基于单片机的智能小车设计传感器电路的设计和相关程序设计和调试Word文档格式.docx

1、 3.2.180C51单片机硬件结构9 3.2.2最小应用系统设计.103.3前向通道设计113.4 后向通道设计14第四章 软件设计164.1 软件设计框图164.2模糊控制算法17 4.2.1模糊控制算法的发展17. 4.2.2模糊控制算法的原理17 4.2.3智能小车中的模糊控制算法184.3 寻迹的相关程序18第五章 制作安装与调试215.1 使用的仪器仪表及软件.215.2 系统制作215.3系统调试21 5.3.1 硬件调试.21 5.3.2 软件调试.22 5.3.3 联合调试.22设计总结.23致谢辞.24参考文献.25附录.27第1章 概述1.1课题研究背景与意义 随着控制技

2、术，计算机技术，信息处理技术和传感器检测技术以及汽车工业的飞速发展，智能小车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色，近年来，智能小车在野外，道路，现代物流及柔性制造系统中都有广泛应用，已经成为人工智能领域研究和发展的热点之一。智能小车作为移动式机器人的一个重要分支，具有环境感知规划决策，自动行驶等功能，它是计算机控制和电子技术的融合，集传感器探测（光源，障碍物），单片机自动控制，电机调速等议题，可以说是计算机，传感器，信息，通讯，导航，人工智能及自动控制等于一体高新技术综合体。现在，电子，机械，电子信息已经不在明显分家，自动控制在专业领域的地位已经越来越重要。特别是作为机械行业的代表产

3、品汽车，与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：1，电子装置占整车的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化发展，2，汽车开始向电子化，智能化和多媒体化方向发展，使其不仅作为一种代步工具，同时还具有交通娱乐等功能。另外，大学生各种大型的创新比赛中，智能车已经是一个不可缺少的部分。比如，亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛，全国大学生“飞思卡尔”智能汽车竞赛等众多重要竞赛都有智能车的登场，设计和制作智能车能很好的培养学生对机电一体化的相关知识。为了适应机电一体化的发展和自己所学知识的结合，提出循迹与遥控与一体的智能车的构想。1.2课题设计内容本课题是基于单片机

4、智能小车的设计，本课题的任务主要是采用80C51为控制核心，利用光敏传感器自动寻迹，设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用光电等传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。第2章 方案设计与论证2.1 总体方案设计此系统是以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测得到的电平信号，其中外部信号有三部分得到：寻迹模块，遥控模块和语音模块。最后把处理结果传递给小车电机，使得到相应效

5、果。总体设计框图如下： 图2-1 总体模块设计框图2.2系统方案选择与比较2.2.1寻迹模块选择方案方案一：采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，光线反射强烈，光线照射到黑线上时，光线反射较弱，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可以获得高低电平。方案二：采用红外对管TCRT5000光电寻线传感器，TCRT5000由红外发射管和接收管两部分组成，红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色地面时，地面将红外线反射到接收管，接受三极管导通，输出低电平，当发出的红外线照射到黑色地面时，黑色地面

6、将光线吸收。接收管没有接收到反射后的红外线而使三级管截止，输出高电平，这样外接一个比较器，可以与单片机连接，减少电路的连接，给设计带来了方便，但周围环境对其有一定的影响。方案三：采用RPR220型光电对管，RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发射管，而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管，其具有灵敏度高，体积小，工作性能稳定的特点，但是其价格高，购买不方便。综合各个方面的考虑，本次设计采用方案一。光敏探测器工作原理图为下图1.1寻迹电路分析方法V2的电压计算公式 V2=（VccR1+R6 ）.R6=Vcc.R6（R1+R6）R6不变，有光照R1变小，则V2变大。无

7、光照，R1变大，则V2变小1， 有光照情况光敏电阻R1变小，V2变大 假设V2=4.6Vt V3电压4VV2V3反向端大于同向端，则out5输出低电平为0给单片机识别，单片机通过if扫描out5的引脚2， 无光照情况3， 光敏电阻R1变大，V2变小 假设V2=3.2V，V3电压不变还是4V。V2V3同向端大于反向端，则out5输出高电平1给单片机识别，单片机通过if扫描out5给的引脚 LM324芯片介绍LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流

8、的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 LM324引脚排列如图所示LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器

9、放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的15V电源标准的5V电源电压。LM324引脚图2.2.2语音识别模块本模块为小车的附加功能模块，主要采用柱极式话筒接收声波信号，通过三极管放大电路放大信号，使信号经过电容和整流的二极管得到一个电压峰值为一伏的脉冲信号，并经过74HC04取反后供单片机控制，实现语音控制。如图3-1 语音控制模块原理图。图3-1 语音控制模块原理图电源其中图中P15为连接柱极式话筒的接口，P16为电源接口，R23的作用是调节话筒的灵敏度

10、，C7则是用来滤除波形中的直流部分。中间电路为典型的三极管共e极放大电路，其放大倍数可以根据R24和R25来确定。但由于9013管的自身特性，使的其最大的放大电压为1伏，经过电容的整形形成直流电压输入二极管。当话筒没有接受到一定强度的声波时，由于二极管的管压降，使电压不能经过其到非门芯片而让芯片输出电平为数字“1”，但当话筒接收到的声波信号经放大后超过二极管的管压降，非门的输入端上有一个正电压，而使输出端为低电平“0”，实现跳变触发的产生，进而让单片机的中断口进行判断，作出响应，实现语音控制。2.2.3电源模块2.2.4 电机驱动系统直流电机和步进电机都可以用于小车的驱动，故有两种方案。使用直

11、流电动机，加上适当减速比的减速器。直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要经过直流电源就可以连续不断的转动，调节电压的大小可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上是一个功率放大器。常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式。此方法性能较好，电路和控制都比较简单。使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。与直流电机不同，要使用步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定，而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度，气压等环境因素的影

12、响，仅与控制脉冲有关系。但是步进电机的驱动比较复杂，由控制器与功率放大器组成，具体差别见下表表3-2电机控制方式对比直流电机步进电机调速性能较好较差位置控制精度好驱动简单复杂稳定性好，仅仅与控制脉冲有关由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精确的位置控制，但是驱动电路麻烦，鉴于本次设计中小车的位置控制要求的不是很精确，直流电机即可满足小车要求的精度。且直流电机易于控制，驱动电路十分简单第三章 系统硬件设计3.1 总体硬件原理图见附录13.2 单片机模块此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。控制的方法有很多，大部分采用单片机控制。单片机要完成电机

13、控制，寻迹控制等工作。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O 口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。3.2.1 80C51单片机硬件结构80C51 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特

14、殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 1. 微处理器 该单片机中有一个8 位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。 2. 数据存储器 片内为128 个字节，片外最多可外扩至64k 字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 3. 程序存储器 由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不

15、够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。 4. 中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。 5. 定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。 6. 串行口 1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。7. P1口、P2口、P3口、P4口 8 特殊功能寄存器 共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 由上可见，80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。

16、特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O 口和指令集。1 位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51 单片机中8 位机和1 位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51 单片机在设计的精美之处。3.2.2 最小应用系统设计 80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3.1 80C

17、51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：（1） 有可供用户使用的大量I/O口线。（2） 内部存储器容量有限。（3） 应用系统开发具有特殊性。1）时钟电路 80C51 虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51 单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，

18、但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度。有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。 在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。2）复位电路 80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上

19、电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1K。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST 端经电阻与电源Vcc接通而实现的。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200，RK取1K。3.3 前向通道设计 单片机用与测控系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道。因此，前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。在前向通道设计时要考

20、虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。1）前向通道的含义 当将单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。 对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件，这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量，如温度、压力、载荷、位移等，而计算机是一个数字电路系统。因此，在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。对被测对象的信号的拾取其主

21、要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路,故也可称为传感器接口通道。 在单片机应用系统中，对信号输入、传感、变换应作广义理解，例如开关量的检测及信号输入，在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道就是一个具有TTL电平的状态开关，如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。并不是所有单片机应用

22、系统都有前向通道，例如时序控制系统，只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态；分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。这些应用系统没有被测对象，故不需要前向通道。2）前向通道的设计（1）传感器的比较 识别障碍的首要问题是传感器的选择，下面对几种传感器的优缺点进行说明（见表1）。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外，还有以下问题。首先因其只能

23、在10m以内有效使用，所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但其更新频率为2Hz，而且还有可能在传输中受到它信号的干扰，所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。 表1 传感器类型优点缺点超声波价格合理,夜间不受影响测量范围小，对天气变化敏感视觉易于多目标测量和分类,分辨率好不能直接测量距离,算法复杂,处理速度慢激光雷达对水,灯光,灰尘敏感MMW雷达不受灯光,大气影响价格贵 视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂，处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。（2）超声波障碍检测 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感