毕业设计（论文）-自动循迹、走迷宫小车论文.doc

桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 1 页 目录 目录目录.1 摘要摘要.3 第二章第二章 系统方案设计与论证系统方案设计与论证.6 设计任务和要求：设计任务和要求：.6 一设计任务 6 二 设计要求 .6 2.12.1 数据显示部分数据显示部分.7 2.1.22.1.2 设计论证方案二设计论证方案二 7 2.22.2 单片机主控电路部分单片机主控电路部分8 2.2.12.2.1 设计论证方案一设计论证方案一 8 2.2.22.2.2 设计论证方案二设计论证方案二 8 2.3 模块方案比较与论证8 2.3.1 车体设计车体设计.8 设计论证方案一 8 设计论证方案二 8 2.3.22.3.2 控制器模块控制器模块9 设计论证方案 1：.9 设计论证方案 2：.9 设计论证方案 3：10 2.3.3 电源模块电源模块10 设计论证方案 1：10 设计论证方案 2:：.10 2.3.4 寻迹传感器模块寻迹传感器模块.10 设计论证方案 1：10 设计论证方案 2：11 设计论证方案 3：11 2.3.5 电机模块电机模块11 设计论证方案 1：11 设计论证方案 2：12 2.3.6 电机驱动模块电机驱动模块12 设计论证方案 1：12 设计论证方案 2：12 2.4 最终方案最终方案12 第三章第三章 硬件实现及单元电路设计硬件实现及单元电路设计.13 3.13.1 微控制器模块的设计微控制器模块的设计13 3.1.23.1.2 at89s52at89s52 单片机功能特性单片机功能特性.14 3.1.33.1.3 单片机单片机 at89s52at89s52 引脚功能说明引脚功能说明14 3.1.43.1.4 at89s52at89s52 与与 at89s51at89s51 的差别的差别16 3.1.53.1.5 字符型字符型 lcdlcd 液晶显示器液晶显示器 16021602.16 3.1.6 单片机最小系统设计最小系统设计17 3.23.2 避障传感器的设计与安装避障传感器的设计与安装.18 3.3 轨迹探测传感器的电路设计与原理轨迹探测传感器的电路设计与原理.18 3.43.4 霍尔元件霍尔元件.19 3.5 电机驱动的电路电机驱动的电路21 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 2 页 第四章第四章 主程序流程图主程序流程图.23 4.1 软件设计的主程序流程图：软件设计的主程序流程图：.23 4.2 传感器数据处理及寻迹、避障程序流程传感器数据处理及寻迹、避障程序流程24 第五章第五章 系统功能测试系统功能测试.24 5.1 测试仪器及设备测试仪器及设备24 5.25.2 寻迹小模块测试寻迹小模块测试.25 5.3 功能测试功能测试25 第六章第六章 结论结论.26 第七章第七章 结束语结束语.26 第八章第八章 参考文献参考文献.28 1 源程序 .29 2 原理图 .32 3 pcb 图33 4 元件清单 .35 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 3 页 摘要 本寻迹小车是以纸板积压板为车架，以 at89s52 单片机为控制核心，加以直流 电机、光电传感器、避障传感器和电源供电电路以及其他电路组成。系统由 at89s52 通过 io 口控制小车的前进后退以及左右转动，由 sl043 型光电传感器进 行寻迹以及由 e-18 d80nk 红外避障传感器完成。 关键字：at89s52 光电传感器 避障传感器 自动寻迹电动车 abstract:abstract: thethe smart carcar isis tracingtracing backlogbacklog boardboard forfor cardboardcardboard frameframe，byby at89s52at89s52 singlesingle chipchip processorprocessor asas thethe corecore，toto dcdc motor,motor, photoelectricphotoelectric sensor,sensor, andand thethe powerpower supplysupply circuitcircuit conditioncondition declivitousdeclivitous sensorssensors andand otherother circuit.circuit. systemsystem byby at89s52at89s52 throughthrough thethe mouthmouth ioio controlcontrol trolleytrolley forwardforward andand backwardbackward rotation,rotation, andand byby sl043sl043 typetype oror photoelectricphotoelectric sensorsensor forfor tracingtracing andand byby e e - - 1818 d80nkd80nk infraredinfrared sensor.sensor. conditioncondition declivitous.declivitous. keywords: at89s52 photoelectric sensor condition declivitous sensor automatic electric tracing. 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 4 页 第一章第一章 绪论绪论 单片机自 1976 年由 intel 公司推出 mcs-48 开始，迄今已有二十多年了，由于 单片机集成的高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便价格低廉等，一 系列优点，现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（cpu） 、随机存取数据存储 （ram） 、只读程序存储器（rom） 、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时 钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 a/d 转换器、pmw（脉宽 调制电路） 、wdt（看门狗） 、有些单片机将 lcd（液晶）驱动电路都集成在单一的芯 片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。 目前单片机已经渗入到人们的工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所 不为” 。单片机的应用领域在我们的日常生活中广泛应用于仪器仪表、家用电器、医 用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几 个范畴：在智能仪器仪表的应用：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展 灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器， 可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬 度、元素、等物理量的测量。在家用电器中的应用：可以这样说，现在的家用电器 基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音 响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。在工业控制中的应用：用 单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管 理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。在计算 机网络和通信领域中的应用： 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计 算机进行数据通信，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电 话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中 随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。单片机在医用设备领域中 的应用：单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪， 监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商、金融、科研、 教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。 在进入信息时代的今天，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确 可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段，在现代工 业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个 参数，使得设备工作在正常状态或最佳状态，并使得产品达到最好的质量，因此， 可以说，没有众多的优良的传感器，现代化的生产也就失去了基础。传感器的技术 发展无论是在工业生产，海洋探究，环境保护，资源调查生物工程，以及日常生活 中都已经得到了广泛的应用领域，无论是简单或者是各种复杂的工程系统，几乎每 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 5 页 一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。 由于它应用之广泛，因此它的性能好坏直接影响系统的性能。对其的应用不仅 必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接 口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用 实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结 合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。 随着时代的进步和发展，人类不断的需求，科技不断的进步。温度计所给人类 带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的 要求越来越高。由于老式温度计的精确度低，测量范围小，无法满足现代化生活:工 业、教学、科研、旅游等等各个领域的需求。随着集成电路技术的发展，单片微型 计算机的功能也不断增强，由于单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各 个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本设计将介绍一种基于单片机控制的数字温 度计，它属于多功能温度计。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具 有读数方便，测温范围广，测温准确等优点。该温度计以 at89s52 为主控器，通过 ds18b20 来检测温度，并通过 lcd 显示器以串口传送数据,实现温度显示。同时可以 设置上下线报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。数字温度计是单总线 器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，十分方便。 当前的电动小车基本上是才取的是基于纯硬件的一种开环控制方法，或者是在 遥控下前进、后退、停止等基本功能。但他们不能实现在某些特殊情场合下，我们 需要自动控制的小型设备的采集到一些有用的信息的功能。本文正是在这种需要之 下开发设计的一种自动寻迹小车的控制系统。它以 at89s52 为控制核心，附以外围 电路，采用红外收发探测器等传感器件来检测信号和障碍物；充分利用 io 口、运放 以及处理能力来实现自动寻迹直走、转弯、停止并显示路程、时间和发出灯光、声 光警示、躲避障碍物、寻找合适的路线行驶，最后停在 d 点处等自动控制系统。 第二章 系统方案设计与论证 设计任务和要求：设计任务和要求： 一设计任务 设计一台智能电动小车，行进路线如图： 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 6 页 注：图中标示数值单位：米；实线为挡板。注：图中标示数值单位：米；实线为挡板。 二 设计要求 1基本部分基本部分 （1）从起跑线 a 出发，沿轨迹至 b，最后经 c 到达停止线 d，总时间要求 在 90 秒内完成，并能实时显示时间。 （2）赛场分、三个区。到区入口处 b 点，应停留 5 秒，并能发 出断续声光报警。 （3）到停止线 d，小车车身中心点（选手可以事先在小车上标注）应对准 停止线，误差控制在2cm，并能发出断续声光报警。 2 2发挥部分发挥部分 （1） 能实时记录并显示行驶路程。 （2） 尽量缩短行驶总时间。 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 7 页 （3） 行驶过程中不碰壁。 其它 （1）小车从起跑线 a 出发，在规定区域内沿固定轨迹运行至 b，最后经 c 到 达停止线 d，总时间要求在 90 秒内完成，并能实时显示时间。 （2）小车所运行区分、三个区。当到达区入口处 b 点红外发射管， 停留 5 秒，并能发出断续声光报警。 （3）到停止线 d，小车车身中心点（选手可以事先在小车上标注）应对准停止 线，误差控制在2cm，并能发出断续声光报警。 2.1 数据显示部分 2.1.12.1.1设计论证方案一设计论证方案一 动态显示。动态显示方式,可以避免静态显示的问题。但设计上如果处理不当, 易造成亮度低,闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳 定,无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式, 复用的程度不是无限 增加的, 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂 留效应和发光二极管发光时间的长短, 发光的亮度等因素. 我们通过实验发现, 当扫 描刷新频率(发光二极管的停闪频率) 为50hz, 发光二极管导通时间1m s 时, 显示 亮度较好,无闪烁感。 2.1.22.1.2 设计论证方案二设计论证方案二 此方案采用1602lcd液晶显示，1602型lcd显示模块具有体积小，功耗低，显示内 容丰富等特点。为了便于学习1602型lcd显示模块工作原理和编程技巧，我们这次设 计采用了1602lcd作为显示模块。 2.2 单片机主控电路部分 2.2.12.2.1 设计论证方案一设计论证方案一 此方案采用at89s52八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程 实现各种各样的算术算法和逻辑控制。但是，at89s52单片机需要用仿真器来实现软 硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且at89s52的地位已经渐渐的被 at89s52所取代。逐渐成为历史。事实也证明了at89s52在工业控制上有着广泛的应 用。 2.2.22.2.2 设计论证方案二设计论证方案二 此方案采用 at89s52 八位单片机实现。它除了 89c51 所具有的优点外，还具有 可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。当与凌阳十六位单片机相比 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 8 页 时，at89s52 八位单片机的价格便宜，再编程方便。而且 at89s52 在工业控制中有 广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。这对于在网上查找相 关资料和在图书馆查找相关资料时非常方便 2.32.3 模块方案比较与论证 根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、避障 传感器模块。直流电机及其驱动模块等模块构成。 为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。 2.3.1 车体设计 设计论证方案一 购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动 电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装 配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮 转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转 90 度甚至 180 度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空 载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放 弃了此方案。 设计论证方案二 购买电动车车架，经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动且转向的 方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾 部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动 车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的 90 度和 180 度的转弯。 当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车 在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。 为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。 综上考虑，我们选择了方案 2。小车底盘如图 2 所示： 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 9 页 车底底盘如图（车底底盘如图（2 2）所示）所示 2.3.22.3.2 控制器模块控制器模块 设计论证方案 1： 采用可编程逻辑期间 cpld作为控制器。cpld 可以实现各种复杂的逻辑功能、 规模大、密度高、体积小、稳定性高、io 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行 的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。 但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使 用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。 设计论证方案 2： 采用凌阳公司的 16 位单片机，它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力高、 集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理 速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨 识时，由于其占用的 cpu 资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能 力降低。 本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片 机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 10 页 的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。 设计论证方案 3： 采用 atmel 公司的 at89s52 单片机作为主控制器。at89s52 是一个低功耗，高 性能的 8 位单片机，片内含 64k 空间的可反复擦些 100,000 次的 flash 只读存储器， 具有 64k 的随机存取数据存储器（ram） ，32 个 io 口，2 个可编程定时计数器，2 个外部中段，1 个串口中断等。且 at 系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实 现程序的下载与整机的调试。 从方便使用的角度考虑，我们选择了方案 3。 2.3.32.3.3 电源模块电源模块 由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。 设计论证方案 1： 采用 12v 蓄电池为直流电机供电，将 12v 电压降压、稳压后给单片机系统和其 他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电 池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，同时我们的车体设计时空间 不够。因此我们放弃了此方案。 设计论证方案 2:： 我们才采用两组 4 节 1.5v 电池来供电，別为单片机和各模块供电和直流电机供 电，这样小车空间又足够，方便使用分配空间，且能够为单片机和电机提供足够的 驱动电流。且工作流小，易于制作。 综上考虑，我们选择了方案 2。 2.3.42.3.4 寻迹传感器模块寻迹传感器模块 设计论证方案 1： 用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而 变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发 射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变 化值经过比较器就可以输出高低电平。 但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳 定的方案。 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 11 页 设计论证方案 2： 用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线， 当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则 检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出 高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定， 且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。 设计论证方案 3： 用 tcrt5000 型光电对管。tcrt5000 是一种一体化反射型光电探测器，其发 射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。 trct5000 采用 dip4 封装，其具有如下特点： 塑料透镜可以提高灵敏度。 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 体积小，结构紧凑。 当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电 路简单，工作性能稳定。 因此我们选择了方案 3。 2.3.52.3.5 电机模块电机模块 本系统为智能自动寻迹电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择 就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑 了一下两种方案。 设计论证方案 1： 采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可 以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机 的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低， 不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。 设计论证方案 2： 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。 我们所选用的直流电机减速比为 1：74，减速后电机的转速为 100r/min。我们 的车轮直径为 4cm，因此我们的小车的最大速度可以达到 v=2rv=2*3.14*0.02*100/60=0.209m/s 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 12 页 能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案 2。 2.3.62.3.6 电机驱动模块电机驱动模块 设计论证方案 1： 采用专用芯片 l298n 作为电机驱动芯片。l298n 是一个具有高电压大电流的全 桥驱动芯片，它相应频率高，一片 l298n 可以分别控制两个直流电机，而且还带有 控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 设计论证方案 2： 对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构 简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。 因此我们选用了方案 1。 2.4 最终方案 经过反复论证，我们最终确定了如下方案： （1）车体用现有的自动车车架。 （2）采用 at89s52 单片机作为主控制器。 （3）用 4 节 1.5v 电池经稳压后为直流电机供电和 4 节为单片机系统和其他芯 片供电。 （4）用 tc rt5000 型光电对管进行寻迹。 ( 5 ) 用 e18-d80n 红外避障传感器来避障。 （6）l298n 作为直流电机的驱动芯片。 系统的结构框图如图 3 所示： 图图 3 3 主控芯片 ta89s52 l298 主控芯片 ta89s52驱动电 机 寻迹传感器避障传感器 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 13 页 第三章 硬件实现及单元电路设计 3.1 微控制器模块的设计 采用 atmel 公司的 at89s52 单片机，不用烧写器而只用串口或者并口就可以往 单片机中下载程序。 我们在开发过程中直接使用自己做的最小系统板，不用在另外的开发板上下载， 方便程序的调试和整机的测试，由于本次设计要求中，小车需要完成的任务比较简 单，因此我们只在小车系统板的单片机系统中保留了晶振和复位电路，取消了 jtag 编程口等冗余电路。 3.1.13.1.1 单片机单片机 at89s52at89s52 简介简介 at89s52 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes isp(in- system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 mcs-51 指令系统及 80c51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元，功能强 大的微型计算机的 at89s52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 at89s52 具有如下特点：40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（ram） ，32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个中断优先 级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗 （wdt）电路，片内时钟振荡器。 芯片示图 32 如下 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 14 页 图图 3 32 2 at89s52at89s52 芯片示图芯片示图 3.1.23.1.2 at89s52at89s52 单片机功能特性单片机功能特性 兼容 mcs-51 指令系统 32 个双向 i/o 口 2 个 16 位可编程定时/计数器 全双工 uart 串行中断口线 2 个外部中断源 中断唤醒省电模式 看门狗（wdt）电路 灵活的 isp 字节和分页编程 4k 可反复擦写(1000 次）isp flash rom 4.5-5.5v 工作电压 时钟频率 0-33mhz 128x8bit 内部 ram 低功耗空闲和省电模式 3 级加密位 软件设置空闲和省电功能 双数据寄存器指针 3.1.33.1.3 单片机单片机 at89s52at89s52 引脚功能说明引脚功能说明 （1）vcc：供电电压。 （2）gnd：接地。 （3）p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。 当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储 器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口， 当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 （4）p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能 接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 口 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和 校验时，p1 口作为第八位地址接收。 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 15 页 （5）p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为 输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上 拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八 位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 （6）p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为 输入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3 口也可作为 at89s52 的一些特殊功能口，如下所示： p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（记时器 0 外部输入） p3.5 t1（记时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 （7）rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高 电平时间。 （8）ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部 输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳 过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在 执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在 外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 （9）psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个 机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将 不出现。 （10）ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h- ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程期间，此引脚 也用于施加 12v 编程电源（vpp）。 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 16 页 （11）xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 （12）xtal2：来自反向振荡器的输出。 3.1.43.1.4 at89s52at89s52 与与 at89s51at89s51 的差别的差别 at89s52 相对于 at89c51 增加的新功能包括： 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比 89c51 更低！ isp 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯 片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 最高工作频率为 33mhz，大家都知道 89c51 的极限工作频率是 24m，就是说 s51 具 有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 具有双工 uart 串行通道。 内部集成看门狗计时器，不再需要像 89c51 那样外接看门狗计时器单元电路。 双数据指示器。 电源关闭标识。 全新的加密算法，这使得对于 89c51 的解密变为不可能，程序的保密性大大加强， 这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列产品。比如 8051、89c51 等等早期 mcs-51 兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的 单片机是 8051 还是 89c51 还是 mcs-51 等等），在 at89s52 上一样可以照常运行， 这就是所谓的向下兼容。 据从电子市场获得的消息，最直接的是编程器市场，老款不支持 at89sxx 的编 程器将真正、永远被淘汰。第二是仿真器市场，有客户将对 at89sxx 提出仿真要求。 第三是下载电缆线，因为 at89sxx 支持在线编程，很多客户需要这个功能。第四， 出版社、学校可能推出新的教材或技术资料。第五，at89s 在目前肯定不能被解密， 但迟早仍可以给解密行业带来巨大利润。 3.1.53.1.5 字符型字符型 lcdlcd 液晶显示器液晶显示器 16021602 1602 采用标准的 16 脚接口，其中: 第 1 脚：vss 为地电源 第 2 脚：vdd 接 5v 正电源 第 3 脚：v0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10k 的电位器调 整对比度 第 4 脚：rs 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存 器。 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 17 页 第 5 脚：rw 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 rs 和 rw 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 rs 为低电平 rw 为高电平时可 以读忙信号，当 rs 为高电平 rw 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：e 端为使能端，当 e 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：d0d7 为 8 位双向数据线。 第 1516 脚：空脚 1602 液晶显示模块可以和单片机 at89s52 直接接口，与 at89c51 连接一样，电 路如图所示。 图图3 35 5 16021602与与89c5189c51的连接的连接 3.1.6 单片机最小系统设计最小系统设计 单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条 件：（1）电源正常；（2）时钟正常；（3）复位正常。at89s52 的引脚如图 3-13 所示。 在 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 18 页 图 3-13 at89s52 的最小系统 at89s52 单片机的 40 个引脚中，电源引脚 2 根，晶振引脚 2 根，控制引脚 4 根 ， 可编程输入输出引脚 32 根。 3.2 避障传感器的设计与安装 通过讨论我们使用 e18-d80nk 号型的避障传感器，它是一种集发射与接收为一 体的光电传感器，具有探测距离远，受可见光干扰小，易使用，灵敏度好。其 原理为：当它检测到有障碍物时，输出口出现个低电平，否则一直高电平。他 的安装图如下图 4 所示： 图（4） 3.33.3 轨迹探测传感器的电路设计与原理轨迹探测传感器的电路设计与原理 经过我们的多次讨论，我们采用 ls043 来设计轨迹探测，它是一种红外收发的 传感器，由于它一直处于收发射状态，当发射出去的红外光发射到黑线上时， 它被黑线吸收，接收管没有接收到发射出去的红外光，输出端输出低电平。同 理当发出去的红外光发射到白色平面上时，由于平面发生漫反射，把发射出去 的红外光反射回到接收管，接收管接收到红外光后输出端输出高电平。电路原 理图如图 5 所示： 图（图（5 5） 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 19 页 通过调整电位器，可以调节探测器的灵敏度，通过这点可以顺利的完成黑线轨 迹的路程 3.4 霍尔元件 我们采用感应式的霍尔元件，它是一种采用半导体集成技术制造的磁敏电 路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿 电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个 数字电压讯号。 hall ic 是一种敏感器件，除了对磁敏感外，对光、热、机械应力均有不同程度的敏感，因 此在使用过程中，应注意如下几点： 机械应力：由于机械应力会造成 hall ic 磁敏感度的漂移，在使用安装中应尽量减少施加 到 ic 外壳和引线上的机械应力，引线根部 3mm 以内不得弯曲，其余部分弯曲时必须将引线根部 夹住，以防对内引线的影响，降低可靠性。 热应力：为避免 hall ic 的非正常损坏，焊接时，温度应低于 260，时间少于 4 秒，焊接 点距离 ic 引线上根部 3mm 以外。 hall ic 的工作电压不得超过说明书规定的 vcc，大部分 hall ic 开关均为 oc 输出。因此， 输出应接负载电阻 rl，如图（1） ，rl的值取决于负载电流 iol的大小，不得超负载使用。 由于 hall ic 是一种敏感器件，因此，它的磁感度在高、低温下的一定漂移是正常的。一 般情况下 t 变化60，温漂应不高于 30gs（高温 ic 不大于 15gs） 。因此，在磁路设计时，应 放出一定的磁灵敏度余量，即作用于 ic 表面磁场强度应高于实际 bh-l50gs 左右。 极限参数 参数符号量值单位 电源电压 vcc28v 输出截止态电压 vo28v 输出电流 io25ma 后缀 e -4085 工作环境温度 ta 后缀 l -40150 c 存储温度范围 ts-65150c 输出低电压温度特性 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 30 0 20 0 10 0 0 ta () iout=20ma vcc=4.5-24v 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 20 页 量值 参数 符 号 测试条件 最 小 典型最大 单 位 电源 电压 vccvcc=4.5v24v4.5-24v 输出 低电平电 压 vol vcc=4.5v, vo=24v io=20ma bbop -175400mv 输出 漏电流 iohvo=24v bbrp- 1. 0 10 a 电源 电流 iccvcc=24v, vo 开路-3.09.0ma 输出 上升时间 tr-0.22.0 s 输出 下降时间 tf vcc=12v,rl=820 cl=20pf -0.182.0 s 1. 霍尔元件测量磁场的原理和方法 如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁场垂直，薄片的 四个侧面分别引出两对电极（m、n 和 p、s） ，径电极 m、n 通以直流电流 ih，则在 p、s 极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差， 这样的小薄片就是霍尔片。 假设霍尔片是由 n 型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极 m、n 上通过 的电流由 m 极进入，n 极出来（如图） ，则片中载流子（电子）的运动方向与电流 is 的方向相反为 v,v,运动的载流子在磁场 b b 中要受到洛仑兹力 f fb的作用，f fb= =ev vb b，电 子在 f fb的作用下，在由 nm 运动的过程中，同时要向 s 极所在的侧面偏转（即向 下方偏转） ，结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（p 极所在侧面）带 正电，在上下两侧面之间就形成电势差 vh，即霍尔电势差。薄片中电子在受到 f fb作 用的同时，要受到霍尔电压产生的霍尔电场 e eh的作用。f fh的方向与 f fb的方向正好相 反，eh=vh/b , b 是上下侧面之间的距离即薄片的宽度，当 f fh+f fb=0 时，电子受力为 零达到稳定状态，则有 ee eh +(ev vb)b)=0 e eh= - v vb b 因 v v 垂直 b b，故 eh= b （ 是载流子的平均速度）vv 霍尔电压为 vh = b eh = b b。v 设薄片中电子浓度为n，则 is=nedb , =is/nedb。vv vh = isb/ned =kh isb 式中比例系数 kh = 1/ned，称为霍尔元件的灵敏度。 将 vh =kh is b 改写得 b = vh / kh is 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 21 页 如果我们知道了霍尔电流 ih，霍尔电压 vh的大小和霍尔元件的灵敏度 kh，我们 就可以算出磁感应强度 b。 实际测量时所测得的电压不只是vh，还包括其他因素带来的附加电压。根据其 产生的原因及特点，测量时可用改变is和b的方向的方法，抵消某些因素的影响。 例如测量时首先任取某一方向的is和b为正，当改变它们的方向时为负，保持 is、b的数值不变，取（is+，b+） 、 （is-、b+） 、 （is+、b-） 、 （is-，b-）四种条件进行测 量，测量结果分别为： v1= vh+v0+ve+vn+vrl v2=-vh-v0- ve+vn+vrl v3=-vh+v0-ve-vn-vrl v4=vh-v0+ve-vn-vrl 从上述结果中消去v0，vn和vrl，得到 vh = （v1-v2-v3+v4）-ve 4 1 一般地ve比vh小得多，在误差范围内可以忽略不计。 3.5 电机驱动的电路 我们采用电机驱动芯片 l298n 作为电机驱动，驱动电路的设计如图 6 所示： 图图 6 6 l298l298 电机驱动电路电机驱动电路 l298n 的 5、7、10、12 四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 22 页 现两个直流电机的 pwm 调速以及正反转等功能。 l298 是 sgs 公司的产品，比较常见的是 15 脚 multiwatt 封装的 l298n，内部同 样包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。 l298n 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高 可达 50v，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 io 口提供信号； 而且电路简单，使用比较方便。 l298n 可接受标准 ttl 逻辑电平信号 vss，vss可接 457 v 电压。4 脚 vs接电 源电压，vs电压范围 vih为2546 v。输出电流可达 25 a，可驱动电感性负 载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感 信号。l298 可驱动 2 个电动机，out1，out2 和 out3，out4 之间可分别接电动机， 本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机 的正反转。ena，enb接控制使能端，控制电机的停转。表 1 是 l298n 功能逻辑图。 该电路采用复合驱动，以保证电动机启动时 8a 的大电流要求， 。当输入 1 为高 电平，输入 2 为低电平时三极管 q1、q4、q6 道通，三极管 q2、q3、q5 截止，电动 机正转。当输入 1 为低电平，输入 2 为高电平时三极管 q2、q3、q5 导通，三极管 q1、q4、q6 截止，电动机反转。电动机转速调整则通过改变输入信号占空比来进行 的。以下是小车驱动电机控制电路。 （intput1 为向前，intput2 为向后） 单片机的工作电压是 5v，如直接控制复合三极管，电压通过三极管降压到达电 动机的电压只剩 4v，会严重影响电动机的驱动能力。因此经考虑我们运用了一块光 偶管将控制部分与驱动部分的电源隔离，这样不仅使电动机的驱动能力大大加强， 并且单片机的电压亦不会受电动机的影响。 桥试带电路的优点是原理简单、易控制、带负载能力强，在单片机的配合下， 通过调脉宽的方法，实现了对驱动电机的轻松调速，通过键盘对具体参数的修改， 可以使小车适应不同的电源。正因为采取了该项技术，使我们完成基本要求的过程 变得简单易行。 在速度控制方面，一般是通过加在电机两端的电压来实现的，可以是连续改变 （加直流电压） ，也可以是断蓄改变（加脉冲电压） 。基于简单使用考虑，我们采用 了脉宽调速，这种改变可以通过硬件或软件来完成。硬件实现的是通过改变振荡电 路中 rc 参数来调整充放电时间；而软件的做法是通过设置高电平及低电平的时间来 达到，且软件调整量化指标更高，调整更可靠，更方便，更准确。于是，键盘成为 一个必不可少的器件来提供人机交互。 脉冲频率对电机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带负载能力差；脉冲频 率低则反之。经实验发现，脉冲频率在 30hz 以上，电机转动平稳，但小车行驶时， 由于摩擦力使电机转速降低很快，甚至停转；脉冲频率在 10hz 以下，电机转动有明 显跳动现象，实际眼证明脉冲频率在 15-20hz 效果最佳。 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 23 页 第四章 主程序流程图 4.1 软件设计的主程序流程图： 否否 否 是 是 否 是 否 是 图（图（7 7） 开始 寻迹子函数 停止运动，结束，声光报警 避障子函数系统初始化 在 b 处停止 5 秒并报警 避障子函数 是否走完黑线轨迹 在在 b 处是否停止处是否停止 5 秒 是否到了 c 出口处 是否到达 d 处 桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文） 第 24 页 4.2 传感器数据处理及寻迹、避障程序