智能寻迹避障小车寻迹系统设计.docx
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智能寻迹避障小车寻迹系统设计
第二章智能寻迹避障小车寻迹系统设计
1．任务
任务一：
产生智能寻迹避障小车沿黑线转圈的控制程序；
任务二：
产生智能寻迹避障小车带状态显示沿黑线转圈的控制程序；
2．要求
（1）能控制智能寻迹避障小车沿黑线实现转圈功能；
（2）行走过程中小车一直压着黑线走，不得冲出黑线圆圈之外或之内；
（3）智能寻迹避障小车可以从小于90度的任意方向寻找到黑线圆圈；
2.1项目描述
该项目的主要内容是：
在智能寻迹避障小车电机控制系统之上扩展寻迹电路，然后运用C语言对系统进行编程，使智能寻迹避障小车实现沿黑线转圆圈的功能，并且在行走过程中小车一直压着黑线走，不得冲出黑线圆圈之外或之内；当人为将小车拿开，再从小于90度的任意方向放置小车，小车应能重新找回轨道，并沿黑线继续转圈。
通过该项目的学习与实践，可以让读者获得如下知识和技能：
☞继续掌握单片机I/O端口的应用；
☞掌握红外线收、发对管的工作原理与控制方法；
☞掌握数码管的工作原理与控制方法；
☞掌握单片机C语言的编程方法与技巧；
☞能够编写出智能寻迹避障小车沿黑线实现转圈功能的控制函数；
2.1必备知识
2.1.1关于红外线传感器
红外线定义：
在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。
所有高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。
现代物理学称之为热射线。
医用红外线可分为两类：
近红外线与远红外线。
红外线发射器：
红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。
根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备，875NM主要用于医疗设备，940NM波段的主要用于红外线控制设备。
如：
红外线遥控器、光电开关、光电计数设备等。
红外线对管应用：
本项目中，小车的寻迹功能采用红外线收、发对管实现。
具体工作过程如下：
两对红外线收、发对管安装在智能寻迹避障小车底盘正前方，红外发射管一直发射信号，接收管时刻准备接收信号。
两对对着地的红外管发射红外信号，信号在白色的地面上反射回接收管，通过接收管把信号送回单片机进行处理，完成相应的动作。
假如在黑色的地面上，信号被地面吸收，就无信号返回，单片机检测到无信号，根据程序也会做出相应的动作。
如图2.1所示为红外线收、发对管外型示意图。
图2.1红外收、发对管外形图
2.3案例设计
2.3.1系统设计方案
本项目采用单片机最小系统+红外寻线传感器来实现小车寻线功能。
系统设计框图如图2.2所示。
图2.2系统设计框图
2.3.2硬件电路设计
智能寻迹避障小车寻线电路原理图如图2.3所示：
它是在单片机最小系统的基础上直接由单片机的P3连接红外线收、发对个构成的，其中单片机的P3.5端口控制左边寻线电路模块，右边寻线电路模块由P3.6控制。
为了保准巡线信号的准确度，一般要求左、右红外发射对管安装时离地面高度控制在0.5cm内比较理想，距离太大，可能造成信号不灵敏，巡线不够准确，距离太小，也可能造成小车前进会与地面产生刮擦，从而损坏器件；另外，左、右收、发对管安装的距离应保持在比黑线条的宽度多一点，做到夹在黑线条，并处于黑线条的边缘，不能压在黑线上。
这样巡线才能准确。
图2.3智能寻迹避障小车寻线电路原理图
2.3.3系统软件设计
任务一：
产生智能寻迹避障小车沿黑线转圈的控制程序；
1、源程序
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineoutP2
sbitzuo1=P0^1;
sbitzuo2=P0^0;
sbityou1=P0^3;
sbityou2=P0^2;
sbitzuod=P3^5;
sbityoud=P3^6;
sbitqiand=P3^7;//左右前3个红外传感器
sbitjiao=P0^6;
sbitD1=P2^0;
sbitD2=P0^7;
voiddelay（uintx）
{
uchari;
while（x--）
for（i=0;i<123;i++）;
}
voidqian（）
{
zuo1=0;
zuo2=1;//左边往前
you1=0;
you2=1;//右边往前
}
voidhou（）
{
zuo1=1;
zuo2=0;//左边往后
you1=1;
you2=0;//右边往后
}
voidzuo（）
{
zuo1=1;
zuo2=0;//左边往后
you1=0;
you2=1;//右边往前
}
voidyou（）
{
zuo1=0;
zuo2=1;//左边往前
you1=1;
you2=0;//右边往后
}
voidmain（）
{
while
（1）
{
if（zuod==0&youd==0）//如果左右两个传感器没有检测到黑线
{
qian（）;//直走
}
if（zuod==1&youd==0）//如果左边的传感器检测到黑线
{
while
（1）
{
zuo（）;//左转
D1=0;
if（zuod==0）//一直左转到传感器检测不到为止
{
D1=1;
break;//跳出循环
}
}
}
if（youd==1&zuod==0）
{
while
（1）
{
you（）;
D2=0;
if（youd==0）
{
D2=1;
break;//道理同上
}
}
}
}
}
2、程序运行及调试
按图2.3连接智能寻迹避障小车控制电路，编译以上程序，将产生的可执行文件烧写到智能寻迹避障小车的单片机程序存储器，然后将小车放置在黑线圆圈的任意位置，开启电源，小车会沿着黑线不断转圈；将小车从黑线上拿走，然后再放放置黑线旁边，只要小车与黑线不成90度放置，则小车通过自我修正，会重新找到黑线轨迹，继续转圈。
3、程序设计思路
基本思路是：
先判断智能寻线小车左、右寻线传感器是否夹在黑线边缘，如果是说明寻线传感器处于白色区域，则小车前进；如果不是，则再判断左、右传感器所处的位置，如果左边传感器压到黑线，左传感器指示灯D1亮，说明小车已经偏右，则应调左转函数修正，使左边传感器退出黑色区域；当退出黑色区域后，左传感器指示灯D1灭；当右边传感器压到黑是，方法跟左边处理类是：
调用右转函数修正，同时D2亮，修正完，D2灭。
总之，小车在沿黑线转圈过程中，左、右寻线传感器始终是夹在黑线边缘（即白色区域）的，如果不在白色区域，就要根据情况调用左转、或右转函数进行修正。
程序流程图如图2.4所示：
图2.4智能寻迹避障小车寻黑线转圈流程图
任务二：
产生智能寻迹避障小车带状态显示沿黑线转圈的控制程序；
1、源程序
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineoutP2
sbitzuo1=P0^1;
sbitzuo2=P0^0;
sbityou1=P0^3;
sbityou2=P0^2;
sbitzuod=P3^5;
sbityoud=P3^6;
sbitqiand=P3^7;//左右前3个红外传感器
sbitjiao=P0^6;
sbitD1=P2^0;
sbitD2=P0^7;
ucharcodeZM[]={
0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09,
};
voiddelay（uintx）
{
uchari;
while（x--）
for（i=0;i<123;i++）;
}
voidqian（）
{
zuo1=0;
zuo2=1;//左边往前
you1=0;
you2=1;//右边往前
}
voidhou（）
{
zuo1=1;
zuo2=0;//左边往后
you1=1;
you2=0;//右边往后
}
voidzuo（）
{
zuo1=1;
zuo2=0;//左边往后
you1=0;
you2=1;//右边往前
}
voidyou（）
{
zuo1=0;
zuo2=1;//左边往前
you1=1;
you2=0;//右边往后
}
voidmain（）
{
while
（1）
{
if（zuod==0&youd==0）//如果左右两个传感器没有检测到黑线
{
qian（）;//直走
out=ZM[1];
}
if（zuod==1&youd==0）//如果左边的传感器检测到黑线
{
while
（1）
{
zuo（）;
out=ZM[3];//左转
D1=0;
if（zuod==0）//一直左转到传感器检测不到为止
{
D1=1;
break;//跳出循环
}
}
}
if（youd==1&zuod==0）
{
while
（1）
{
you（）;
out=ZM[4];
D2=0;
if（youd==0）
{
D2=1;
break;//道理同上
}
}
}
}
}
2、程序运行及调试
程序的运行与调试与任务一相同，当程序下载到小车控制电路单片机中，开机运行，小车除完成任务一的动作外，还会在小车行进过程中在数码管上显示小车的状态，比如，小车前进，则在数码管上显示“1”；小车左转弯则在数码管上显示“3”；小车右转弯则在数码管上显示“4”。
3、程序设计思路
程序设计思路与任务一基本相同，只是在小车直行、左转、右转函数后面调用相应的状态显示字符。
其程序流程图如图2.5所示。
图2.5带小车行走状态显示、转圈程序流程图
2.4相关知识
2.4.1显示模块
显示器是最常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中常用的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。
由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛应用。
下面介绍发光二极管显示器（LED）的结构、工作原理及其接口电路。
1、LED结构与原理
LED显示器又称为数码管，它主要由8个发光二极管组成，如图2.6（a）所示。
图中，a～g为数字或字符显示段，h段为小数点显示，通过a～g为7个发光段的不同组合，可以显示0～9和A～F共16个数字和字母。
例如，当a、b、g、e、d段亮时，显示数字“2”，当a、f、e、g段亮时，则显示字母“F”。
LED可以分为共阴极和共阳极两种结构，如图2.6（b）和（c）所示。
其中图（b）为共阴极结构。
即把8个发光二极管阴极连在一起。
这时如果需要点亮a～g中的任何一盏灯，则只需要在相应端输入高电平即可；输入低电平则截止。
比如我们现在要显示数字“3”，则只要在对应的a、b、c、d、g段送入高电平，在其他端送入低电平即可，点亮为“3”。
图（c）为共阳极结构。
其显示端输入低电平有效，高电平截止。
（a）引脚分布图（b）共阴LED（c）共阳LED
图2.6八段LED显示块
表2-1列出了共阳极与共阴极LED显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系。
表2-1显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
0
3FH
C0
8
7FH
80H
1
06H
F9
9
6FH
90H
2
5BH
A4
A
77H
88H
3
4FH
B0
B
7CH
83H
4
66H
99H
C
39H
C6
5
6DH
92H
D
5EH
A1H
6
7DH
82H
E
79H
86H
7
07H
F8
F
71H
8EH
2、LED显示器显示方式
点亮LED显示器有两种方式：
一是静态显示；二是动态显示。
所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。
如图2.7所示为4位静态LED显示器电路。
该电路每一位可单独显示。
只要在要显示的那位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持显示相应的显示字符。
这种电路的优点是：
在同一瞬间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。
从图2.8可以看出，每位LED显示器需单独占用8根端口线，也就是说需要占用单片机的1个端口，而对于MCS—51单片机而言，端口资源是比较少的。
因而，在显示的数据位较多时往往不采用此种设计方法，而是采用动态显示方式。
所谓动态显示，就是将要显示的多位LED显示器采用一个8位的段选端口，然后采用动态扫描方式一位一位地轮流点亮各位显示器。
如图2.8所示为4位LED动态显示电路。
图2.74位静态LED显示器电路
图2.84位动态LED显示器电路
在此电路中，单片机的P1口用于控制4位LED的段选码；P2口的P2.0～P2.3用于控制4位LED位选码。
由于所有的段选码连在一起，所以同一瞬间只能显示同一种字符。
但如果要显示不同字符，则要借助位选口来控制。
（如果LED为共阴，则P2.0～P2.3输出高电平，为共阳则P2.0～P2.3输出为低电平。
）例如，现在要显示5678四个数字，则首先应该将“5”的显示代码（共阴LED的显示代码为6DH，共阳LED的显示代码为92H）由P1.0送出。
然后P2.0～P2.3输出相应位码（共阴LED时P2.0～P2.3输出1000，共阳LED时P2.0～P2.3输出0111）时，则可以看到在数码管1上的显示数字“5”。
再将显示的数字“5”延时5～10ms，以造成视觉暂留效果；同时代码由P1.0送出。
用同样的方法将其余3个数字“678”送数码管2、3、4显示，最后则可以在4位LED上看到“5678”四个数字。
为了使显示效果稳定，可以使每个数码管显示的数字不断重复，当重复频率达到一定程度时，加之人眼视觉暂留作用，便可以看到相当稳定的“5678”四个数字。
表2-2为模拟以上显示的过程表（以共阴LED设置显示代码，共阳与此相反。
）
表2-24位动态LED扫描显示状态
段选码
P1.7至P1.0
段选码
P2.3至P2.0
LED显示
数码管1
数码管2
数码管3
数码管4
6DH
01H
7DH
02H
07H
04H
7FH
08H
3、LED显示器接口实例
实例1：
用LED数码管显示数字“6”
本例用LED数码管显示数字“6”，接口电路如图2.9所示（采用共阳极数码管）。
实现方法：
图2.9中数码的电源由单片机P2.0引脚控制，当P2.0为低电平时数码管被点亮，然后由P0控制数码管显示的数字，根据表2—1输出数字”6”。
图2.9数码与单片机的接口电路
程序设计如下：
//实例1：
用LED数码管显示数字“6”
#include//包含51单片机寄存器定义的头文件
voidmain（void）
{
P2=0xfe;//P2.0引脚输出低电平，数码显示器接通电源准备点亮
P0=0x82;//让P0口输出数字"5"的段码92H
}
实例2：
用4位数码管静态显示“1234”
实现方法：
图2.10为4位静态显示电路，在该电路中每一个数码管占用1个单片机并行端口，因而可以同时显示不同的数字，但这种方式由于过多地占用了单片机端口资源，故在实际设计中不实用，特别是显示数位数多时，不采用该种方式，而是采用动态方式实现。
图2.104位数码管静态显示电路
程序设计如下：
//实例2：
静态显示数字“1234”
#include//包含51单片机寄存器定义的头文件
/*******************************************
函数功能：
主函数
******************************************/
voidmain（void）
{
P0=0x6d;//将数字5的段码送P0口
P1=0x7d;//将数字6的段码送P1口
P2=0x07;//将数字5的段码送P2口
P3=0x7f;//将数字6的段码送P3口
while
（1）//无限循环，防止程序跑飞
;
}
实例3：
用4位数码管动态显示“1234”
实现方法：
上例虽然实现同时显示不同数字的功能，但浪费端口资源严重，故在实现多位同时显示不同数字时多采用如图2.11所示的动态显示，这种方式能够利用较少的端口实现较多位的数字显示，因而得以实用。
图2.114位数码管动态显示
程序设计如下：
//实例3：
用4位数码管动态显示“1234”
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
ucharcodeDIS_SEG[4]={0xf9,0xa4,0xb0,0x99};
ucharcodeDIS_BIT[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};
voiddelay（uintk）
{
uinti,j;
for（i=0;i{for（j=0;j<121;j++）
{;}
}
}
voidmain（void）
{
ucharcnt;
while
（1）
{
for（cnt=0;cnt<4;cnt++）
{P0=DIS_SEG[cnt];
P2=DIS_BIT[cnt];
delay（100）;
P2=0X00;//每开段位就关闭全部显示可以起到消影的作用。
}
}
}
2.5拓展提高
2.5.1思考练习
1、本案例设计中智能巡迹避障小车的巡线功能与那些器件有关？
如何保证巡线的准确性？
2、智能巡迹避障小车沿黑线转圈与沿黑线走“S”型路线的控制程序是一样的吗？
为什么？
3、数码管动态扫描如何实现？
如何出现数码管显示出现“闪烁”现象，应如何消除？
2.5.2拓展训练
任务：
在单片机的P2口扩展一片LCD1602作为显示器件，显示智能小车的行走状态。
要求：
1、设计满足任务要求的系统硬件电路。
2、给出程序的设计思路，画出详细的程序流程框图。
3、给出程序清单并加上必要的注释。
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