基于单片机的智能跟踪小车1.docx

1、基于单片机的智能跟踪小车1NINGXIA UNIVERSITY毕业设计（2016 届）题目基于单片机的智能跟踪小车的设计以及实现学 院 物理电气信息学院专 业 电气工程与自动化年 级 2012级学生学号 12012242019学生姓名 段春瑞指导教师 白娜2016年5月12日基于单片机的智能跟踪的小车及实现摘要智能车辆作为现代社会的新产物， 并且在智能车辆开发出来的各 种功能如跟踪、循迹、避障、自动停泊等，这些功能让生产工作，日 常生活变得更加智能，自动化程度更进一步。目前，关于智能小车的 研究越来越成为社会关注的焦点。这次的毕业设计是将 STC89C5单片机为核心， 由直流电机作为驱动， 通

2、过红外线传感器来发出跟踪信 号，来实现智能小车的跟踪功能。论文先对自动跟踪功能做了整体的介绍， 然后对小车的硬件如单 片机，传感器做了介绍。最后在理解硬件的原理的基础上，使用 C语言编程和 Keil 软件与烧写软件实现自动跟踪的功能。关键词： 自动跟踪 单片机 红外传感器AbstractIntelligent vehicle as a new product of modern society, and on the basis of intelligent vehicle developed products have become automated logistics transport

3、ation,flexible production organization system of key equipment,researchand development of intelligent car is becoming the focus of attention.This design is based on STC89C52RC single-chip microcomputer as control core, as by DC motor drive,through infrared sensors to signal tracking,to realize the i

4、ntelligent car tracing.Paper first made the overall introduction to the automatic tracking function,and then to the car hardware such as single chip microcomputer, sensor is presented.Thenon the basis of understanding the principle of hardware,using C language programming and the Keil software and b

5、urning software to achieve the function of automatic tracking.Key words ： Automatic trackingSingle chip microcomputerInfrared sensor1.绪论 61.1课题研究背景 61.2国内外发展状况 61.3智能跟踪小车的研究目的 61.4课题研究的意义 72.小车的功能以及设计 82.1智能跟踪小车的设计要求 82.2小车的主要功能 83.智能跟踪小车的硬件设计 103.1智能跟踪小车的硬件组成 103.2STC89C52RC单片机的电路以及引脚介绍 103.3电机驱动模块

6、 123.4传感器模块 133.5电源供电系统 153.6 LCD1602液晶显示模块 164.自动跟踪系统的软件设计 174.1开发软件 KeiluVision5 与 STC-ISP 的介绍 174.2跟踪系统主程序分析 184.3电机驱动程序 194.4红外传感器程序 204.5LCD1602液晶显示程序 205.功能测试 225.1智能跟踪小车的功能测试 225.2发现问题与解决问题的方案 226.结论和展望 236.1结 论 236.2展望 23参考文献 24谢 辞 25附录一：系统硬件仿真图 26附录二：红外遥控程序 27附录三：系统实物图 34绪论1.1课题研究背景在当今的社会中，

7、企业的生产技能逐渐提高，在生产过程中对于自动控制技 术的要求也在逐渐提高，在高自动化的生产环境下，智能车辆的研究与运用越来 成为工业生产的重要设备。许多科研机构都在致力于智能车辆的开发与应用。智 能小车是一个集感应，控制，辅助驾驶，智能操控于一体的系统。在功能性上它 可以自动识别并避开障碍物，自动刹车，控制与障碍物或被跟踪物体的安全距离， 测量车速，自动停泊等功能。与一般的车辆系统相比智能车辆拥有以下特点：1) 计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、 识别等工作。2)获得道路路况信息的摄像设备。3)传感器设备，车速传感器用来 获得当前车速，障碍物传感器用来获得前

8、方、侧方、后方障碍物等信息。 越来越多的科研项目都在关注着智能小车的开发与研究。1.2国内外发展状况关于国外的智能小车的研究状况可以追溯到 20世纪50年代。美国一家电子 公司于1954年开发出了世界上第一台无人驾驶的自主引导系统的车辆。虽然这 个系统智能在固定的线路上直线行驶，但是这却是智能车辆研究的长足的进步。 随后，关于智能车辆的研究成果如雨后春笋般的出现在世人面前。到了 1980年左右欧洲以及美国等一些发达国家已经将智能车辆控制系统投入到高速公路的 使用中，智能小车的研究有了其实际意义。1990年之后美国卡内基大学研究的 Navlab系列智能小车在传感器传输速度，图像处理，以及车辆横向

9、移动等方面 都作出了突出的研究成果，这标志着智能车辆即将进入我们的日常生活之中。国内关于智能小车的研究起步相对较晚，在借鉴发达国家先进的研究成果的 基础之后，我国的科研项目致力于对智能交通系统 ITS (In tellige nt Tran sportSystem)的研究目前我国的交通运输行业正在向着交通智能化迈进， 相信在不久的将来，我们的出行会更加安全，快捷，智能。1.3智能跟踪小车的研究目的智能小车的一般功能包括自动循迹、传感跟踪、避障、自动停泊等。人们研 究智能小车是为了让其代替人类完成一些危险的或者十分枯燥的不适宜人类的 工作，通过小车的程序化的工作可以节省物力人力而且可以更高效快捷

10、的完成工作对实现工业系统的自动化有一定的帮助关于智能自动跟踪小车的研究，它可以帮助工人在工业工作中取料，运料。 还可以在机场帮助下飞机的旅客运送行李， 甚至还可以在高尔夫球场扮演 “球童” 的角色等等。总而言之智能跟踪小车将会使我们的生活更加便捷、轻松。1.4课题研究的意义目前，许多国家的重点大学的理工学院都在致力于智能化与自动化系统的研 究，国内外有许许多多关于智能机器人的竞赛， 这其中就包括了智能机器人， 智 能小车的设计与研究。可见智能车辆的研究在全球范围内都被人们所关注着。智能小车作为智能机器人的典型代表，由传感、执行、控制三大部分组成， 本次毕业设计所采用的89C52单片机控制，红外

11、传感，L293芯片控制的直流电 机执行运动模块都是目前比较先进的器件， 通过以C语言为基础的程序编写可实 现智能跟踪， 智能循迹避障， 智能停泊等功能。 在生产实践当中智能小车可以运 用于工业生产，医疗考古，生活服务等多方面，极大的方便了人们的生产生活， 使我们的世界更加自动化。该毕业设计对于毕业生来说， 在硬件的研究与程序的编写过程中， 可以培养 其自动控制系统的操作能力，熟练掌握 STC89C5洋片机的知识，在电路的设计 过程中对于电机学， 电路的相关知识可以做到温故而知新。 将实践与理论统一结 合起来，进一步熟悉自动控制系统。2.小车的功能以及设计2.1智能跟踪小车的设计要求该系统以ST

12、C89C52单片机作为系统的核心，通过红外线传感器来检测到被 跟踪对象所处的位置，将信号反馈给单片机，单片机根据STC软件下载到其 中的程序作出相应的反应， 并将指令下达至电机驱动模块然后电机驱动轮胎作出 相应的动作实现跟踪的功能。在下载红外避障跟踪程序的 hex 文件到单片机之 前，应当做好充分的准备工作。首先应当安装好开发板的驱动以及 STC烧写软件， 在设备管理器中查看USB端口的号码如C0M6然后安装KeiluVision4 软件为编 程做准备。 最后在使用红外避障程序之前先将调用函数编译好以备调用， 所用的 函数有小车左转函数、小车右转函数、电机后退函数、小车前进函数。这样小车 的功

13、能函数就不会显得过于冗长， 而且不影响跟踪功能的实现。 将程序下载到单 片机之后， 检测小车能否按照要求对目标进行跟踪实现功能， 总结实验中发现的 不足，进行总结与改进，尽最大可能满足毕业设计的要求。2.2小车的主要功能自动跟踪小车的主要功能有： 1、实现对指定物体的红外感应跟踪。 2、延时 50msK4确认是按下之后，蜂鸣器发出“滴”声响，然后启动小车。 3、超声波测距，测量小车与被跟踪物体之间的距离。 4、LCD1602液晶距离显示：在液晶屏上显示测得的距离。 5、蜂鸣报警器还可以对危险情况进行报警等。对于智能小 车更广泛的更高级的功能来说主要有以下几点： （1） 智能家居的控制辅助：在家

14、 庭中，可以用智能小车进行家具、 远程控制家中的家用电器， 控制室温等等。 （2） 工程安全检测与受损评估： 在工程建设领域， 可对高速公路自动跟踪， 进行道路 质量检测和破坏分析检测 ; 对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全 性检测。在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油 和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。（ 3）探测危险与排除险情：在战 场上或工程中， 常常会遇到各种各样的意外。 这时，智能化探测小车就会发挥很 好的作用。战场上，可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。民用方 面，可以探测化学泄漏物质， 可以进行地铁灭火， 以及在强烈地震发生后

15、到废墟 中寻找被埋人员等。（ 4）辅助驾驶系统：利用智能感知系统的信息进行决策规 划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。主要包括 : 巡航控制、 车辆跟踪系统、 准确泊车系统及精确机动系统。 这些高级的智能小车 的功能让我们的生活更加的自动化， 让人类的工作更为安全。 智能跟踪小车虽然如商场里的自动追踪比不上它们的功能强大， 但是也为我们的生活提供了便利 购物车、机场的自动行李运输车等。3.智能跟踪小车的硬件设计3.1智能跟踪小车的硬件组成本次实验所用到的硬件主要包括：STC89C52R单片机、HL-1小车底盘、LCD 液晶显示模块等。各模块功能为：（1） 单片机模块为总

16、控制模块，控制其他模块的工作。（2） HL-1小车底盘包括L293D电机驱动模块、电源供电系统、红外线传感 器模块、超声波传感器模块以及传感器指示灯。电机驱动模块控制小车的运动状 态，超声波传感器模块负责距离的测量，红外传感器负责光感检测。3.2STC89C52RC单片机的电路以及引脚介绍P10IELXJVCC4UPLIi畑jyPL2314 =HJ liWliIJ.4PlP02iAI)2r37V45PI 4POLjjAW)州JXBri5 6PCMP161pi(iKi.割 D5)A l6|i34粧ri?n.7RMKST9RESETKMrl1 11P0.7(AD7)仁Vf钉屮 ALEPS环 1,7

17、( A15) 1眄 Hl 4 1 Ji32pmRXP31TXI111TXiwrs.iIIWP12OTLIW31X11*3.4 ri T3 sRRP3.7XTA12X I A LIVSSAEE冋aP343P27ms14r?h1 -T! 1 fP15(A13hliAlOifit%-25PA716251-24J 9111带23 r2214Jk2LSTi :评”：PM图 3-1 STC89C52RC 引脚图STC89C52是一种耗能较低，性能很强的单片机芯片，相比于传统的单片机 芯片89C52在控制上更加灵活。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了 很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具

18、备的功能。其引脚图如图3-1所示。STC89C52微处理器的主要功能有：1.8k可反复擦写（大于1000次）FLASH ROM ；2.256x8bit 内部 RAM ;3.工作电压：5.5V3.3V （5V单片机）/3.8V2.0V （3V单片机）；4.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作 频率可达48MHz;5.用户可以获得8k字节的应用程序空间；6.时钟频率0-24MHZ ;7.89C52拥有三十二个I/O 口并且为双向，P1P4 口为准双向口，当 P0作 为h.扩展口时，不需要加入上拉电阻；若作为信息传递的 I/O接口时需要加入上 拉电阻。8.ISP （

19、在系统可编程）/IAP （在应用可编程），无需专用编程器，无需专 用仿真器，可通过串口（ RxD/P3.0, TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完 成一片； 29.EEPROM 功能，看门狗功能；10.有T0、T1、T2、三个定时器，定时器的位数为 16位；11.有八个中断源，其中有两个为外部的中断源；12.用异步串行口（ UART），还可用定时器软件实现多个 UART ;13.工作温度范围：-40+85C（工业级）/075C（商业级）;PDIP封装。14.空闲模式：典型功耗 2mA；15.正常工作模式：典型功耗 4Ma 7mA；STC89C52RC单片机的引脚功能说明：第一类：电源

20、及时钟引脚 Vcc ， Vss， XTAL1 ， XTAL2；第二类：控制引脚 PSEN， ALE/PROG， EA/Vpp ， RESET；第三类：P0，P1，P2，P3引脚（输入输出端引脚）P0 口是一个双功能的八位并行口，字节地址为 80H，位地址为80H87H。端口的各位具有完全相同但又相互独立的电路结构。 P0 口作为双功能口（地址/数据复用口和通用I/O 口），当P0 口用作地址/数据复用口时，是一个真正的双 向口，用作与外部储存器的连接，输出低八位地址和输出 /输入 8位数据。当 P0口作为通用 I/O 口时，需要在片外接上拉电阻，此时端口不存在高阻抗状态，因 此是一个准双向口；

21、当作为通用的I/O 口输入时，应先向端口输出锁存器写入1。 P0 口可驱动8个LS型TTL负载3。P1端口（ P1.0P1.7，18引脚）：八位，准双向I/O 口，在内部具有自带 的上拉电阻。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式） 4个TTL输入。对端口写入 “1时”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位， 这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一 个电流（ I） 3。P2端口（ P2.0P2.7，2128引脚）：P2 口是一个自带内部上拉电阻的 8 位双向I/O端口当单片机扩展外部储存器及I/O 口时，P2 口作为高八位地址线 总线用，

22、输出高八位地址，P2 口也可以当做普通的I/O 口使用。当作为普通的 I/O 口输入时，应先向端口输出锁存器写入 1; P2 口与P0 口输出的低八位地址一起构成 16位地址，可以寻址 64KB 的地址空间，在访问外部程序存储器和 16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据 存储器时，P2 口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内 容），在整个访问期间不会改变3。P3端口为P3.0至P3.7端口（共八个引脚），P3端口为双向的输入输出端 口，字长为8位，带有上拉电阻，工作时应当将锁存器置为 1。在实际的工作之中，复位时P3端口会自动恢复到1,

23、可以直接进入到第二功能的操作。若不使 用第二功能时，则自动进入第一功能的使用。此外P3端口的缓冲器BUF3 ,BUF2 的输出端作为第二，第一功能的输入。3.3电机驱动模块本次毕业设计跟踪小车所用的电机是 L293芯片所驱动的电机。该芯片的额 定电压高为36伏特，额定电流为1安培左右，有十六个引脚。驱动器为双 H桥 的高电压，较大电流的全桥驱动器。该芯片可以用来驱动电感负载例如直流电机， 电磁继电器等。并且此芯片可以用来驱动两个直流电机， 也就是说一个芯片就可 以控制电机驱动模块。直流电机具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都在采 用直流电机。 直流电机驱动模块的参数：输入逻辑电压：5.0V。

24、输入电机电压：5.0V-36.0V。输出驱动电流：1000mA尺寸：长为34毫米 宽为18毫米 高为8毫米电机驱动模块引脚图如图3-2所示：图3-2 电机驱动模块引脚图 驱动模块的接线方式：P1 :控制M1电机PWM输入引脚D1:控制M1电机转向输入引脚。P2:控制M2电机PWM输入引脚。D2控制M2电机转向输入引脚。5V:逻辑电源+5V接口。VC输入电机驱动电压接口。GND电源地接口。M1+ M1电机驱动输出引脚正极。M1-: M1电机驱动输出引脚负极。M2+ M2电机驱动输出引脚正极。M2-: M2电机驱动输出引脚负极。3.4传感器模块超声波测距是利用超声脉冲回波渡越时间法来实现的。若传感

25、器所发出的脉 冲信号至接收的时间为t,传播速度为c （传播介质为空气），则可由D=ct/2公 式计算出目标物体与传感器的距离5。这次智能小车毕业设计使用的是 HC-SR04超声波测距模块。HC-SR04超声 波测距模块可提供 2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其主要的功能有： 1、距离的测量，2、温度的测量，3光感度测量。超声波传感器时序图如下图3-3所示所示：lChaS TTL号 I I L环发出牛斗OKJfc黔冲R R W I jp蟻块內那 UUMUUL 警岀Fl响 回响电平窑出图3-3 超声波传感器时序图超声波传感

26、器工作原理图如下图 3-4所示：图3-4超声波传感器工作原理图IB* J 4-J -I 1- - Irt IEpls-plFJkFIwM-l 需l:M”昙 s该模块的基本工作原理：1.采用I/O 口 TRIG触发测距，给最少10us的高电平信号；2.八个40000Hz的方波由模块发送，并且由模块自动检测是否有信号的反 馈；3.若检测到返回信号，ECHOT以通过I/O端口输出高电平信号，此信号持 续的时间是超声波信号发出至返回的时间，所以测试的距离为高电平的时间乘以 声速除以二（声音在空气中的传播速度为 340米每秒）。该模块的基本电气参数：表3-1 超声波模块电气参数表工作电压工作电流工作频率

27、最远射程测量角度输入触发信号输出回响信号输出与射程关系规格尺寸5V15mA40KHz4m1510sTTL脉冲TTL电平反比45*20*15红外线传感器模块采用的是由 RPR220红外传感器与LM324芯片配合控制的 红外传感器模块，其原理图如图 3-5所示：红外传感器原理图上图的红外避障模块展示了其基本的工作原理， 小车的LM324运算放大器是由四个运放器组成的模块。RPR220发射的红外线经反射回到接受管经放大电路 放大后将信号传输给单片机。反应在 LED灯上则是左侧有信号L4亮右侧有信号 L3亮。模块参数说明：反射率和物体的面积是影响探测的主要因素， 黑色的传感器 探测的距离比较小反之白色

28、的比较大，在探测中面积较小的物体需要的探测距离 比较大，反之则小。这就是红外反射探测的基本原理；传感器模块输出端口 OUT可直接与单片机I/O 口连接即可，也可以直接驱 动一个5V继电器。连接方式：VCC-VCCGND-GND OUT-I/O;比较器采用LM393, 工作稳定；采用两节3.7V的充电电池作为电源，供电时流水灯 L1为红色L4为 黄色显示红外传感器正常工作；模块接线说明：Vcc端口与单片机电源相连（35V;GND接地;OUT小板数字量 输出接口（ 0和1）。3.5电源供电系统电源供电系统的原理图如图3-6所示:电源供电系统图3-6电源供电系统原理图其中除了一些电容，电阻，二极管，

29、电源电机开关之外还有 Header 4X2的八脚DIP将电源，电机，HL-1电路，以及单片机电路连接在一起，使通电后电 路能够正常运转。3.6 LCD1602液晶显示模块1602液晶称之为字符型液晶，该模块在液晶屏上显示数字、字母、字符,显示的内容由点阵组成。点阵的组成是由五乘以七或者五乘以十一的点阵组成， 字符由每一个点阵所组成，每个字符之间有一个点的距离，每一行之间也有一个 点的距离，通过这些距离起到了较好的隔离作用， 因为有这些点距的存在所以点 阵不能较好的显示图形。但是作为距离测量数据的显示1602已经能为其所用了液晶显示模块的引脚图如图3-7所示:LCD1602模块引脚及其功能介绍:

30、一号GND为接地端；二号 VCC接5V电源正极；三号VL为对比度的调整端口，当VL接电源正极时对比度最小，反之接 GND时对比度最大；四号RS作为寄存器当信号为1时进行数据的寄存，当信号为0时进行指令 的寄存；五号RW乍为读写信号端口当输入1时进行读操作，当输入0时进行写操作;六号E（或EN）端为使能（enable）端，高电平（1）时读取信息，负跳变时执 行指令；七到十四号D0- D7为8位双向数据端。十五、十六号为空脚或背灯电源。十五脚为背灯正极，十六为负极。LCD的基本操作时序：1、延时15ms; 2、写命令38H （不检测忙信号）；3、延时5ms4、写命令38H （不检测忙信号）；5、延时5ms &写命令38H （不检测忙 信号）；7以后每次命令、读/写数据操作之前均需要检测忙信号；8、写命令38H: 显示模式设置；9、写命令08H:显示关闭；10、写命令01H:显示清屏；11、写 命令06H:显示光标移动设置；12、写命令0CH显示开关及光标设置4.自动跟踪系统的软件设计4.1开发软件 KeiluVision5 与STC-ISP的介绍本次智能小车的程序开发是基于 C语言的程序编写，所以采用了 KeilC51软件对程