基于STC89C52单片机-红外智能循迹小车.doc

1、第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 1 页 共 19 页 基于 STC89C52 单片机 红外智能循迹小车 实验报告册 学 院 ： 电气工程学院 协 会 ： 电子科技协会 班 级 ： 电气 1206 班 姓 名 ： 蔡 申 申 学 号 ： 201223910625 联系方式 ： 151 3714 7607 第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 2 页 共 19 页 摘 要 本报告论述了自己参加第八届河南工业大学科技创新大赛 基于STC89C52RC 单片机红外智能循迹小车的方案论证、制作过程、调试过程。设计采用 STC8

2、9C52RC 单片机为核心控制器件，采 用 TCRT5000 红外反射式开关传感器作为小车的循迹模块来识别白色路面中央的黑色引导线，采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号，单片机获取路面信息后，进行分析、处理，最后控制减速电机转动实现转向。实验表明：该系统抗干扰能力强、电路结构简单、制作成本低，运行平稳、可靠性好。 关键词： STC89C52 单片机、反射式光电对管、 PWM 调速 减速电机 第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 3 页 共 19 页 目 录 摘要 .2 1 绪 论 .4 1.1 智能循迹小车概述 .4 1.1.1 循迹小车的发展历程

3、回顾 .4 1.1.2 智能循迹分类 .4 1.1.3 智能循迹小车的应用 .5 2 智能循迹小车总体设计方案 .5 2.1 整体设计方案 .5 2.1.1 系统设计步骤 .5 2.1.2 系统基本组成 .5 2.2 整体控制方案确定 .6 3 系统的硬件设计 .6 3.1 单片机电路的设计 .6 3.1.1 单片机的功能特性描述 .6 3.1.2 晶振电路 .7 3.1.3 复位电路 .7 3.2 光电传感器模块 .8 3.2.1 传感器分布 .8 3.3 电机驱动电路 .9 3.3.1 L298N 引脚结构 .9 3.3.2 电机驱动原理 .9 4 系统的软件设计 .10 4.1 软件设计

4、的流程 .10 4.2 本系统的编译器 .10 5 系统的总体调试 .11 5.1 硬件的测试 .11 5.2 系统的软件调试 .11 结 论 .11 致 谢 .11 参考文献 .12 附录 A 原理图与模块电路图 .12 附录 B 程序代码 .13 附录 C 硬件实物图 .15 第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 4 页 共 19 页 1 绪 论 智能汽车作为一种智能 化的交通工具，体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。寻迹小车可以看作是缩小化的智能汽车，它实现的基本功能是沿着指定轨道自动寻迹

5、行驶。 1.1 智能循迹小车概述 智能循迹小车又被称为 Automated Guided Vehic le，简称 AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来 控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线， 无人搬运车 通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。 1.1.1 循迹小车的发展历程回顾 随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造

6、出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。世界上 诞生第一台机器人诞生于 1959 年，至今已有 50 多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。 循迹小车共历了三代技术创新变革： 第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。 第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的

7、运动位置，速度等其他 物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。 第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确 ，更全面的获得所处环境的信息。 1.1.2 智能循迹分类 智能循

8、迹小车从发明至今已经有 50 多年的历史，随着应用领域范围的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。 根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型： (1)电磁感应式 (2)激光式 (3)视觉式 1.1.3 智能循迹小车的应用 智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下： （ 1）军事侦察与环境探测 (2)探测危险与排除险情 (3) 探测危险与排除 险情 (4)智能家居 第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 5 页 共 19 页 2 智能循迹小车总体设计方案 2.1 整体设计方案 本系统采用简单明了的设计方案。通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管

9、组成的传感器循迹模块判断黑线路经，然后由 STC89C52 通过 IO 口控制 L298N 驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。 2.1.1 系统设计步骤 (1)确定控制方案。 (2)利用 Protel 99se 设计合理的硬件原理图。 (3)画出程序流程图，使用 C 语言进行编程，进行模拟调试。 (4)各模块电路焊接。 (5)进行调试以实现控 制功能。 2.1.2 系统基本组成 智能循迹小车主要由 STC89C52 单片机电路、 TCRT5000 循迹模块、 L298N 驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。 (1)单片机电路：采用 STC89C52 芯片作为控制单

10、元。 STC89C52 单片机具有低成本、高性能、抗干扰能力强、超低功耗、低电磁干扰，并且与传统的 8051 单片机程序兼容，无需改变硬件，支持在系统编程技术。使用 ISP 可不用编程器直接在 PCB板上烧录程序，修改、调速都很方便。 (2)TCRT5000 循迹模块：采用脉冲调制反射式红外发射接收 器作为循迹传感器，调制信号带有交流分量，可减少外界的大量干扰。信号采集部分就相当于智能循迹小车的眼睛，由它完成黑线识别并生产高、低平信号传送到控制单元，然后单片机生成指令来控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，来完成自动循迹。 JY043W 型光电管和电压比较器 LM393 为核心部分，再加上

11、必要的外围电路。 (3)L298N 驱动模块：采用 L298N 作为电机驱动芯片。 L298N 具有高电压、大电流、响应频率高的全桥驱动芯片，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机，并且带有控制使能端。该电机驱动芯片驱动能力强、操 作方便，稳定性好，性能优良。 L298N 的使能端可以外接电平控制，也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需要。另外， L298N 的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够的问题。 (4)直流电机：采用双直流电动机。直流电动机的控制方法比异步电动机简单，只需给电机两条控制线加上适当的电压就能使电机旋转，在正常工作电

12、压范围，电压越高直流电机转速越高。直流电动机调速方法分为两种：一种是直接调整电压，另一种通过 PWM 调速。 PWM 调速就是使加在直流电机两端的电压波形为矩形波， 改变矩形波的占空比就能实现电压的改变，从而实现电机转速的改变。 (5)电源模块：由 6 个串联 1.5V干电池作为电源。通过 7805 稳压芯片稳压，通过 0.1uF 和 100 F 电容进行滤波。 2.2 整体控制方案确定 图 2.2 为循迹小车的系统控制框图。引导线是小车跟踪的目标，检测系统检测车的相对路径，然后将此信息输入到单片机，单片机处理此信息后，将控制命令输出到驱动模块，以控制小车的直流第八届河南工业大学科技创新大赛

13、智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 6 页 共 19 页 电机，保证小车快速平稳地沿预先设定好的路线行驶。 采用 5V的可充电池组作为主电源。 STC89C52 单片机作为主控制器。 因为小车电机内部装有减速齿轮组，所以不需考虑调速功能，采用电机驱动芯片 L298N 控制直流电机，而不使用步进电机。 L298N是利用 TTL 电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。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，光线发

14、射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。这样单片机和循迹传感器组成了一个带有反馈信号的系统。 3 系统的硬 件设计 3.1 单片机电路的设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如 ROM、 RAM、 I/O、定时器 /计数器、中断系统等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；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、 A/D、 D/A转换器等。 3.1.1 单片机的功能特性描述 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括

15、的讲：一块芯片就成了一台计算机 。它的体积小、质量轻、价格便宜。单片机内部也有和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 本课题选择了 STC 公司的生产的 STC89C52 单片机。 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，是带

16、8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器。一个芯片上拥有 8 位 CPU，并且在系统可编程 Flash。 STC89C52 提供给为众多嵌入式控制应用系统高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能 :8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，两个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。此外，空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结 ，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

17、第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 7 页 共 19 页 3.1.2 晶振电路 在 STC89C52单片机上内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1和 XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。在 1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。从 XTAL1 接入，如图 3.2 所示。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有要求。 本设计选用的是 11.0592MHZ 无源晶振、 2

18、个 22pF 电容。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，而两个电容则是起到并联谐振的作用，如果没电容，振荡电路会因为没有回路而停振，电路不能正常工作。 图 3.2 单片机晶振电路图 3.1.3 复位电路 复位电路的作用是在上电或复位过程中，控制 CPU 的复位状态：这段时间内让 CPU 保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止 CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。 89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。不同于比较器

19、，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期 (24个振荡周期 )以上，则 CPU就可以响应并将系统复位。 本设计采用的电容值为 10 F 的电容和电阻采用 1.5K和 200的电阻 。如图 3.3 所示上电后，由于电容充电，使 RST 持续一段高电平时间。当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使 RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。 图 3.3 单片机复位电路图 3.2 光电传感器

20、模块 循迹光电传感器原理，就是利用黑线对红外线不同的反射能力通过光敏二极管或光敏三极管，接收反射回的不同光强信号，把不同光强转换为电流信号，最后通过电阻，转换为单片机可识别的第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 8 页 共 19 页 高低电平。光电传感器实现循迹的基本电路如 3.4 所示 。 图 3.4 循迹传感器电路图 循迹传感器工作原理： TC 端是传感器工作控制端，为高电平时，发光二极管不工作，传感器休眠，为低电平时，传感器启动。 Signal 端为检测信号输出，当遇到黑线，黑线吸收大量的红外线，反射的红外线很弱，光敏三极管不导通， Signal 输出

21、高电平；当遇到白线，与黑线相反，反射的红外线很强，使光敏三极管导通， Signal 输出低电平。 这种探测方法，即利用红外线在不同颜色的表面特征，具有不同的反射性能，汽车行驶过程中接收地面的红外光。当红外光遇到白色路线，地板发生 漫反射，安装在小型车的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路线，红外光将被黑线吸收，安装在小车上的接收管没有收到红外光。控制器会根据是否收到反射的红外光为判断依据来确定的黑线的位置和小车的路线。红外探测器距离通常是不应超过 15 厘米的。红外发射和接收红外线感应器，可以使自己或直接使用集成红外探头。调整左右传感器之间的距离，两探头距离约等于黑线宽度最合适，选择宽度为 3

22、5 厘米的黑线。该传感器的灵敏度是可调的，传感器有时遇到黑线却不能送出相应的信号，通过调节传感器上的可调电阻，适当的增大或减小可改变灵敏度。另外， 循迹传感器的放置也是有讲究的，有两种方法，一种是两个都是放置在黑线内侧紧贴黑线边缘，第二种是都放置在黑线的外侧，同样紧贴黑线边缘。本设计采用第二种方法。 单片机烧录程序后，就可以执行循迹指令了。如果小车向前行驶时向左偏离了黑线，那么右边传感器会产生一个高电平，单片机判断这个信号，然后向右拐回到黑线。两传感器输出信号为低电平时，小车前进。如果小车向右偏离黑线，左边传感器产生一个高电平，单片机判断这个信号，然后向左拐。这样，小车一定不会偏离黑线。若两个

23、光电传感器同时输出的信号为高电平，即单片机判断的都为高电平时 ，小车向前直走。 3.2.1 传感器分布 一字型布局即所有传感器在同一直线上。一字型布局分为等距排布型和非等距排布型。等距排布型不利于采集准确的弯道信息。考虑到弧度信息采集的连贯性，非等距排布采用等角原则，即在垂直平分线上方处某点，以等角的引射线与直线的交点就是传感器的分布点，此种方法检测连贯简单，更容易控制小车。 3.3 电机驱动电路 本设计采用 L298N 电机专用驱动芯片带动两个 12V的直流电动机。 直流电机由 定子和转子 两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为 定子 ，定子的主要作用是产生 磁场 ，由机座、主 磁极

24、 、换向极、端盖、轴承和 电刷 装置等组成。运行时转动的部分称为 转子 ，其主要作用是产生 电磁转矩 和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，通常又称为电枢 ，由转轴、电枢铁心、 电枢绕组 、 换向器 等组成。 第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 9 页 共 19 页 其中 L298N 是 ST 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。可以驱动两个直流电机或驱动两个二相电机，也可单独驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V。直接通过电源来调节输出电压，直接通过单片机的 IO 端口提供

25、信号，使得电路简单，使用更方便。 L298N 可接受标准的 TTL 逻辑电平信号 VSS， VSS 通常接 4.57V的电压。 4 脚VS 接电压源， VS 可接电压范围 VIH为 2.546V。 L298N 芯片输出电流可达 2.5 A，可驱动电感负载。 L298N 是一个内部有两个 H桥的高电压大电流全桥式驱动芯片，可以用来驱动直流电动机、步进电动机。使用标准逻辑电平信号控制，直接连接单片机管脚，具有两个使能控制端，使能端在不受输入信号影响的情况下不允许器件工作。 L298N 有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。 3.3.1 L298N 引脚结构 图 3.5 L298N

26、 驱动芯片 表 3.3 L298N 引脚编号与功能 3.3.2 电机驱动原理 电路的形状很像字母 H。四个三极管就是 H桥的四条垂直线，而电机就是 H中的横线。 图 3.6 L298N 内部 H 桥驱动电路 图 3.6 为一个典型的直流电机的控制电路。被命名为“ H桥驱动电路”主要是因为电路的形状很像字母 H。四个三极管就是 H桥的四条垂直线，而电机就是 H中的横线。 如图所示， H 桥电机驱动电路包含四个三极管和一个电机。电机运转，必须遵循导通对角线上的一对三极管。基于不同三极管对的导通情况可以控制电机的转向，电流可可以从左至右流过电机，也可以从右至左流过电机。 如图 3.6 所示，当 Q1

27、 管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右流过电机，然后再经 Q4 回到电源负极，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 第八届河南工业大学科技创新大赛 智能小车设计制作 2013年 蔡申申 第 10 页 共 19 页 4 系统的软件设计 4.1 软件设计的流程 本设计采用 C 语言来编译程序。模块化结构程序的设计，可以使系统软件便于调试与优化，也使其他人更好地理解和阅读系统的程序设计。因此，软件的设计上，运用了模块化程序的结构对软件进行设计，使得程序变得更加直观易懂。程序的主要模块有：主程序、定时溢出中断服务程序、外部中断服务程序。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多 数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 4.2 本系统的编译器 Keil C51 单片机软件开发系统可用于编辑 C 或汇编源文件。然后分别由 C51 编译器编译生成目标文件（ .OBJ）。目标文件与库文件一起经 LIB51 连接定位生成绝对目标文件（ .ABS）。 ABS 文件由OH51 转换成标准的 Hex 文件，由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中。