基于AT89C51小车寻迹系统的设计.doc

毕业论文基于AT89C51小车寻迹系统的设计摘要：本次设计就是研究一款能自动跟踪给定路线的寻迹小车，该小车采用带有万向轮的简易三轮车，左右两个轮子各由一个直流电机控制，车后身的万向轮用来配合调整方向。该设计是以AT89C51单片机作为系统微控制器，寻迹模块采用两组高灵敏度的光电传感器ST168，对路面黑色轨迹进行检测。传感器输出信号经处理后送AT89C51单片机，单片机通过检测到的不同信号，调用相关程序，从I/O口输出两路脉宽可调的PWM波，PWM波经过电机驱动芯片L298N，分别用来控制小车上的左右两个电机的转速，从而改变小车的速度和方向，最终自动完成寻迹功能。测试结果表明，小车能跟踪任何弯道的给定路线。小车寻迹的过程无需人来操控，通过不断自动调用单片机的相关程序来改变小车方向，是一个自动化的寻迹过程。关键词：AT89C51单片机；光电传感器；脉冲宽度调制；寻迹The car tracing system designed by AT89C51Abstract： This is the project of the study which is given an automatic tracking following the car tracing line, This Smart car uses a tricycle with an universal wheel supporting the body，the rotation of the left wheel and right wheel are controlled by two Dc motors, The universal wheel in the back is used for adjusting the orientation.This design uses the AT89C51 which used widely in the micro controller of the system, the tracing model adopts two groups of high-performance photoelectric sensors ST168,which is used for tracing. The signal is input to AT89C51 after outputting from the sensor. AT89C51 calls the relevant programs to produce two channels of PWM by the detected signal. The two channels of PWM are used to control the speed of the left and right wheel by the motor drive chip L298N,so that the small tricycle can control the black tracks forward by changing the direction and speed. The result of determination exhibits that the whole system is of high reliability and practicability, and tracing function, The smart cars can track any corners of the given route.The processes of the car tracing do not need people to control, Through continuous automatic using microcontroller program which called the related to changes the direction of car, this is an automatic tracing process.Keywords: AT89C51SCM ;Photoelectric Sensor ;PWM;tracing目录前言1第1章 系统总体设计思路方案31.1 寻迹小车总体概况31.1.1 概况31.1.2 总体结构图31.2 小车寻迹的原理41.3 模块方案比较与论证51.3.1 车体的选择51.3.2 寻迹传感器方案的设计51.3.3 控制器模块61.3.4 电机方案的选择61.3.5 电机驱动模块选择71.3.6 小车系统总体设计方案7第2章 硬件实现及单元电路设计82.1 单元电路设计82.1.1 AT89C51主控芯片介绍82.1.2 电源电路的设计102.1.3 红外对管传感器ST168电路的设计112.1.4 驱动电路L298N的设计142.2 系统电路192.2.1 电路原理图192.2.2 电路工作原理20第3章 软件设计213.1 定时器T0、T1的功能和使用方法213.2 软件设计思路及流程图233.3 寻迹小车系统的软件程序29第4章 系统的安装与调试304.1 硬件系统的安装304.1.1 车体的安装304.1.2 红外对管传感器ST168的安装304.1.3 其他电路的安装314.1.4 硬件实物图314.2 硬件系统的调试314.3 硬件与软件的联机调试33参考文献35致谢词36附录37 附录1 基于AT89C51小车寻迹系统的设计整机电原理图 附录2 基于AT89C51小车寻迹系统的软件程序附录3 寻迹小车实物图附录4 英汉翻译前言在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息。都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术不可缺少的重要组成部分1。直流电机作为执行机构被广泛地应用于各类控制系统中，其驱动与转速精度是电机能够稳定工作的关键。与此同时，调速系统的电路结构和有关理论发展非常迅速，随着可控关断的电力电子器件的出现，由它实现的斩波与PWM 技术的应用也越来越广泛。为使智能车系统反应更为快速，该智能车应用AT89C51单片机和传感器系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良等特点。采用红外探测法实现寻迹功能，即将红外光电传感器固定在底盘前沿，利用其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，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。根据光电反射原理，调整车速。为保证智能车在行驶过程具有良好的平稳性，控制系统对直流电机驱动提出了较为理想的解决方案。当设计完成后，要求达到一个能在一定的弧度范围内，并利用小车的底盘、左右轮电机及其自动复原装置，能够平稳跟踪路面黑色轨迹。本次毕业设计研究的小车寻迹系统的主要内容，是一种基于AT89C51单片机的小车寻迹系统。该系统采用两组高灵敏度的光电对管，对路面黑色轨迹进行检测，并利用单片机产生的PWM波来控制小车速度。 其硬件电路设计包括四部分由：电源电路；AT89C51单片机系统；电机驱动电路；寻迹传感器。电路设计要求输出电压为5V，而且寻迹传感器的寻迹检测距离必须在8-15mm之间。基于AT89C51小车寻迹系统采用光电传感器可自动对小车前进方向的路径进行识别。路径识别模块能准确、快速、超前的采集路面信息，把它转变成电信号，传送到单片机中处理。通过此课题的研究学习，我将所学到的单片机知识也应用到了实际中去，了解了两组高灵敏度的光电对管，对路面黑色轨迹进行检测的原理，还掌握了电机驱动电路在电路设计中的作用。另外，通过此次综合毕业设计的制作，我对硬件软件的设计，及对专业知识及应用动手能力方面都得到了一个巩固和提高。本次毕业设计分4章。第1章介绍了寻迹小车的系统总体设计思路方案，给出小车总体概况；第2章介绍寻迹小车的硬件实现及单元电路设计，概括整机电路的工作原理；第3章介绍系统的软件设计，分模块设计；第4章介绍寻迹小车系统的安装与调试。第1章 系统总体设计思路方案1.1 寻迹小车总体概况智能寻迹小车的整个电路系统分为检测、控制、驱动三个模块。首先利用光电对管对路面信号进行检测，经过反相器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。1.1.1 概况小车是以AT89C51为核心，经焊接相关芯片用电路板自制加工而成，通过I/O口检测信号，输出信号到L298N驱动芯片，从而驱动左右两个直流电机控制小车的前进、停止、左转、右转，并在左右两边分别装两个发光二极管，左转时左边灯亮，右转时右边灯亮，车子转弯和灯亮就达到了一个同步，非常的直观。检测路面信号则为两组红外发射和接收管，两组红外发射和接收管同时对路面的黑色轨迹进行检测，当检测到黑色线时就发出低电平信号给单片机表明车子开歪了，单片机接收到信号就调用相应的程序来调节车子左右两个电机的转速，最终控制小车的方向；当四个传感器都没检测到黑色线时，输出高电平信号给单片机，表明车子正常在路面上行驶。该智能寻迹小车在没有人为干预的情况下，通过传感器对路面信号的传递，送给单片机再驱动电机的这样一个过程，能够自主运行，稳定的跟踪黑色轨迹。达到一个无需人为去控制的行驶过程2、3。1.1.2 总体结构图本设计制作的小车是一个简易的小车寻迹电路系统，整个系统基于普通玩具小车的机械结构，是一个三轮小车结构，后面配有一个万向轮，配合小车左右轮来控制方向，前面安装有两个轮子，利用了小车的底盘、左右两电机及小车的三个轮子，能够平稳的跟踪路面上的黑色轨迹。寻迹小车的外部总体框架结构图如图1-1所示，一个非常简易的小车结构图。图1-1 寻迹小车结构图1.2 小车寻迹的原理本次设计的寻迹是指小车在白色纸上寻着黑线行走，采用了四个传感器，利用红外探测法来检测黑色轨迹。红外传感器工作时是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，它会不断地向地面发射红外光，当四个传感器的其中一个发出的红外光遇到白纸上的黑线时，那么红外光就被吸收，小车上的红外对管的接收管就接收不到红外光即输出为1，但是由于单片机本身的处理问题，单片机上电时I/O口为高电平1，所以在红外对管外接了一个非门或者是比较器，但非门比比较器的分析容易，它们的最终结果是一样的。当检测到黑线时，送给单片机的信号应该是为低电平，单片机收到信号时就给予对应的处理，调用相应的程序，再将信号送给电机驱动芯片驱动电机控制左右两个轮子的转速，最终使车子在正确的轨道上行驶；当四个传感器都没有检测到黑线时，红外光是被反射的，小车上的红外对管的接收管就接收到红外光即输出为低电平0，通过非门处理后，送到单片机的信号为高电平信号，表明车子是正常开的，并没有开歪。单片机就是通过是否能收到反射回来的红外光为依据来调整小车的行走路径。本次设计关键是传感器的安装，传感器的探测距离是有限的，一般在离地面8-15mm处，超过这个距离的话，红外光会发散开来，接收管就无法正常接收路面信号4、5。小车在进行速度调整时是通过合理利用单片机的PWM控制口对电机进行转速的控制。通过控制PWM波的占空比来调节左右两个电机的转速，从而来控制小车方向。当占空比为百分之一百时，就相当于电机接了一个恒压源，电机是一直转动的；当占空比为百分之八十时，电机的转速就会变慢；当占空比为百分之五十了，电机的转速就会更加慢。由于电机在转动的过程中有惯性，通过改变占空比达到了改变电机的转速。这就是PWM技术，通过软件的反复调试会见到小车能非常准确的按着轨迹前进的结果。1.3 模块方案比较与论证根据设计要求，小车寻迹系统主要由：寻迹传感器模块及非门设计、微控制器模块、直流电机以及驱动电机模块等构成的。各个模块在整个小车的寻迹过程中都占有重要的地位，为了较好的实现各模块的功能，下面分别参照了几种方案并分别进行了论证，最终确定自己的设计方案。1.3.1 车体的选择方案1：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。但是一般的来说，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。因此此方案不怎么合理5。方案2：自己制作小车。经过反复的考虑论证，决定在网上买车，自己组装小车并将设计的电路板安装在车子的底座上。制作一辆简易的三轮车，左右两轮分别由左右电机驱动，后万向轮定向的方案，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，车尾部装一个万向轮。在安装时保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与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。对于车架材料的选择，鉴于方便性，我选择了电路板。即选择了方案2。1.3.2 寻迹传感器方案的设计这里的寻迹是指小车在带有黑色线的白色纸上，会自动寻着黑色线的轨迹行走，参考了以下两种方案。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。将阻值的变化经过比较器就可以输出高低电平了。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我考虑其他更加稳定的方案。方案2：由红外发射管和接收管做成的光电对管寻迹传感器ST168。红外发射管发出红外光，当发出的红外线照射到白色的纸后反射，若红外接收管能接收到反射回来的光线则检测出的是白线，输出就是高电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出的是黑线，输出就是低电平。外部环境对其具有一定的影响6。虽然还有其他的设计方案，但是有很多都不怎么容易实现，也有的不易买到，所以我选择了第二种方案。1.3.3 控制器模块方案1：采用凌阳公司的16位单片机，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AT89C51单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得单片机同时处理其他任务的速度和能力下降了。但是本系统设计是主要进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用单片机，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的简洁性考虑，我放弃了单纯的使用凌阳单片机而考虑其他的方案。方案2：采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控制器。AT89C51是一个低功耗，高性能的8位单片机，32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。从方便使用的角度和工作稳定性考虑，我选择了方案27。1.3.4 电机方案的选择由于小车要实现对路径的准确定位和精确测量，综合考虑了一下两个方案。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地定位，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，且在较高的转速时会急剧下降，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，我对此方案采取放弃态度。方案2：采用直流电机。直流电机转动力矩大，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，带动变速齿轮组，可以产生较大扭力。所以电机选择方案2比较合适。1.3.5 电机驱动模块选择方案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电路，操作方便，稳定性好，性能优良。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。因此采用方案17。1.3.6 小车系统总体设计方案一、经过反复论证，最终确定如下方案：（1） 车体采用带有万向轮的简易三轮车；（2） 采用红外对管传感器进行寻迹；（3） AT89C51单片机作为主控制器；（4） L298N作为直流电机的驱动芯片。二、系统结构框图，如图1-2所示。图1-2 系统结构框图第2章 硬件实现及单元电路设计2.1 单元电路设计2.1.1 AT89C51主控芯片介绍 一、AT89C51的管脚图单片机主控电路的主要元器件是AT89C51，其管脚图如图2-1所示： 图2-1 AT89C51管脚图AT89C51是一个低电压，高性能的CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案8。 AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。二、管脚说明 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。 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。 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。 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AT89C51的一些特殊功能口，如下表2-1所示： 表2-1 P3口特殊功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）INT0（外部中断0）INT1（外部中断1）T0（计时器0外部输入）T1（计时器1外部输入）WR（外部数据存储器写选通）RD（外部数据存储器读选通）ST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持ST脚两个机器周期的高电平时间。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。 /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。 /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）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。三、振荡器特性XTAL1、XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英晶体振荡器和陶瓷振荡器均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度9。2.1.2 电源电路的设计一、电源电路说明17805三端稳压器管脚图，如图2-2所示。图2-2 7805三端稳压器2电源电路分析在电源这个模块设计时可以考虑使用实验室的开关电源箱，也可以自己用干电池制作，但是考虑到小车的行进方便，就采用干电池给整个小车寻迹系统电路供电。本次设计共用了两组9V的蓄电池，一组9V电池给L298N电机驱动芯片提供工作电压，另一组9V电池经7805三端稳压器输出数字逻辑电压5V，5V电压送给L298N和AT89C51单片机工作，所有工作电压与地之间都要接去耦电容，起到一个滤除电压中的纹波电压，使得到的直流电压稳定平滑。系统需要的两种电源，电机工作电压Vm，逻辑数字电压5V。其中电机电压可采用9V蓄电池，此设计就采用9V电压，且是用两个9V电池并联起来使用的，因为采用单节9V蓄电池供给两个电机工作，电池的工作寿命比较短。这种做法有大量弊端，但却提供稳定可靠的功率，极大的方便了软件的调试。二、电源电路图如图2-3是通过9V蓄电池经三端稳压器7805经C8、C9滤波，在电源电路里起到抑制纹波电压，滤除高频干扰的作用，使得输出得到一个稳定平滑的逻辑数字5V直流电压。图2-3 逻辑5V电压产生电路2.1.3 红外对管传感器ST168电路的设计一、 红外对管传感器ST168介绍本次设计采用了两组红外对管传感器ST168，在连接两组传感器时需将它们的电源共在一起接逻辑5V，两组传感器的地也要共接在一起。每组传感器的工作原理都是一样的，下面就介绍一下传感器ST168的工作原理10。1.ST168传感器内部结构ST168光电传感器作为红外光的发射和接收器件，内部由二极管发出红外光，作为发射器件，由三极管作为接收器件。其内部结构和外接电路均较为简单，如图2-4所示。图2-4 ST168检测电路2ST168传感器的描述ST168采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。如图2-4当红外光碰到黑色线时，红外光会被吸收，导致传感器接收管接收不到信号，那么接收管集电极输出就为高电平，经比较器或非门输出为低电平；而当红外光碰到的是白色的线，则红外光会被反射出去，使得接收管接收到红外光信号，那么接收管导通即集电极输出为低电平，经比较器或非门输出为高电平。当传感器ST168安装的位置距离地面太远的话，红外光会发散开来，无法使接收管接收信号。所以ST168的检测距离是有约束的，它检测的距离是很短的，一般为815毫米，因为8毫米以下是它的检测盲区，而大于15毫米则很容易受干扰。经过多次测试比较，发现把传感器安装在距离检测物表面10毫米时，检测效果是最好11。二、传感器检测电路的设计1传感器设计原理图如图2-5是寻迹小车传感器检测电路的设计，电路运用了四个传感器安装在车前，并同时对路面进行寻迹。图2-5 寻迹小车传感器检测电路2原理图解说图2-5中R1R4起到一个限制发射二极管的电流的作用，发射管的电流和发射功率是成正比，但受其极限输入正向电流50mA的影响，用R1R4=1K的电阻作为限流电阻,限制电流过大而损坏发射二极管。Vcc=5V数字逻辑电压作为两组传感器的电源电压，测试发现发射功率完全能满足检测需要；接收管集电极电阻为R5R8起到一个限制接收电路的电流，一方面保护接收红外管；另一方面可调节检测电路的灵敏度。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号，所以在输出端增加了四个反相器74LS04，先将ST168输出电压反相，起到一个整波的作用，将波形变换成为一个矩形波，然后再送给单片机处理，最终控制电机转速。寻迹小车传感器检测电路在设计时使用了非门，而ST168检测电路中使用的是比较器输出信号。其实采用这两种方法最终的实验结果是一样的，它们的最终目的是相同的，都是为了规定，当单片机接收信号为低电平时表明小车开歪了，不在黑线上行驶；当单片机接收信号为高电平时表明小车行驶是正常的。在本次设计中采用了非门，非门的设计比比较器的设计要简单的多，外部硬件电路的制作也比较简单。当四个传感器其中一个检测到黑线，红外光被吸收，接收管的三极管就截至，接收不到红外光，接收管的集电极输出高电平经74LS04输出低电平送给单片机处理。四个传感器不断地在感应外界的路面，一直是工作的，传感器的红外光是一直在发射的。在传感器后面接有非门74LS04，这在小车寻迹电路中有着很重要的作用：首先非门在该电路中起到滤波整形的作用。当接收管接收不到红外光时三极管是截至的，输出是为高电平1为5V电压，而当接收管接收到红外光时三极管是导通的，三极管导通后基极和发射极之间有个管压降，是输出低电平，可是这低电平有一定的压降，并不是纯粹的低电平0，如果不是纯粹的0V低电平送给单片机的话，有可能单片机识别不出来。所以要把波整一下，变成一个标准的矩形波，将低电平整为0。其次，如果没有非门的话，单片机接收信号0表示小车没有开偏是正常行驶的，单片机接收信号1表示小车已经开歪了；有非门的话，单片机接收信号高电平1表示小车是正常行驶的，单片机接收信号0表示小车已经开歪了。但是对于单片机而言，它上电时I/O口都是为1的，所以为了分析方便与理解，在传感器后面加了非门。基本工作原理是：小车在赛道上行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线，如果红外线碰到白色赛道区域，经反射后，红外线被红外接收二极管接收，接收管导通，输出为低电平；如果红外线碰到黑色寻迹线被吸收，红外二极管接收不到红外线而截止，输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。2.1.4 驱动电路L298N的设计一、 电机驱动芯片L298N介绍寻迹小车整体的运行性能，首先取决于它的电池系统和电机驱动系统。寻迹小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。1.外形、管脚分布如图2-6所示。图2-6 L298N管脚分布L298N芯片有两个电源引脚VDD和VCC。VDD引脚接+9V电源用来给电机供电，VCC引脚接+5V电源用来给芯片供电，并作为逻辑高电平标准。2H 型桥式驱动电路直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 它的基本原理图如图2-7所示。全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、 S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导 通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。图2-7 电机H 型桥式驱动电路在小车动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S2导 通且S3、S4关断，到S1、S2关断且S3、S4导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。这个过程可用图2-8说明。 图2-8 电机H 型桥式驱动电路工作过程图因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。驱动电流不仅可以通过主开关管流通，而且还可以通过续流二极管流通。当电机处于制动状态时，电机便工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时烧毁12。开关管的选择对驱动电路的影响很大，开关管的选择宜遵循以下原则：1) 由于驱动电路是功率输出，要求开关管输出功率较大；2) 开关管的开通和关断时间应尽可能小；3) 小车使用的电源电压不高，因此开关管的饱和压降应该尽量低。3PWM 控制PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。如图2-7所示，若S3、S4 关断，S1、S2受PWM控制，假设高电平导通，忽略开关管损耗，则在一个周期内的导通时间为t，周期为T，波形如图 2-9，则电机两端的平均电压为： U=Vcc t/ T=Vcc ，其中，=t/T称为占空比，Vcc为电源电压（电源电压减去两个开关管的饱和压降）。图 2-9 PWM波电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的转速与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比1时，电机转速最大，越小，占空比相应就减小，电机转速也变慢5、7。PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，例如用555搭成的触发电路，但是这种电路的占空比不能自动调节，不能用于自动控制小车的调速。而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形，或通过时序模拟输出，最适合小车的调速。在此次设计中使用了AT89C51单片机，它是8位单片机，控制电机的调速范围大，使用方便。AT89C51单片机有32个I/O口，完全可以模拟任意频率、占空比随意调节的PWM信号输出，用以控制电机调速2、5。二、电机驱动电路设计1.原理图如图2-10是寻迹小车的电机驱动电路设计。电机驱动模块主要功能是将主控芯片AT89C51发出的信号通过L298N电机控制芯片转化为小车实际的动作。电机驱动芯片加大了由单片机输出的电流、功率，能更好的来驱动电机的转动。不然如果没有电机驱动电路，那么单片机是无法电动电机转动的，单片机提供不了足够的电流和功率使得电机转动起来。图2-10 寻迹小车的电机驱动电路2.原理图说明在单片机控制模块和电机中间加了电机驱动模块L298N，由于电机工作转动需要很大的电流和功率，而单片机直接输出的低电平0和高电平1是无法提供这么大的功率，也就无法带动电机转动起来工作的，所以要在两者之间加上电机驱动电路，加大由单片机输出的功率。由于电机是一个感性负载，所以电路工作时在电机两端会产生一个反向电动势，这个反向电动势不消除的话会对电源提供电路带来影响，使得电源提供的电压不稳定，对电源有干扰。所以现在为了避免电机转动时产生的反电势干扰电机电压，就采用了续流二极管，解决了反电势对电机电压的干扰问题。电机产生的反电势会通过二极管一路流掉，而不会去影响电源的电压。电路设计中L298N芯片就是通过一个有四个续流二极管组成的保护电路与电机相连，保护电路主要是用来在电机开启和关闭时续流之用的。L298N芯片的ENA和ENB引脚与AT89C51单片机的P2.1和P2.0相连接，用来接收由单片机产生的PWM波传给电机驱动电路进行调速。L298N芯片的IN1和IN2引脚分别和AT89C51的P2.7和P2.6引脚连接用来接收主控芯片输出的左电机的动作指令，并通过OUT1和OUT2来控制转向电机的正转与反转，最终功能的实现表现在小车的左转与右转。L298N芯片的IN3和IN4引脚分别和AT89C51的P2.5和P2.4引脚连接用来接收主控芯片输出的右电机的动作指令，并通过OUT3和OUT4来控制转向电机的正转与反转，最终功能的实现表现在小车的左转与右转。L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。总之，ENA、ENB接收单片机送来的PWM调速波用来控制左右电机的转速，但这波不能直接送给电机，因为由ENA、ENB输送的波没有那么大的功率，只有通过驱动电机后由输出端OUT1、OUT2处理后的PWM波才能送给电机控制其转速。IN1、IN2、IN3和IN4是用来控制电机方向用的。规定如下表2-2所示。表2-2 L298N逻辑规定表IN1IN2ENAOUT1OUT2正转100反转010立即停止11自由停止00000同样的对于另外一个电机的规定是相同的，参照表2-2所述。2.2 系统电路2.2.1 电路原理图基于AT89C51小车寻迹系统的设计整体原理图见附录1所示。2.2.2 电路工作原理给小车通电，接上电机电压9V和提供给7805的电源电压9V，经7805三端稳压器稳压后输出5V逻辑数字电压。此时四个传感器在5V电压的供给下开始工作，检测路面的信号，传感器离地面的距离为8-15mm,否则传感器发出的红外光会发散出去，使得接收管无法接收到路面信号。四个传感器一直处于工作状态，当四个传感器其中的一个检测到黑色信号时，红外光被吸收，接收管此时就处于截止状态，由ST168接收管的集电极输出高电平1，经74LS04反相器输出低电平0送给单片机AT89C51相对应的P1.0P1.3口，单片机根据输入的不同信号调用相应的程序，通过调节AT89C51产生的PWM波的脉冲宽度来改变小车的速度和方向。由单片机产生的PWM波经P2.0、P2.1输出送给L298N电机驱动芯片，经L298N处理后的PWM波，由OUT1、OUT2和OUT3、OUT4分别输出两个相对应的PWM波来带动左右两个电机转动，D1D8八个续流二极管用来防止由电机产生的反电势去干扰电机电压。小车最终是跟着黑色轨迹平稳的行驶，控制整个小车的运动，达到寻迹的功能。小车前面四个传感器只要其中一个检测到黑线就代表小车已经开歪了。当左内传感器L1检测到黑线时，通过改变单片机程序中控制左右电机的参数w0和w1的值，改变电机的转速，实现左小拐弯；当左外传感器L2检测到黑线时，此时也应通过改变单片机程序中控制左右电机的参数w0和w1的值，但是相对于左内传感器L1检测到黑线的情况w1的值要大一点，使得右电机的转速远大于左电机的转速，从而实现左大拐弯；当右内传感器R1检测到黑线时，通过改变单片机程序中控制左右电机的参数w0和w1的值，改变电机的转速，实现右小拐弯；当右外传感器R2检测到黑线时，此时也应通过改变单片机程序中控制左右电机的参数w0和w1的值，但是相对于右内传感器R1检测到黑线的情况w0的值要大一点，使得左电机的转速远大于右电机的转速，从而实现右大拐弯。根据实际情况，调用相关程序从而实现寻迹。当四个传感器都检测到黑色信号时，四个传感器的接收管都处于截止状态，L1、L2、R1、R2输出高电平1送给AT89C51的P1.0P1.3口，单片机调用程序，使得小车立即停止。当四个传感器都未检测到黑色轨迹时，四个传感器的接收管都处于导通状态，L1、L2、R1、R2输出低电平0送给AT89C51的P1.0P1.3口，单片机调用程序，小车没有开歪，仍然正常的行驶。第3章 软件设计3.1 定时器T0、T1的功能和使用方法 51系列的单片机内，直接与16位定时器T0、T1有关的特殊功能寄存器有以下几个：TH0、TL0、TH1、TL1、TMOD、TCON，另外还有中断控制寄存器IE、IP。TH0、TL0为T0的16位计数器的高8位和低8位，TH1、TL1为T1的16位计数器的高8位和低8位，TMOD为T0、T1的方式寄存器，TCON为T0、T1的状态和控制寄存器，存放T0、T1的运行控制位和溢出中断标志位。通过对TH0、TL0和TH1、TL1的初始化编程来设置T0、T1计数器初值，通过对TCON和TMOD的编程来选择T0、T1的工作方式和控制T0、T1的运行9。一、 方式寄存器TMOD特殊功能寄存器TMOD为T0、T1的工作方式寄存器，其格式如表3-1所示。表3-1 TMOD格式由表3-1可见， TMOD的低4位为T0的方式字段，高4位为T1的方式字段，它们的含义是完全相同的。GATE：门控制位。GATE和软件控制位TR、外部引脚信号INT的状态,共同控制定时器计数器的打开或关闭。CT：定时器