基于51單片機的智能小車

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1、 唐山師范學院本科畢業(yè)論文 題 目 基于單片機的智能小車的設計 學 生 **** 指導教師 ***講師 年 級 2008級 專 業(yè) 電子信息科學與技術(shù) 系 別 物理系 唐山師范學院物理系 2012年5月 鄭重聲明 本人的畢業(yè)論文是在老師的指導下獨立撰寫完成的。如有剽竊、抄襲、造假等違反學術(shù)道德、學術(shù)規(guī)范和侵權(quán)的行為，本人愿意承擔由此產(chǎn)生的各種后果，直至法律責任，并愿意通過網(wǎng)絡接受公眾的監(jiān)督。特此鄭重聲明。 畢業(yè)論文作者（簽名）： 年

2、 月 日 目錄 摘要 3 第一章 引言 3 第二章 方案說明 3 2.1、方案論證 3 2.2、總體設計方案概述 4 第三章 硬件電路設計 5 3.1、主控電路 5 3.1.1、L7805穩(wěn)壓器 5 3.1.2、MAX232芯片簡介 6 3.2、八路紅外傳感器模塊 6 3.2.1、LM324簡介 6 3.2.2、74HC14D簡介 6 3.3、L298N電機驅(qū)動模塊 7 3.3.1、L298N簡介 8 3.4、機械部分 9 第四章 軟件系統(tǒng)設計 9 4.1、程序流程圖 9 4.2、程序設計方案 9 參考文獻 12

3、第五章 結(jié)束語 12 致謝 12 附錄1 13 附錄2 13 外文頁 20 基于單片機的智能小車的設計 摘要 本文介紹了基于STC89C52單片機的智能小車的設計與實現(xiàn)。小車主要能夠識別黑線并檢測障礙物從而實現(xiàn)在固定跑道內(nèi)行駛并且可自動避障。小車以STC89C52單片機控制器；采用八路紅外傳感器及其處理模塊實現(xiàn)對黑線及障礙物的檢測；通過單片機產(chǎn)生PWM波并通過L298N來對小車的方向和速度進行控制。 關鍵字 STC89C52 單片機 紅外傳感器 PWM L298N 第一章 引言 社會的發(fā)展，科技的進步，使得人們對生活中的很多事物都提出了更高的要求，就

4、像人們自己走累了便想到了坐車，所以馬車出現(xiàn)了；而馬車已經(jīng)滿足不了人們對速度的追求的時候，便又發(fā)明了汽車，所以科技創(chuàng)新是基于人們的需要而出現(xiàn)的；那么到了現(xiàn)在這個普通汽車已經(jīng)很普遍的掌控在人們手中的時候，一個新的概念便被提了出來，它就是智能車。 其實，智能車研究最早都是在一些科技發(fā)達的國家進行的，所以比較早接觸智能車領域的一些國家已經(jīng)對智能車輛進入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模的研究階段[1]。 我國智能車的研究起步較晚，所以很多還集中在某個單項技術(shù)的研究上，不過對于智能車技術(shù)的探索卻如雨后春筍；各種智能車大賽層出不窮，各高校及研究機構(gòu)也紛紛加入智能車的研究行列[2]。本設計就是根據(jù)前人在智能小車的

5、設計的基礎上對其進行的又一次全新的探索。 本車的設計充分考慮了成本與性能綜合，它以STC89C52單片機為核心，采用了大扭力的四驅(qū)小車底盤，使小車具有充足的動力；除此外小車安裝了八路紅外傳感器用來檢測黑線和障礙物，所以小車具有較好的反應速度與檢測精度。 第二章 方案說明 2.1、方案論證 （1）控制系統(tǒng) 方案一：采用MC9S12DG128單片機，該單片機以運算速度很快的CPU12內(nèi)核為核心的單片機，經(jīng)過鎖相環(huán)后，時鐘頻率可達到40MHz，內(nèi)部Flash高至128KB，擁有2組各8路10位A/D、16路I/O口，有功能強大的8位PWM輸出共8路，以及8路16位增強型定時器（ECT），相

6、比STC89C52單片機它編程更加簡單，反應速度快；但是成本較高且短時間內(nèi)不易掌握。 方案二：采用STC89C52單片機，該單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口 [3] 。其完全可以滿足本設計對小

7、車功能的要求，并且價格便宜；所以本設計最終選用STC89C52單片機作為其控制芯片。 （2）避障與尋線傳感器 方案一：采用US-100超聲波測距模塊，該模塊可實現(xiàn)2cm~4.5m的非接觸測距功能，擁有2.4~5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)工作電流2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠且方向性好但其近距離反射時干擾較大。 方案二：采用八路紅外對管及處理模塊，該模塊可工作在3.3到5V電壓下檢測距離在1-6厘米，采用多圈式電阻調(diào)節(jié)檢測距離，且尺寸較小可方便的搭載在小車上，同時其平均價格要比US-100要低；其八路的傳感器

8、可分別用作測距與檢測黑線；綜合上述考慮，本設計采用八路紅外對管作為其避障與尋線傳感器。 2.2、總體設計方案概述 八路紅外傳感器 STC89C52單片機系統(tǒng) L298N電機控制模塊 電機 圖1 總體設計框圖 本設計以STC89C52單片機系統(tǒng)為控制中心，通過八路紅外傳感器模塊中的兩路傳感器檢測障礙物，四路傳感器檢測黑線，檢測障礙物的兩路傳感器分別分布在車頭的兩端，使其能夠檢測車前較大范圍內(nèi)的障礙物，盡量減小檢測盲區(qū)；檢測黑線的四路傳感器分別分布在小車的四角，從而能夠保證小車在跑道內(nèi)行駛。傳感器在接通電源后會不斷的發(fā)送和接收紅外線，接收到的信號經(jīng)過LM3

9、24進行放大然后由74HC14D施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，而當單片機檢測到需要轉(zhuǎn)向的傳感器信號時，單片機通過改變PWM波的占空比來調(diào)整小車兩側(cè)的電機轉(zhuǎn)速，從而使其兩側(cè)輪產(chǎn)生速度差，以實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。 避障：在小車行駛過程中，若左側(cè)傳感器檢測到障礙物而右側(cè)傳感器未檢測到，則小車首先后退之后向右轉(zhuǎn)；同理，若右側(cè)檢測到而左側(cè)未檢測到，小車先后退之后左轉(zhuǎn)；如果左右均檢測到默認小車先后退之后右轉(zhuǎn)。 檢測黑線：安裝在小車四角的紅外傳感器負責檢測黑線，由于小車是向前行駛所以最先駛出黑線的應該是小車的前端，當左前端傳感器檢測到黑線時，向單片機發(fā)送信號，小車右轉(zhuǎn)；當右前端傳感器檢測到黑線時，小車左轉(zhuǎn)；

10、當左后端檢測到黑線而左前端未檢測到時小車先右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)，當右后端檢測到黑線而左前端未檢測到時先左轉(zhuǎn)后右轉(zhuǎn)，當前端兩傳感器同時檢測到黑線時小車先后退之后左轉(zhuǎn)?？刂七壿嬕?表1 表 1 檢測 檢測物 檢測到 未檢測到 障礙物 0 1 黑線 1 0 PWM：脈沖寬度調(diào)制(PWM)，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，此處我們主要通過單片機輸出PWM波同時通過調(diào)節(jié)其占空比來實現(xiàn)對小車的控制。 第三章 硬件電路設計 3.1、主控電路 本模塊主要是采集信號并進行分析，同時輸出PWM波控制電機速度，從而控制小車前進轉(zhuǎn)彎等動

11、作。其中，此處采用STC89C52單片機作為主控芯片，由9—12V直流電通過78M05穩(wěn)壓芯片后進行供電；單片機讀寫口連接了MAX232芯片，并焊接了串口接口，使其能夠直接使用USB轉(zhuǎn)串口線下載程序；除此之外，單片機引腳全部通過排針引出，使得此電路連接其他模塊更加方便。復位及時鐘電路分別見圖2和圖3，單片機引腳電路見附錄1 圖3 時鐘電路 圖2 復位電路 3.1.1、L7805穩(wěn)壓器 L7805是我們最常用到的穩(wěn)壓芯片，本設計中采用7節(jié)5號干電池進行供電，電容C2、C3對輸入到L7805前的直流電進行濾波，之后輸入到L7805，經(jīng)其穩(wěn)壓后輸出5V直流電，給單片機供

12、電。如圖4 圖4穩(wěn)壓電路 3.1.2、MAX232芯片簡介 MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專門為RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電；TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入，轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)后從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸入到單片機的RXD、TXD口；此處MAX232主要在下載程序時對由串口發(fā)出來的信號進行轉(zhuǎn)換。其電路如圖5 3.2、八路紅外傳感器模塊 紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)，所以我們可以

13、利用紅外對管對黑線及障礙物進行檢測；此模塊擁有兩個LM324放大器和兩個74HC14D，當紅外線在不同顏色物體上的反射光被接收管接收到時會產(chǎn)生不同幅度的電壓，經(jīng)由模塊的LM324芯片進行信號放大，之后輸入到74HC14D進行高低電平的轉(zhuǎn)換。小車在行駛過程中紅外管不斷地向外發(fā)射紅外線，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被接收管接收，模塊輸出低電平；如果遇到黑線則紅外線被吸收，接收管接收不到信號，此時模塊輸出高電平；單片機通過程序控制不斷檢測模塊輸出引腳的高低電平從而實現(xiàn)信號的檢測。小車的避障原理與此類似，當紅外管不斷發(fā)出紅外線，而在距小車前方6cm無障礙物時，紅外線不發(fā)生反射，此時接收管接

14、收不到反射光，模塊輸出低電平；當小車前方6cm內(nèi)有障礙物時，紅外管發(fā)出的紅外線將會被反射回來，接收管接受到反射光，模塊輸出高電平。 3.2.1、LM324簡介 LM324內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)倪\算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 3.2.2、74HC14D簡介 74HC14D是6路施密特觸發(fā)器件，內(nèi)含6個獨立的出發(fā)倒相器，在正邏輯中它們執(zhí)行波形整形和倒相功能；它也是5V電源供電且不需要外圍元件。

15、 圖5 TTL轉(zhuǎn)換電路 3.3、L298N電機驅(qū)動模塊 圖6 電機控制電路[7] 該模塊采用了L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動電機部分VIN采用+9V直流電源供電，同時模塊上安裝了L78M05穩(wěn)壓器對vin的輸入進行穩(wěn)壓，邏輯部分VCC采用+5V供電，小車運行時通過單片機向該模塊1、2、3、4腳輸入控制信息來控制小車電機的轉(zhuǎn)速。其電路如圖6 、7、8 圖8 接口電路 圖7 穩(wěn)壓電路 3.3.1 、L298N簡介 L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓

16、；用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46 V。輸出電流可達2 A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機?？刂七壿嬕姳?[8] 電機 旋轉(zhuǎn)方式 控制端IN1 控制端IN2 控制端IN3 控制端IN4 輸入PWM信號改變脈寬可調(diào)速 調(diào)速端A 調(diào)速端B M1 正轉(zhuǎn) 1 0 / / 1

17、/ 反轉(zhuǎn) 0 1 / / 1 / 停止 0 0 / / 1 / M2 正轉(zhuǎn) / / 1 0 / 1 反轉(zhuǎn) / / 0 1 / 1 停止 0 0 / / / 1 3.4、機械部分 小車采用了四個直流電機為其提供動力，這使其具有較大動力，可以在較大的坡道上行駛；同時，小車的四輪底盤設計，使得小車的直線行駛性能較強，不會出現(xiàn)方向跑偏的現(xiàn)象，同時轉(zhuǎn)向時的方向感較好；小車的電路部分均用銅柱及螺絲固定在底盤上，使其具有很好的穩(wěn)定性；除此之外，在接線方面，各模塊之間均采用杜邦線進行連接，主控板上焊接了單片機插座，這些為小車提供了

18、充足的再開發(fā)空間。 第四章 軟件系統(tǒng)設計 開始 4.1、程序流程圖如圖9 設置初始值 啟動電機 Y 避障 檢測到障礙物？ N N 檢測到黑線？ Y 避線 停止 圖9 程序流程圖 4.2、程序設計方案 本系統(tǒng)編程部分采用C語言編寫完成，應用模塊化的設計方法，各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程，通過主程序不斷對子程序的調(diào)用完成PWM脈寬控制、延時以及電機轉(zhuǎn)動方向控制等部分的設計。 單片機資源分配如下表3： 表3 P1.0 EN1 P1.2 左下方傳感器 P2.0 左電機端口2 P2.2 右電機端口

19、2 P2.6 右前方傳感器 P1.1 EN2 P1.4 右下方傳感器 P2.1 左電機端口1 P2.3 右電機端口1 P2.7 左前方傳感器 ①PWM脈寬控制：本設計中采用定時器0產(chǎn)生定時中斷來控制P1.0與P1.1的輸出從而生成PWM波。中斷程序如下： void time0(void)interrupt 1 { i++; j++; if(i<=pro_right) {en1=1;} else en1=0; if(i==40) {en1=~en1;i=0;} if(j<=pro_left) {en2=1;} else en2=0; i

20、f(j==40) {en2=~en2;j=0;} TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; } ②左右轉(zhuǎn)向子程序：通過改變左右PWM波的占空比，來實現(xiàn)電機的速度控制；當小車需要左轉(zhuǎn)彎時，將控制左側(cè)電機的PWM波占空比設置為0，右側(cè)設置為20；當小車需要右轉(zhuǎn)時則相反。 左轉(zhuǎn)彎子程序： void turn_left(){ pro_right=0; pro_left=20; left1=1; left2=0; right1=1; right2=0; } 右轉(zhuǎn)彎子程序： void turn_right() { pro_rig

21、ht=40; pro_left=0; left1=1; left2=0; right1=1; right2=0; } ③小車在遇到障礙物時將首先運行后退程序，之后轉(zhuǎn)向；后退子程序是通過改變電機正反轉(zhuǎn)控制位而實現(xiàn)的。程序如下： void turn_back() { left1=0; left2=1; right1=0; right2=1; pro_right=20; pro_left=20; } 第五章 結(jié)束語 本系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機STC89C52、L298N電機控制芯片和紅外傳感器來設計智能小車，實現(xiàn)了小車的自動避障與檢測黑線。系統(tǒng)不足之處為避

22、障的檢測距離較短。這是由于所選紅外傳感器的檢測距離所限，若要進行提高需更換檢測距離更遠的傳感器即可；除此之外，可見光對于本系統(tǒng)也有影響，不過一般影響不大，但是若要精確的采集數(shù)據(jù)，可以利用濾波器將紅外光之外的其他頻率的光線濾除。 參考文獻： [1] 徐友春，王榮本,世界智能車輛近況綜述, 汽車工程［J］, Vol.23, No.5, 2001.10 [2] 國防科大研制出第四代無人駕駛汽車，計算機自動測量與控制［J］第8卷，p22 [3] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009 [4] 蔡美琴 MCS-51系列單片機系

23、統(tǒng)及其應用[M].北京:高等教育出版社，2002 [5] 馮建華，趙亮 單片機應用系統(tǒng)設計與產(chǎn)品開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社 2004 [6] 胡漢才，單片機原理及接口技術(shù)[M].北京:清華大學出版社，1996 [7] 童詩白，華成，模擬電子技術(shù)基礎（第四版）[M].高等教育出版社，2006.5 [8] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005 [9] 致 謝 歷時三個月的畢業(yè)設計已經(jīng)告一段落。經(jīng)過自己不斷的搜索努力以及老師的耐心指導和熱情幫助，本設計已經(jīng)基本完成。在這個過程中老師以及曾做過此類設計的同學給予了我很大的幫助，給我提供了大量的硬

24、件和軟件資料，也給我的設計提出了寶貴的意見和建議。在此，對大家表示衷心的感謝！ 這次設計不僅是對我們大學四年專業(yè)知識的一次集中地檢驗，同時也為我們提供了一個進入職場前的實戰(zhàn)機會；通過這次在老師指導下做設計的機會，我對于技術(shù)實踐方面有了更深刻的認識，也進一步夯實了所學的專業(yè)知識。雖然在設計中對于知識的運用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學習中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個月的設計是對過去所學知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎。 由于自身水平有限，設計中一定存在很多不足之處，敬請各位老師批評指正。 最后，再次向給予我指導和幫助的老師和各位同學表示最誠摯的謝意！

25、 附錄1： 附錄2： #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar pro_left=35,pro_right=35,i,j; //左右占空比標志 sbit left1=P2^1; sbit left2=P2^0; sbit right1=P2^3; sbit right2=P2^2; sbit pleft=P2^7; sbit pright=P2^6; sbit en1=P1^0;

26、 sbit en2=P1^1; //循跡口 三個紅外傳感器 sbit left_red=P1^2; //白線位置 sbit right_red=P1^4; //白線位置 void delay(uint z) { uchar i; while(z--) {for(i=0;i<121;i++);} } void init() { left_red=0; //白線位置 right_red=0; TMOD=0X01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1;

27、 TR0=1; en1=1; en2=1; } void time0(void)interrupt 1 { i++; j++; if(i<=pro_right) {en1=1;} else en1=0; if(i==40) {en1=~en1;i=0;} if(j<=pro_left) {en2=1;} else en2=0; if(j==40) {en2=~en2;j=0;} TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; } void straight() //走直線函數(shù) { pro_right=20;

28、 pro_left=20; left1=1; left2=0; right1=1; right2=0; } void turn_left() //左轉(zhuǎn)彎函數(shù) { pro_right=0; pro_left=20; left1=1; left2=0; right1=1; right2=0; } void turn_right() //右轉(zhuǎn)彎函數(shù) { pro_right=40; pro_left=0; left1=1; left2=0; right1=1; right2=0; } void turn_back() //后退(反轉(zhuǎn))函數(shù) { l

29、eft1=0; left2=1; right1=0; right2=1; pro_right=20; pro_left=20; } void infrared() //循跡和避障 { uchar flag; if((pright==1)||(pleft==1)) { if((left_red==1)&(right_red==0)) {flag=1;} else if((right_red==1)&(left_red==0)) {flag=2;} else if((left_red==0)&(right_red==0)

30、) {flag=3;} else {flag=0;} } else if((pright==0)&(pleft==1)) {flag=4;} else if((pright==1)&(pleft==0)) {flag=5;} else if((pright==0)&(pleft==0)) {flag=6;} else {flag=0;} switch (flag) { case 0:straight(); break; case 1:turn_right(); delay(1000

31、); break; case 2:turn_left(); delay(1000); break; case 3:straight(); delay(1000); break; case 4:turn_back(); delay(1000); turn_left(); delay(1000); break; case 5:turn_back(); delay(1000); turn_right(); dela

32、y(1000); break; case 6:turn_back(); delay(1000); turn_left(); delay(1000); break; default: break; } } main () { init(); delay(1); while(1) { infrared(); } }

33、 The design of smart car designed based on the STC89C52 xialongwei Directed By JiangLifei Abstract This article introduced a smart car designed based on the STC89C52. The car is capable of identifying black and obstacle, so it can run in a fixed area a

34、nd automatic obstacle avoidance. The car take STC89C52 as it’s controller; the six infrared sensors and their processing modules make it can identify the black line and obstacle; The car can change it’s direction and speed by the single-chip generated PWM wave and L298N. Keywords STC89C52 Single chip microcomputer Infrared sensor PWM L298N. 20