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改后论文
毕业设计（论文）
题目：
循迹小车
系（部）：
电子工程系
专业：
应用电子
班级：
2
学生姓名：
吴成
指导教师：
邱捐
起止时间：
2011年5月
南京机电职业技术学院
前言2
第1章概况4
1.1设计的要求4
1.2自动循迹小车的工作原理5
1.3自动循迹小车的功能目标6
第2章芯片的介绍7
2.1C8051F340芯片介绍7
2．1．1C8051F340器件特点和分类7
2.1.2C8051F340芯片的引脚说明8
2.1.3C8051F340的极限参数10
2.2.1L293芯片的原理11
2.2.2L293D芯片的端口定义11
2.3ST168反射式红外光电传感器12
2.3.1红外光电传感器的工作原理12
2.3.2特点12
2.3.3极限参数：
（Ta=25℃）13
2.3.4光电特性（Ta=25℃）13
2.3.5外形尺寸图：
14
第3章系统方案设计14
3.1模块方案的比较与选择15
3.1.1车体设计15
3.1.2电源模块设计16
3．1.3稳压模块设计17
3.1.4控制器模块的设计18
3.1.5循迹方案的设计19
3.1.6电机方案设计20
3.1.7电机驱动模块设计20
3.1.8显示模块设计20
3.2最终方案22
第四章电路的硬件设计24
4.1稳压电路的设计24
4.2复位电路设计25
4.2.1复位的概念25
4.2.2复位的要求25
4.2.3复位方法25
4.3时钟电路的设计26
4.3.1可编程内部高频振荡器26
4.3.2可编程内部低频振荡器26
4.3.3外部振荡电路27
4.3.44倍时钟乘法器28
4.4红外对管电路的设计28
4.5电机驱动电路的设计29
4.6LED电源开关显示电路30
4.7行车行距检测的设计31
4.8显示电路的设计32
4.9整体的硬件电路设计32
第五章软件的实现35
5.1系统总体软件设计35
5.2总体流程框图35
5.3循迹模块程序流程图36
5.4传感器数据处理流程37
第6章系统的调试38
6.1硬件调试38
6.1.1测试仪器及设备38
6.1.2电路的调试38
6.1.3红外对管信号产生的调试39
6．2调试软件WAVE介绍39
6.2.1主界面39
6.2.2菜单介绍40
6.3软件程序调试40
6.3.1调试的主要方法和技巧41
6.3.2查看变量41
6.3.3更改数值41
6.3.4利用WAVE调试本系统41
6.4测试经验总结42
第六章结论43
参考文献44
前言
作为电子类专业同学们学习、实践的载体，小车以其生动、典型、学习形式喜闻乐见、涉及知识面广等特点，受到了老师和同学们的广泛喜欢。
也成为毕业设计的考核热点。
但鉴于市场上还没有专门针对于高校创新而开发的小车载体，使得同学们在小车开发和应用上遇到了一些问题。
即使有一些公司也推出了小车或车体控制板，但由于都是以玩具小车为载体，灵活度不够、机械结构单一、可控性能差等一系列问题就成为必然。
可以说历届有关小车的毕业设计，小车载体制约了太多同学的发挥。
利用单片机作为主控芯片，价格低廉、易于修改更新信息，有很大的发展空间。
此外，它的用途十分广泛，能给工作和生活带来很大的方便。
单片机开发应用中，软件编写与调试工作量一般占整个开发工作的70%～90%，所以对于一个单片机应用及开发人员来讲，最关心的是具体实用的硬件电路和较完整的应用程序以及设计思路。
单片机的应用开发的难点在于：
要完成一个单片机应用系统的开发，不仅需要掌握高超的编程技术，更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合理的单片机方案和外围器件，并以此为基础，设计出合理的硬件电路。
所以单片机系统是一个软硬结合的产物。
本文设计出了完整的、正确的接口电路，本文的研究内容是在充分熟悉单片机硬件的应用、学习单片机及驱动电机接口的知识的基础上，用单片机C8051F340和电机驱动L293D的接口技术，设计硬件电路，使得小车能够实现在指定弯路的地方拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上划出设定的地图功能而且本设计还增加了LED显示其时间和走过的路程。
这样不仅加强了小车的的功能和增加了不少的乐趣，这对循迹小车来说是一次质的飞跃。
本文章节安排合理得当，内容由浅入深，思路清晰，大致分以下几章来介绍：
第1章主要介绍自动循迹小车总体的概况，总体的结构图；第2章主要介绍了小车运行的基本原理及设计工具；第3章是全文的核心部分，分别详细介绍了系统几大模块方案的选择；第4章是小车的硬件设计包括电路的设计；第5章是小车的软件的实现，包含了小车主要部分的流程图；第6章是系统的调试；第7章是文章的结论。
第1章概况
1.1设计的要求
1.自动循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。
3.小车运行后，能够显示其走过的行程、时间。
循迹路线如图1-1所示。
图1-1小车轨道示意图
1.2自动循迹小车的工作原理
自动循迹小车以控制芯片为核心，经焊接相关芯片用电路板自制而成，通过I/O口检测信号，输出信号到电机驱动，从而驱动两个减速电机控制其前进、停止、左转、右转，检测信号则为三组红外发射和接收管，当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。
单片机就是根据收到红外光电传感器的高低电平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。
单片机通过连接数码显示管将光电码盘测距仪测到的行距显示出来，并且数码显示管显示时间。
如图1-2所示。
此种方法简单，价格便宜，灵敏度也很高。
图1-2自动循迹小车的整体框图
1.3自动循迹小车的功能目标
●可采用四个独立的电机，增大了驱动力和转弯的灵活性；
●可采用L293D电机驱动芯片，增加了PWM电机调速功能；
●可以增加测速码盘（安装在第一级输入），提高了转速测量精度；
●增加测距系统，能精确的测量小车走过的路程；
●可增加外部电源接口和电池盒接口，方便了小车用电选择；
●可增加电压选择端口，可以使用干电池和电源适配器供电；
●可保留万向轮固定孔，四轮车可以方便改装为三轮车；
●可以增加开关指示灯和LED显示，可直接显示时间及小车的行驶距离，这样可使控制时更直观；
●可以直接把单片机电路、显示电路、通讯电路、遥控电路等焊接上面，不需要再额外增加电路，方便了扩展。
第2章芯片的介绍
本设计中用到的芯片有：
主控芯片C8051F340；电机驱动芯片L293D；还有红外光电传感器ST168。
下面就对以上几个芯片做出详细的介绍。
2.1C8051F340芯片介绍
2．1．1C8051F340器件特点和分类
C8051F340器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU（如图2-1所示）。
它具有以下的特点：
●高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达48MIPS）
●全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
●通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1KFIFORAM
●电源稳压器
●真正10位200ksps的单端/差分ADC,带模拟多路器
●片内电压基准和温度传感器
●片内电压比较器（两个）
●精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器
●多达64KB的片内FLASH存储器
●多达4352字节片内RAM（256+4KB）
●硬件实现的SMBus/IIC、增强型UART（最多两个）和增强型SPI串行接口
●4个通用的16位定时器
●具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）
●片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器
多达40个端口I/O（容许5V输入）
图2-1C8051F340芯片顶视图
2.1.2C8051F340芯片的引脚说明
表2-1C8051F340芯片引脚说明
引脚名称
引脚号
引脚类型
说明
48脚
32脚
VDD
10
6
电源输入
电源输出
2.7V-3.6V电源电压输入
3.3V稳压器输出
GND
7
3
地
RST
C2CK
13
9
数字I/O
数字I/O
器件复位，内部上电复位或VDD监视器的漏极开路输出
C2调试接口的时钟信号
C2D
14
-
数字I/O
C2调试接口的双向数字信号
表2-1续C8051F340芯片引脚说明
P3.0
C2D
-
10
数字I/O
数字I/O
端口P3.0
C2调试接口的双向数字信号
REGIN
11
7
电源输入
稳压器的5V输入，该引脚是片内稳压器的输入
VBUS
12
8
数字输入
VBUS检测输入，该引脚应被连接到USB网络的VBUS信号，该引脚上出现5V信号表示有USB连接
D+
8
4
数字I/O
USB的D+
D-
9
5
数字I/O
USB的D-
P0.0
6
2
数字I/O或模拟输入
端口P0.0
P0.1
5
1
数字I/O或模拟输入
端口P0.1
P0.2
4
32
数字I/O或模拟输入
端口P0.2
P0.3
3
31
数字I/O或模拟输入
端口P0.3
P0.4
2
30
数字I/O或模拟输入
端口P0.4
P0.5
1
29
数字I/O或模拟输入
端口P0.5
P0.6
48
28
数字I/O或模拟输入
端口P0.6
P0.7
47
27
数字I/O或模拟输入
端口P0.7
P1.0
46
26
数字I/O或模拟输入
端口P1.0
表2-1续C8051F340芯片引脚说明
P1.1
45
25
数字I/O或模拟输入
端口P1.1
P1.2
44
24
数字I/O或模拟输入
端口P1.2
P1.3
43
23
数字I/O或模拟输入
端口P1.3
P1.4
42
22
数字I/O或模拟输入
端口P1.4
P1.5
41
21
数字I/O或模拟输入
端口P1.5
P1.6
40
20
数字I/O或模拟输入
端口P1.6
P1.7
39
19
数字I/O或模拟输入
端口P1.7
*注：
每个器件都可以在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-5.25V的电压工作。
电源电压大于3.6V时，必须使用内部稳压器，C8051F340内部包含一个稳压器（REG0）。
当被使能时，REG0输出连到VDD引脚，并可为外部器件提供电源，稳压器的输入的电压范围是2.7V-5.25V；输出电压的范围是3.0V-3.6V典型值是3.3V。
对于USB通信，电源电压最小值为3.0V。
端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。
2.1.3C8051F340的极限参数
表2-2极限参数
参数
最小值
典型值
最大值
单位
环境温度（通电情况下）
-55
125
℃
储存温度
-65
150
℃
任何端口I/O引脚或/RST相对GND的电压
-0.3
5.8
V
VDD引脚相对GND的电压
-0.3
4.2
V
表2-2续极限参数
通过VDD和GND的最大总电流
500
mA
/RST或任何端口引脚的最大输出灌电流
100
mA
*注：
超过这些列出的“极限参数”可能导致器件永久性损坏。
长时间在最大允许值或超过最大允许值的条件下工作可能影响器件的可靠性。
2.2.1L293芯片的原理
L293是最常见的步进电机驱动，采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H_桥电路，所有的开量都做成n型。
这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点。
L293D通过内部逻辑生成使能信号，H_桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。
L293D将2个H_桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。
每一个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2。
具体控制过程为：
1．通过编程由控制芯片经PWM发出驱动信号，PWM输出作为L293D的输入，经L293D转换输出控制信号使电机转动，进而带动车轮转动，使小车前进后退。
2．PWM输出信号的高低则可以控制直流电机转动的快慢，当占空比大时，转速高，占空比小时，转速低，所以当PWM输出占空比为0时可控制电机停止。
3．当左轮停止，右轮转，小车右转。
当右轮停止，左轮转动，小车左转。
2.2.2L293D芯片的端口定义
●VCC：
电源输出端；
●EN2：
第二路驱动使能端/PWM输入端；
●EN1：
第一路驱动使能端/PWM输入端；
●IN4/IN3：
电机方向控制端；
●IN2/IN1：
电机方向控制端；
●S2：
第一路测速传感器接口；
●S1：
第二路测速传感器接口；
●GND：
地
表2-3L293D控制状态
EN1/PWM1
IN1
IN2
状态
EN2/PWM2
IN3
IN4
状态
1
0
0
停止
1
0
0
停止
0
1
正转
0
1
正转
1
0
反转
1
0
反转
1
1
——
1
1
——
0
1/0
1/0
停止
0
1/0
1/0
停止
电路测试：
我们从小车板子上引出电源和地线给IN1/IN2或IN3/IN4送以1/0或0/1信号，EN1/EN2悬空或输入高电平，相应的电机会转动，说明小车测试正常。
2.3ST168反射式红外光电传感器
2.3.1红外光电传感器的工作原理
这里的循迹通是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，红外光电传感器输出低电平；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，红外光电传感器输出高电平。
单片机就是根据收到红外光电传感器的高低电平来确定黑线的位置和小车的行走路线。
2.3.2特点
采用高反射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成；
检测距离：
5—10cm
2.3.3极限参数：
（Ta=25℃）
表2-4ST168反射式红外光电光感器参数
项目
符号
数值
单位
输
入
正向电流
1F
50
mA
反向电流
Vr
6
V
耗散功率
P
75
mW
输
出
集-射电压
Vceo
25
V
射-集电压
Veco
6
V
集电极功耗
Pc
50
mW
工作温度
Topr
-20—+65
℃
储存温度
Tstg
-30—+75
℃
2.3.4光电特性（Ta=25℃）
表2-5ST168反射式红外光电光感器的光电特性
项目
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
输入
正向压降
VF
IF=20mA
-
1.25
1.5
V
反向电流
IR
VR=3V
-
-
10
μA
输出
集电极暗电流
Iceo
Vce=20V
-
-
1
μA
集电极亮电流
IL
Vce=15V
IF=8mA
L3
0.30
-
-
mA
L4
0.40
-
-
mA
L5
0.50
-
-
mA
饱和压降
Vce
IF=8mA,Ic=0.15mA
-
-
0.4
V
表2-5续ST168反射式红外光电光感器的光电特性
传输特性
响应时间
Tr
IF=20mA,Vce=5V
Rc=100Ω
-
10
-
μ
Tf
-
10
-
μ
2.3.5外形尺寸图：
图2-2ST168外形尺寸
第3章系统方案设计
3.1模块方案的比较与选择
根据设计要求，本系统主要由控制器模块、循迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成，如图3-1。
为了较好的实现各模块的功能，我分别设计了几种方案并分别进行了论证。
图3-1系统模块
3.1.1车体设计
方案1：
购买玩具电动车。
购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。
但是一般的来说，玩具电动车具有如下缺点：
首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。
其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。
再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。
而且这种电动车一般都价格不菲。
因此我们放弃了此方案。
方案2：
自己制作电动车。
经过反复考虑论证，我们制作了左右两轮分别驱动，后方向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个方向轮。
这样，当两个直流电机转向相反同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。
在安装时保证两个驱动电机同轴。
当小车前进时，左右两驱动轮与方向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
为了防止小车的重心的偏移，后方向轮起支撑作用。
对于车架材料的选择，鉴于方便性，我选择了电路板。
综上考虑，我选择了方案2。
3.1.2电源模块设计
在本设计中，所用到的单片机需要3.3V的电压，电机驱动分别需要5V的电压和12V的电压，由于本系统需要电池供电，于是我们考虑了如下几种方案为系统供电。
方案1：
采用4节1.5V电池供电，电压达到6V，经过电压转换芯片，转化为3.3V，所以3.3V供给单片机，5V供给电机驱动芯片的Vcc供电；再用8节的1.5V干电池将12V的电压给电机驱动芯片的VDD供电。
但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。
方案2：
采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过电压变换后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比较足，而且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行，但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我的预算，因此，我们放弃了这种方案。
方案3：
采用15V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
蓄电池且具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
但如果只用蓄电池会造成浪费。
因此我们放弃了此方案。
方案4：
本设计分别用上干电池和蓄电池，采用4节1.5V的干电池经电压转换芯片后给单片机和电机驱动芯片的VCC供电；或采用5V的电源适配器给电路供电，其供电方式同干电池供电一样；再用15V的蓄电池经过压降稳压成12V电压，这12V电压给电机驱动的VDD供电。
分别用干电池和蓄电池作为整个系统的电源不仅可以节约用电，不会造成浪费，而且价格也比较合理。
因此我们选择了此方案。
综上考虑，我们选择了方案4
3．1.3稳压模块设计
方案1：
采用一片电压转换芯片将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后直接将12V的输出电压再用一片电压转换芯片将电压稳至5V，给电机驱动的VCC供电，最后直接将5V的输出电压经电压转换器将电压稳至3V，给单片机系统和其他芯片供电，但由于电压转换芯片压降过大，使消耗的功率过大，导致电压转
换芯片发热量过大，因此，我们放弃了这种方案。
方案2：
采用分开的稳压模块，分两部分，第一部分用电压转换芯片将15V的输入电压稳压至12V后给直流电机供电的VDD供电；第二部分再采用一片电压转换芯片将干电池的电压稳至3V给单片机供电，并且将干电池的输出电压供给电机驱动的VCC供电，如图3-2和3-3所示。
这样完全满足系统要求。
综上考虑，我们选择了方案2。
图3-2稳压模块
（1）
图3-3稳压模块
（2）
3.1.4控制器模块的设计
方案1：
采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑我放弃了此方案。
方案2：
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，其有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等点。
处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
本系统主要是进行循迹运行的检测以及电机的控制。
如果单纯的使用凌阳单片机。
小车的控制容易出现不稳定的情况。
从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其他方案。
方案3：
采用C8051F340单片机作为主控制器。
C8051F340是一个低功耗，高性能的8位单片机，40多个I/O端口，4个通用的16位定时器。
从方便实用的角度考虑，我选择了方案3。
3.1.5循迹方案的设计
这里的循迹是指小车在白色地板上，循着黑线行走，通常采取的方法是以下三种方案。
方案1：
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但这种方案受光照影响大，不能够稳定工作。
因此我考虑其他更稳定的方案。
方案2：
用ST168单光束反射式红外光电传感器（如图3-4所示）。
红外发射管发出红外线，党发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
外部环境对其有一定影响。
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