehicledevelopedproductshavebecomeautomatedlogisticstransportation,flexibleproductionorganizationsystemofkeyequipment,researchanddevelopmentofintelligentcarisbecomingthefocusofattention.ThisdesignisbasedonSTC89C52RCsingle-chipmicrocomputerascontrolcore,asbyDCmotordrive,throughinfraredsensorstosignaltracking,torealizetheintelligentcartracing.
Paperfirstmadetheoverallintroductiontotheautomatictrackingfunction,andthentothecarhardwaresuchassinglechipmicrocomputer,sensorispresented.Thenonthebasisofunderstandingtheprincipleofhardware,usingClanguageprogrammingandtheKeilsoftwareandburningsoftwaretoachievethefunctionofautomatictracking.
Keywords：
AutomatictrackingSinglechipmicrocomputerInfraredsensor
1.绪论6
1.1课题研究背景6
1.2国内外发展状况6
1.3智能跟踪小车的研究目的6
1.4课题研究的意义7
2.小车的功能以及设计8
2.1智能跟踪小车的设计要求8
2.2小车的主要功能8
3.智能跟踪小车的硬件设计10
3.1智能跟踪小车的硬件组成10
3.2STC89C52RC单片机的电路以及引脚介绍10
3.3电机驱动模块12
3.4传感器模块13
3.5电源供电系统15
3.6LCD1602液晶显示模块16
4.自动跟踪系统的软件设计17
4.1开发软件KeiluVision5与STC-ISP的介绍17
4.2跟踪系统主程序分析18
4.3电机驱动程序19
4.4红外传感器程序20
4.5LCD1602液晶显示程序20
5.功能测试22
5.1智能跟踪小车的功能测试22
5.2发现问题与解决问题的方案22
6.结论和展望23
6.1结论23
6.2展望23
参考文献24
谢辞25
附录一：
系统硬件仿真图26
附录二：
红外遥控程序27
附录三：
系统实物图34
绪论
1.1课题研究背景
在当今的社会中，企业的生产技能逐渐提高，在生产过程中对于自动控制技术的要求也在逐渐提高，在高自动化的生产环境下，智能车辆的研究与运用越来成为工业生产的重要设备。
许多科研机构都在致力于智能车辆的开发与应用。
智能小车是一个集感应，控制，辅助驾驶，智能操控于一体的系统。
在功能性上它可以自动识别并避开障碍物，自动刹车，控制与障碍物或被跟踪物体的安全距离，测量车速，自动停泊等功能。
与一般的车辆系统相比智能车辆拥有以下特点：
1）计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作。
2）获得道路路况信息的摄像设备。
3）传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。
越来
越多的科研项目都在关注着智能小车的开发与研究。
1.2国内外发展状况
关于国外的智能小车的研究状况可以追溯到20世纪50年代。
美国一家电子公司于1954年开发出了世界上第一台无人驾驶的自主引导系统的车辆。
虽然这个系统智能在固定的线路上直线行驶，但是这却是智能车辆研究的长足的进步。
随后，关于智能车辆的研究成果如雨后春笋般的出现在世人面前。
到了1980年
左右欧洲以及美国等一些发达国家已经将智能车辆控制系统投入到高速公路的使用中，智能小车的研究有了其实际意义。
1990年之后美国卡内基大学研究的Navlab系列智能小车在传感器传输速度，图像处理，以及车辆横向移动等方面都作出了突出的研究成果，这标志着智能车辆即将进入我们的日常生活之中。
国内关于智能小车的研究起步相对较晚，在借鉴发达国家先进的研究成果的基础之后，我国的科研项目致力于对智能交通系统ITS（IntelligentTransport
System）的研究目前我国的交通运输行业正在向着交通智能化迈进，相信在不久
的将来，我们的出行会更加安全，快捷，智能。
1.3智能跟踪小车的研究目的
智能小车的一般功能包括自动循迹、传感跟踪、避障、自动停泊等。
人们研究智能小车是为了让其代替人类完成一些危险的或者十分枯燥的不适宜人类的工作，通过小车的程序化的工作可以节省物力人力而且可以更高效快捷的完成工
作对实现工业系统的自动化有一定的帮助
关于智能自动跟踪小车的研究，它可以帮助工人在工业工作中取料，运料。
还可以在机场帮助下飞机的旅客运送行李，甚至还可以在高尔夫球场扮演“球童”的角色等等。
总而言之智能跟踪小车将会使我们的生活更加便捷、轻松。
1.4课题研究的意义
目前，许多国家的重点大学的理工学院都在致力于智能化与自动化系统的研究，国内外有许许多多关于智能机器人的竞赛，这其中就包括了智能机器人，智能小车的设计与研究。
可见智能车辆的研究在全球范围内都被人们所关注着。
智能小车作为智能机器人的典型代表，由传感、执行、控制三大部分组成，本次毕业设计所采用的89C52单片机控制，红外传感，L293芯片控制的直流电机执行运动模块都是目前比较先进的器件，通过以C语言为基础的程序编写可实现智能跟踪，智能循迹避障，智能停泊等功能。
在生产实践当中智能小车可以运用于工业生产，医疗考古，生活服务等多方面，极大的方便了人们的生产生活，使我们的世界更加自动化。
该毕业设计对于毕业生来说，在硬件的研究与程序的编写过程中，可以培养其自动控制系统的操作能力，熟练掌握STC89C5洋片机的知识，在电路的设计过程中对于电机学，电路的相关知识可以做到温故而知新。
将实践与理论统一结合起来，进一步熟悉自动控制系统。
2.小车的功能以及设计
2.1智能跟踪小车的设计要求
该系统以STC89C52单片机作为系统的核心，通过红外线传感器来检测到被跟踪对象所处的位置，将信号反馈给单片机，单片机根据STC软件下载到其中的程序作出相应的反应，并将指令下达至电机驱动模块然后电机驱动轮胎作出相应的动作实现跟踪的功能。
在下载红外避障跟踪程序的hex文件到单片机之前，应当做好充分的准备工作。
首先应当安装好开发板的驱动以及STC烧写软件，在设备管理器中查看USB端口的号码如C0M6然后安装KeiluVision4软件为编程做准备。
最后在使用红外避障程序之前先将调用函数编译好以备调用，所用的函数有小车左转函数、小车右转函数、电机后退函数、小车前进函数。
这样小车的功能函数就不会显得过于冗长，而且不影响跟踪功能的实现。
将程序下载到单片机之后，检测小车能否按照要求对目标进行跟踪实现功能，总结实验中发现的不足，进行总结与改进，尽最大可能满足毕业设计的要求。
2.2小车的主要功能
自动跟踪小车的主要功能有：
1、实现对指定物体的红外感应跟踪。
2、延时50msK4确认是按下之后，蜂鸣器发出“滴”声响，然后启动小车。
3、超声波测
距，测量小车与被跟踪物体之间的距离。
4、LCD1602液晶距离显示：
在液晶屏
上显示测得的距离。
5、蜂鸣报警器还可以对危险情况进行报警等。
对于智能小车更广泛的更高级的功能来说主要有以下几点：
（1）智能家居的控制辅助：
在家庭中，可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器，控制室温等等。
（2）工程安全检测与受损评估：
在工程建设领域，可对高速公路自动跟踪，进行道路质量检测和破坏分析检测;对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。
在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。
（3）探测危险与排除险情：
在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。
这时，智能化探测小车就会发挥很好的作用。
战场上，可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。
民用方面，可以探测化学泄漏物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。
（4）辅助驾驶系统：
利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。
主要包括:
巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。
这些高级的智能小车的功能让我们的生活更加的自动化，让人类的工作更为安全。
智能跟踪小车虽然
如商场里的自动追踪
比不上它们的功能强大，但是也为我们的生活提供了便利购物车、机场的自动行李运输车等。
3.智能跟踪小车的硬件设计
3.1智能跟踪小车的硬件组成
本次实验所用到的硬件主要包括：
STC89C52R单片机、HL-1小车底盘、LCD液晶显示模块等。
各模块功能为：
（1）单片机模块为总控制模块，控制其他模块的工作。
（2）HL-1小车底盘包括L293D电机驱动模块、电源供电系统、红外线传感器模块、超声波传感器模块以及传感器指示灯。
电机驱动模块控制小车的运动状态，超声波传感器模块负责距离的测量，红外传感器负责光感检测。
3.2STC89C52RC单片机的电路以及引脚介绍
P10
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图3-1STC89C52RC引脚图
STC89C52是一种耗能较低，性能很强的单片机芯片，相比于传统的单片机芯片89C52在控制上更加灵活⑴。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
其引脚图如图3-1所示。
STC89C52微处理器的主要功能有：
1.8k可反复擦写（大于1000次）FLASHROM；
2.256x8bit内部RAM;
3.工作电压：
5.5V〜3.3V（5V单片机）/3.8V〜2.0V（3V单片机）；
4.工作频率范围：
0〜40MHz，相当于普通8051的0〜80MHz，实际工作频率可达48MHz;
5.用户可以获得8k字节的应用程序空间；
6.时钟频率0-24MHZ;
7.89C52拥有三十二个I/O口并且为双向，P1~P4口为准双向口，当P0作为h.扩展口时，不需要加入上拉电阻；若作为信息传递的I/O接口时需要加入上拉电阻。
8.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；[2]
9.EEPROM功能，看门狗功能；
10.有T0、T1、T2、三个定时器，定时器的位数为16位；
11.有八个中断源，其中有两个为外部的中断源；
12.用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART;
13.工作温度范围：
-40〜+85C（工业级）/0〜75C（商业级）;PDIP封装。
14.空闲模式：
典型功耗2mA；
15.正常工作模式：
典型功耗4Ma〜7mA；
STC89C52RC单片机的引脚功能说明：
第一类：
电源及时钟引脚——Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2；
第二类：
控制引脚——PSEN，ALE/PROG，EA/Vpp，RESET；
第三类：
P0，P1，P2，P3引脚（输入输出端引脚）
P0口是一个双功能的八位并行口，字节地址为80H，位地址为80H~87H。
端口的各位具有完全相同但又相互独立的电路结构。
P0口作为双功能口（地址/
数据复用口和通用I/O口），当P0口用作地址/数据复用口时，是一个真正的双向口，用作与外部储存器的连接，输出低八位地址和输出/输入8位数据。
当P0
口作为通用I/O口时，需要在片外接上拉电阻，此时端口不存在高阻抗状态，因此是一个准双向口；当作为通用的I/O口输入时，应先向端口输出锁存器写入1。
P0口可驱动8个LS型TTL负载[3]。
P1端口（P1.0〜P1.7，1〜8引脚）：
八位，准双向I/O口，在内部具有自带的上拉电阻。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入“1时”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（I）[3]。
P2端口（P2.0〜P2.7，21〜28引脚）：
P2口是一个自带内部上拉电阻的8位双向I/O端口当单片机扩展外部储存器及I/O口时，P2口作为高八位地址线总线用，输出高八位地址，P2口也可以当做普通的I/O口使用。
当作为普通的I/O口输入时，应先向端口输出锁存器写入1;P2口与P0口输出的低八位地址
一起构成16位地址，可以寻址64KB的地址空间，在访问外部程序存储器和16
位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变［3］。
P3端口为P3.0至P3.7端口（共八个引脚），P3端口为双向的输入输出端口，字长为8位，带有上拉电阻，工作时应当将锁存器置为1。
在实际的工作之
中，复位时P3端口会自动恢复到1,可以直接进入到第二功能的操作。
若不使用第二功能时，则自动进入第一功能的使用。
此外P3端口的缓冲器BUF3,BUF2的输出端作为第二，第一功能的输入。
3.3电机驱动模块
本次毕业设计跟踪小车所用的电机是L293芯片所驱动的电机。
该芯片的额定电压高为36伏特，额定电流为1安培左右，有十六个引脚。
驱动器为双H桥的高电压，较大电流的全桥驱动器。
该芯片可以用来驱动电感负载例如直流电机，电磁继电器等。
并且此芯片可以用来驱动两个直流电机，也就是说一个芯片就可以控制电机驱动模块。
直流电机具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都在采用直流电机。
⑷直流电机驱动模块的参数：
输入逻辑电压：
5.0V。
输入电机电压：
5.0V-36.0V。
输出驱动电流：
1000mA
尺寸：
长为34毫米宽为18毫米高为8毫米
电机驱动模块引脚图如图3-2所示：
图3-2电机驱动模块引脚图驱动模块的接线方式：
P1:
控制M1电机PWM输入引脚
D1:
控制M1电机转向输入引脚。
P2:
控制M2电机PWM输入引脚。
D2控制M2电机转向输入引脚。
5V:
逻辑电源+5V接口。
VC输入电机驱动电压接口。
GND电源地接口。
M1+M1电机驱动输出引脚正极。
M1-:
M1电机驱动输出引脚负极。
M2+M2电机驱动输出引脚正极。
M2-:
M2电机驱动输出引脚负极。
3.4传感器模块
超声波测距是利用超声脉冲回波渡越时间法来实现的。
若传感器所发出的脉冲信号至接收的时间为t,传播速度为c（传播介质为空气），则可由D=ct/2公式计算出目标物体与传感器的距离［5］。
这次智能小车毕业设计使用的是HC-SR04超声波测距模块。
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
其主要的功能有：
1、距离
的测量，2、温度的测量，3光感度测量。
超声波传感器时序图如下图3-3所示所示：
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图3-3超声波传感器时序图
超声波传感器工作原理图如下图3-4所示：
图3-4超声波传感器工作原理图
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该模块的基本工作原理：
1.采用I/O口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信号；
2.八个40000Hz的方波由模块发送，并且由模块自动检测是否有信号的反馈；
3.若检测到返回信号，ECHOT以通过I/O端口输出高电平信号，此信号持续的时间是超声波信号发出至返回的时间，所以测试的距离为高电平的时间乘以声速除以二（声音在空气中的传播速度为340米每秒）。
该模块的基本电气参数：
表3-1超声波模块电气参数表
工作电压
工作电流
工作频率
最远射程
测量角度
输入触发
信号
输出回响
信号
输出与射
程关系
规格尺寸
5V
15mA
40KHz
4m
15°
10s
TTL脉冲
TTL电平
反比
45*20*15
红外线传感器模块采用的是由RPR220红外传感器与LM324芯片配合控制的红外传感器模块，其原理图如图3-5所示：
红外传感器原理图
上图的红外避障模块展示了其基本的工作原理，小车的LM324运算放大器是
由四个运放器组成的模块。
RPR220发射的红外线经反射回到接受管经放大电路放大后将信号传输给单片机。
反应在LED灯上则是左侧有信号L4亮右侧有信号L3亮。
模块参数说明：
反射率和物体的面积是影响探测的主要因素，黑色的传感器探测的距离比较小反之白色的比较大，在探测中面积较小的物体需要的探测距离比较大，反之则小。
这就是红外反射探测的基本原理；
传感器模块输出端口OUT可直接与单片机I/O口连接即可，也可以直接驱动一个5V继电器。
连接方式：
VCC-VCCGND-GNDOUT-I/O;比较器采用LM393,工作稳定；采用两节3.7V的充电电池作为电源，供电时流水灯L1为红色L4为黄色显示红外传感器正常工作；
模块接线说明：
Vcc端口与单片机电源相连（3~5V;GND接地;OUT小板数字量输出接口（0和1）。
3.5电源供电系统
电源供电系统的原理图如图3-6所示:
电源供电系统
图3-6电源供电系统原理图
其中除了一些电容，电阻，二极管，电源电机开关之外还有Header4X2的
八脚DIP将电源，电机，HL-1电路，以及单片机电路连接在一起，使通电后电路能够正常运转。
3.6LCD1602液晶显示模块
1602液晶称之为字符型液晶，该模块在液晶屏上显示数字、字母、字符,
显示的内容由点阵组成。
点阵的组成是由五乘以七或者五乘以十一的点阵组成，字符由每一个点阵所组成，每个字符之间有一个点的距离，每一行之间也有一个点的距离，通过这些距离起到了较好的隔离作用，因为有这些点距的存在所以点阵不能较好的显示图形。
但是作为距离测量数据的显示1602已经能为其所用了
液晶显示模块的引脚图如图3-7所示:
LCD1602模块引脚及其功能介绍:
一号GND为接地端；二号VCC接5V电源正极；
三号VL为对比度的调整端口，当VL接电源正极时对比度最小，反之接GND
时对比度最大；
四号RS作为寄存器当信号为1时进行数据的寄存，当信号为0时进行指令的寄存；
五号RW乍为读写信号端口当输入1时进行读操作，当输入0时进行写操作;
六号E（或EN）端为使能（enable）端，高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令；
七到十四号D0-D7为8位双向数据端。
十五、十六号为空脚或背灯电源。
十五脚为背灯正极，十六为负极。
LCD的基本操作时序：
1、延时15ms;2、写命令38H（不检测忙信号）；3、延时5ms
4、写命令38H（不检测忙信号）；5、延时5ms&写命令38H（不检测忙信号）；7以后每次命令、读/写数据操作之前均需要检测忙信号；8、写命令38H:
显示模式设置；9、写命令08H:
显示关闭；10、写命令01H:
显示清屏；11、写命令06H:
显示光标移动设置；12、写命令0CH显示开关及光标设置
4.自动跟踪系统的软件设计
4.1开发软件KeiluVision5与STC-ISP的介绍
本次智能小车的程序开发是基于C语言的程序编写，所以采用了KeilC51
软件对程
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