基于单片机的智能循迹小车设计机械制造专业.doc

基于单片机的智能循迹小车设计 摘 要 随着智能化技术的飞速发展，对于该技术的研究也越来越受研究者的关注。近年来国内外的教育部门都在组织有关智能化技术的比拼赛，由此证明智能化技术是时代发张的必经之路也只至关重要的。智能小车在这方面有很大的探索意义和代表性。 本设计的主要控制功能用STC-80C51单片机来实现的。大概实现的实物操作过程是，第一步是用手按下单片机上电按键，第二步按下电机驱动模块的上电按键。智能小车会按提前划定好4cm的黑线车道行驶并在显示屏上显示智能小车实时速度、智能小车行实时驶路程和智能小车行驶实时时间。应用的原理和技术是智能小车的STC-80C51单片机控制车轴上的电机调速按行车黑线轨道向前行驶，安装在小车最前沿车盘地下的四个感器开始检测4cm的黑线道，循迹模块的探头不断扫瞄检测循迹，此时时钟模块开始计时并且将行驶时间、路程和速度显示在LCD1602液晶屏上。本设计采用了双极式脉宽调制技术来控制智能小车的行驶车速。采用LCD1602液晶屏显示行驶时间、里程和速度。本设计着重介绍了基于单片机的智能循迹小车的硬件设计方法以及应用到的技术与原理。还有实物调试、硬件测试和所遇到的问题分析解决过程。 关键词： STC-80C51单片机；智能小车；红外光电检测器；测速技术 Abstract With the rapid development of intelligent technology, the research of the technology is becoming more and more concerned by the researchers. Education departments in organizations at home and abroad in recent years intelligent technology contest, proving intelligent technology when issuing a path is only vital. Smart cars have a lot of exploration and representation in this area. The main control functions of this design are implemented using stc-80c51 singlechip. The first step is to press the electric key on a single chip, and the second step presses the electrical key on the motor drive module. Car smart cars will be defined in advance good black line lane and displayed on the display real-time intelligent vehicle speed, real time intelligent car driving distance and intelligent car driving time. Principle and technology of functionality: on STC - 80 c51 single chip microcomputer control motor speed according to driving the black orbit along, installed in the car head car plate at the bottom of the two groups of four infrared electric sensor starting test black line, continuous tracking tracking module, timing starts when the clock module and the driving time, distance and speed in the LCD1602 LCD display. This design adopts bipolar pulse width modulation technology to control the speed of a smart car. Use LCD1602 LCD to display the driving time, mileage and speed. This design focuses on the hardware design method of intelligent tracking car based on single chip microcomputer and the technology and principle applied to it. There is also physical debugging, hardware testing, and problem analysis. Key words:STC-80C51;Smart car;Infrared photodetector;velocimetry 1 绪论 1.1 选题意义 由于智能化的产品深受广大人民的喜爱、关注和接受。才不断推进了现代智能化技术的飞速发展。全世界的各个高校都非常重视这方面的教育和研究。近年来有关智能化技术方面举行的设计竞赛是越来越多。吸引了很多学子和研究者的目光，同时各校也是非常重视该类竞赛。智能化产品在国内外不断畅销，以及在军事领域的应用也至关重要。然而智能小车这方面在当代大学生的实践中是一个很好的学习素材。智能小车设计就是在这种发展趋势下提出来的。 本设计的智能小车能够在LCD1602液晶显示屏上实现实时显示行驶时间、行驶里程和行驶车速并且能够自动循迹、自动起停和自动控制车速。采用STC-80C51单片机为本题所设计的智能小车的主要程序控制芯片，当然也可以选择其它单片机来控制智能小车。 STC80C51是一个8位的单片机，其多功能和易用性能很是受到广大研究者的认可。它是第三代单片机的代表。第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(Controller Area Network BUS). 1.2 论文总体安排 本设计是对基于单片机的智能循迹小车的设计做了具体的讲解和分析。主要设计大概划分了四大模块：循迹模块，时钟模块，测速模块和显示模块。为了利于设计、理解和程序的编辑。四大模块协同互相调用实现了循迹小车的论文要求。总体内容安排如下： 1绪论。概述了此次选题的意义以及国内外在这方面的重视程度和研究价值。 2硬件电路设计。主要介绍了STC-80C51单片机的硬件结构的各个功能；脉冲宽度调制的基本原理和调速技术的选择；最小应用系统的设计；还有起停、位移和检测电路的设计技术的具体选用。来达到设计的硬件结构要求的功能。 3软件设计。绘制了利用程序设计所采用的分模块设计思想来构思出来的主程序流程图和各个子模块的程序流程图。 4实物调试及测试。通过实际可行电路对焊接的实物电路进行测试，以及对源程序的不断修改烧录源程序到STC-80C51单片机内，来调试实物的功能来达到设计的要求。 2 硬件设计 本设计中的智能小车采用STC-80C51单片机为智能小车主程序的烧录芯片所以这里就大概介绍一下STC-80C51单片机的结构。采用了红外光电探测器，探测黑色小车行驶轨迹。采用LCD1602液晶屏显示行驶时间、里程和速度。大概分了四大模块：循迹模块，时钟模块，测速模块和显示模块。四大模块协同互相调用实现了循迹小车的论文要求。系统原理图如图1所示。 图6系统原理 图1 系统原理图 2.1 STC-80C51单片机硬件结构 STC-80C51单片机集成了控制所需的最基本的电路于芯片上。按负责的功能不同和任务分配执行的过程不同划分了八个部分：第一部分中央微处理器；第二部分程序存储器；第三部分数据存储器；第四部分串行接口；第五部并行扩展I/O接口；第六部分定时器/计数器；第七部分中断系统第八部分特殊性能的寄存器，这些都被分别连在单片机芯片内的数据总线。 2.2 电机驱动设计 本设计实现智能小车调速功能采用脉冲宽度调制原理来调速。智能小车大概调速原理：采用可逆脉冲宽度调制变换器实现智能小汽车的左转和右转。可逆脉冲宽度调制变换器主电路形式有T型、H型等等。我采用的是H型变换器，这个H型变换器是由桥式电路结构组成的，这个桥式电路中有四个续流二极管和四个三极电力晶体管串并联链接组成。具体结构设计如图2所示智能小车的双极式H型可逆脉冲宽度调制变换器的电路原理图。 当降低速度慢速行驶时晶体管的驱动脉冲依然很宽。这样就能更好的保证晶体管的可靠导通性；慢速行驶时智能小车的平稳性比较好，以及智能小车的调速范围也相对与高速行驶时比较广。 图2 智能小车的双极式H型可逆脉冲宽度调制变换器的电路原理图 2.2.1 脉冲宽度调制原理 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称PWM。我们知道可以通过数字信号中的01代码来产生矩形波，而这个0代表低电平，1代表高电平，1的个数与0的个数之比就是脉冲宽度调制的占空比。矩形脉冲的占空比越大所控制的电机运转速度越高，矩形脉冲的占空比越小所控制的电机运转速度越低。这就是脉冲宽度调制调速的原理。 智能小车电源的设计为轻便的干电池。这样就能使智能小车行驶方便了很多。 2.3 最小应用系统设计 STC-80C51芯片内有ROM/EPROM的单片机，所以这种芯片构成的最小系统具有简单和可靠的特性。最小应用系统由任何单片机和外围链接时钟电路以及复位电路构成的如图3。其应用特点如下： (1) 有大量I/O接口可供使用。 (2) 内部存储器容量有限。 (3) 应用系统开发具有特殊性。 图3 80C51单片机最小系统 2.3.1 时钟电路 即使STC-80C51单片机片内有振荡电路，但是我们要实现智能小车的计时功能还必须在智能小车的STC-80C51单片机外加电路。智能小车的STC-80C51单片机的时钟计时功能实现有两大种方法，第一是内部时钟方式，第二是外部时钟方式。 本设计采纳外部时钟方式，利用外部振荡脉冲接入XTAL1端或XTAL2端。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入的方式各不同，HMOS型单片机（例如STC-80C51）外时钟信号由XTAL2端脚注入后直接送至内部时钟电路，输入端XTAL1引脚应接地。是由于XTAL2端的逻辑电平它不是晶体管-晶体管逻辑电平，建议在HMOS型单片机外围在接上个电阻。而CHMOS型的单片机（例如STC-80C51）内部时钟发生器的信号来自CD4069UBE型号反相器的IN输入端。考虑以上技术的适用性优点智能小车采用外部时钟源时来完成智能小车的计时要求，因此外部时钟信号接到XTAL1端、XTAL2端悬空。 2.3.2 复位电路的设计 复位电路一般只采用按键复位和上电自动复位这两种方式，给实物通上电源后智能小车STC-80C51的单片机就会控制电路自动复位。这个功能是由智能小车外围复位电路的电容元器件连续充电的过程，还有确保电源端的上电电压上升时间没有超过1ms时,才能够实现STC-80C51单片机自动上电