基于单片机的智能小车遥控避障循迹液晶.docx
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基于单片机的智能小车遥控避障循迹液晶
嵌入式课程设计设计报告
题目：
基于P89V51RB2单片机智能寻迹小车
学院：
电气工程与自动化学院
专业：
自动化
班级：
112
学生：
刘长发
学号：
39
指导教师：
王祖麟
时间：
2012/08/01
2.4.1舵机构造............................................................................................................3
2.4.2舵机工作原理....................................................................................................3
2.4.3舵机控制时序....................................................................................................3
2.5.1超声波测距模快介绍........................................................................................3
2.5.2超声波引脚功能...............................................................................................3
2.5.3超声波工作原理................................................................................................3
2.5.4超声测距时序................................................................................................3
3.2.6避障模块设计..................................................................................................10
3.2.7液晶显示设计..................................................................................................10
附录24
第1章绪论
1.1引言
我们所处的这个时代是信息革命的时代，各种新技术、新思想层出不穷，纵观世界范围内智能汽车技术的发展，每一次新的进步无不是受新技术新思想的推动。
随着汽车工业的迅速发展，传统的汽车的发展逐渐趋于饱和。
伴随着电子技术和嵌入式技术的迅猛发展，这使得汽车日渐走向智能化。
智能汽车由原先的驾驶更加简单更加安全更加舒适，逐渐的向智能驾驶系统方向发展。
智能驾驶系统相当于智能机器人，能代替人驾驶汽车。
它主要是通过安装在前后保险杠及两侧的红外线摄像机，对汽车前后左右一定区域进行不停地扫描和监视。
计算机、电子地图和光化学传感器等对红外线摄像机传来的信号进行分析计算，并根据道路交通信息管理系统传来的交通信息，代替人的大脑发出指令，指挥执行系统操作汽车。
1.2课题的来源及现状
1.2.1课题的来源
汽车的智能化是21世纪汽车产业的核心竞争力之一。
汽车的智能化是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技。
1.2.2智能汽车国外发展情况
从20世纪70年代开始，美国、英国、德国等发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究，目前在可行性和实用化方面都取得了突破性的进展。
在无人驾驶技术研究方面位于世界前列的德国汉堡Ibeo公司研制的无人驾驶汽车，2007年4月11日在英国伦敦科学博物馆与公众见面。
这辆无人驾驶智能汽车经德国大众汽车公司生产的帕萨特2.0改装而成，外表看来与普通家庭汽车并无差别，但却可以在错综复杂的城市公路系统中无人驾驶。
1.2.3智能汽车国内发展情况
目前日本、欧美已有企业取得实用化成果。
与国外相比，国内在智能车辆方面的研究起步较晚，规模较小，开展这方面研究工作的单位主要是一些大学和研究所，如国防科技大学、清华大学、吉林大学、北京理工大学、长安大学、沈阳自动化所等。
我国从20世纪80年代开始进行无人驾驶汽车的研究，国防科技大学在1992年成功研制出我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。
先后研制出四代无人驾驶汽车。
第四代全自主无人驾驶汽车于2000年6月在长沙市绕城高速公路上进行了全自主无人驾驶试验，试验最高时速达到75.6Km/h。
在2004年10月12日的第六届高交会上，红旗无人驾驶汽车就引起了极大的轰动。
它在高速公路上最高稳定无人驾驶速度为130公里/小时；峰值无人驾驶速度为170公里/小时。
并同时具备安全超车和系统小型化两个主要指标。
为如此，他们把它称为“中国汽车界的神舟五号”。
2005年，首辆城市无人驾驶汽车在上海交通大学研制成功，该车有望于两年之内率先在上海世纪公园进行示范运营，并在2010年世博会上一展身手。
到时游客只需在公园的入口处按下一个按钮，一辆没有司机的四座敞篷汽车就会从远处开过来缓缓停下，然后搭载着乘客前往他们想去的景点。
1.3本论文研究的内容
本论文是基于P89V51RB2单片机开发，主要是研究3轮小车的路径识别及其控制算法以及遥控运动。
第2章系统总体设计
2.0小车的总体构造
图2.0小车总体构造
2.1智能小车寻迹基本原理
探测路面黑线的基本原理：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。
利用这个原理，可以控制小车行走的路迹。
这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，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。
处理器就根据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。
智能小车系统以处理器为核心，为了使智能小车能够快速行驶，处理器必须把路径的迅速判断、相应的转向电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。
如果传感器部分的数据没有正确地采集和识别，转向电机控制的失当，都会造成模型车严重抖动甚至偏离赛道；如果直流电机的驱动控制效果不好，也会造成直线路段速度上不去，弯曲路段入弯速度过快等问题。
本次红外探测采用的是反射式探测。
2.3智能小车测速原理
智能小车测速原理同上，此处采用的是对射式探测，
探测方法：
在电机的转轴上安装一个光栅，通过单位时间红外对管检测到的光栅的数目来确定小车车轮转过的圈数，进而计算出路程，从而得到单位时间内小车走过的路程，即小车速度。
2.4智能小车舵机控制原理
利用舵机灵活控制超声波探头360°旋转，可以实现小车的全方位避障。
在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。
舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。
舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于
那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普其实是一种伺服马达。
图2.1舵机实物
2.4.2舵机工作原理
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。
最后，电压差的正负输出到电机
驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
2.4.3舵机的控制
舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一
般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。
以180度角度伺服为例，那么对应
的控制关系是这样的：
0.5ms--------------0度；
1.0ms------------45度；
1.5ms------------90度；
2.0ms-----------135度；
2.5ms-----------180度；
图2.2舵机控制时序图
2.5智能小车避障基本原理
小车避障是利用超声波测距，并根据测出离障碍物不同距离而做出不同反应。
2.5.1超声波测距模块简介
检测距离：
5CM-5M
分辨率：
5MM
数字电平信号，可直接接单片机，无需任何辅助电路，也无需单片机产生任何信
号辅助，距离和模块输出信号脉冲长度成正比。
尺寸：
43.5*20.5毫米
高度：
13.8毫米
图2.3超声波实物
你只需要提供一个短期的10uS脉冲触发信号。
该模块内部将发出8个40kHz
周期电平并检测回波。
一旦检测到有回波信号则输出回响信号。
回响信号是一个脉冲的宽度成正比的距离对象。
可通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距式:
uS/58=厘米或者uS/148=英寸。
建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响
图2.4超声波测距时序图
2.6智能小车遥控原理
利用无线电波对被控对象进行远距离控制。
由于无线电波可以进行远距离传输，故而检测接收端相应管脚，并做出相应的工作。
无线芯片有4个信号输出，分别对应遥控上的四个按键，实现灵活控制。
从而达到遥控目的
图2.5遥控芯片实物图
遥控与小车连接实物图
2.7智能小车液晶显示原理
加入液晶显示一方面是为了弥补数码管显示的局限性，其次是为了显示小车的运动状态，显示小车电机转速，离前方障碍物距离，循迹状态，是否遇到黑线，后退，前进还是转向，作为一个控制平台，实现小车的灵活控制。
图2.6液晶显示实物图
在数字电路中，所有的数据都是以0和1保存的，对LCD控制器进行不同的数据操作，可以得到不同的结果。
对于显示英文操作，由于英文字母种类很少，只需要8位（一字节）即可。
而对于中文，常用却有6000以上，于是我们的DOS前辈想了一个办法，就是将ASCII表的高128个很少用到的数值以两个为一组来表示汉字，即汉字的内码。
而剩下的低128位则留给英文字符使用，即英文的内码。
那么，得到了汉字的内码后，还仅是一组数字，那又如何在屏幕上去显示呢？
这就涉及到文字的字模，字模虽然也是一组数字，但它的意义却与数字的意义有了根本的变化，它是用数字的各位信息来记载英文或汉字的形状，从而通过扫描，显示在液晶屏幕上
液晶显示其实就是对屏幕的每个点的扫描，带字库的液晶内部自带控制芯片，直接对它操作就可以显示出汉子字符，需要读写命令和数据，才能达到对液晶控制器的操作，具体的如何显示，有兴趣者可以自己查阅资料，进一步理解并学会使用。
第3章系统硬件设计
3.1控制器的选择
本次设计采用的是P89V51RB2单片机。
3.1.1概述
P89V51RB2是一款由美国NXP半导体公司提供的增强型80C51微控制器，包括16KBFlash程序存储器和1KB数据RAM，且功能上完全覆盖标准80C51单片机系列
3.1.2P89V51RB2开发工具特性
1.80C51内核，5V工作电压，操作频率0～40MHZ;
2.16KB片内Flash存储器，1KB片内SRAM；
3.SPI串行通信接口和增强型UART；
4.PCA（可编程计数器列阵），具有PWM和捕获、比较功能；
5.4个8位I/O口，含有三个高电流P1口（每个I/O口的电流为16mA）；
6.8个中断源，4个中断优先级，3个16位定时器/计数器和可编程看门狗定时器（WDT）；
7.2个DPTR寄存器；
3.2硬件电路设计
本次项目采用的电路板从画电路原理图开始，到PCB板的布线以及电路板的焊接与检测一系列工作都是自己在大一下学期课程实践期间制作的。
3.2.1系统电源电路
交流电经过全波电路在经过电容滤波，在经过稳压电源芯片做成稳压电路，输出电压5V、7.2V的直流电源。
其电源电路原理图如图3.2所示。
图3.1系统电源电路原理图
小车的驱动电机的供电电压为7.2V，经过电容滤波后接7805进行稳压，稳压输出5V的电压。
提供单片机所需
图3.2电源板实物
3.2.2电机驱动模块
1.驱动实现与原理
本项目驱动两路直流电机，实现电机的正反转与测速和遥控。
输入输出逻辑表真值表3.2。
表3.2L298N输入输出逻辑真值表
通道1
通道2
输入
输出控制电机1
输入
输出控制电机2
EnA
In1
In2
OUT1
OUT2
转向
EnB
In3
In4
OUT3
OUT4
转向
1
0
0
0
0
停止
1
0
0
0
0
停止
0
1
0
1
反传
0
1
0
1
反传
1
0
1
0
正转
1
0
1
0
正转
1
1
0
0
停止
1
1
1
1
停止
0
X
X
0
0
停止
0
X
X
0
0
停止
其中“0”为低电平；“1”为高电平；“X”为任何状态。
图3.3电机驱动板实物
3.2.3光电编码器/测速
2.光电编码器原理
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
3.光电编码器的实现
光电编码器的发光装置一般由发光二极管来实现。
光敏元件则由光敏三极管接上拉电阻来完成。
光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转的编码器与电动机相连，当电机转动时，带动码盘旋转，便发出转速或转角信号。
其示意图如图3.5所示。
图3.5光电编码器的实现示意图
当电机旋转时，码盘随之一起转动。
通过光栅的作用，使得光敏三极管随着光栅透出的光而导通。
接收的频率和转速成正比。
在接收端可以输出一系列的方波，80C51内核可以通过采集方波的频率从而可以计算出电机的速度。
图3.4光栅测试实物
3.2.4红外线检测电路
红外线检测电路原理其实很简单，就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，Cortex-M0内核采集到的电压就是高电平；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，然后80C51内核采集到的电压就是低电平。
其基本原理图如图3.6所示。
图3.6红外线检测电路原理图
鉴于本项目设计需实现的功能比较简单，故只要两路红外线检测电路即可，分别位于小车中心轴的两测即可。
图3.5红外探测实物
3.2.5键盘显示设计
图3.7为项目驱动实践一制作的键盘显示板原理图，主要部件为两个74LS164芯片级联，通过这两个移位芯片进行送到数码管上显示。
其中8个按键分别和8个数码显示管进行连接，检测按键时通过KEY引脚对其进行扫描；CLK为164芯片移位的时钟，每来一次时钟，就进行移位处理；数码显示的数据是DATA引脚输送的数据。
图3.7键盘显示板原理图
其基本原理为：
首先通过DATA引脚发送要显示数据的断码，然后再通过DATA引脚发送显示数据在哪一位（即位码）。
两个74HC595芯片是分开工作的，其中右边595芯片是负责传送断码的，左边595芯片是负责传送位码的。
这也是为什么要先传送断码，后传送位码的原因所在。
检测按键是通过KEY引脚来检测，其中8个按键分别跟8个数码显示管连在一起。
在按键的过程中，通过扫描哪一位为低电平就可以确定是哪个按键按下，然后再通过是哪个按键按下做出相应的功能操作。
小车避障模块由超声波和舵机两部分组成，超声波测量距离障碍物的距离，舵机来控制超声波探头的360°旋转，从而达到全方位的避障控制。
图3.6舵机和超声波硬件连接实物图
液晶显示代替数码管显示是为了更好的显示小车的控制状态，显示一个人机界面，作为一个操作者更方便的操作小车，作为传达更丰富的信息。
其硬件与小车实物的结合如下图：
图3.7液晶屏与小车硬件连接实物图
第4章系统软件设计
4.1编译环境
TKStudio集成开发环境（又称TKStudioIDE）是广州致远电子有限公司开发的一个微处理器软件开发平台，是一款具有强大内置编辑器的多内核编译调试环境，支持8051、ARM、AVR等多种微控制器，可以完成从工程建立和管理，编译，链接，目标代码的生成，到软件仿真，硬件仿真（挂接TKS系列仿真器等硬件）等完整的开发流程。
TKStudio集成开发环境包括工程管理器、代码编辑器、编译工具链、源码级调试器和外部工具等。
4.2模块的驱动
4.2.1红外线传感器模块
红外线模块只要M0处理器向其供5V电压就能工作，然后通过引脚采集其电平高低就可以根据不同情况做出相应的处理。
其具体程序控制见程序清单4.1.
while
（1）
{
if（CG1==0&&CG2==0&&CG3==0&&CG4==0）{
motor_run（）;//未寻到黑线直走
}
if（CG1==0&&CG2==1&&CG3==0&&CG4==0）
{
motor_right（）;//右轮压线右转
if（CG1==1&&CG2==0&&CG3==0&&CG4==0）{
motor_right（）;
delay_1ms（100）;//右轮压线右转
}
}
if（CG1==0&&CG2==0&&CG3==0&&CG4==1）{
motor_left（）;//左轮压线左转
delay_1ms（100）;
}
if（CG1==0&&CG2==1&&CG3==1&&CG4==0）{
motor_run（）;//若两端压线直走
//若两端压线直走
}
if（CG1==0&&CG2==1&&CG3==1&&CG4==0）
motor_run（）;//若两端压线直走
}
程序清单4.1读取红外传感器的高低电平
4.2.2电机模块的驱动
首先，通过设置L298N芯片的输入方向RIGHT_FANZHUAN，RIGHT_ZHENGZHUAN，RIGHT_STOP，LEFT_ZHENGZHUAN，LEFT_FANZHUAN，LEFT_STOP，电机驱动板有四出信号输出端，PWM1，PWM2，DIR1，DIR2，分别控制从而控制两个电机的停止与正反转。
详见程序清单4.2.
/********************************************************************电机驱动函数
********************************************************************/
voidmotor_run（）//电机起动
{
PWM1=1;
PWM2=1;
DIR2=0;
DIR1=0;
}
voidmotor_left（）//小车左转
{
PWM2=0;
PWM1=1;
DIR2=0;
DIR1=0;
}
voidmotor_right（）//小车右转
{
PWM1=0;
PWM2=1;
DIR1=0;
DIR2=0;
}
voidmotor_round（）//小车自转
{PWM1=1;
PWM2=1;
DIR1=1;
DIR2=0;
}
voidmotor_stop（）//电机停止
{
PWM1=0;
PWM2=0;
DIR1=0;`
DIR2=0;
}
voidmotor_trap（）//电机后退
{
PWM1=1;
PWM2=1;
DIR1=1;`
DIR2=1;
}
程序清单4.2直流电机驱动与路径识别
前轮为方向轮，只有在需要转弯的时候才需要后边电机驱动其左右转动，在常态下则由后轮的推力使前轮向前转动。
具体实现是通过控制前面产生的两路PWM波的占空比和L298N芯片的In1、In2、In3、In4的方向来实现小车的前进寻迹与后退寻迹，其程序流程图详见图4.1所示。
开始
读取传感器
是否两边都遇到黑线
停止
是否左遇到且右没遇到
是否右遇到且左没遇到
左转弯
右转弯
直行
Y
N
Y
Y
N
N
图4.1直流电机控制流程图
根据图4.1可以看到程序一开始就进行读取红外线传感器，如果左右两边都遇到黑线则停止前进；如果左边遇到黑线而且右边没有遇到黑线，小车则左转；如果右边遇到黑线而且左边没有遇到黑线，小车则右转；如果两边都没有遇到黑线小车则直行。
具体程序控制详见程序清单4.1。
4.2.3转速捕获
本项目采用16位定时器1和32位定时器1的捕获功能来实现两直流电机的转速捕获。
由于主轮与后面光码盘扇叶转速的比例是1：
80，而且有两片扇叶。
所以测主轮的转速公式为：
转速=（（FAHBCLK/（（CAP1_2-CAP1_1）/（N2-1））））*3/8/TMR16B1PR，程序控制详见程序清单4.5.
程序清单4.5直流电机转速的测量
voidTimeNew1（）//光栅捕获并记录
{R1=R2;
//捕获左电机光栅并记录
if（R_Mcp2==0）{R2=1;}
if（R_Mcp2==1）{R2=0;}
if（R1==1）{if（R2==0）{rm2++;}}
if（rm2==1）{rm2=0;Count2++;}
if（Count2==10000）{Count2=0;}
if（R_Mcp1==0）{r2=1;}//捕获右电机光栅并记录
if（R_Mcp1==1）{r2=0;}
if（r1==1）{if（r2==0）{rm1++;}}
if（rm1==1）{rm1=0;Count1++;}
if（Count1==10000）{Count1=0;}
r1=r2;
}
m1=lucheng1/1000,//转换成路程并分解成BCD码
dm1=（lucheng1-1000*m1）/100,
cm1=（lucheng1-1000*m1-100*dm1）/10,
mm1=lucheng1-1000*m1-100*dm1-10*c
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