基于單片機的循跡避障小車的設(shè)計與實現(xiàn)-本科畢業(yè)論文

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　中國·武漢</b></p><p><b>　　二○一七年五月</b></p><p>　題 目基于單片機的循跡避障小車的設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　Design and Impl

2、ementation of Tracked Obstacle Car Based on Microcontrollers</p><p>　姓 名學(xué) 號</p><p>　專 業(yè)計算機科學(xué)與技術(shù)</p><p>　指導(dǎo)教師職稱/學(xué)位講師/碩士</p><p>　　分類號

3、 密級</p><p>　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楚天學(xué)院本科畢業(yè)論文</p><p>　　基于單片機的循跡避障小車的設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　Design and Implementation of Tracked Obstacle Car Based on Microcontrollers</p><p>　

4、　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楚天學(xué)院</p><p><b>　　二○一七年五月</b></p><p>　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楚天學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）</p><p><b>　　原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)

5、注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p><b>　　作者簽名：</b></p><p>　　日 期：  年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><

6、p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　關(guān)鍵詞I</b></p><p>　　AbstractI</p><p>　　Key wordsI</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研

7、究目的與意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 本文的主要組織結(jié)構(gòu)1</p><p>　　1.4 本章小結(jié)2</p><p><b>　　2 研究基礎(chǔ)2</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)概述2</p><p>

8、　　2.2 開發(fā)工具3</p><p>　　2.2.1 Keil3</p><p>　　2.2.2 STC-ISP3</p><p>　　2.3 本章小結(jié)4</p><p>　　3系統(tǒng)方案設(shè)計論證4</p><p>　　3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計4</p><p>　　3.1.1 主控單

9、元方案4</p><p>　　3.1.2 驅(qū)動單元方案5</p><p>　　3.1.3 電源單元方案6</p><p>　　3.1.4 循跡單元方案6</p><p>　　3.1.5 避障單元方案8</p><p>　　3.2 最終方案9</p><p>　　3.3 本章小結(jié)9&

10、lt;/p><p>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計10</p><p>　　4.1 主控單元設(shè)計10</p><p>　　4.1.1 STC89C52單片機10</p><p>　　4.1.2 主控單元功能12</p><p>　　4.2驅(qū)動單元設(shè)計12</p><p>　　4.2.1 驅(qū)動原理

11、12</p><p>　　4.2.2 驅(qū)動電路12</p><p>　　4.3 循跡單元設(shè)計13</p><p>　　4.3.1 循跡原理13</p><p>　　4.3.2 循跡電路14</p><p>　　4.4 避障單元設(shè)計15</p><p>　　4.4.1 避障原理15&l

12、t;/p><p>　　4.4.2 避障電路15</p><p>　　4.5 PWM調(diào)速15</p><p>　　4.5.1 PWM調(diào)速原理15</p><p>　　4.5.2 PWM調(diào)速實現(xiàn)18</p><p>　　4.6 本章小結(jié)18</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計18</

13、p><p>　　5.1 系統(tǒng)整體設(shè)計18</p><p>　　5.2 驅(qū)動單元實現(xiàn)18</p><p>　　5.2.1 循跡驅(qū)動模塊實現(xiàn)19</p><p>　　5.2.2 避障驅(qū)動模塊實現(xiàn)19</p><p>　　5.3 循跡單元實現(xiàn)20</p><p>　　5.4 避障單元實現(xiàn)21&

14、lt;/p><p>　　5.5 本章小結(jié)22</p><p>　　6 系統(tǒng)功能測試22</p><p>　　6.1 測試過程22</p><p>　　6.1.1 循跡傳感器測試22</p><p>　　6.1.2 避障傳感器測試23</p><p>　　6.1.3 電機調(diào)試23</

15、p><p>　　6.1.4 綜合測試23</p><p>　　6.2 本章總結(jié)25</p><p><b>　　7 設(shè)計總結(jié)25</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　致謝26</b></p&g

16、t;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　現(xiàn)代交通快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷進步，私家車數(shù)量也是穩(wěn)步提升，因此對于車輛智能化的研發(fā)也受到人們大量的關(guān)注，所以智能汽車是未來的汽車行業(yè)的一種必然趨勢。在此背景下，本課題提出了基于單片機的循跡避障小車系統(tǒng)的分析與研究。</p><p>　　本文的主要研究工作是實現(xiàn)基于單片機的循跡避障小車。首先研究

17、國內(nèi)外相關(guān)課題，對小車循跡避障的各個模塊進行設(shè)計，最后完成了小車硬件的詳細設(shè)計方案，包括智能小車的硬件與軟件。硬件設(shè)計方案有單片機的最小運行系統(tǒng)，小車驅(qū)動電路，為單片機提供穩(wěn)定電壓的穩(wěn)壓模塊LM7805，L293D電機驅(qū)動電路，紅外對管信號檢測電路，紅外對管避障電路等。然后是軟件設(shè)計部分，由主程序，電機控制程序，PWM調(diào)速程序等構(gòu)成。最后所實現(xiàn)的功能為自動循跡避障行駛。</p><p><b>　　關(guān)鍵

18、詞</b></p><p>　　循跡避障；L293D；單片機；PWM；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The rapid development of modern transportation, scientific and technological progress, The num

19、ber of private cars is also steadily increasing, so there is a lot of concern about the development of intelligent vehicles. So smart cars are an inevitable trend in the car industry of the future. In this context, the p

20、aper presents analysis and research of the tracking system based on single chip microcomputer.</p><p>　　The main research in this paper is to realize the tracking obstacle car based on single chip microcompu

21、ter. First of all, under the condition of the research at home and abroad related topics, designed and demonstrated each modular of the car tracking and obstacle avoidance,finally completed car detailed design plan about

22、 hardware ,including intelligent car hardware and the software that drives it.Hardware design program has the smallest single-chip operating system, car drive circuit, to provid</p><p><b>　　Key words&l

23、t;/b></p><p>　　Tracking Obstruction; L293D; Microcontrollers; PWM;</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究目的與意義</p><p>　　當(dāng)今社會，各種技術(shù)都開始普及，智能技術(shù)也在許多領(lǐng)域中扮演著重要角色，智

24、能車輛在工業(yè)領(lǐng)域更是受到特別的青睞。近些年來，微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的結(jié)合，推動汽車產(chǎn)業(yè)的進步，智能車輛技術(shù)由此引得人們的高度關(guān)注。之所以會引得如此關(guān)注度，是因為這項技術(shù)能夠改變?nèi)藗兊纳罘绞剑\用于日常交通運輸，惡劣環(huán)境下的貨物搬運等。</p><p>　　自動駕駛技術(shù)是智能車輛技術(shù)中的一個部分。用通俗的話來講，就是在我們常見的家用汽車加入一系列裝置，比如傳感器，微型控制器等，在輔一各

25、種高科技手段，如最近火熱的人工智能，CCD視覺技術(shù)等，最后實現(xiàn)了車輛能夠在沒有人力操作的情況下，自動的行駛的技術(shù)。智能車輛在我國的十分有發(fā)展前景，之所以這樣說，是因為我國對于該項技術(shù)的研究起步的時間在20世紀左右，比起自19世紀中期就開始的發(fā)達國家，著實有不小的差距。</p><p>　　在此背景下，本文設(shè)計了循跡避障小車。該小車通過計算機編程，處理從外部傳感器接收到的各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對外部環(huán)境感知、自動行駛且不需

26、要人為控制的功能。本設(shè)計所做的工作有助于自己對自動駕駛技術(shù)有一個初步的了解，也給自動駕駛技術(shù)提供了一條合理可行的方案。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　縱觀世界百年，西方國家總是走在革命的前列，在科技領(lǐng)域同樣也是。各種智能技術(shù)在西方都有悠久的研究歷史，智能車輛技術(shù)也不例外，它大體上可以分為一下幾個階段。</p><p>　?。?）第

27、一階段，20世紀50年代，世界上大多數(shù)的國家對智能車輛的研究就是從這個時間點開始。最著名的、取得成就最高的應(yīng)該就是美國在1954年，研究出了世界上最早的引導(dǎo)車系統(tǒng)AGVS，之所以取得最高成就，是因為這個引導(dǎo)系統(tǒng)具備了現(xiàn)代智能車輛的基本特征之一，就是無人駕駛。</p><p>　　（2）第二階段， 應(yīng)該是開始與1980年左右，在這段時間內(nèi)，發(fā)達國家對智能車輛的研究展開列大力支持，各個研究所如雨后春筍般，層出不窮，為

28、智能車輛研究做出了巨大貢獻。同樣是美國，國家資助成立了國家自動高速公路系統(tǒng)，同時也成立了專項基金會，為許多大公司提供智能車輛研究方面的優(yōu)惠政策。所以一大批世界著名的公司也加入了該項技術(shù)的研究。</p><p>　?。?）第三階段，可以從20世紀90年代開始計算，對于該項技術(shù)的研究已經(jīng)進入了一個成熟的研究階段。最引人注目的成就是美國的一所著名大學(xué)，完成了對機器人的自主研究，標(biāo)志這人工智能進入了一個全新的階段。<

29、;/p><p>　　現(xiàn)如今，第三階段正是我們所處于的智能車輛發(fā)展階段。雖然我國起步比國外發(fā)達國家晚但是我們對該技術(shù)的研究進度很快，大致能追趕上國外的研究進度。在近些年我們也取得了不少可喜的研究成果。改革開放三十年，我國的經(jīng)濟也進入了飛速發(fā)展的時代，可以斷定，我國必將為世界智能車輛技術(shù)的研究做出重要貢獻。</p><p>　　1.3 本文的主要組織結(jié)構(gòu)</p><p>　

30、　第一章緒論：本章的主要內(nèi)容為介紹本設(shè)計的研究目的與意義，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析。第一節(jié)對本設(shè)計的研究目的與意義做出了簡單的論證與介紹。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀則在第二節(jié)進行了詳細的分析。第三節(jié)就對本文的結(jié)構(gòu)進行了介紹。</p><p>　　第二章研究基礎(chǔ)：本章主要介紹了全文用到的基本概念，使用到的開發(fā)工具。對全文基本概念的介紹在第一節(jié)中。第二節(jié)則是對本文進行所用到的開發(fā)工具進行了介紹。</p><p&

31、gt;　　第三章系統(tǒng)方案設(shè)計論證：本章的主要內(nèi)容是對本設(shè)計所采用的硬件方案的可行性進行分析。第一節(jié)是對各個模塊的硬件方案進行詳細闡述。第二節(jié)是進行分析論證之后最終確定的硬件方案。</p><p>　　第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計：本章的主要內(nèi)容是根據(jù)第三章中所確定的硬件方案進行硬件的資源分配與整合，最終完成硬件平臺的搭建。</p><p>　　第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計：本章的主要內(nèi)容為對本設(shè)計的軟件設(shè)計部

32、分進行介紹。主要分驅(qū)動程序、循跡程序、避障程序。第一節(jié)對本設(shè)計的電機驅(qū)動流程及程序進行簡單介紹。第二節(jié)講解了小車循跡的流程和驅(qū)動程序。第三節(jié)對小車的避障程序進行了介紹。第四節(jié)對小車PWM調(diào)速算法進行了簡單介紹。</p><p>　　第六章實驗與驗證：本章的內(nèi)容是對整個系統(tǒng)的功能進行測試，對出現(xiàn)的問題與改進提出了解決方案。第一節(jié)是對本設(shè)計的功能測試。第二節(jié)是本設(shè)計的測試結(jié)果及分析，提出一些本設(shè)計的問題與進一步改進的

33、空間。</p><p>　　第七章設(shè)計總結(jié)：本章是對本設(shè)計以及本論文的總結(jié)和展望。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章為緒論，是整篇論文的準(zhǔn)備部分。先介紹了此設(shè)計的研究目的與意義，再對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行了討論，最后對本文的主要組織結(jié)構(gòu)做出了簡單介紹。</p><p><

34、b>　　2 研究基礎(chǔ)</b></p><p><b>　　2.1 系統(tǒng)概述</b></p><p>　　本設(shè)計需要用到幾個領(lǐng)域的綜合知識，以下對全文要用到的基本概念做簡要的介紹。</p><p>　　單片機：一種高集成度的電路芯片，可以形象的將其理解為計算機的CPU。圖2-1為一種型號的單片機。</p><

35、p><b>　　圖2-1 單片機</b></p><p>　　傳感器：一種能夠檢測外界特定物理量的裝置，并將檢測到的物理量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號輸出。圖2-2為一種型號的傳感器。</p><p><b>　　圖2-2 傳感器</b></p><p><b>　　2.2 開發(fā)工具</b></

36、p><p>　　2.2.1 Keil</p><p>　　Keil uvision4軟件包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。旨在提高開發(fā)人員的生產(chǎn)力，實現(xiàn)更快，更有效的程序開發(fā)。圖2-3為Keil應(yīng)用程序界面。</p><p>　　圖2-3 Keil界面</

37、p><p>　　2.2.2 STC-ISP</p><p>　　STC-ISP為宏晶公司提供將Hex文件燒錄到下位機中的軟件。圖2-4為ISP界面。</p><p>　　圖2-4 STC-ISP界面</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章是本設(shè)計的研究基礎(chǔ)。第一

38、部分是基本概念，為本系統(tǒng)的相關(guān)知識提供一個解釋；第二節(jié)為研究基礎(chǔ)，對單片機，Keil編輯器給出詳細的介紹及用處。</p><p><b>　　系統(tǒng)方案設(shè)計論證</b></p><p>　　3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計</p><p>　　3.1.1 主控單元方案</p><p>　　本設(shè)計的要求為在無外力干擾下小車能自動循黑線行

39、進，避開障礙物功能。</p><p>　　方案一：采用樹莓派三代作為本設(shè)計的核心控制芯片，實現(xiàn)控制與處理功能。圖3-1為此型號樹莓派。樹莓派是一款基于ARM芯片的微型電腦主板，自帶多種接口，自帶完整的Linux操作系統(tǒng)，就是說我們可以使用自己熟悉的計算機編程語言來開發(fā)應(yīng)用程序，既然是微型電腦，那么后臺運行多種進程自然也是不在話下。</p><p>　　圖3-1 樹莓派三代</p>

40、;<p>　　方案二：采用STC89C52單片機，來作為本設(shè)計的核心控制單片機，處理外界收集到的信號，依次來控制小車的行進狀態(tài)，最終實現(xiàn)本設(shè)計所要求的功能。與樹莓派相比，其缺點是完全比不上樹莓派的運算水平，在軟件編程方面則需使用匯編或C語言進行。在程序運行方面，單片機之所以成為單片機，就是因為每次只能運行一個燒錄進單片機中的程序，即用程序有多個流程。功能與樹莓派比起來是單一的。</p><p>　　

41、針對本設(shè)計，只需要主控系統(tǒng)能夠識別傳感器返回的數(shù)字信號的特點，使用單片機已是綽綽有余，且占用體積小，價格低廉。且單片機在每次復(fù)電之后能立即運行燒錄的程序，而樹莓派在復(fù)電之后需要漫長的服務(wù)啟動時間，單論這開機啟動這一點，單片機就擁有壓倒性的優(yōu)勢。綜上所述，本設(shè)計最終選擇方案二，將選用STC89C52單片機，作為本設(shè)計中的核心控制芯片。具體區(qū)別見表3-1。</p><p>　　表3-1 主控芯片方案對比</p&

42、gt;<p>　　3.1.2 驅(qū)動單元方案</p><p>　　方案一：采用繼電器，通過傳感器輸送的電平信號讓繼電器對開關(guān)的狀態(tài)進行切換，進而控制直流電機的通電時間，從而起到對小車的速度進行調(diào)整。圖3-2為繼電器。本方案的優(yōu)點是電路連線不復(fù)雜且容易理解，缺點是繼電器響應(yīng)時間慢，而小車一般工作時間長，從而容易燒壞電機，可靠性就變得很低。</p><p><b>　　圖

43、3-2 繼電器</b></p><p>　　方案二：采用H型橋路作為本設(shè)計的驅(qū)動，其中H型橋路包含功率放大器，不用擔(dān)心無法驅(qū)動直流電機。此電路結(jié)構(gòu)雖然不簡單，但是響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性極強，市面上也有相當(dāng)多的此種芯片。圖3-3為市面上一種驅(qū)動芯片，L293D。</p><p>　　圖3-3 L293D驅(qū)動芯片</p><p>　　據(jù)此本設(shè)計選擇了方案二，把L

44、293D作為電機驅(qū)動模塊，此模塊可提供雙驅(qū)動電流，高達600毫安，電壓4.5V至36V，是直流電機驅(qū)動的不二之選。具體區(qū)別見表3-2。</p><p>　　表3-2 驅(qū)動單元方案對比</p><p>　　3.1.3 電源單元方案</p><p>　　方案一：采用市面上常見的自帶穩(wěn)壓芯片有線電源為本設(shè)計供電，可以為本設(shè)計提供穩(wěn)定可靠的5V電壓，缺點是開銷過大，且在小車

45、行進時電源線也會為小車提供阻力。</p><p>　　方案二：采用兩節(jié)3.7V蓄電池，為本設(shè)計整個系統(tǒng)供電。圖3-4為蓄電池。蓄電池可直接安裝在車身上，資源占用小，供電電壓足夠，不會出現(xiàn)電機電壓不足無法轉(zhuǎn)動的情況。</p><p>　　圖3-4 3.7V蓄電池</p><p>　　綜上所屬選擇方案二。具體區(qū)別見表3-3。</p><p>　　

46、表3-3 電源單元方案對比</p><p>　　3.1.4 循跡單元方案</p><p>　　方案一：采用簡單的光敏電阻組成的傳感器。圖3-5為光敏電阻模塊。之所以選擇光敏電阻，是因為其特性，它的阻值不是固定的，會隨著環(huán)境中的光線的增強，致電阻的阻值發(fā)生改變。本設(shè)計小車在行進過程中有兩種情況，一種是行進在白色紙板上，當(dāng)光線照射到白色紙板時，光線發(fā)生強烈的漫反射；另一種情況是小車行進到黑線上

47、時，光線同時照射到黑線上，大部分光線被吸收反射較弱。根據(jù)這兩種情況就可以發(fā)現(xiàn)，光敏電阻的特性在此處得到了發(fā)揮，在這兩種情況里，它的阻值一定不是固定的。因此將光敏電阻發(fā)生改變的阻值經(jīng)過對比就可以向芯片輸出不同的電平信號了。</p><p>　　圖3-5 光敏電阻模塊</p><p>　　方案二：采用紅外發(fā)射管和接收管所組成的紅外對管作為傳感器。圖3-6為紅外對管。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出

48、的紅外線照射到黑色軌道上后被吸收，紅外接收管不能接收到反射回來的光線則檢測出黑線，繼而輸出高電平，反之輸出低電平。</p><p>　　圖3-6 紅外對管模塊</p><p>　　通過比較，方案一中光敏電阻傳感器受室外光線環(huán)境影響過大，不能穩(wěn)定工作。方案二中紅外對管體積小，檢測靈敏度高，更易操作，所以選擇方案二。具體區(qū)別見表3-4。</p><p>　　表3-4 循

49、跡單元方案對比</p><p>　　3.1.5 避障單元方案</p><p>　　方案一：采用常見的舵機加超聲波模塊置于小車底盤的前端。圖3-7為超聲波避障模塊。當(dāng)一定距離內(nèi)超聲波檢測到障礙物之后，舵機轉(zhuǎn)動檢測，每次舵機都以不同方向的一定角度轉(zhuǎn)動，檢測超聲波模塊所對正前方是否有障礙物，若未檢測到障礙物，小車朝此方向轉(zhuǎn)動一定角度后直行。反之則朝另一方向直行。若都檢測到障礙物，則后退一定距離。

50、</p><p>　　圖3-7 超聲波避障模塊</p><p>　　方案二：采用兩只抗干擾紅外傳感器。圖3-8為抗干擾紅外光電對管。將它們分別置于小車底盤的前端，與小車前進方向平行的位置。在小車行進過程中，在紅外對管檢測距離內(nèi)出現(xiàn)障礙物時，將信號傳給主控系統(tǒng)，讓其控制小車的行進。</p><p>　　圖3-8抗干擾紅外光電對管</p><p>

51、;　　通過模擬比較，方案一中，超聲波裝置避障需要超聲波模塊與舵機模塊，避障時我們能看到的要分為需要進行三個步驟才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，且方向在程序中固定。方案二中，紅外對管避障與循跡原理大致相同，檢測到障礙物之后能立即避開，且角度根據(jù)障礙物來改變。綜上所述，本設(shè)計采用方案二作為避障方案。具體區(qū)別見表3-5。</p><p>　　表3-5 避障單元方案對比</p><p><b>　　3.2

52、 最終方案</b></p><p>　　經(jīng)過前文的論證，最終得到貼合本設(shè)計各種情況的硬件方案設(shè)計，系統(tǒng)模塊示意圖如圖3-9。</p><p>　　主控系統(tǒng)：采用宏晶科技公司單片機STC89C52作為本設(shè)計的主控芯片，控制小車的運動。</p><p>　　電機驅(qū)動模塊：采用德州儀器的L293D電機驅(qū)動芯片控制電機。</p><p>

53、　　電源模塊：采用兩節(jié)3.7V蓄電池經(jīng)7805穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后為單片機及傳感器供電。</p><p>　　循跡模塊：采用四路紅外對管傳感器置于車身底盤采集信號。</p><p>　　避障模塊：采用兩路紅外對管傳感器平行置于車身兩側(cè)采集信號。</p><p>　　圖3-9 系統(tǒng)模塊示意圖</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)&l

54、t;/b></p><p>　　本章主要對本設(shè)計的硬件系統(tǒng)搭建進行了分析，提出了硬件中需要解決的問題和相應(yīng)的解決方案和方法。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 主控單元設(shè)計</p><p>　　4.1.1 STC89C52單片機</p><p>

55、;　　STC89C52單片機是宏晶公司生產(chǎn)的一種型號的單片機。它的功耗不高，性能也是本設(shè)計可以接受的程度，可靠性也不低。其具有8K字節(jié)可編程的Flash程序存儲器且可反復(fù)擦寫，STC89C52使用了之前被廣泛使用的8051系列單片機的內(nèi)核，在傳統(tǒng)51單片機的基礎(chǔ)上，進行了優(yōu)化與升級，添加了許多新功能。而且指令代碼也兼容8051系列。表4-1為STC89C52的引腳描述。</p><p><b>　　表4

56、-1 引腳描述</b></p><p>　　其中P1口的P1.0與P1.1和P3口有復(fù)用功能，具體見表4-2和表4-3。</p><p>　　表4-2 P1復(fù)用引腳說明</p><p>　　表4-3 P3復(fù)用引腳說明</p><p>　　下圖4-1為STC89C52引腳圖。</p><p>　　圖4-1 S

57、TC89C52引腳圖</p><p>　　STC89C52包含P0.0~P0.7、P1.0~P1.7、P2.0~P2.7、P3.0~P3.7四組I/O口，2個8位可編程定時器，4KB的RAM。加上外部晶振與5V電壓即可構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，并且簡單可靠。下圖4-2為單片機最小系統(tǒng)。</p><p>　　圖4-2 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　這些特性使得STC8

58、9C52成為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)的高效解決方案。</p><p>　　4.1.2 主控單元功能</p><p>　　在本設(shè)計中，將單片機資源分配如下：P3.4-P3.7作為傳感器信號的控制口。P1.0、P1.2、P1.4、P1.6為直流電機的驅(qū)動控制口。</p><p><b>　　驅(qū)動單元設(shè)計</b></p><p>

59、;　　4.2.1 驅(qū)動原理</p><p>　　直流電機由兩節(jié)3.7V蓄電池經(jīng)電機驅(qū)動供電，并將供給的電能轉(zhuǎn)換為促使小車運動的機械能。直流電機的有點十分顯著，它加速的時間非常短，可以頻繁啟動關(guān)閉，貼合本設(shè)計測試時的情況。適合作為本設(shè)計的電機。由于本設(shè)計電源為兩節(jié)3.7V蓄電池供電，導(dǎo)致電路電流過小，無法直接驅(qū)動直流電機。所以需要直流電機控制電路。如圖4-3為一典型的直流電機控制電路。</p><

60、;p>　　圖4-3 H橋式電機驅(qū)動電路</p><p>　　如果要是電機運轉(zhuǎn)，那么在H橋式驅(qū)動電路中，必須使任意一條斜線上的一對三極管同時連通。例如，當(dāng)圖中標(biāo)注的T1管和T4管同時導(dǎo)通時，電流就從正極T1從左至右流經(jīng)電機，再經(jīng)過T4留回到電源負極，此時為電機的一種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。反之，當(dāng)另一對三極管，即圖中標(biāo)注的T2、T3同時導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，再流回電源負極，電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)改變。</p>

61、<p>　　4.2.2 驅(qū)動電路</p><p>　　本設(shè)計中采用德州儀器公司制造的L293D驅(qū)動模塊，它是一款單片集成的高電壓、高電流、四通道電機驅(qū)動。其具體參數(shù)見下表4-4。</p><p>　　表4-4 L293D參數(shù)</p><p>　　此模塊引腳圖4-4如下。</p><p>　　圖4-4 L293D引腳圖</p

62、><p>　　其中INPUT1（本設(shè)計用到），INPUT2，INPUT3（本設(shè)計用到），INPUT4為輸入端；OUTPUT1，OUTPUT2，OUTPUT3，OUTPUT4為輸出端（四個端口都用到）；ENABLE1，ENABLE2為使能端。本設(shè)計中用到兩個L293D模塊來驅(qū)動4個直流電機，P1.0、P1.2、P1.4、P1.6分別與兩個驅(qū)動模塊的輸入端相連四個輸出端中，每兩個控制一個電機。例如，P1.0、P1.2與L

63、293D-1模塊的INPUT1、INPUT3相連，由OUTPUT1、OUTPUT2輸出控制左1電機轉(zhuǎn)動，OUTPUT3、OUTPUT4輸出控制左2電機轉(zhuǎn)動。由此可完成本設(shè)計電機驅(qū)動模塊。</p><p>　　4.3 循跡單元設(shè)計</p><p>　　4.3.1 循跡原理</p><p>　　本設(shè)計采用紅外發(fā)射器與紅外接收器組成的紅外對管進行循跡。所謂紅外循跡傳感，就

64、是利用紅外光線經(jīng)過不同物體的反射會有不同的反射性質(zhì)的特點，并根據(jù)這些特點來進行循跡。在小車行進過程中，紅外對管中的紅外發(fā)射管向外不斷的發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光照射到黑線上時，紅外光就會被吸收無法反射，因此紅外接收管無法接收反射回的紅外光，再經(jīng)過放大器將此信號比較之后，輸出低電平到單片機中，單片機就能進行下一步的操作。同樣的，當(dāng)紅外光遇到白色紙板之后，紅外光反射，紅外接收管就收到了反射回的紅外光，經(jīng)過放大器比較之后輸出給單片機，就完成了循跡的

65、過程。圖4-5為小車模擬循跡方式，將小車置于黑色軌道正中間，四路傳感器間隙恰好稍大于黑色軌道，方便程序的編寫。</p><p>　　圖4-5 小車循跡方式</p><p>　　圖4-6為小車在軌道上模擬圖，軌道從簡易的橢圓形，方便觀察紅外對管檢測黑色軌道的情況，再將其總結(jié)，完善程序。</p><p>　　圖4-6 小車在循跡軌道上</p><p&

66、gt;　　4.3.2 循跡電路</p><p>　　本設(shè)計采用的紅外對管型號為TCRT5000，分別由UPT333B紅外接收管與UIR333C發(fā)射管組成。此紅外對管抗干擾能力較強，能有效防止可見光干擾，提升小車系統(tǒng)性能。循跡電路部分有四個紅外對管，分別平均置于小車底盤下面，檢測到的信號經(jīng)過LM324比較后送入單片機的P3.4-P3.7口。循跡模塊電路圖如圖4-7所示。包含LM324運算放大器、W1~W4四路紅外對

67、管，L293D驅(qū)動輸入口。</p><p>　　圖4-7 循跡傳感器與運算放大器電路圖（W1、W2、W3、W4為紅外對管）</p><p>　　4.4 避障單元設(shè)計</p><p>　　4.4.1 避障原理</p><p>　　避障原理與循跡原理大致相同，在此不再贅述。雖然大致相同，都是通過紅外線反射光線的強弱來檢測，但是對于前方障礙物的檢測

68、應(yīng)為距離較遠，受到環(huán)境光源的干擾很大，因此在接收端采用濾波電容來阻值外界光源的干擾。</p><p>　　4.4.2 避障電路</p><p>　　本模塊同樣是采用的TCRT5000型紅外對管。此紅外對管抗干擾能力較強，能有效防止可見光干擾，適合遠距離檢測障礙物。避障電路部分用到兩個紅外對管，分別平行置于小車底盤左右兩側(cè)，檢測到的信號經(jīng)過LM324比較后送入單片機的P3.4、P3.5口。此

69、模塊電路圖如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8避障傳感器與運算放大器電路圖</p><p><b>　　4.5 PWM調(diào)速</b></p><p>　　4.5.1 PWM調(diào)速原理</p><p>　　PWM，即脈寬調(diào)制，是模擬控制方脈沖寬度調(diào)制，利用單片機的數(shù)字信號輸出來對模擬電路進行控制的一種技術(shù)。脈沖寬度調(diào)

70、制的方法是對電路的導(dǎo)通和關(guān)閉進行控制，使輸出端得到一組幅值相等但是寬度不相等的方脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他的波形。按某種規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，就能夠改變電路輸出電壓的大小或輸出頻率。</p><p>　　在這以半個正弦波為例進行說明，將正弦半波進行N等分，可以看成是N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等。然后用矩形脈沖代替這N個寬度相等，幅值不等的脈沖，而矩形脈沖是等幅，不等寬的脈沖。并且這個脈沖

71、的寬度按正弦規(guī)律變化。而這一系列等幅不等寬的脈沖，稱之為PWM波。如圖4-9為正弦波轉(zhuǎn)化為PWM波。</p><p>　　圖4-9 正弦波轉(zhuǎn)化為PWM波</p><p>　　對于正弦波的負半周，采取相同的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整的周期的等效PWM波形如圖4-10所示。</p><p>　　圖4-10 完整周期PWM波形</p><

72、p>　　用PWM波形代替這個正弦半波的過程如圖4-11所示。首先將正弦半波等分，每個等分的脈沖寬度是相同的，但幅值不同，然后使用一系列PWM波，即等幅但不等寬的脈沖來代替這個正弦半波。每個等幅不等寬的脈沖與等寬脈沖的面積（沖量）相等，中點重合。PWM波的寬度按正弦規(guī)律變化，若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。最后，這個PWM波等效為正弦交流電。</p><p>　　圖4-11 正弦半波

73、與PWM之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系</p><p>　　根據(jù)面積等效原理，正弦波還可以等效為圖4-12中的PWM波，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為常見。</p><p>　　圖4-12 實際應(yīng)用中PWM波形</p><p>　　4.5.2 PWM調(diào)速實現(xiàn)</p><p>　　本設(shè)計中小車會出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎角度過大，轉(zhuǎn)彎速度過快而沖出跑道的情況，為了解決這種問題，本

74、設(shè)計以減慢小車行進速度為方案，最終采用脈寬調(diào)制方案。普通情況下，對于電機都是連續(xù)供電，保持電機一直能夠運轉(zhuǎn)，而脈寬調(diào)制反其道而行之，用一個特定頻率來為電機供電。電機本身是一個電感，能夠阻礙輸入電流和電壓突變，所以在固定的時間內(nèi)，電路連通的時間變短，導(dǎo)致電機所轉(zhuǎn)動的圈數(shù)減少，而這個頻率很快且有電感的原因，就看不到小車停下，最終的結(jié)果就是觀察到小車速度變慢。</p><p><b>　　4.6 本章小結(jié)&l

75、t;/b></p><p>　　本章主要介紹了本設(shè)計的外圍各部分硬件與電路的設(shè)計。包括單片機最小系統(tǒng)，H橋式電機驅(qū)動，循跡及避障原理。</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　5.1 系統(tǒng)整體設(shè)計</p><p>　　在進行單片機系統(tǒng)設(shè)計時，硬件設(shè)計是必不可少的一環(huán)外，還有不少的精

76、力要放到對軟件的設(shè)計上，因為硬件只是一個必要條件，真正要讓本設(shè)計跑起來，還是需要軟件的幫忙。在包含單片機的設(shè)計之中，對軟件的設(shè)置又可以分為兩大類型，分別是數(shù)據(jù)處理和過程控制。在本設(shè)計中，數(shù)據(jù)處理包含紅外信號的采集及轉(zhuǎn)換，過程控制則是傳感器將采集到的外界信號發(fā)送給單片機之后，單片機按照一定的算法運行，產(chǎn)生結(jié)果。</p><p>　　本設(shè)計的控制程序主要由主程序，電機驅(qū)動程序，循跡子程序，避障子程序等構(gòu)成。如圖5-1

77、為系統(tǒng)軟件結(jié)圖。</p><p>　　圖5-1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　5.2 驅(qū)動單元實現(xiàn)</p><p>　　電機驅(qū)動程序的實現(xiàn)是通過紅外對管檢測到的外界反射光線狀態(tài)，經(jīng)過比較器LM324運算比較之后轉(zhuǎn)換為某種狀態(tài)的電平，發(fā)送給單片機，再由其將信號發(fā)送到L293D電機驅(qū)動程序，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。</p><p>　　5.2.1 循

78、跡驅(qū)動模塊實現(xiàn)</p><p>　　圖5-2為電機驅(qū)動流程圖（循跡模塊）。其中P1.0、P1.2、P1.4、P1.6為電機驅(qū)動與單片機連接的I/O口，標(biāo)記紅外對管傳感器檢測到黑線為數(shù)字1，沒有檢測到黑線為數(shù)字0。</p><p>　　經(jīng)過實際驗證之后，篩選出7種傳感器的狀態(tài)會影響小車行進。即四個傳感器狀態(tài)分別為0、0、0、0時，表示為0000，此時小車前進。</p><

79、p>　　在每1ms時，觸發(fā)一次外部時鐘中斷，調(diào)用PWM調(diào)速程序。</p><p>　　當(dāng)小車在行進過程中向右偏移，即黑線在小車左邊，篩選之后對應(yīng)傳感器狀態(tài)為0010、0001，此時小車需要向左轉(zhuǎn)彎。</p><p>　　當(dāng)小車在行進過程中向左偏移，即黑線在小車右邊，篩選之后對應(yīng)傳感器狀態(tài)為0100、1000、1100、0011，此時小車需要向右轉(zhuǎn)彎。</p><p

80、>　　當(dāng)小車在行進過程中，傳感器出現(xiàn)除上述七種情況外的情況時，小車會停止前進。</p><p>　　圖5-2 電機驅(qū)動流程圖（循跡模塊）</p><p>　　5.2.2 避障驅(qū)動模塊實現(xiàn)</p><p>　　圖5-3為電機驅(qū)動流程圖（避障模塊）。I/O口與循跡模塊相同。標(biāo)記紅外對管傳感器檢測到黑線為數(shù)字1，沒有檢測到黑線為數(shù)字0。</p><

81、;p>　　當(dāng)小車在行進過程中，右邊出現(xiàn)障礙物，對應(yīng)傳感器狀態(tài)為01，此時小車需要向左轉(zhuǎn)彎。</p><p>　　當(dāng)小車在行進過程中，左邊出現(xiàn)障礙物，對應(yīng)傳感器狀態(tài)為01，此時小車需要向右轉(zhuǎn)彎。</p><p>　　當(dāng)小車在行進過程中，左右兩側(cè)都出現(xiàn)障礙物時，小車會停止前進。</p><p>　　圖5-3 電機驅(qū)動流程圖（循跡模塊）</p><

82、;p>　　5.3 循跡單元實現(xiàn)</p><p>　　四路紅外對管傳感器并排分布與小車底盤下，平均每個傳感器大約間隔1.5CM，黑色軌跡在1CM~1.5CM之間，正好處于兩個傳感器之間，為防止在實際行駛過程中速度過快而沖出跑道，本設(shè)計采用PWM算法控制小車行駛速度，增大黑色軌道轉(zhuǎn)彎角度等措施。</p><p>　　下圖5-4為循跡控制流程圖，小車啟動之后，按下S3按鍵，啟動循跡模式。四

83、路循跡傳感器開始工作，當(dāng)檢測到黑色軌道之后，經(jīng)過放大比較器之后將電平信號傳遞給單片機判斷處理，單片機處理之后將結(jié)果傳遞給L293D電機驅(qū)動模塊，從而控制小車行進狀態(tài)。</p><p>　　圖5-4 循跡控制流程圖</p><p>　　5.4 避障單元實現(xiàn)</p><p>　　避障問題細分起來相當(dāng)復(fù)雜，比如轉(zhuǎn)彎角度，轉(zhuǎn)彎速度，障礙物探測等。為了簡化設(shè)計，便于程序的編寫

84、及調(diào)試，本設(shè)計沒有采用復(fù)雜的實現(xiàn)方式，而是使用PWM調(diào)速程序，使小車轉(zhuǎn)彎時的速度達到最大，同時調(diào)整平行與小車底盤兩側(cè)的紅外對管傳感器，使其靈敏度變高，便于提前檢測到障礙物，然后繞過障礙物。</p><p>　　本設(shè)計的避障程序不能保證對所有障礙物布局都能順利通過，但是一般情況下，針對跑道對紅外對管的電阻進行調(diào)整后，是能夠有效的進行避障。</p><p>　　下圖5-5為避障控制流程圖，小車

85、啟動之后，按下S2按鍵，啟動避障模式。兩路避障傳感器開始工作，當(dāng)檢測到障礙物之后，經(jīng)過放大比較器之后將電平信號傳遞給單片機判斷處理，單片機處理之后將結(jié)果傳遞給L293D電機驅(qū)動模塊，從而控制小車行進狀態(tài)。</p><p>　　圖5-5 避障控制流程圖</p><p><b>　　5.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章是軟件部分設(shè)計，

86、介紹了本設(shè)計中的軟件設(shè)計思路。包括各個主要模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，流程圖，即系統(tǒng)整體流程，電機驅(qū)動程序，循跡程序，避障程序。</p><p><b>　　6 系統(tǒng)功能測試</b></p><p>　　在設(shè)計完一個單片機系統(tǒng)后需要進行測試，驗證系統(tǒng)功能的完整性。對于單片機系統(tǒng)，不僅需要進行軟件測試，還有硬件測試。本次測試主要使用黑盒測試測試系統(tǒng)的功能。下圖6-1為小車實物圖。

87、</p><p>　　圖6-1 小車實物圖</p><p><b>　　6.1 測試過程</b></p><p>　　6.1.1 循跡傳感器測試</p><p>　　將四路紅外對管按照每個間隔1.5CM安裝到小車底盤底部，將紅外對管朝向黑色軌跡，用螺絲刀調(diào)整紅外對管電阻，改變紅外光發(fā)射強度，直至調(diào)節(jié)的這路傳感器中二極管發(fā)

88、光。按照此方法依次調(diào)整剩下三路傳感器。直至如下圖6-2所示。</p><p>　　圖6-2 循跡傳感器靈敏度調(diào)節(jié)</p><p>　　6.1.2 避障傳感器測試</p><p>　　將兩路紅外對管安裝到小車車身兩側(cè)，對準(zhǔn)墻面大概3CM處，用螺絲刀調(diào)整紅外對管電阻，改變紅外光發(fā)射強度，到這路紅外對管上二極管剛剛熄滅，即調(diào)試成功。如圖6-3所示。</p>

89、<p>　　圖6-3 避障傳感器靈敏度調(diào)節(jié)</p><p>　　6.1.3 電機調(diào)試</p><p>　　用Keil軟件編寫電機驅(qū)動程序，編譯鏈接之后，生成一個標(biāo)準(zhǔn)格式的Hex目標(biāo)文件，使用STC-ISP軟件將程序燒錄到單片機中，為小車供電，查看電機轉(zhuǎn)動情況是否與所編寫的轉(zhuǎn)動方式相符。圖6-4為本設(shè)計測試時轉(zhuǎn)動情況。</p><p>　　圖6-4 電機轉(zhuǎn)動

90、測試</p><p>　　6.1.4 綜合測試</p><p>　　（1）循跡模式：準(zhǔn)備一張白色KT板，在其KT板上用黑色絕緣膠帶做黑線，劃出小車行進軌跡，為保證小車能夠正常行駛，黑色膠帶寬度應(yīng)小于1.5CM。將跳線帽撥到循跡模式上，按下S3按鈕一秒鐘，將小車放到跑道上即可。下圖6-5為小車循跡測試圖。</p><p>　　圖6-5 小車循跡測試圖</p>

91、;<p>　?。?）避障模式：準(zhǔn)備一張白色KT板，在KT板上使用障礙物圍成橢圓形軌道，將小車置于其內(nèi)，為保證小車能夠正常行駛，小車需與障礙物間隔至少3CM距離，障礙物高度至少達到10CM。將跳線帽撥到避障模式一端，按下S2按鈕一秒鐘，將小車放到跑道上即可。下圖6-6為小車循避障測試圖。</p><p>　　圖6-6 小車避障測試圖</p><p><b>　　6.2

92、 本章總結(jié)</b></p><p>　　測試結(jié)果表明：小車循跡避障功能基本實現(xiàn)。循跡算法所包含的傳感器狀態(tài)完整，即使黑色軌道發(fā)生改變循跡功能也不受影響。在遇到障礙物時，小車能順利避開障礙物。</p><p><b>　　7 設(shè)計總結(jié) </b></p><p>　　本次設(shè)計的題目是基于單片機的循跡避障小車的設(shè)計與實現(xiàn)，最終本設(shè)計采用靈

93、敏度搞，抗干擾能力強的紅外光電對管作為傳感器，采集外界信號，通過LM324放大比較器比較后傳遞信號到穩(wěn)定可靠的主控芯片STC89C52單片機，再通過I/O口輸出信號到L293D電機驅(qū)動模塊，達到控制直流電機的目的。</p><p>　　雖然短短幾句話就概括了本設(shè)計，但是在設(shè)計開始時，在網(wǎng)上大范圍搜索關(guān)于單片機，循跡避障等各種關(guān)鍵詞的資料。在網(wǎng)上各種眼花繚亂的設(shè)計方案之中，結(jié)合自身能力和本設(shè)計的實際情況，還有請教導(dǎo)

94、師的前提下，做出了硬件方案。深刻體會到了萬事開頭難。在確定設(shè)計方案之后就是熟悉這些硬件的接口及它們的作用和用法。特別是對于單片機用到的8個I/O口記憶猶新，開始由于不清楚這些I/O口的具體含義，隨便接線，結(jié)果怎么都不能啟動最小系統(tǒng)。后來購買的紅外傳感器有一只出現(xiàn)問題，在測試時不清楚這種情況，花費了大量時間進行測試。</p><p>　　這段時間邊做邊學(xué)，通過例子來學(xué)習(xí)各個元件功能和使用方法。最后總算是完成了本次設(shè)

95、計，后續(xù)還有很多地方可以完善。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 聶茹．基于STC89C52單片機的無線遙控小車的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2012， 31(11)：91-95</p><p>　　[2] 王博，康德，鄭智波．探析單片機的智能小車速度控制[J]．中國新通信，2017，(04)：1

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103、yside SMEs: Benefits and barriers[J]. TQM Journal, 2008</p><p>　　[22] Pamela H.Mitchell. Nursing and universal health coverage[J]. Int Nurs Rev, 2015, 62(3)</p><p>　　[23] Yeager Brent. How to tr

104、oubleshoot your electronic scale[J]. Powder and Bulk Engineering. 1995</p><p>　　[24] Elsevier Ltd. Implementation of ANN-based PWM using Hybrid Genetic Algorithm-based optimization[J]. Erkan Deniz,Omur Aydog

105、mus, Zafer Aydogmus.Measurement. 2016</p><p>　　[25] sevier BV. echniques for efficiency improvement in PWM motor drives[J]. Maria Carmela Di Piazza, Marcello Pucci. Electric Power Systems Research. 2017</

106、p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次設(shè)計歷時半年終于要結(jié)束了，心中有許多感慨，剛踏入大學(xué)校園時，感覺大學(xué)是多么漫長，可是轉(zhuǎn)眼間就成了一名畢業(yè)生，快到我都來不及感受她帶給我的快樂時光。</p><p>　　在大學(xué)最后的一段記憶就是這段充實的時光。每天都為自己的設(shè)計而忙碌，磕磕碰碰，邊做邊學(xué)，雖然很累，但是最終還是完成了，心