基于单片机的迷宫小车论文 有程序电路图.docx
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基于单片机的迷宫小车论文有程序电路图
本科生毕业论文
基于单片机的迷宫小车系统的设计
TheSystemDesignofMazeTrolleySystemonSCM
需要总程序或者原理图的，请联系qq
Qq:
296931385
学生姓名
所在专业
电子信息工程
所在班级
电子1091班
申请学位
工学学士
指导教师
职称
讲师
副指导教师
职称
答辩时间
2013年6月1日
目录
摘要I
abstractII
第1章绪论3
1.1课题背景3
1.2课题的目的及意义3
1.3主要实现的功能4
1.4主要实现的功能5
第2章方案设计与论证6
2.1总体设计6
2.2路径识别系统及布局方案6
2.2.1确定路径检测方法6
2.2.2确定传感器布局8
2.3小车动力及主体设计方案9
2.4电机驱动方案9
2.5显示方案10
第3章硬件电路设计11
3.1电源电路模块11
3.2传感器电路模块设计12
3.2.1红外避障模块12
3.2.2终点寻黑线模块13
3.2.3小车距离检测模块15
3.3电机驱动模块16
3.3.1电机驱动原理16
3.3.2H桥式电机驱动电路17
3.4液晶显示电路模块21
3.5主控板电路22
3.5.1单片机最小系统原理22
3.5.2STC12C5A60S2单片机简介22
第4章软件程序设计24
4.1总体控制流程图24
4.2电机驱动子程序设计25
4.3测距及及时子程序设计28
4.4避障及停止子程序设计30
4.5显示子程序设计33
第5章系统测试及操作说明37
5.1系统硬件测试37
5.2系统软件测试38
5.3系统操作说明38
第6章结束语及展望39
鸣谢40
参考文献41
摘要
介绍了一种基于8位单片机STC12C5A60S2的迷宫小车系统，充分利用该芯片自带的两路PWM结合L298N芯片控制小车的运行状态；该系统采用五路红外传感器来自动检测路况，将所测得信息反馈给小车控制电路，通过软件对其行进路线进行智能调节，实现了小车自动从事先所设定的迷宫中走出；测距采用以霍尔传感器为核心的电路模块实现测距功能。
采用光电对管TCR5000来检测终点坐标信息，控制小车停止。
同时，采用LCD12864来显示迷宫小车的距离及行走的时间。
本设计结构简单，较容易实现，具有一定的智能化。
总体规划
对于走迷宫小车控制系统设计主要有三个方面：
一、控制电路设计；二、传感器选择以及安放位置设计；三、程序设计。
从总的方面来考虑，传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，但是又必须能使小车行驶自如。
控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。
关键词：
STC12C5A60S2单片机；PWM；红外传感器；LCD12864；迷宫左手算法
abstract
Describesakindofmazecarsystembasedon8-bitMCUSTC12C5A60S2,makefulluseofthechipcomeswiththetwowayofPWMandL298Nchiptocontrolthecarrunningstate;ThesystemUSEStheinfraredsensortoautomaticallydetectfiveroadtraffic,measuredbyinformationfeedbacktothecontrolcircuit,thecarthroughthesoftwaretoitspathofintelligentadjustment,hasrealizedtheautomaticcarfromwithinthelabyrinthsetinadvance;DistancemeasurementbasedonhallsensorTCR5000asthecorecircuitmoduleimplementationrangingfunction.Thephotoelectricpairtubestodetectend-pointcoordinateinformation,controlthecarstop.Atthesametime,adoptLCD12864labyrinthtodisplaythecarwalkingdistanceandtime.Thisdesignhassimplestructure,iseasytoimplement,hasacertainintelligence.
Theoverallplan:
Thedesignofthecontrolsystemofmaze-runningintelligentcarmainlyincludesthreeparts:
First:
thedesignofthecontrolcircuit;Second:
thechoosingofthesensorandthedesignofthemountposition;Third:
ProgramDesign.Fromaoverallperspective,youshouldusethesensorsasfewaspossiblesoastoreducethesignalprocessingamountoftheMCUandatthesametimeyoumustmakethecarmarchfreely.Thecontrolcircuitmustbedesignedaccordingthemotorsandsensorschosen,mainlytakethestabilityandthenoiseimmunityintoaccount.
Keywords:
STC12C5A60S2singlechipmicrocomputer;Pulsewidthmodulation;Infraredseneor；LCD12864；Lefthandmazealgorithm
基于单片机的迷宫小车系统的设计
电子信息工程，200911611121，王靖
指导教师：
郭晓云
绪论
课题背景
随着微电子计算机软/硬件，通信和电子工程等多种技术的融合，嵌入式系统的技术含量也越来越高了，为了促进信息技术的科技创新，不断的更新机器人技术是一个很好的创新方式。
本课题将才用ARM公司的微控制器制作机器鼠的硬件机构，采用近年来国际上新兴的蚁群算法，实现从起点到终点的最优路径的选择。
通过模型的制作实现理论的实际创新过程。
蚁群算法是通过对生物行为的分析而得出的团体最优配置和路径选择，所以机器鼠的路径选择是非常相似的。
智能机电鼠又称电脑鼠，电脑鼠（micromouse）是一只迷人的人工智慧鼠，它不但有锐利的眼睛和灵活的双脚，还有聪明的头脑来控制眼睛和双脚，使眼睛和双脚能够同心协力，互相配合，以达成那唯一的目标一走出迷宫。
实际上就是一个电动小车，只不过这个电动小车是由一个或多个微控制器来控制、通过传感器和其他各器件的配合，具备一定智能的电动小车。
目前，电脑鼠在一些电子设计竞赛中出现的比较多，电脑鼠走迷宫是机器人比赛中比较重要的一个分支，其主要考察的是电脑鼠对未知世界的自动探索和学习过程。
本设计是以“IEEE国际电脑鼠上海邀请赛”为背景，结合模拟电路,数字电路知识以及传感器知识，将平时所学的各种控制理论运用到实践当中，制作出一个性能优良的电子产品---能够走迷宫的电脑鼠。
课题的目的及意义
人从上世纪七十年代美国举办第一届电脑鼠走迷宫的比赛开始，到如今该比赛已经遍及全球。
电脑鼠走迷宫比赛是考察一个机电系统对一个未知环境的探索、分析以及决策能力的一种比赛，随着科技的发展，各参赛者在电脑鼠机械结构上的差距并不明显。
在同样规则和相近的机械结构的情况下，决定比赛胜负的，往往就是电脑鼠对迷宫的探索和决策的算法了，因此迷宫算法也就成为了各电脑鼠爱好者们研究的热门课题。
随着迷宫的出现，就有人对迷宫算法进行专门的研究，经过几十年的发展，电脑鼠走迷宫算法已经多种多样，除了简单的传统的左右手算法等之外，目前比较先进的算法有八方向走迷宫算法、遗传算法、蚁群算法等等，这些算法的基础是近代的一些比较著名的理论，因此较之以前有了很大的进步，然而，到目前为止，没有任何一种算法堪称完美，每种算法都有自己的特点，更没有哪种算法可以完全取代其他的算法。
因此在迷宫算法领域里形成了多足鼎立的局面。
走迷宫算法的一个重要用途就是机器人设计，随着各种技术的飞速发展，机器人的用途也越来越广，人们要求机器人可以完成的工作的复杂度也越来越高，电脑鼠作为一个机电整合的系统，其发展也是越好的。
电脑鼠走迷宫是针对一个未知的、待探测的环境，用红外线或超声波等传感器采集周围数据回给处理器，通过软件处理生成一个简单的平面电子地图，而后通过对地图坐标的观测给定电脑鼠想要它行走的X，Y坐标，电脑鼠自身通过对刚才数据的采集而计算出一条合适路径，而自动走到相应的地点，从而实现了简单的绘制未知地形地图及定位功能，这是电脑鼠算法研究的一个重要技术基础。
其应用的前景应该是非常光明的，因为机器人的发展是一个不可阻挡的历史潮流，在机器人代替人作的一些工作中，有些环境是不可以或者很难事先预知的，如火山口、深海底、外星球等人不能够到达的地方，这就要求机器人有相当高的智能，其中最基础的就是对未知环境的探测及决策能力。
走迷宫的算法研究的意义也就是为机器人的智能打下基础。
进入21世纪,伴随着电子、信息技术的应用与迅速普及，人们对电子技术的要求越来越高。
迷宫小车的出现对今后更好地用机器来代替人的工作垫定更扎实的基础。
经过完善后的迷宫小车可以广泛用于抢险，救灾，有害气体中毒的抢救等。
随着技术的发展智能迷宫机器人将替代小车工作，在危险场合迷宫机器人起着不可替代的作用，如在失火情况下迷宫机器人可以在最短的时间找到最优的路径将受困人员救出。
迷宫小车的发展为智能机器人的开发提供了理论依据。
主要实现的功能
该迷宫小车主要可以实现的功能如下：
（1）小车基本控制：
能够实现在非迷宫场地内完成直行的前进、急停，以及原地转弯和行进转弯等基本的运动方式，并能通过检测和中断电路来进行计步；
（2）红外线探测：
通过红外线的探测，反馈5个信息，前方/左方近/左方远/右方近/右方远，通过调节每一个红外线发射接受器的发射和反馈的强度来使小车能最好工作；
（3）小车调试与实际运行：
将程序下载到小车内，能够在迷宫（没有孤岛）中自动避障，并进行寻路，实现出迷宫的功能；能够实现寻光源行走功能。
（4）显示行驶的总时间，距离及运行时的状态，要求整个系统功耗低，性价比高。
本文的组织结构
主要实现的功能
（1）理解题目的内容，参考现有系统，提出设计方案；
（2）设计系统的硬件电路，选取合适的器件，成功做出实物；
（3）硬件电路包括：
主控制器电路STC12C5A60S2单片机，电源电路，电机驱动电路和传感器电路等；
（4）设计系统相应的软件程序如主程序、电机控制子程序等。
方案设计与论证
总体设计
信息采集
终点寻黑线模块
红外避障模块
霍尔测距模块
图2.1系统框架图
如图2.1所示，该智能小车系统主要分为以下三大块：
（1）信息采集模块：
在该模块中包括障碍物信息采集，终点信息采集和小车行驶距离采集两个三个子模块，分别采集小车前方是否有障碍物信息，小车是否到达终点和小车行使的距离信息，并将采集到的信息传给MCU，其核心是红外传感器，光电传感器和霍尔传感器。
（2）信息处理模块：
信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心是MCU，MCU接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，并发出控制信号。
（3）执行模块：
该模块包括了驱动电机和液晶显示，当接收到MCU的命令后便执行相应操作，驱动两个直流电机行进及在液晶上显示运行模式信息。
从傅里叶变换到小波分析
路径识别系统及布局方案
确定路径检测方法
确定障碍物检测方案
迷宫小车行走过程中，路径信息的采集是整个系统中很重要的一部分，它就像是模型车的眼睛，直接影响模型车的行走路径是否合理。
道路检测方式有很多中，总体可以分为两类：
方案一:
红外检测方式。
通过红外发光管发射红外线照射障碍物（白色泡沫挡板），经过挡板反射回来后，由于发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。
如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。
如果有障碍物，传感器检测到这一信号，不同位置上的红外接收管回接受到强弱不同的红外光，由此可以判断出挡板相对迷宫车的位置，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调小车两轮工作，完成一个漂亮的躲避障碍物动作此种方式电路设计比较简单，速度快，成本低，但精度较低，前瞻距离较短。
方案二：
用超声波传感器进行避障，超声波传感器的原理是：
超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收，然后将这信号放大后送入单片机。
超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。
但是超声波传感器需要40Hz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1%以内，所以用模拟电路来做方波发射器比较难以实现。
而且单片机来做方波发射器未免有些浪费资源。
因此只能考虑其它方案。
由于本次毕业设计主要是实现迷宫小车自动避障功能，而对迷宫小车车速度要求不高，最终选择了方案一来识别障碍物。
确定终点检测方法
由于本次终点检测是指小车在地板上行走，由于黑色和白色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小车是否到达终点。
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。
红外光发光二级管与光敏三级管组成的发射-接收器,将光敏三级管电流变化转变成电压变化信号,再将电压信号送至单片机A/D转换口。
这种方式不但有方案二的优点,而且传感器输出的是连续的模拟量,在一定的范围内可根据电压与黑线位置的关系曲线定位黑线的位置,所以通过这种方式可在传感器数量和布局受到限制的条件下对黑线位置进行精确定位。
TCRT5000原理图如下所示：
图2.2TCRT5000原理图
确定小车行驶距离检测方法
方案一、通过测试得出小车平均速度v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积t•v作为驶过的距离。
但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点。
故不予采用。
方案二、利用霍尔开关在后轮内侧匀距贴上2个磁钢，车厢内装上霍尔开关。
对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为c，可以用霍尔开关输出脉冲数n乘以c/m得出行驶距离。
只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。
但车子颠簸时，稳定性较差。
由于我们使用的小车车轮有较高的防滑性能，且同侧车轮使用同一驱动电机（具有相同的转速），所以行车距离检测是比较准确的。
经过实验测试，测出距离的精度相当高。
在本次设计中我们使用第二种方法进行测距。
确定传感器布局
确定避障传感器的布局
前红外传感器安装方式在路径识别中的作用也不可小觑。
传感器的安装一般要考虑下面几个问题。
（a）一排安装还是两排安装。
两排安装除了可以获取道路的中心位置，同时可以得到道路的方向信息，但是它是以降低检测空间分辨率作为代价的。
（b）排列的几何形状。
一般用“一”字型排列，“八”字型排列及“W”型排列等。
其中“一”字型排列是最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线上，从而保证了纵向的一致性，使其控制策略集中在横向上。
“八”字型排列与“一”字型相似，但它增加了纵向的特性，从而具有一定的前瞻性。
“W”型排列则能更好的预测弯道的出现。
可见，八字型和W型比较一字型能更好的使智能车在加速及过弯道能力有所提高，但其控制算法相对比较复杂。
（c）分布密度。
红外传感器分布间距与道路中心线的宽度以及红外传感器距离地面的距离有关系，一般要满足传感器下面的道路中心线可以引起一个或者两个传感器相应为准。
（d）传感器相对地面的高度与角度。
这两个参数决定了检测道路的范围。
传感器的高度以及相对垂直地面的角度越大，它的检测前瞻距离越远，同时检测道路的宽度也越大，稳定性也越好。
（e）红外传感器的探出距离。
这个距离是指传感器安装位置超出车模前端的距离。
采用等腰梯型安装的方法，其中传感器离地高度2cm，传感器共有5个。
考虑到传感器距离地面的角度对检测稳定性的影响，其角度垂直地面。
确定终点寻黑线传感器的布局
在本次设计中，由于终点用一块黑色区域标注，只要小车能够检测到黑色区域，就会自动停止运行，故对传感器的安装布局要求不高，这里采用单排平行放置两个光电对管寻迹传感器TCR5000来检测终点。
确定霍尔测距传感器的布局
在本次设计中，由于测量小车距离采用霍尔传感器A44E结合磁钢的形式，首先把两个磁钢对称的固定在小车轮子内部，再把A44E用胶水固定在电机轮子附近，这样小车每转一圈，传感器就会近距离接触磁钢两次，然后再把测出的信号送给单片机处理
小车动力及主体设计方案
前轮亦为驱动轮,其决定小车能否灵活拐弯的关键部分。
这辆小车和汽车不同，不是靠摆舵来控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。
小车后轮属从动轮，这里采用的是牛眼万向轮,质地较硬，其与地面磨擦力较小，与其动力相比可以忽略不记。
所以它可以自由偏移，而不影响小车的转向。
小车电机方案选择如下:
方案一：
选用直流电机作为系统动力装置。
直流电机体积相对较小，易于安装，有较好的应用性能。
但本系统对小车行进的速度要进行控制，使用直流电机时，如果要控制速度，在程序设计的时候就必有使用PWM波来实现，而PWM实现的方式有两种，一种是采用定时器输出一个固定频率的方波信号，这样的产生的PWM波形稳定，精确，不足之处在于，它要占用一个MCU定时器，这使得程序在后面的设计中会遇到困难。
另一种实现PWM波的方式是采用延时程序，产生一定频率方波信号，但由于C语言程序运行时，对时间的不确定，所以会造成延时误差，也就给系统的运行带来误差，汇编程序对时间的掌控很精确，但这又会造成C与汇编混编的情况，这对程序设计者在存储空间这一知识上要求较高。
方案二：
采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。
另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。
由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源.
电机驱动方案
方案一：
采用传统的功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。
方案二：
采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。
因此决定采用L298N控制直流电机。
显示方案
方案一：
用普通的数码管来实现显示功能。
这种方法较容易行，并且操作简单，但是数码管消耗电流特别大，对电源的容量要求很高，难以在用电池供电的系统运行。
方案二：
使用LCD12864来完成显示的功能。
LCD12864的操作需要一定的难度和技巧，而且很容易损坏，所以其硬件需要谨慎使用，但是它解决了数码管存在的各种问题，如消耗电能特别小且显示东西多。
经验证比较，方案二能很好地节省电能，采用方案二。
硬件电路设计
电源电路模块
迷宫小车系统各个模块正常工作所需要的工作电压和工作电流各不相同，全部硬件电路模块的电源采用6节1.2V蓄电池为直流电机供电，将7.2V电压降压、稳压到5V，为外围芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，所以我们采用可充电电池供电。
如图2.1所示：
，对它进行电压调节。
设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。
电源模块应该包含稳电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
图3.1电源模块方案
传感器电路模块设计
红外避障模块
此红外检测模块主要由74HCOOD为控制芯片加上外围的扩展电路组成。
模块的检测距离可以达到20厘米，如果外围电子元件稍加调试的话，可以检测到40厘米。
74HC00引脚功能表及引脚图：
管脚位
SYMBOL符号
NAMEANDFUNCTION名称及功能
1,4,9,12
1Ato4A
DataInputs数据输入
2,5,10,13
1Bto4B
DataInputs数据输入
3,6,8,11
1Yto4Y
DataOutputs数据输出
7
GND
Ground接地（0V）
14
VCC
PositiveSupplyVoltage电源电压
图3.2.174HCOOD的引脚功能表
图3.2.274HCOOD的内部电路和引脚图
在外围扩展电路中主要有38HZ的一体化红外接收管和940nm的红外发射管
74HCOOD主要用来调节94nm的红外发射管的发射频率和调节38HZ的红外接收管的接收频率，以达到发射和接收的性能达到最好，其中38HZ的红外接收管用的是进口的HS0038型号的管子，103可调电阻用于改变红外光的发射频率，502可调电阻可改变红外发射管的亮度（也就是改变发射功率）。
当传感器前方有物体反射38KHZ红外光，一体化接收头接收到之后将输出0V电压，当前方无物体时输出5V电压。
图3.3红外避障模块电路图
终点寻黑线模块
红外光电传感器犹如是模型车的眼睛，对车模的行驶效果有着直接的影响。
模型车在行进时，要实现寻迹功能，可采用高灵敏度的反射式光电传感器TCRT5000[5]对地面进行扫描，再将采集到的数据信息经过比较器后输出高低电平，最后送入单片机处理，便可以检测出轨道的位置，从而控制模型车的转向，使模型车一直沿轨道前进。
当模型车在白色地面行驶时，红外发射管发出的红外信号被反射，接收管收到信号后，输出端为低电平。
而当红外信号遇到黑色导轨时，红外信号被吸收，接收管不能接收到信号，输出端为高电平。
经过对一只TCRT5000的测试，发现TCRT5000接收管输出端的低电平输出大致为0.78V，高电平的输出大致为2.85V,经过LM324四运放，比较后输出低电平为0.03V,高电平为4.96V,能正常稳定地被单片机IO所识别。
采用的光电传感器型号为TCRT5000，它的是采
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