基于51单片机智能小车设计

1北华航天工业学院课程设计报告（论文）设计课题：基于51单片机智能循迹小车设计专业班级：B12242学生姓名：李云鑫指导教师：王晓设计时间：2014年6月15日2北华航天工业学院电子工程系基于51单片机智能循迹小车课程设计任务书姓名：李云鑫专业：测控技术与仪器班级：B12242指导教师：王晓职称：学生课程设计题目：基于51单片机智能循迹小车设计。已知技术参数和设计要求：1.小车具有自动循迹功能。2.当小车运行时对应的发光二极管发光。3.当小车脱离跑道后直接直线行驶。4.在跑道上运行时，始终保持只有一个电机在转动，且小车沿直线行驶。所需仪器设备：1、proteus.7仿真软件2.VisualC++.6.0C语言编程软件成果验收形式：1、实物验收2、实验报告验收.3、现场进行答辩参考文献：[1]胡辉.单片机原理及应用.中国水利水电出版社.2007.9月第一版[2]谭浩强、C语言程序设计（第二版）。清华大学出版社[3]康光华、电子技术基础模拟部分（第四版）、高等教育出版社时间安排2014年6月20日至2014年6月30日期间指导教师：王晓教研室主任：王晓2014年06月15日注：本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。课程设计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。3内容摘要本设计主要有单片机模块、地面寻线模块、发光二极管模块，电机驱动模块以及电源模块组成，小车具有自主寻迹的功能。本次设计采用ATMEL公司的AT89C2051单片机作为控制芯片，传感器模块采用红外接收管和比较器实现，能够轻松识别黑白两色路面，同时具有抗环境干扰能力，电机模由LM393芯片和两个直流电机构成，组成了智能车的动力系统，电源采用5V的直流电池，经过系统组装，从而实现了小车的自动循迹的功能。索引关键词：智能小车AT89C2051单片机LM393红外接收管4目录一概述………………………………………………………………1二方案设计与论证……………………………………………………………8三单元电路设计及各模块具体电路…………………………………………33.1.电路中51单片机芯片介绍…………………………………………133.2最小系统部分电路……………………………………………………193.3控制模块电路电路…………………………………………………203.4电机驱动及二极管模块电路………………………………………………203.5寻线检测模块部分电路……………………………………………………213.6软件设计……………………………………………………22四总原理图及元器件清单4.1总原理图……………………………………………………234.2元器件清单……………………………………………………23五安装与调试5.1．电子元器件的装配……………………………………………………245.2.机械装配……………………………………………………255.3．总装……………………………………………………25六性能测试与分析6.1测试方法及注意事项……………………………………………………266.2源程序………………………………………………………………26七结论…………………………………………………………………………………27八心得体会…………………………………………………………………………………28九参考文献…………………………………………………………………………………295一、概述目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。当时斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen和charlesRosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备。(1)计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作(2)摄像机，用来获得道路图像信息(3)传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统团。上一层技术是下一层技术的基础。三个层次具体如下6(1)智能感知系统，利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及驾驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道、并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等.驾驶员状态监控系统包括驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。(2)辅助驾驶系统，利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。主要包括巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。(3)车辆自动驾驶系统，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。这种智能小车的主要应用领域包括以下几个方面:(1)军事侦察与环境探测现代战争对军事侦察提出了更高的要求，世界各国普遍重视对军事侦察的建设，采取各种有效措施预防敌方的突然袭击，并广泛应用先进科学技术，不断研制多用途的侦察器材和探测设备，在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备，通过光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务，进一步扩大侦察的范围，提高侦察的时效性和准确性。(2)探测危险与排除险情在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。这时，智能化探测小车就会发挥很好的作用。战场上，可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。民用方面，可以探测化学泄漏物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到7废墟中寻找被埋人员等。(3)安全检测受损评估在工程建设领域，可对高速公路自动巡迹，进行道路质量检测和破坏分析检测对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。(4)智能家居在家庭中，可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器，控制室温等等。对这种小车的研究，将为未来环境探测术上的有力支持。课题研究的目的和意义：目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理”。通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。8二、方案设计与论证2.1:：设计内容概述:作为一个初学者,我只是着重于设计调试智能小车中一项颇具代表性的功能,就是循迹,最终设计出来的成品经调试成功后,可以按照自己设置好的路线(轨迹),，并且可以自动转向。2.2：系统简介：本系统的寻线传感器使用的是红外线接收管，并使用LM393电压比较器将红外线接收管的模拟信号转为单片机能识别的电平信号。嵌入式控制核心采用的是51系列单片机AT89C2051。采用AT89C2051位嵌入式控制核心主要是成本和性能的兼顾，AT89C2051和AT89X51在不适用外部ROM，RAM时功能和指令时一样的，而且AT89C2051具有更小的体积，适合初学者使用。2.3：系统组成：1、设计主要分为以下几个模块:1）路面检测模块；2）电源模块为约为5V；3）单片机模块；4)电机及驱动模块;5）发光二极管模块1）：路面检测模块：用红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线9则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。2）电源模块：电源采用直流电源，为两节五号电池供电。为电机驱动电路板、传感器模块板和单片机主控制板提供能源，由于AT89C2051能耗低，故6v电压可以满足寻迹要求。3）单片机模块；采用AT89C2051单片机作为主控制器。它是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。4）电机及驱动模块；1、电机模块：车体采用四轮结构，前轮驱动；为三级减速机构，有一级蜗轮蜗杆传动，两级直齿轮传动。电机采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。102、驱动模块驱动模块采用专用芯片LM393作为电机驱动芯片。5）发光二极管模块；用两个发光二极管连接到芯片上，通过程序控制，让它只有在电机转动时才能发光。2、系统框图：2.4：课程设计的理论基础及工作原理。首先智能小车是如何实现循迹功能的呢？那么这就涉及到了红外线接收管的概念：红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），电源电路AT89C2051单片发光二极管模块直流电机的驱动模块路面寻线模块11称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对（简称：光生载流子）。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。而此次设计中我用的是黑色红外线接收管，也就是说当接收管检测不到黑色的反射光时，通过它的电流很小，即电路不能工作，反之，当接收管接收到了黑光的刺激，即电路开始工作，这也就说明循迹小车必