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基于AT89C51的多功能智能小车
摘要
智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等用途。
智能电动车就是其中的一个体现。
本次论文介绍了基于红外传感器的自寻迹小车的自动避障设计和实现。
利用红外线对管检测黑线与障碍物，自寻迹指小车可自主沿黑色引导前进，在小车检测到周围有障碍物时进行相应的避障措施，并实现对直流电机的自动控制。
由于不同的颜色具有不同反射强度，通过AT89C51单片机从当智能小车的大脑，使用驱动芯片L298驱动直流电机。
电机使用两个直流电机分别安装在小车左右两边，通过两个电机的配合达到转弯动作，该技术可以用于无人驾驶机动车、机器人等领域。
关键词：
智能小车，AT89C51，L298，黑色跟踪，避障模块
MultifunctionalSmartCarBasedonAT89C51
ABSTRACT
Smartasamoderninventionisthedirectionofdevelopmentinthefuture,itcanautomaticoperationinanenvironmentaccordancewiththepre-setpattern,andnohumanmanagementcanbeappliedtoscientificexplorationandotherpurposes.Smartelectriccarisoneofexpression.Thispaperdescribestheinfraredsensor-basedautomaticobstacleavoidanceandself-tracingcar.Infraredtubesdetecttheblacklinewithanobstacle,sincethetracingmeansthecarcanbeindependentguidealongtheblackforward,detectedinthecararoundtheobstacle,theobstacleavoidancemeasures,andtoachieveautomaticcontroloftheDCmotor.Differentcolorswithdifferentreflectionintensity,theAT89C51microcontrollerfromthebrainofthesmartcar,thedriverICL298-drivenDCmotor.ThemotorusestwoDCmotorswereinstalledinthecarleftandrightsides,twomotorco-ordinationtoachievetheturningaction,thetechnologycanbeusedforunmannedvehicles,roboticsandotherfields.
KEYWORDS:
Smartcar,AT89C51,L298,Blacktracking,Obstacleavoidancemodule
目 录
前 言
智能小车可以作为机器人的典型代表。
其需要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作。
智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。
它可以分为三大部分：
传感器检测部分，执行部分，CPU。
当前的电动小车基本上采取的是基于纯硬件电路的一种开环控制方法，或者是直线行驶，或者是在遥控下做出前进、后退、转弯、停车等基本功能。
但是它们不能实现在某些特殊的场合下，我们需要能够自动控制的小型设备先采集到一些有用的信息的功能。
本文正是在这种需要之下开发设计的一种智能的小车的自动控制系统。
它以单片机AT89C51为控制核心，附以外围电路，采用金属探测器、光电检测器等传感器材检测信号和障碍物；充分利用单片机的串口、并口资源和运算、处理能力，来实现小车的按轨迹直线行走、按轨迹转弯、检测轨道下的金属片并显示其数目同时发出光警示、躲避障碍物、寻灯光进入车库，最后停车等智能控制系统。
本论文第一章主要介绍了智能小车的意义和背景，并阐述了智能小车在国内外的研究现状。
第二章主要从智能小车的硬件着手，实现智能话需要的条件。
第三章从软件方面主要介绍小车的系统流程图。
第1章概述
1.1智能小车的意义和背景
现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。
其基本可实现寻迹、避障、检测贴片、寻光入库等基本功能。
现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。
该智能小车可以作为机器人的典型代表。
它可以分为三大组成部分：
传感器检测部分、执行部分、CPU。
机器人要实现自动避障功能，还可以扩展寻迹等功能，感知导引线和障碍物。
可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。
基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。
智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。
本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了。
当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。
如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出报警，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。
这样的小车还可以用于月球探测等的无人探月车，帮助我们传达月球上更多的信息，让我们更加的了解月球，为将来登月做好充分准备。
这样的小车在科学考察探测车上也有广阔的应用前景。
在科学考察中，有许多很危险且人们无法涉足的地方，这时，智能科学考察车就能够派上用场，在它上面装上摄像机，代替人们进行许多无法进行的工作。
1.2智能小车的国内外研究现状
自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。
近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。
视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。
视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。
但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。
机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。
避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guidevehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。
使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。
每个人都应该抛开固有的使用习惯，为车载电脑的未来承担起应有的责任。
因为，车载电脑的明天无限广阔，驾驶的乐趣妙不可言。
CarBot公司的首席执行官达米恩·斯特洛兹对汽车电脑的发展充满信心。
当你正在欣赏MP3音乐开着爱车去接洽某项业务的时候，发现前方公路堵塞，你悄悄地把车开到旁边的咖啡店，这时一个甜美的声音提醒你有新邮件，拿出无线键鼠处理完邮件后，再去店里喝上一杯咖啡，这时候道路已经畅通无阻了，继续开着你的爱车听着喜爱的音乐奔向目的地。
这就是车载电脑带给我们的便捷！
随着信息网络技术的不断发展，汽车已经不再只是拥有四个轮子的交通工具。
人们更加希望汽车作为日常生活以及工作范围的一种延伸，在车里就像呆在办公室或是家里一样，能够收听音乐、看电视、看视频录像以及上网处理工作等等。
想要让你的车子如此温馨、时尚而且智能，那么，车载电脑就是不可或缺的。
从2001年以来，国内掀起了继买房后的买车热潮。
据统计部门的数据，至2006年中国汽车保有量已达3500万辆（其中轿车占80%，约2500万辆）,每年仍以30%的速度递增。
我国成为了继美国之后的第二大汽车生产和消费大国。
汽车行业的迅猛发展也带动了相关配套、服务业的发展。
而将功能强大的智能车载信息系统——车载电脑加载到汽车上已经成为欧美、日本等地汽车市场的首选新装备。
车载电脑给汽车带来了一场信息化的革命，让每辆汽车构建成一个完美的车载信息与娱乐系统终端，包括车载通讯系统、导航系统、数字娱乐系统以及辅助驾驶系统。
坐在汽车里面听广播或者音乐已经习以为常，但是车载电脑带来的是全方位的数字娱乐，由于其支持WINDOWS下的所有应用程序，因此，CD、VCD/DVD以及收看电视都成为可能。
让你在开车的时候听音乐，在休息的时候欣赏好莱坞大片或是收看电视，甚至玩各种游戏。
车载通讯与导航系统主要指GPRS和GPS，让你“轻车熟路”，而且轻松打电话。
不仅如此，它还让你轻松畅游互联网，方便地在车上发送电子邮件、查看公司业务信息等、和朋友聊天、网络游戏等等。
不在办公室而胜在办公室，也无须再为塞车赶不到公司而焦头烂额！
最后，还可以利用车载电脑的扩展性，把个人电脑的功能全部应用到车上，比如手机控制、MP3/DVD/DivX多媒体播放、WiFi/3G无线上网、PC游戏、卡拉OK、红外线倒车镜头等等。
车载电脑DIY如此强大的功能，让很多车友心动，“只要车内有扬声器和收音机，就可以给汽车安装车载电脑”。
改装店员工的话更是把安装车载电脑当成小KISS：
“用汽车上的电池来为电脑输送动力，并将音频线连接到扬声器上，车载电脑完全不用为动力和占用空间的问题发愁”。
因此，给自己心爱的坐驾安上车载电脑已经成为一种时尚。
安装车载电脑和个人办公电脑没什么区别，主要也分为硬件和软件两部分。
硬件方面尽量选取低功耗硬件，毕竟汽油不便宜，低功耗可以少消耗点汽油，另外也要尽可能地选取抗震效果较强的硬件。
首先要选一款机箱，对于有限的车内空间，怎样充分利用十分重要。
因此要选择美观而小巧的机箱，目前市面较流行的合利科技的NC小机箱只有大字典尺寸，很受车友欢迎。
车载电脑的内存一般使用普通PC256MDDR内存就够用了。
由于要经受劳顿奔波，存储系统一般采用笔记本硬盘，当然你要是还不放心，就可以选用CF卡存储系统。
主板选择范围较大，但需要考虑两个因素，一是车内温度高，因此要求主板的功耗要低，发热不能够过高；再者考虑到机箱的空间，要求板子小巧。
众多车友推荐使用VIA的EPIA系列ITX主板，集成了显卡、声卡以及CPU，性能稳定、功耗较低。
显示器一般选用8英寸或者7英寸的LCD液晶屏，有LILIPUT（利利普）、德龙等品牌。
电源是车载电脑的重心，因为汽车供电不稳定，车载启动或加速时，对主板的电源产生冲击，如果主板对电源承受力弱，就会出现死机或异常。
因此车载电脑最好采用带ITPS功能车载电脑DC/DC电源。
很多车友选用逆变器方案，但并不是最佳的选择，DC变交流电，具有一定的安全隐患，另外转换效率也是个问题。
其他的外设，比如GPS接收器、网络连接等都可以选用USB设备。
软件方面相比而言就要简单很多，操作系统一般装XP、WIN2000，为了操作方便也可以添加一些车载电脑的专用软件，如国外免费软件MediaCar。
导航软件有灵图、城际通等。
就目前情况而言，不论是DIY还是购买整机，给汽车装上车载电脑都不是一件难事，但是，过多的负载还是会影响到行车安全，并且电脑安装过程也要改动不少电路，需要确保安全。
只有安全的享受数字技术带给我们的快乐，才是我们所需要的！
上面所讲的车载电脑指能够支持多种应用程序的嵌入式计算机，换句话说就是把我们日常用的个人电脑小型化加载到汽车上，成为一个智能化的外设。
而一般车友所谓的电脑是指负责车辆与引擎状况监管的行车电脑，也就是我们所谓的ECU。
1.3设计基本要求
根据设计需要确定如下方案：
在现有玩具电动车的基础上，增加避障、寻迹，实现对电位置及运行状况的实时检测，并将测得数据传送至单片机进行分析处理，然后由单片机根据所检测到的各种数据发出不同指令实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动车运动状态的实时监控，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。
自主寻迹电动小汽车是一个运用传感器、单片机信号处理、电机驱动及自动控制等技术来实现环境感知和自动行驶为一体的高新技术综合体。
本设计采用AT89C51单片机作控制核心,针对小车在行驶过程中的不同要求,采用模块化设计方案,进行了各部分电路的设计。
第2章系统硬件设计
2.1方案的比较与选择
2.1.1单片机选择
方案1：
采用MSP430系列的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便。
因此我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。
方案2：
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[1]。
因此AT89C51能够满足题目设计的所有要求，而且我们对AT89C51也比较熟悉，因此我们选择方案2。
2.1.2电机选择
方案1：
采用步进电机。
步进电机具有快速启停能力，可实现电机正反转及调速，启动性能好，启动转矩大。
工作电压可达到36V，4A；可同时驱动两台直流电机，且不具有误差积累作用。
由于步进电机的控制要求严格且很难运转到较高的速度。
方案2：
采用直流电机。
直流电机具有良好的启动特性和调速特性，直流电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便且价格比步进电机要便宜好多。
直流电机在调速性能要求方面比较严格[2]。
综合本系统对电动机的控制要求，我们选择了方案2。
2.1.3寻迹模块
方案1：
采用光敏电阻作为寻迹电路的主要元件。
光敏电阻的阻值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，随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。
但是这种方案受光照影响很大，不能稳定的工作。
方案2：
用红外发射管和接受管自制的对管作为寻迹传感器。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接受管能接受到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平；若接受不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平；虽然自己制作的寻迹传感器基本满足要求，但工作不够稳定且容易受外界光线的影响。
方案3：
采用TCRT5000型光电对管。
TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样，一传一感，TCR5000具有一个红外发射管和一个红外接受管。
当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出电平，该光电对管调整电路简单，工作性能稳定[3]。
通过工作时的性能稳定性和寻迹准确性考虑我们选择了方案3。
2.1.4电机驱动模块
方案1：
采用分立元件构成的H桥驱动电路对电机进行控制。
该驱动电路结构简单，价格低廉，在实际中应用广泛。
但这种电路工作性能不够稳定且功耗比较容易烧坏单片机。
方案2：
采用专用芯片L298N作为电机驱动。
L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
2.1.5避障模块
方案1：
采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误差几率较大，易受光线环境和路面介质影响，在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件构成整个系统的不稳定，故最终未采用该方案。
方案2：
采用两只红外管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位做出较为准确的判别和及时反应。
但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车作坊的红外对管用到的几率很小，所以最终未采用。
方案3：
采用两只红外线，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整方向，测试表明，只要合理安装两只光电开关的位置就可以很好的实现寻迹功能。
智能小车应以准确、智能见优，因此我们应采用方案3。
2.1.6信号检测模块
小车寻迹原理是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。
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，再通过LM324作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。
避障亦是此原理[4]。
电路图如图2-1。
市面上有很多红外传感器，在这里我选用TCRT5000型光电对管。
图2-1寻迹原理图
2.1.7LCD显示模块
采用1602LCD，由单片机的总线模式连接。
为节约电源，LCD的背光用单片机进行控制。
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VDD接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极[5]。
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
1602LCD显示器的引脚图如图2-2所示：
图2-21602LCD引脚图
2.2系统硬件分析
智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用。
将寻迹光电对管分别装在车体下的左右。
当车身下左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，车向右修正。
本设计采用了AT89C51单片机为寻迹小汽车的核心控制部分,通过查询方式实现对小汽车的智能控制。
小汽车由主控制板、驱动模块、寻迹模块、蔽障模块及车身载体几部分组成。
主控制系统由主控CPU电路、传感器接口电路、直流电机驱动电路等组成。
路面检测系统采用反射式红外传感器检测黑线及超声波传感器检测障碍,直流电机驱动采用双向PWM控制技术实现对车速灵活地控制。
避障的原理和寻线一样，在车身右边装一个光电对管，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号报警并控制车子倒退,转向，从而避开障碍物。
根据设计任务要求，并且根据我们自己的需要而附加的功能，该电路的总体框图可分为几个基本的模块，框图如图2-3所示。
图2-3基本模块图
2.2.1最小系统图
该系统主要用到的是单片机，所以主要的部分是最小系统图，该最小系统图如图2-4所示。
图2-4最小系统图
（1）89系列单片机的特点
内部含Flash存储器，和80C52兼容，静态时钟方式，可反复进行系统实验。
（2）AT89C51单片机的主要性能
4KB可改编程序Flash存储器、全静态工作：
0Hz～24MHz、256×8字节内部RAM，32条可编程I/O线、2个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道。
（3）AT89C51的引脚及其主要功能
AT89C51双列直插封装（PDIP），用PDIP封装的片子，其引脚如图2-5所示。
其引脚的主要功能如下：
主电源引脚VCC（引脚号40）：
芯片电源端，接+5v。
GND（引脚号20）：
电源接地端。
外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（引脚号19）：
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，此引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
XTAL2（引脚号18）：
接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部，它是上述内部振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接[6]。
图2-5引脚图
控制或与其他电源复用引脚
、
、
、
、
（引脚号30）：
当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号、
（引脚号29）：
外部程序存储器读选通信号。
当AT89C51从外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期内，
两次有效（即输出2个脉冲）。
但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
（引脚号9）：
复位信号输入端。
振荡器工作时，在该引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
（引脚号31）：
外部访问允许端。
要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则
端必须保持低电平。
当
端保持高电平，CPU则执行内部程序存储器中的程序。
在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。
（4）输入/输出引脚
P0口（引脚号32～39）：
P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时，每位能以驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作为高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间，激活了内部的上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1口（引脚号1～8）：
P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流的方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流[7]。
在对Flash编程和程序效验时
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