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寻迹小车论文
摘要
80C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
这里介绍的是如何用80C51单片机来实现长春工业大学的毕业设计，该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。
本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。
整个系统的电路结构简单，可靠性能高。
实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。
采用的技术主要有：
（1）通过编程来控制小车的速度；
（2）传感器的有效应用；
（3）新型显示芯片的采用。
关键词：
80C51单片机；光电检测器；PWM调速；电动小车。
ABSTRACT
80C51isa8bitsinglechipcomputer.Itseasilyusingandmulti-functionsufferlargeusers.ThisarticleintroducestheCCUTgraduationdesignwiththe80C51singlechipcomputer.Thisdesigncombineswithscientificresearchobject.Thissystemregardstherequestofthetopic,adopting80C51forcontrollingcore,supersonicsensorfortestthehinder.Itcanruninahighandalowspeedorstopautomatically.Italsocanrecordthetime,distanceandthespeedorsearchinglightandmarkautomaticallytheelectriccircuitconstructionofwholesystemissimple,thefunctionisdependable.Experimenttestresultsatisfytherequest,thistextemphasizesintroducedthehardwaresystemdesignsandtheresultanalyze.
Theadoptionoftechniqueas:
（1）Reducethespeedbyprogramtheengine；
（2）Efficientapplicationofthesensor;
（3）Theadoptionofthenewdisplaychip.
Keywords:
80C51singlechipcomputer;lightelectricitydetector;
PWMspeedadjusting;Electricitymotivesmallcar.
目录
1绪论3
1.1本课题研究的背景和意义3
1.2智能循迹小车设计原理5
2方案设计与论证5
2.1直流调速系统5
2.2检测系统6
3智能寻迹小车模块设计10
3.1总体方案10
3.2传感检测单元11
3.2.1小车循迹原理11
3.2.2传感器的选择及检测电路设计11
3.2.3传感器的安装12
3.3软件控制单元13
3.3.1单片机选型及程序流程13
3.3.2车速的控制13
3.3.3电机驱动单元14
3.3.4蜂鸣器电路设计15
3.3.5稳压电源设计15
4系统功能测试15
4.1测试仪器及设备15
4.2功能测试15
5结束语17
致谢18
参考文献19
附录20
1相关芯片介绍20
1.1单片机概述20
1.2LM339芯片介绍24
1.3L298N芯片介绍27
1.47805芯片介绍28
2小车控制程序源代码（C）30
1绪论
1.1本课题研究的背景和意义
随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。
本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。
设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。
根据题目的要求，确定如下方案：
在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。
本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。
以80C51为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。
80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
它是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8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,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8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN（ControllerAreaNetworkBUS）.
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。
本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很低。
该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
尤其是
在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与实际相结合，现实意义很强。
1.2智能循迹小车设计原理
这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走，通常采取的方法是红外探测法。
红外探测法，即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，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。
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。
红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。
1.3智能循迹小车设计要求
（1）自动寻迹小车从安全区域启动。
（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上划出设定的地图。
2方案设计与论证
根据题目的要求，确定如下方案：
在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。
2.1直流调速系统
方案一：
串电阻调速系统。
方案二：
静止可控整流器。
简称V-M系统。
方案三：
脉宽调速系统。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后，因此搁置不用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。
最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。
根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。
为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。
可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。
我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。
2.2检测系统
检测系统主要实现光电检测，即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。
1）．行车起始、终点及光线检测：
本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点（2cm宽的黑线），玩具车底盘上沿黑线放置一套，以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。
利用超声波传感器检测障碍。
光线跟踪，采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其c-e间的阻值下降，检测电路输出高电平，经LM393电压比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。
本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头的左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直行。
见图2.1电动车的方向检测电路（a）。
行车方向检测电路（见图2.2电动车的方向检测电路（b））采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。
该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。
红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。
此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。
正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号；电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送80C51单片机处理，判断执行。
哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。
前进时，驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。
最后经反接制动实现停车。
前行与倒车控制电路的核心是桥式电路和继电器。
电桥上设置有两组开关，一组常闭，另一组常开。
图2.1电动车的方向检测电路（a）
图2.2电动车的方向检测电路（b）
检测放大器方案：
方案一：
使用普通单级比例放大电路。
其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。
但是也存在着许多不足。
如抗干扰能力差、共模抑制比低等。
方案二：
采用差动放大电路。
选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。
例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。
这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。
但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。
方案三：
电压比较器方案。
电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较，在Ui>Ur和Ui而Ui变化经过Ur时，比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。
比较器有各种不同的类型。
对它的要求是：
鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。
比较器的特点：
（1）工作在开环或正反馈状态。
放大、运算电路为了实现性能稳定并满足
一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。
因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。
（2）非线性。
由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。
（3）开关特性。
比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。
由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。
由于比较器的上述特点，在分析时既不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，也不能象分析运算电路那样去求解输出与输入的函数关系，而应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。
如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。
但实际集成运放的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的阶跃信号。
电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。
响应时间越短，响应速度越快。
减小比较器响应时间的主要方法有：
（1）尽可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近理想阶跃
且幅度足够大。
（2）选用集成电压比较器。
（3）如果选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子进入深饱和区。
具体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。
如图2.4电压比较器电路所示：
图2.4电压比较器电路
在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我们尝试采用了一种滞回比较器。
简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。
如果用这样的输出电压控制电机或继电器，将出现频繁动作或起停现象。
这种情况，通常是不允许的。
而滞回比较器则解决了这个问题。
滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出电压就不会来回变化。
所以抗干扰能力强。
但是，滞回比较器毕竟是模拟器件，温度的漂移是它无法消除的。
方案四：
施密特触发器。
综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用数字器件——施密特触发器。
施密特触发器是双稳态触发器的变形，它有两个稳定状态，触发方式为电平触发，只要外加触发信号的幅值增加到足够大，它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。
施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性，但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更强
3智能寻迹小车模块设计
3.1总体方案
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，经过比较器处理之后，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。
系统方案方框图如图3.1所示。
图3.1智能小车寻迹系统框图
3.2传感检测单元
3.2.1小车循迹原理
该智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。
笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理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，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号。
3.2.2传感器的选择及检测电路设计
市场上用于红外探测法的器件较多，可以利用反射式传感器外接简单电路自制探头，也可以使用结构简单、工作性能可靠的集成式红外探头。
ST系列集成红外探头价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了ST198反射传感器作为红外光的发射和接收器件，其内部结构和外接电路均较为简单，如图3.2.2所示。
图3.2.2ST168检测电路
ST198采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。
ST198的检测距离很小，一般为8~15毫米，因为8毫米以下是它的检测盲区，而大于15毫米则很容易受干扰。
笔者经过多次测试、比较，发现把传感器安装在距离检测物表面10毫米时，检测效果最好。
R1限制发射二极管的电流，发射管的电流和发射功率成正比，但受其极限输入正向电流50mA的影响，用R1=200欧的电阻作为限流电阻,Vcc=5V作为电源电压，测试发现发射功率完全能满足检测需要；可变电阻R2可限制接收电路的电流，一方面保护接收红外管；另一方面可调节检测电路的灵敏度。
因为传感器输出端得到的是模拟电压信号，所以在输出端增加了比较器，先将ST198输出电压与2.5V进行比较，再送给单片机处理和控制。
3.2.3传感器的安装
正确选择检测方法和传感器件是决定循迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是循迹电路好坏的一个重要因素。
从简单、方便、可靠等角度出发，同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，将大大提高其循迹的可靠性，具体位置分布如图3.2.3所示。
图3.2.3红外探头的分布图
图中循迹传感器全部在一条直线上。
其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。
小车前进时，始终保持（如图3中所示的行走轨迹黑线）在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。
第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动进行纠正，从而提高了小车循迹的可靠性。
3.3软件控制单元
3.3.1单片机选型及程序流程
此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。
控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。
由于51单片机具有价格低廉是使用简单的特点，这里选择了ATMEL公司的AT89S51作为控制核心部件，其程序控制方框图如图3.3.1所示。
图3.3.1系统的程序流程图
小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。
3.3.2车速的控制
车速调节的方法有两种：
一是用步进电机代替小车上原有的直流电机；二是在原有直流电机的基础上，采用PWM调速法进行调速。
考虑到机械装置不便于修改等因素，这里选择后者，利用单片机输出端输出高电平的脉宽及其占空比的大小来控制电机的转速，从而控制小车的速度。
经过多次试验，最终确定合适的脉宽和占空比，基本能保证小车在所需要的速度范围内平稳前行。
3.3.3电机驱动单元
从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。
根据驱动功率大小以及连接电路的简化要求选择L298N，其外形、管脚分布如图3.3.3（a）所示。
图3.3.3（a）L298N管脚分布图
从图中可以知道，一块L298N芯片能够驱动两个电机转动，它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。
另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。
其电机驱动电路设计如图3.3.3（b）所示。
图3.3.3（b）电机驱动电路图L298N
3.3.4蜂鸣器电路设计
在小车越界探测到黑线时报警，蜂鸣器不需要复杂电路构造，直接驱动就可以，但是为保作用高效加一个三极管（NPN9013）。
具体电路设计如图3.3.4所示。
图3.3.4蜂鸣器电路图
3.3.5稳压电源设计
为了给整个控制系统提供一个稳定的电压，在此选择了7805稳压管作为该电路的核心芯片。
该稳压电路的设计如图3.3.5所示。
图3.3.5稳压电源电路图
4系统功能测试
4.1测试仪器及设备
表4.1测试仪器设备清单
仪器名称
型号
用途
数量
PC机
华硕
调试及下载程序
1
数字万用表
MASTECHmy－65
测量各电路工作情况
1
白纸（粘黑线）
1m*1m
循迹场地用
1
4.2功能测试
小车从A点启动，绕着路径行走，循迹路线如图4.2所示。
到达B出时继续前进与C边相交，然后右转90度，返回到开始处A点。
在这过程中会遇到90度的急弯道和圆弧形的弯道，主要测试小车直行的顺畅度和转弯时的灵活度以及精准度。
图4.2小车循迹路线图
5结束语
此方案选择的器件比较简单，实际中也很容易实现。
经过多次测试，结果表明在一定的弧度范围内，小车能够沿着黑线轨迹行进，达到了预期目标。
不足之处，由于小车采用直流电机，其速度控制不够精确和稳定
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