智能机器人小车报告

目录第一章前言1第二章方案设计与论证3一直流调速系统3二检测系统4三显示电路9四系统原理图9第三章硬件设计10一80C51单片机硬件结构10二最小应用系统设计11三前向通道设计12四后向通道设计15五显示电路设计17第四章软件设计20一主程序设计20二显示子程序设计24三避障子程序设计25四软件抗干扰技术26五“看门狗”技术28六可编程逻辑器件29第五章测试数据、测试结果分析及结论30致谢31参考文献32附录A程序清单33附录B硬件原理图41摘要AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用AT89S52单片机来实现避障和循迹功能，本系统采用AT89S52单片机为控制核心，利用红外线传感器检测道路上的障碍和绝缘带条，控制电动小汽车的自动避障，行驶，以及拐弯，自动寻迹等功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的软件、硬件设计方法及测试结果分析。采用的技术主要有（1）通过编程来控制小车的速度和寻迹；（2）传感器的有效应用；（3）新型显示芯片的采用关键词AT89S52单片机、红外发射器、红外检测器、调速、电动小车第一章前言本课题重点在于控制小车行驶的速度、黑带检测、转弯的精度。难点在于协调好小车行驶速度与转弯之间的关系，这样才能保证小车在行驶过程中不越界。本设计可以对其进行功能扩充（例如增加超声波传感器，使其具有测距和避障功能），将其应用于无人驾驶等。第二章方案设计与论证根据题目的要求，确定如下方案在现有电动车的基础上，加装红外发射器、检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制，以更好的完成寻迹功能。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52型单片机作为控制单元，因为该型单片机价格便宜，功能比较强大，性价比高。通过红外传感器、接触开关等器件来采集各类信息，送入主控单元单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。其中寻迹（黑带检测）采用市面上通用的发射管及接收头，经过单片机调制后发射。该系统比较灵活，更重要的是采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求，其中黑带寻迹采用红外线发射和接受原理。一直流调速系统通过脉冲控制加速减速，二检测系统检测系统主要实现光电检测，即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。1行车起始、终点及光线检测本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点。行车方向检测电路采用反射接收原理各配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后为低，发出一个电平跳变信号。此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经地面反射后被接收管接收，输出高电平信号；电动车经过黑色绝缘条时，发射端发射的光线被黑条吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送AT89S52单片机处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制车的行驶状态。线路图21A连接好的小车图见21B。图21A图21B利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。小车从起点出发后，一直保持前进状态病区再次状态下始终检测黑带，如果小车左侧某一路红外传感器监测到黑带，给单片机一个低电平，则小车向右侧拐弯，直到黑带到小车的中部；如果小车右侧某一路红外传感器监测到黑带，给单片机一个低电平，则小车向左侧拐弯，直到黑带到达小车的中部。并且通过串口工具测试红外发射探测器和接收器的工作情况。在发送脉冲给电机之前检查障碍物，可以大大改善机器人的行走性能。程序可以使用传感器输入为每个瞬间的导航选择最好的机动动作。第三章硬件设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。一AT89S52单片机硬件结构AT89S52具有以下标准功能8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。1定时器定时器2是一个16位定时/计数器，它既可以做定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择（如表2所示）。定时器2有三种工作模式捕捉方式、自动重载（向下或向上计数）和波特率发生器。如表3所示，工作模式由T2CON中的相关位选择。定时器2有2个8位寄存器TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2寄存器都会加1。由于一个机器周期由12个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。在计数工作方式下，寄存器在相关外部输入角T2发生1至0的下降沿时增加1。在这种方式下，每个机器周期的S5P2期间采样外部输入。一个机器周期采样到高电平，而下一个周期采样到低电平，计数器将加1。在检测到跳变的这个周期的S3P1期间，新的计数值出现在寄存器中。因为识别10的跳变需要2个机器周期（24个晶振周期），所以，最大的计数频率不高于晶振频率的1/24。为了确保给定的电平在改变前采样到一次，电平应该至少在一个完整的机器周期内保持不变。在捕捉模式下，通过T2CON中的EXEN2来选择两种方式。如果EXEN20，定时器2时一个16位定时/计数器，溢出时，对T2CON的TF2标志置位，TF2引起中断。如果EXEN21，定时器2做相同的操作。除上述功能外，外部输入T2EX引脚（P11）1至0的下跳变也会使得TH2和TL2中的值分别捕捉到RCAP2H和RCAP2L中。除此之外，T2EX的跳变会引起T2CON中的EXF2置位。像TF2一样，T2EX也会引起中断。捕捉模式如图31所示。图31二前向通道设计单片机用与测控系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道。因此，前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。1前向通道的含义当将单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件，这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量，如温度、压力、载荷、位移等，而计算机是一个数字电路系统。因此，在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路,故也可称为传感器接口通道。在单片机应用系统中，对信号输入、传感、变换应作广义理解，例如开关量的检测及信号输入，在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道是一个具有TTL电平的状态开关，如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。并不是所有单片机应用系统都有前向通道，例如时序控制系统，只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态；分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。这些应用系统没有被测对象，故不需要前向通道。2前向通道的设计本设计采用红外发射器、接收器作为前向通道的传感器。该方法计算简单，价格便宜，易于使用，结果相对准确，误差较小。该发射器中心频率为385KHZ,由单片机P1_3使红外发射器发送持续1毫秒的385KHZ的红外光，如果红外光被小车路径上的物体反射回来，红外检测器将给微控制器发送一个信号，让它知道已经检测到反射回的红外光。三后向通道设计1后向通道介绍在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现操作，因此，在这样的系统中，总要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口。根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的要求，后向通道具有以下特点（1）小信号输出、大功率控制。根据目前单片机输出功率的限制，不能输出控制对象所要求的功率信号。（2）是一个输出通道。输出伺服驱动系统控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。（3）接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。但后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害。但这些干扰易从系统的前向通道窜入。单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数模转换成模拟量控制信号。2电源的设计本设计的电源为车载电源。为保证电源工作可靠，单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率、大容量的蓄电池；而传感器的工作电源则采用了小巧轻便的干电池。第四章软件设计系统软件设计说明在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是1、单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；2、模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；3、模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序定时子程序中断子程序、调速子程序算法判断子程序构成。一程序清单常量声明INCLUDEINCLUDEDEFINELEFTIRP1_2/左边红外接受连接到P1_2DEFINERIGHTIRP3_5/右边红外接收连接到P3_5DEFINELEFTLAUNCHP1_3/左边红外发射连接到P1_3DEFINERIGHTLAUNCHP3_6/右边红外发射连接到P3_6DEFINEKPL70DEFINEKPR70DEFINESETPOINT4DEFINECENTERPULSE1500UNSIGNEDINTTIMEINTLEFTDISTANCE,RIGHTDISTANCE/左边和右边的距离INTDELAYCOUNT,DISTANCELEFT,DISTANCERIGHT,IRDETECTLEFT,IRDETECTRIGHTUNSIGNEDINTFREQUENCY529370,31230,33050,35700,38460中断程序VOIDTIMER_INITVOIDIE0X82/开总中断EA，允许定时器0中断ET0TMOD|0X01/定时器0工作在模式116位定时器模式定时器程序VOIDFREQOUTUNSIGNEDINTFREQTIME25650000/FREQTH00XFFTL0TIMETR01DELAY_NUS800TR00VOIDTIMER0_INTERRUPTVOIDINTERRUPT1LEFTLAUNCHLEFTLAUNCHRIGHTLAUNCHRIGHTLAUNCHTH00XFFTL0TIME控制程序VOIDGET_LR_DISTANCESUNSIGNEDCHARCOUNTLEFTDISTANCE0/初始化左边的距离RIGHTDISTANCE0/初始化右边的距离FORCOUNT0COUNT5COUNTFREQOUTFREQUENCYCOUNTIRDETECTRIGHTRIGHTIRIRDETECTLEFTLEFTIRIFIRDETECTLEFT1LEFTDISTANCEIFIRDETECTRIGHT1RIGHTDISTANCE第五章控制效果、测试结果分析测试方法与仪器1、测试仪器测试仪器包括秒表、数字万用表、信号发生器、示波器、串口调试软件、直流稳压电源等。2、测试方法数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数；信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输；直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电；秒表用于产品测试，按照任务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试。串口主要测试红外发射器和接收器的性能。第六章心得体会历时三个多星期的设计过程中，我们首先边查资料，边在实验室焊接小车的外用线路板。在焊接过程中，感觉到即使是一个简单的电路，要想很轻松的焊好，也不是很容易的事情。有时是“虚焊”的原因，有时可能是阻值选错。这使我深深感受到理论与实际间的差距。通过这样的设计，提高了我们的动手能力。每天在实验室除了焊接线路板，还可以上机编程，使我们软件调试知识也提高了。但是最后我们仍然舍弃了外用线路板，因为在使用外用线路板过程中，发现红外发射器和接收器的工作不是很好，功能不能完全发挥，影响性能很大，我们左思右想都没能解决掉，只能舍弃掉了，于是在车原有面包板上充分进行了利用。也能基本很好的实现了预计的功能。本设计采用的是AT89