基于單片機的智能尋跡小車畢業(yè)設計

1、<p><b>　　智能小車</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　系統(tǒng)主要由紅外避障模塊、聲控模塊、光電尋跡、電機驅(qū)動及語音播報模塊組成。采用P89V51單片機作為智能小車控制核心。系統(tǒng)能實現(xiàn)對線路進行尋跡，小車可以前進或后退，遇到障礙物可以自行停止并可以實現(xiàn)反向運行，系統(tǒng)可以利用聲音控制小車的啟停

2、。整個系統(tǒng)小巧緊湊，控制準確，性價比高，人機互動性好。</p><p>　　關鍵詞：P89V51單片機；紅外避障；線路尋跡；直流減速電機</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　System is mainly by infrared obstacle avoidance module, voice modul

3、e, opto-electronics and motor drive tracing module. Used as a single-chip smart car P89V51 control core. System can realize the tracing lines, cars can go forward or backward, encountered obstacles can stop and reverse o

4、peration can be achieved, the system can use voice to control the start and stop car. Compact the entire system to control the accurate, cost-effective, good human-computer interaction.</p><p>　　KEYWORD: P89

5、V51MCU;Infrared obstacle avoidance；Tracing；DC motor speed</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　1 系統(tǒng)設計1</b></p><p>　　1.1　設計要求1</p><p>　　1.1.1 基本要求1

6、</p><p>　　1.1.2 擴展部分1</p><p>　　1.2　總體設計方案1</p><p>　　1.2.1 基本模塊設計方案論證與比較1</p><p>　　1.2.2 系統(tǒng)總體設計方案5</p><p>　　2 單元硬件電路設計6</p><p>　　2.1 光電對管尋

7、跡模塊6</p><p>　　2.2電機驅(qū)動電路的設計6</p><p>　　2.3紅外避障模塊7</p><p>　　2.4 單片機P89V51核心模塊8</p><p>　　2.5 聲控電路8</p><p>　　2.6 語音播報模塊9</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件設計10

8、</p><p>　　3.1主程序流程圖10</p><p>　　3.2 傳感器數(shù)據(jù)處理及尋跡程序流程11</p><p><b>　　4 系統(tǒng)測試12</b></p><p>　　4.1 硬件測試12</p><p>　　4.2 硬件與軟件的聯(lián)機測試12</p><

9、p>　　5 測試數(shù)據(jù)及實驗結果13</p><p><b>　　參考文獻14</b></p><p><b>　　1 系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　1.1　設計要求</b></p><p>　　1.1.1 基本要求</p><p&g

10、t;　　小車可以自動尋跡在設計好的線路上向前或向后跑。</p><p>　　拍手的聲音可以啟動、停止小車運動。</p><p>　　線路兩端有擋板，當小車向一個方向運行到擋板位置停止，然后向反方向續(xù)</p><p>　　運行至擋板位置，如此重復。</p><p>　　小車由電池供電，電池采用1200mah容量，小車運行時間需要持續(xù)24小時以上

11、。</p><p>　　小車運動速度要控制在0.1m/S以上。</p><p>　　1.1.2 擴展部分</p><p>　　1、能實現(xiàn)語音播報前后方有障礙物；</p><p>　　1.2　總體設計方案</p><p>　　1.2.1 基本模塊設計方案論證與比較</p><p><b>

12、;　　（1）車體設計</b></p><p>　　方案1：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅(qū)動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動，不能適應該題目的方格地圖，不能方便迅速的實現(xiàn)原地保持坐標轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電

13、機，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動車一般都價格不菲。因此我們放棄了此方案。</p><p>　　方案2：自己制作電動車。經(jīng)過反復考慮論證，我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機進行驅(qū)動，車體前部裝一個萬向輪。這樣，當兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎

14、。</p><p>　　在安裝時我們保證兩個驅(qū)動電機同軸。當小車前進時，左右兩驅(qū)動輪與后萬向輪形成了三點結構。這種結構使得小車在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)后輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，前萬向輪起支撐作用。</p><p>　　對于車架材料的選擇，我們經(jīng)過比較選擇了有機玻璃。用有機玻璃做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。</p>

15、;<p><b>　　(2)　電機的選擇</b></p><p>　　對于智能小車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。由于本題目要實現(xiàn)對尋跡路線的準確定位和精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案。</p><p>　　方案1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有

16、諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。</p><p>　　方案2：采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力，價格比步進電機要便宜好多。</p><p>

17、　　我們所選用的直流電機減速比為1：74，減速后電機的轉(zhuǎn)速為100r/min。我們的車輪直徑為6cm，因此我們的小車的最大速度可以達到</p><p>　　V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s，達到設計要求。</p><p>　　能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。</p><p>　　(3)　電機驅(qū)動模塊&l

18、t;/p><p>　　由于電動車采用了前面使用萬向輪，兩個后輪各一個電機驅(qū)動的驅(qū)動方式，所以可使電動車旋轉(zhuǎn)360度，這樣即使前后方都碰到障礙物的時候，電動車也可以通過在原地不斷旋轉(zhuǎn)的方式找到避免撞擊障礙物的線路。在電動機的控制上有兩種方案可供選擇。</p><p>　　方案1:利用9012、2SC8050、及電機構成驅(qū)動電路。</p><p>　　如果單片機89C51控

19、制口輸出高電平，9012截止，2SC8050截止，電機停止運轉(zhuǎn)。單片機89C52控制口輸出低電平時，9012導通，2SC8050導通，電機開始運轉(zhuǎn)。該電路比較簡單，輸出功率足夠大，足以推動電機工作，并且電機工作時三極管性能非常穩(wěn)定。但該方案中單片機部分和電機供電部分沒有完全隔離，而電動機在切換時會產(chǎn)生巨大的反電動勢，經(jīng)常燒壞單片機，功耗很大。</p><p>　　方案2：利用LM298及其外部輔助電路和電機構成驅(qū)

20、動電路。單片機控制口接LM298的兩個輸入控制端IN1,IN2。L298的兩個輸出端OUT1(2),OUT2(10)接電機。</p><p><b>　　電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼：</b></p><p>　　根據(jù)上表可知，只要設定兩塊L298的1IN1,1IN2,2IN1,2IN2四個控制端口的不同編碼，就可得到電動車的前進，后退，旋轉(zhuǎn)等不同的運行狀態(tài)；且L298的最大輸出

21、電流為2.2A，可使電動車快速運行。故采用方案2。</p><p><b>　　(4)控制器模塊</b></p><p>　　方案1：采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復

22、雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用、功耗及經(jīng)濟的角度考慮我們放棄了此方案。</p><p>　　方案1：采用凌陽公司的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領域。但是當凌陽單片機應用語音處理和辨識時，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務的速度和能

23、力降低。</p><p>　　本系統(tǒng)主要是進行尋跡運行的檢測以及電機的控制。如果單純的使用凌陽單片機，在語音播報的同時小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。</p><p>　　方案3：P89V51RD2 是一款80C51 微控制器，包含16/32/64kB Flash 和1024 字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。</p&g

24、t;<p>　　P89V51RD2 的典型特性是它的X2 方式選項。利用該特性，設計時可使應用程序以傳統(tǒng)的80C51 時鐘頻率（每個機器周期包含12個時鐘）或X2 方式（每個機器周期包含6個時鐘）的時鐘頻率運行，選擇X2 方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。Flash 程序存儲器支持并行和串行在系統(tǒng)編程（ISP）。并行編程方式

25、提供了高速的分組編程（頁編程）方式，可節(jié)省編程成本和上市時間。ISP 允許在軟件控制下對成品中的器件進行重復編程。應用固件的產(chǎn)生/更新能力實現(xiàn)了ISP 的大范圍應用從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案3。</p><p>　　(5) 線路跟蹤電路</p><p>　　方案1：采用CCD單色攝像頭，配計算機主板及圖像采集卡。對白背景下，黑線的識別，目前做的比較成熟，效果相當好。但成本高，很難

26、找到合適的載體。</p><p>　　方案2：采用顏色傳感器。目前顏色傳感器的應用，越來越廣泛，效果也可以。但幾百元的價格及相對復雜的處理電路，并且還需要光源，所以也不是一個很好的選擇。</p><p>　　方案3：采用紅外光電發(fā)射接收管。該傳感器不但價格便宜，容易購買，而且處理電路簡單易行，實際使用效果很好，能很順利地引導小車按規(guī)定的線路尋跡。我們選擇方案3。</p>&l

27、t;p><b>　?。?）聲控模塊</b></p><p>　　方案1：采用凌陽公司的單片機，在語音識別處理這一塊很好。但是當凌陽單片機應用語音處理和辨識時，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務的速度和能力降低。按照設計的要求，用凌陽單片機不僅成本增加，而且功耗非常大，所以我們放棄選用凌陽單片機處理聲音模塊。</p><p>　　方案2：采

28、用柱極體傳聲器和普通的三極管構成的聲控電路，電路設計簡單，元器件價格便宜，容易買到?；诘统杀?、低功耗我們選擇方案2。</p><p><b>　　(7)　語音模塊</b></p><p>　　方案一：采用APR9600語音錄放集成電路。這是一種永久記憶型語音錄放電路，可重復錄放10萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，單片電路可錄放32～60秒，串行控制時可

29、分256段以上，并行控制時最大可分8段。與ISD同類芯片相比它具有價格便宜、多種手動控制方式、分段管理方便、多段控制時電路簡單、采樣速度及錄放音時間可調(diào)、每個單鍵均有開始停止循環(huán)多種功能等特點。然而其處理速度有限，無法滿足本設計需要尋址操作的需要。</p><p>　　方案二：采用ZY1420A語音模塊。ZY1420A內(nèi)部使用ISD1420作為主控芯片,且具備ISD1420的全部優(yōu)良性能，如大容量的EEROM存儲

30、器，消噪的話筒放大器，自動增益調(diào)節(jié)AGC 電路，專用語音濾波電路，高穩(wěn)定性的時鐘震蕩電路和語音處理電路。除此以外，ZY1420A還對ISD1420的標準外圍電路作了優(yōu)化并全部集成于模塊內(nèi)部。同用戶使用標準ISD1420的DIP40封裝IC相比較，ZY1420A可以提供更加穩(wěn)定可靠的性能，更低的價格，更方便的使用，同時還可以減小實際的體積。電路內(nèi)部由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。一個最小

31、的錄放系統(tǒng)僅由一個麥克風、一個喇叭、兩個按鈕、一個電源就可以組成。故系統(tǒng)選用方案二。</p><p>　　1.2.2 系統(tǒng)總體設計方案</p><p>　　題目要求設計一個智能小車，實現(xiàn)自動尋跡在設計好的線路上向前或向后跑，通過聲音可以控制小車的停止和啟動，能夠有避障礙物等功能，本系統(tǒng)以P89V51單片機作為核心控制芯片，包括紅外檢測電路、線路尋跡電路、電機驅(qū)動電路、聲控電路。通過C編程完

32、成智能小車的監(jiān)控裝置。總體設計框圖，如圖1所示。</p><p>　　圖1　智能小車的總體設計</p><p>　　2 單元硬件電路設計</p><p>　　2.1 光電對管尋跡模塊</p><p>　　圖2所示電路中，R5起限流電阻的作用，當有光反射回來時，光電對管中的三極管導通，R9的上端變?yōu)楦唠娖剑藭rVT1飽和導通，三極管集電極輸出低

33、電平。</p><p>　　當沒有光反射回來時，光電對管中的三極管不導通，VT1截至，其集電極輸出高電平。</p><p>　　VT1在該電路中起到濾波整形的作用。</p><p>　　經(jīng)試驗和示波器驗證，該電路工作性能一般，輸出還有雜散干擾波的成分。如果輸出加施密特觸發(fā)器就可以實現(xiàn)良好的輸出波形。</p><p>　　但是這種電路用電量比較

34、大，給此種傳感器調(diào)理電路供電的電池壓降較快。究其原因，是因為光敏三極管和三極管VT1導通時的導通電流較大。</p><p>　　考慮用比較器的方案，圖中可調(diào)電阻R1可以調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當規(guī)則，可以直接夠單片機查詢使用。</p><p>　　而且經(jīng)試驗驗證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調(diào)理電路。此光電對管電路簡單，工作性能

35、穩(wěn)定。</p><p>　　圖2　 光電尋跡檢測及放大電路圖</p><p>　　2.2電機驅(qū)動電路的設計</p><p>　　我們采用電機驅(qū)動芯片L298N作為電機驅(qū)動，驅(qū)動電路的設計如圖3所示：</p><p>　　圖3 L298N驅(qū)動電路</p><p>　　L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機上，通

36、過對單片機的編程就可以實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能。</p><p><b>　　2.3紅外避障模塊</b></p><p>　　通過NE555產(chǎn)生一個38KHZ的方波，觸發(fā)三極管的導通狀態(tài)，使紅外發(fā)射管發(fā)射，采用一體紅外接收頭接受信號。遇到障礙物時送給單片機一個高電平觸發(fā)，進而控制電機的運轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖3 電

37、源電路圖</p><p>　　2.4 單片機P89V51核心模塊</p><p>　　圖5　基于STC89C52的單片機系統(tǒng)</p><p><b>　　2.5 聲控電路</b></p><p>　　如圖6所示為聲控模塊電路，采用聲音的</p><p><b>　　圖6 聲控電路圖&l

38、t;/b></p><p>　　2.6 語音播報模塊</p><p>　　為了實現(xiàn)語音對溫度的播報功能，選用了集成語音芯片ZY1420A。此方案可以方便對芯片進行尋址播放錄音操作，實現(xiàn)播報實時溫度值的目的。該模塊具有以下特征：</p><p><b>　　1)重現(xiàn)優(yōu)質(zhì)原聲；</b></p><p>　　2)基本上不

39、耗電信息存儲；</p><p>　　3)信息可保存100年，可反復錄放10萬次；</p><p>　　4)選址處理多達160段信息；</p><p>　　5)具有自動節(jié)電模式；</p><p>　　6)維持狀態(tài),僅需0.5μA電流；</p><p>　　圖7 ZY1420A管腳功能圖</p><p

40、>　　如圖7所示，首先通過麥克風向語音芯片ZY1420錄入“前方有障礙物”、“后方有障礙物”。當單片機發(fā)出控制指令過來時，自動地去尋找相對應音符的地址，并把這些音符通過揚聲器播放出來。下面是ZY1420地址分配方案:</p><p><b>　　前方有障礙物：00</b></p><p><b>　　后方有障礙物：2a</b></p&

41、gt;<p><b>　　3 系統(tǒng)軟件設計</b></p><p><b>　　3.1主程序流程圖</b></p><p>　　本設計的軟件的主程序流程圖如圖8所示</p><p>　　圖8 系統(tǒng)軟件流程圖</p><p>　　3.2 傳感器數(shù)據(jù)處理及尋跡程序流程</p>

42、<p>　　我們用一個字節(jié)來代表車底的4個光電傳感器。用每一個位來代表當前傳感器的檢測狀態(tài)。</p><p>　　我們把小車直線行進時分成三種狀態(tài)，當中間四個傳感器都檢測到白線時，小車在跑道的正上方，這時控制兩電機同速度全速運行。當檢測到有一個傳感器或者同側的兩個傳感器偏出白線時，小車處于微偏狀態(tài)，這時將一個電機速度調(diào)慢，另一電機速度調(diào)快，完成調(diào)整。當檢測到有三個電機偏出時，小車處于較大的偏離狀態(tài)，這

43、時把一個電機的速度調(diào)至極低，另一電機全速運行，從而在較短時間內(nèi)完成路線的調(diào)整。</p><p>　　用這種三級調(diào)速的尋跡算法同單純的判斷檢測到對管的位置并作出判斷的方法相比，程序思路清晰，程序執(zhí)行結果較好。</p><p>　　該檢測傳感器子程序的流程圖如圖8所示：</p><p>　　圖8 傳感器信息處理子程序流程圖</p><p>&l

44、t;b>　　4 系統(tǒng)測試</b></p><p><b>　　4.1 硬件測試</b></p><p>　　（1）單元模塊的測試</p><p>　?。ˋ）電源測試：用數(shù)字萬用表電壓檔測量電池輸出的電壓值是否正常。</p><p>　?。˙）光電對管線路尋跡模塊測試：通電后，在光電對管下面放一張白紙是，

45、用電壓表測量輸出端是不是為高電平；在放一張貼有黑膠布的紙張在光電對管下面，看電壓表的的電壓是否為低電平；來回移動帶有黑膠布的紙張，看電壓表的電壓值是否高低電平的變化。</p><p>　　（C）紅外避障電路的測試：首先用示波器測量555輸出端是否有38KHZ的方波輸出；用萬用表在輸出端測量電壓值是否為高電平，用手遮擋下紅外發(fā)射管，觀察電壓值是否為變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　　(D) 電

46、機驅(qū)動模塊電路測試：給L298通電以后，分別對298每路輸入端一個高低電平，看電機是否轉(zhuǎn)動；然后在反接試下，電機是否和開始的運轉(zhuǎn)方向相反。</p><p>　?。‥）聲控模塊測試：通電后，用萬用表測量LM358的7腳輸出端的電壓是否為高電平，然后拍掌，看看電壓值時候有高低電平的變化；沒有聲響的時候LM358的7腳始終為高電平。</p><p>　?。‵）語音播放模快的測試：通過按鍵給語音芯

47、片選地址，測試不同的地址是否有不同的發(fā)音，以檢驗語音是否正確錄入及能否正常播放。根據(jù)串行模式的設定，能夠正常播放的設定語音，說明語音芯片的錄用存貯工作成功。接入系統(tǒng)，編程輸出相應的行地址，ZY1420能夠正常播放各個語音，說明語音播放?？斓挠布O計可行。</p><p>　　4.2 硬件與軟件的聯(lián)機測試</p><p>　　根據(jù)前面的測試，說明系統(tǒng)設計的軟、硬件設計基本取得成功。將把程序經(jīng)

48、編譯、下載到P89V51RB2芯片中，構建電路測試，觀察小車的運行狀態(tài)。整體測試結果如表4所示。</p><p>　　5 測試數(shù)據(jù)及實驗結果</p><p><b>　　(1 ) 測試數(shù)據(jù)</b></p><p>　　按照前述的測試方法，取得到測試結果如表1所示。</p><p>　　如表1路程與速度的關系（L=1.8m

49、）</p><p>　　(2) 測試結果分析</p><p>　　根據(jù)上述測試結果，此系統(tǒng)的設計基本取得成功，速度達到設計的要求，功耗方面，對于紅外避障礙和線路尋跡這兩個電路模塊，我們采用定時開關中斷的方法控制其工作，這樣避免其在不需要檢測的時候消耗電量。功能上達到了賽題的要求。</p><p><b>　　3 心得與體會</b></p

50、><p>　　通過本次設計，深深感到理論與實踐之間的差距。在學習單片課程時，很多知識點在理論完全理解了，但到具體的電路設計與實現(xiàn)中，會出現(xiàn)很多一時無法理解的現(xiàn)象，要通過不斷的通過強化自身的實踐動手能力的培養(yǎng)，才能用理論來指導實踐，通過實踐來進一步深入理解理論。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 全國大學生電子

51、設計競賽組委會.第五屆全國大學生電子設計競獲獎作品選編[M].北京：北京理工大學出版社,2003年第1版.</p><p>　　[2] 王港元.電工電子實踐指導[M].南昌：江西科學技術出版社,2005.03第一版</p><p>　　[3] 謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].武漢：華中科技大學出版社,2000.5第二版</p><p>