智能循跡小車的設(shè)計軟件+硬件

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 班 級： 09測控2班 學(xué)生姓名： 王文杰 學(xué) 號： 課 題： 智能循跡小車的設(shè)計 指導(dǎo)教師： 陳松 2013 年 6 月 10 日專心-專注-專業(yè)摘 要 本文論述了基于單片機的智能循跡小車的控制過程。智能循跡是基于自動引導(dǎo)機器人系統(tǒng)，用以實現(xiàn)小車自動識別路線，以及選擇正確的路線。智能循跡小車是一個運用傳感器、單片機、電機驅(qū)動及自動控制等技術(shù)來實現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定的模式下，不受人為管理時能夠自動實現(xiàn)循跡導(dǎo)航的高新科技。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于無人駕駛機動車，無人工廠，倉庫，服務(wù)機器人等多種領(lǐng)域。 本設(shè)計采用STC89C52單片機

2、作為小車的控制核心；采用紅外發(fā)射、接收管作為紅外檢測來探測道路中央黑線位置，采集信號并將信號轉(zhuǎn)換為能被單片機識別的數(shù)字信號；驅(qū)動電路采用芯片L9110來控制直流電機，其中軟件系統(tǒng)采用C程序，本設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，可靠性高。關(guān)鍵詞：單片機；紅外檢測；驅(qū)動電路；智能循跡AbstractThis paper discusses the intelligent tracing electric trolley control process. Automatic tracing is used to make the car identify route automatically , an

3、d choosing the right route, based on the automatic guide robot system. Intelligent tracing electric trolley is an advanced technology to realize automatic tracing navigation. It is out of human management but under the designed mode that use of the use of a transducer, single chip, motor drive and a

4、utomatic control .This technology has been applied in unmanned vehicle, unmanned factory, warehouse, service robot and many other fields. This design uses STC89C52 single chip microcomputer as the core control of the car; infrared transmitter and receiver tube as infrared detector to detect road cen

5、tral black line position, signal acquisition and signal is converted to a digital signal that can be identified micro controller; driver circuit to control the use of chip L9110 DC motor, wherein the software program using C, the design of the circuit structure is simple, easy to implement, and high

6、 reliability.Keywords: single chip microcomputer; infrared detector; drive circuit; intelligent tracking目 錄 第1章 緒 論進入二十一世紀，隨著計算機技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，機器人技術(shù)較以往已經(jīng)有了突飛猛進的提高，智能循跡小車即帶有視覺和觸覺的小車就是其中的典型代表。1.1 智能循跡小車概述智能循跡小車又被稱為Automated Guided Vehicle，簡稱AGV，是二十世紀五十年代研發(fā)出來的新型智能搬運機器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光學(xué)或其他自動導(dǎo)引裝置，可以沿設(shè)定的引導(dǎo)路

7、徑行駛，安全的運輸車。工業(yè)應(yīng)用中采用充電蓄電池為主要的動力來源，可通過電腦程序來控制其選擇運動軌跡以及其它動作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來確定其行進路線，通過電磁軌道所帶來的訊息進行移動與動作，無需駕駛員操作，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。AGV的另一個特點是高度自動化和高智能化，可以根據(jù)倉儲貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運行路徑的費用與傳統(tǒng)的輸送 帶和傳送線相比非常低廉。AGV小車一般配有裝卸機構(gòu)，可與其它物流設(shè)備自動接口，實現(xiàn)貨物裝卸與搬運的全自動化過程。此外，AGV小車依靠蓄電池提供動力，還有清潔生產(chǎn)、運行過程中無噪音、無污染的特點，可用在工作環(huán)境清潔

8、的地方。1.1.1 循跡小車的發(fā)展歷程回顧隨著社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來代替人來做一些非常危險，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就誕生了機器人這門學(xué)科。世界上誕生第一臺機器人誕生于1959年，至今已有50多年的歷史，機器人技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展和進步，現(xiàn)已發(fā)展成一門包含：機械、電子、計算機、自動控制、信號處理，傳感器等多學(xué)科為一體的性尖端技術(shù)。循跡小車共歷了三代技術(shù)創(chuàng)新變革： 第一代循跡小車是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何傳感器，只是采用簡單的開關(guān)控制，通過編程來設(shè)置循跡小車的路徑與運動參數(shù)，在工作過程中，不能根據(jù)環(huán)境的變化而改變自身的運動軌跡。支持離線

9、編程的第二代循跡小車具有一定感知和適應(yīng)環(huán)境的能力，這類循跡小車裝有簡單的傳感器，可以感覺到自身的的運動位置，速度等其他物理量，電路是一個閉環(huán)反饋的控制系統(tǒng)，能適應(yīng)一定的外部環(huán)境變化。第三代循跡小車是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構(gòu)成感官系統(tǒng)，通過采集外部的環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車，能獨立完成任務(wù)，有其自身的知識基礎(chǔ)，多信息處理系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境變化作出決策，有一定的適應(yīng)能力，自我學(xué)習(xí)能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車能獨立工作，一方面應(yīng)具有較高的智慧和更廣泛的應(yīng)用，研究各種新機傳感器，另一方面，也掌握多個多類傳感器信息融合的

10、技術(shù)，這樣循跡小車可以更準確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息。1.1.2 智能循跡分類AGV從發(fā)明至今已經(jīng)有50多年的歷史，隨著應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴大，其種類和形式也變得更加多樣化。一般根據(jù)行駛的導(dǎo)航方式將智能循跡小車分為以下幾種類型：(1)電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式引導(dǎo)一般在地面上，沿預(yù)定路徑埋電線，當(dāng)高頻電流通過導(dǎo)線，電線周圍產(chǎn)生電磁場流動， AGV小車上安裝兩個對稱的電磁感應(yīng)傳感器，他們收到的電磁信號差異可以反映的AGV偏離程度路徑的程度。 AGV自動化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車輛的轉(zhuǎn)向，連續(xù)的動態(tài)的閉環(huán)控制設(shè)置能夠保證AGV對設(shè)定路徑的穩(wěn)定自動跟蹤。在目前商業(yè)用途的AGV中，特

11、別是大型和中型小車，絕大多數(shù)都采用電磁感應(yīng)導(dǎo)航。(2)激光式安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器的AGV，可安裝在墻壁或有高反射激光定位標志的支柱上或者路徑上運行，AGV依靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標志反射回的激光束，車載計算機，計算出當(dāng)前車輛的位置和運動方向，通過內(nèi)置的數(shù)字地圖和校準位置相比，以實現(xiàn)自動處理。目前，這種AGV類型的應(yīng)用比較廣泛?；谕瑯拥脑?，如果激光掃描儀被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導(dǎo)的AGV小車可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外引導(dǎo)和超聲引導(dǎo)的AGV。(3)視覺式視覺引導(dǎo)式AGV是的迅速發(fā)展和比較成熟的AGV，這種AGV配備CCD攝像機，傳感器和車載電腦，在車載計算機中設(shè)置有

12、AGV欲行駛路徑周圍環(huán)境圖像數(shù)庫。在AGV的行駛過程中，相機得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫進行比較，以確定當(dāng)前位置和車輛周圍的圖像信息并對駕駛下一步作出決定。這種AGV小車并不需要設(shè)置任何的人工物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計算機圖像采集，存儲和處理技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這種類型的AGV實用性越來越強。此外，還有鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式AGV、光學(xué)引導(dǎo)式AGV等多種形式的AGV。1.1.3 智能循跡小車的應(yīng)用智能循跡小車發(fā)展歷史及主要應(yīng)用場所如下：(1)倉儲業(yè)1954年，來自美國南卡羅來納州的Mercury Motor Freight公司成為第一批把AGV小車的應(yīng)用到倉庫的使用者，來實現(xiàn)出入庫貨物的自動

13、處理。至今世界上有超過2100個廠家把大約2萬臺大型或小型的AGV小車應(yīng)用到自己的倉庫中。中國的海爾集團在2000年把9臺AGV小車投產(chǎn)到了自己的倉庫區(qū)，形成一個靈活的AGV自動數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少33500的儲存和裝卸貨物的任務(wù)。(2)制造業(yè)在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中AGV小車大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運送任務(wù)。由多臺AGV小車組成的物流運輸處理系統(tǒng)，較人工搬運系統(tǒng)來說更靈活，運輸路線可以根據(jù)生產(chǎn)過程及時調(diào)整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十幾個產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活性，企業(yè)的競爭力。在1974年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車組裝廠，提高了運輸系統(tǒng)的靈活性，使用以AGV小車為載運工具

14、的裝配線，采用該裝配線后，減少了20%裝配時間、減少了39%組裝錯誤，減少了57%投資資金回收時間以及減少了5%的員工費用。目前，在世界主要的汽車生產(chǎn)廠家，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾AGV小車已被廣泛應(yīng)用。近年來，作為CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，直譯為基于計算機的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng))的基礎(chǔ)搬運工具，AGV已經(jīng)深入到機械加工，家電制造，微電子制造，煙草等行業(yè)，生產(chǎn)業(yè)和加工業(yè)已成為AGV小車使用最廣泛的領(lǐng)域。(3)郵局、圖書館、港口碼頭和機場在郵局，圖書館，碼頭和機場候機樓等人口密集的公眾場所，存在著大量的物品的運送工作，充滿不定性

15、和動態(tài)性強的特點，搬運過程往往也很單一。AGV有著可并行工作、自動化、智能化和處理靈活的特點，可以很好的滿足這些場合的運輸要求。1983年瑞典的大斯得哥爾摩郵局，1988年日本東京的多摩郵局，1990年中國上海的郵政相繼開始使用AGV小車來完成郵品的搬運工作。在荷蘭的鹿特丹港口，50輛被稱為“院子里的拖拉機”的AGV小車每天都在把集裝箱從船邊運送到幾百米以外的倉庫中。(4)煙草、醫(yī)藥、化工、食品對于處理一些需要在清潔、安全、無排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如煙草、制藥、食品、化工等產(chǎn)品時應(yīng)考慮AGV小車的應(yīng)用。在全國許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團、玉溪紅塔集團、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠，應(yīng)用

16、激光引導(dǎo)式AGV完成托盤貨物的搬運工作。(5)危險場所和特種行業(yè)在軍事方面，以AGV小車為基礎(chǔ)有著自動駕駛和檢測功能的設(shè)備，可用于戰(zhàn)場偵察和掃雷，英國軍方正在開發(fā)MINDER偵察系統(tǒng)，這是一種具有地雷探測、銷毀和路線驗證能力自動型偵察車。在鋼鐵廠，AGV小車負責(zé)爐料運輸，大大降低了工人們的勞動強度。在核電廠的核儲存地點使用AGV小車，以避免輻射的危險。AGV小車可在黑暗環(huán)境中，準確、可靠的運輸物料。1.2 智能循跡小車研究中的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)在全世界越來越多的國家都在做著研究智能化、多樣化的自動汽車導(dǎo)航的工作。自動汽車導(dǎo)航是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它不僅應(yīng)具有正常的運動功能的成分，而且還應(yīng)具有任務(wù)分析，

17、路徑規(guī)劃，信息感知，自主決策等類似人類的智能行為。人類可以利用自己的聽覺、視覺、味覺、觸覺等功能獲取事物的信息，人類的大腦再根據(jù)已經(jīng)掌握的知識對這些信息進行綜合分析，從而全面了解認知事物。這樣一個認識事物、分析事物和處理信息的過程稱之為信息融合過程。多傳感器信息融合的基本原理就是模仿人類大腦的這個過程，得到一個對復(fù)雜對象的一致性解釋或結(jié)論。多傳感器信息融合是協(xié)調(diào)多個分布在不同地點，相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀測量信息加以綜合，協(xié)調(diào)使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，以減少不確定性，得到對物體或環(huán)境的一致性描述的過程。多傳感器信息融合具有許多性能上的優(yōu)點：(1)增加了系統(tǒng)的

18、生存能力；(2)減少了信息的模糊性；(3)擴展了采集數(shù)據(jù)覆蓋范圍；(4)增加了可信度；(5)改善了探測性能；(6)提高了空間的分辨力；(7)改善了系統(tǒng)的可靠性；(8)信息的低成本性。本文主要由五章組成，第1章為緒論，主要講述循跡小車的發(fā)展歷程及在目前所應(yīng)用領(lǐng)域中的作用。第2章主要是總體規(guī)劃智能循跡小車系統(tǒng)的設(shè)計。第3章是系統(tǒng)的硬件設(shè)計，其中包含單片機電路的設(shè)計，光電傳感器模塊和電機驅(qū)動電路。第4章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要介紹的是軟件實現(xiàn)過程的框圖。第5章是對硬件和軟件的調(diào)試，最終保證了系統(tǒng)的正常運行。第二章 智能循跡小車總體設(shè)計方案2.1 整體設(shè)計方案本系統(tǒng)采用簡單明了的設(shè)計方案。通過紅外線發(fā)射

19、與接收二極管組成的傳感器循跡模塊判斷黑線路經(jīng)，然后由STC89C52通過I/O口控制L9110驅(qū)動模塊改變兩個直流電機的工作狀態(tài)，最后實現(xiàn)小車循跡。2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計步驟(1)根據(jù)設(shè)計要求，確定控制方案。(2)利用Protel99se設(shè)計合理的硬件原理圖。(3)畫出程序流程圖，使用C語言進行編程，運用KeiluVision2進行模擬調(diào)試。(4)將程序燒錄到單片機內(nèi)。(5)進行調(diào)試以實現(xiàn)控制功能。2.1.2 系統(tǒng)基本組成智能循跡小車主要由STC89C52單片機電路、紅外對管循跡模塊、L9110電機驅(qū)動模塊、直流電機、小車底板、電源模塊等組成。紅外循跡模塊傳感器STC89C52電機驅(qū)動模塊蜂鳴器

20、提示模塊電源模塊 圖2.1 智能循跡小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(1) 單片機電路：采用STC89C52芯片作為控制單元。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個1

21、6 位/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工。另外STC89C52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。 (2) 紅外發(fā)射、接收探頭循跡模塊：紅外收發(fā)對管是一種利用紅外線的開關(guān)管，接受管在接受和不接受紅外線時電阻發(fā)生明顯的變化，利用外圍電路可以時輸出產(chǎn)生明顯的高低電平的變化，高低電平的變化輸入單片機就可使之識別

22、，然后單片機生成指令來控制驅(qū)動模塊來控制兩個直流電機的工作狀態(tài)，來完成自動循跡。(3) L9110電機驅(qū)動模塊：采用L9110作為電機驅(qū)動芯片。L9110是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道腿挽式功率放大專用集成電路器件，它可使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動以及開關(guān)功率等電路上。(4)直流電機：采用雙直流電動機。直流電動機的控制方法比異步電動機簡單，只需給電機兩條控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷壕湍苁闺姍C旋轉(zhuǎn)，在正常工作電壓范圍，電壓越高直流電機轉(zhuǎn)速越高。直流電動機調(diào)速方法

23、分為兩種：一種是直接調(diào)整電壓，另一種通過PWM調(diào)速。PWM調(diào)速就是使加在直流電機兩端的電壓波形為矩形波，改變矩形波的占空比就能實現(xiàn)電壓的改變，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。(5)電源模塊：電源是由四節(jié)串聯(lián)的1.5V干電池組成。2.2 整體控制方案確定圖2.2為循跡小車的系統(tǒng)控制框圖。引導(dǎo)線是小車跟蹤的目標，檢測系統(tǒng)檢測車的相對路徑，然后將此信息輸入到單片機，單片機處理此信息后，將控制命令輸出到驅(qū)動模塊，以控制小車的直流電機，保證小車快速平穩(wěn)地沿預(yù)先設(shè)定好的路線行駛。黑色引導(dǎo)線單片機驅(qū)動模塊和直流電機光電循跡傳感器 - 圖 2.2 智能循跡小車系統(tǒng)控制框圖采用4節(jié)1.5V的干電池組作為主電源。STC8

24、9C52單片機作為主控制器。因為小車電機內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以不需考慮調(diào)速功能，采用電機驅(qū)動芯片L9110控制直流電機。L9110是利用TTL電平進行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作，亦能滿足直流減速電機的要求，用該芯片作為電機驅(qū)動具有的操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。這樣單片機和循跡傳感器組成了一個帶有反饋信號的系統(tǒng)。第三章 硬件設(shè)計3.1 循跡模塊紅外收發(fā)對光管如下圖3.1，3.2所示: 圖3.1 紅外發(fā)射探頭 圖3.2紅外接收探頭智能循跡小車之所以能夠?qū)ほE，主要是由前方的兩對紅外發(fā)射與接收探頭來完成的。根據(jù)光的反射特性，當(dāng)前方的紅外發(fā)射出來的光線遇到物

25、體時，就會形成反射的光線，而這個經(jīng)反射的紅外光線剛好被紅外接收探頭接收到。當(dāng)紅外接收探頭接收到信號后，再將信號送到單片機由單片機內(nèi)部的程序來控制機器人的運行情況。但對于不同的物體反射特性是不一樣的，特別是對白色反光的物體，紅外光線的反射量將會多一點。而對黑色不反光的物體，紅外反射量將會大量的減少。那么我們就可利用這個特性來完成黑與白的判斷。小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”黑線。本次設(shè)計規(guī)定正常行駛時三對紅外探頭都在黑色軌跡之內(nèi)，如果有探頭檢測到車體開始偏離軌道則由控制系統(tǒng)做出相應(yīng)響應(yīng)使車體回到軌道上

26、。此電路模塊就是用于檢測車體是否超出軌道并反饋給下一級電路。這一方法經(jīng)常被叫做紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號。如圖3.3軌跡識別電路所示，發(fā)射管（V1、V3、V6端）與阻值為220歐姆的電阻串聯(lián)發(fā)射紅外線，起到降壓與限流的作用。接收管（V2、V4、V5）與阻值為15K歐姆的電阻串聯(lián)，起到將接收管接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號的作用。將轉(zhuǎn)變后的信號傳給單片機加以處理。 圖3

27、.3 黑色軌跡識別電路3.2 MAX232CPE串口驅(qū)動模塊3.2.1 MAX232CPE的介紹MAX232CPE是16針SMD封裝IC，如圖3.4所示，用于完成計算機232端口數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換，連接CMOS電路的，換言之，如果離開它，我們就無法用軟件監(jiān)控電源狀態(tài)了（需要串口返回信號）。而PIC16F870則為24腳8位CMOS閃存控制器。 用于可監(jiān)控UPS當(dāng)中。 MAX232CPE完成232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換，提供一個本地接口，為調(diào)試和維護提供方便。TXD接SX52的RA2腳，RXD接SX52的RA3腳，RS-RXD和RS-TXD是RS232電平，為標準串口電平。數(shù)據(jù)可以從串口輸入到SX52，

28、SX52再把數(shù)據(jù)送到RTL8019AS傳出去。用于上的應(yīng)用。MAX232CPE引腳圖如下： 圖3.4 MAX232CPE引腳圖 主要功能就是實現(xiàn)串口通訊功能驅(qū)動、與串口數(shù)據(jù)接收功能，集成IC 這個MAX232CPE的芯片必須接+5V電源才會工作。 主要用在外圍設(shè)備中 主要起到與電腦或單片機這一塊串口通訊。3.2.2 MAX232CPE串口通訊功能驅(qū)動電路 MAX232是個電腦串口電平轉(zhuǎn)換的專用芯片，它有著兼容性好、穩(wěn)定性好、外圍電路簡單、容易制作等優(yōu)點。主要用在外圍設(shè)備中，起到與電腦或單片機等的串口通訊中。應(yīng)用電路如圖3.5所示： 圖3.5 MAX232CPE串口通訊功能驅(qū)動電路3.3 蜂鳴器

29、電路在單片機應(yīng)用的設(shè)計上，很多方案都會用到蜂鳴器，大部分都是使用蜂鳴器來做提示或報警，比如按鍵按下、開始工作、工作結(jié)束或是故障等等。這里對單片機在蜂鳴器驅(qū)動上的應(yīng)用作一下描述。 由于自激蜂鳴器是直流電壓驅(qū)動的，不需要利用交流信號進行驅(qū)動，只需對驅(qū)動口輸出驅(qū)動電平并通過三極管放大驅(qū)動電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音，很簡單，這里就不對自激蜂鳴器進行說明了。這里只對必須用1/2duty 的方波信號進行驅(qū)動的他激蜂鳴器進行說明。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O 口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，一般使用三極管來放大電流就可以了。 圖3.5 蜂鳴器電路3.4 STC89C52單

30、片機控制電路 3.4.1 STC89C52單片機介紹 該單片機是宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52，其片內(nèi)帶有8K字節(jié)閃速可編程、可擦除壽命1000次程序存儲器。該產(chǎn)品與工業(yè)標準8051中單片機完全兼容，并且還可支持兩種軟件可選的省電模式，工作時鐘最高可達到24MHz。使實時控制、實時處理的功能更加完善，簡化了硬件配置。與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 、三級加密程序存儲器 、 32個可編程I/O口線、三個16位定時器/計數(shù)器八個中斷源、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗

31、定時器 、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標識符 。STC89C52實物如下圖3.6。 圖3.6 單片機引腳圖STC89C52 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。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三

32、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，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。 P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具

33、有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻8位雙向I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能P1.0 T2（定

34、時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5 MOSI（在線系統(tǒng)編程用）P1.6 MISO（在線系統(tǒng)編程用）P1.7 SCK（在線系統(tǒng)編程用）P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強

35、的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。端口引腳 第二功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行

36、輸出口)P3.2 INTO(外中斷0)P3.3 INT1(外中斷1)P3.4 TO(定時/計數(shù)器0)P3.5 T1(定時/計數(shù)器1)P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。ALE/PROG當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時

37、將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)STC89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為00

38、00H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 3.4.2 單片機最小系統(tǒng)單片機控制電路由但單片機最小系統(tǒng)組成，主要作用是接受探頭傳來的電壓信號，再通過程序設(shè)定的邏輯算法給出下一級馬達驅(qū)動電路的指令。單片機最小系統(tǒng)包括主控IC，外部時鐘電路，復(fù)位電路和電源組成。本設(shè)計采用如圖3.7所示的單片機最先系統(tǒng)。在此就圖3.7為參照解釋一下51單片機最小系統(tǒng)各子電

39、路的特點。圖3.7 單片機主控電路圖3.4.3 時鐘電路XTAL1和XTAL2是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅(qū)動。圖3.7中采用的是內(nèi)時鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 12MHz 之間任選，甚至可以達到24MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的11.0592M的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時，電容可以在204

40、0pF之間選擇（本實驗套件使用30pF）；當(dāng)采用陶瓷諧振器件時，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，?050pF之間。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。另外值得一提的是如果在設(shè)計單片機系統(tǒng)的印刷電路板（PCB）時，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。檢測晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀察到XTAL2 輸出的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬用表測量（ 把擋位打到直流擋，這個時候測得的是有效值）XTAL2和地之間的電壓時，可以看到2V左右一點的電壓。3.4.4 復(fù)位電路在單片機系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，就需要進行復(fù)

41、位。MCS-5l系列單片機的復(fù)位引腳RST（ 第9 管腳） 出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。圖3.7中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負極和RESET相連，電壓全部加在了電阻上，RESET的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒有被按下的時候電路實現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達到手動復(fù)位的

42、效果。一般來說，只要RST管腳上保持10ms 以上的高電平，就能使單片機有效的復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電阻和電容為經(jīng)典值，實際制作是可以用同一數(shù)量級的電阻和電容代替，讀者也可自行計算RC充電時間或在工作環(huán)境實際測量，以確保單片機的復(fù)位電路可靠。3.4.5 EA/VPP（31 腳）的功能和接法51單片機的EA/VPP（31 腳） 是內(nèi)部和外部程序存儲器的選擇管腳。當(dāng)EA 保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器；當(dāng)EA保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存儲器，只訪問外部存儲器。對于現(xiàn)今的絕大部分單片機來說，其內(nèi)部的程序存儲器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內(nèi)

43、部的存儲器。在本實驗套件中，EA 管腳接到了VCC 上，只使用內(nèi)部的程序存儲器。3.5 L9110馬達驅(qū)動電路 3.5.1 L9110的介紹 L9110是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過750800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.52.0A；同時它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機或開關(guān)功

44、率管的使用上安全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上。L9110馬達控制驅(qū)動芯片的特點： (1) 低靜態(tài)工作電流； (2) 寬電源電壓范圍：2.5V-12V； (3) 每通道具有 800mA 連續(xù)電流輸出能力； (4) 較低的飽和壓降； (5) TTL/CMOS 輸出電平兼容，可直接連CPU； (6) 輸出內(nèi)置鉗位二極管，適用于感性負載 (7) 控制和驅(qū)動集成于單片IC之中； (8) 具備管腳高壓保護功能； (9) 工作溫度：0-80。3.5.2 L9110的引腳功能 L9110芯片的引腳圖如下圖3.8，其引腳功能見表3.1。圖3.8 L9110引腳圖

45、表3.1 L9110引腳功能表序號符號功能1OAA路輸出管腳2VCC電源電壓3VCC電源電壓4OBB路輸出管腳5GND地線6IAA路輸入管腳7IBB路輸入管腳8GND地線3.5.3 L9110的運行參數(shù) L9110的測試條件：Vcc=9V，Iout=750mA，測試參數(shù)與運行參數(shù)分別如下表3.2、3.3所示：表3.2 L9110測試參數(shù)符號參數(shù)最小典型最大單位VHout輸出高電平7.507.607.70VVLout輸出低電平0.350.450.55VVHin輸入高電平2.505.09.0VVLin輸入低電平00.50.7V表3.3 L9110的運行參數(shù)符號參數(shù)范圍單位最小典型最大VCC電源電壓

46、250612VIdd靜態(tài)電流02uAIin操作電流200350500uAIC持續(xù)輸出電流750800850mAIMax電流峰值15002000mA3.5.4 L9110的邏輯控制 L9110的應(yīng)用電路原理圖如下圖3.9所示，其中IA、IB為輸入，OA、OB為輸出。邏輯控制如下表3.4所示。圖3.9 L9110原理圖表3.4 L9110對直流電機控制的邏輯真值表IAIBOAOBHLHLLHLHLLLLHHLL3.5.5 電機驅(qū)動模塊L9110 是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電器器件,將分離電路集成在單片IC 中,使外圍器件成本降低,整機可靠性提高. 該芯片有兩個TTL/ C

47、MOS 兼容電平的輸入,具有良好的抗干擾性;兩個輸出端直接驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn),它具有較大的電流驅(qū)動能力,每通道能通過750800mA 的持續(xù)電流,峰值電流能力可達1. 52. 0 A ;同時它具有較低的輸出飽和壓降;內(nèi)置的反向沖擊電流,使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機和開關(guān)功率管的使用上安全可靠.該馬達驅(qū)動電路如下圖3.10：圖3.10 L9110的應(yīng)用電路圖第四章 軟件設(shè)計4.1 總體結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)總體框圖如下圖4.1所示：電機驅(qū)動模塊主控制模塊STC89C52單片機線檢測模塊電源模塊圖4.1 系統(tǒng)總體框圖4.2 總體程序流程圖 圖4.2給出的是總體程序流程圖。程序啟動后三對光電對光管1、

48、2、3從左到右依次排開：（1）如傳感器1、3都遇黑線，則前進；（2）如傳感器1遇白線，3遇黑線，則右轉(zhuǎn)；（3）如傳感器1遇黑線，3遇白線，則左轉(zhuǎn)；（4）如傳感器1、3都遇白線，則后退；（5）如傳感器2遇到白色障礙物則停止。程序主要采用switch,case語句，控制簡單實用?？傮w程序流程圖如下：開始1和3遇黑線前進1遇白線、3遇黑線右轉(zhuǎn)1遇黑線、3遇白線1和3遇白線2遇白線左轉(zhuǎn)后退停止1和3遇黑線 Y N Y N1遇黑線、3遇白線 Y N Y N Y N圖4.2 總體程序流程圖 程序掃描后到的小車位置狀態(tài)與對應(yīng)輸出的驅(qū)動指令對應(yīng)關(guān)系如表4.1。高電平1表示紅外探頭處于黑色軌跡上。表4.1 小車

49、位置與響應(yīng)動作對照P3.5(1-左)P3.6(3-右)P3.7(2-中)小車狀態(tài)控制方法111軌道中前進011偏左右轉(zhuǎn)101偏右左轉(zhuǎn)001出跑道后退4.3 主程序 本程序通過前方的紅外探頭來檢測地面的信號,根據(jù)道路的要求,當(dāng)?shù)缆窞榘咨珪r，紅外探頭接收到信號，與地面檢測的紅外相應(yīng)端口為低電平,當(dāng)?shù)缆窞楹谏珪r ，與地面檢測的紅外探頭相應(yīng)端口為高電平,這樣就可以根據(jù)這個判斷條件來進行道路黑白線的尋找.由于紅外接收頭對光線要求較高，所以對于黑白兩種顏色選擇對比度高為好，而且因為道路建立不同，需要根據(jù)實際的需要來改寫相應(yīng)的延遲時間以適應(yīng)角度的最有效轉(zhuǎn)彎，道路應(yīng)根據(jù)紅外接收頭的兩個寬度來制定，如果道路較小，或較大者，請調(diào)整以適應(yīng)小車的正確運行。 void main() /主程序入口 bit RunFlag=0; /定義小車運行標志位 RunShow=0; /初始化顯示狀態(tài) ControlCar(1