自动寻迹跟踪智能小车系统设计

1摘摘摘摘要要要要自动寻迹是基于自动导引小车（AGVAUTOGUIDEDVEHICLE）机器人系统。用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。实验中采用与地面颜色有较大差别的线条作引导，使用反射式红外传感器感知导引线和判断障碍物。系统控制核心采用P89C51RA单片机,系统驱动采用控制方式为单向PWM的直流电机。该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人工厂、仓库、服务机器人等领域。总计，智能小车系统中用传感器去检测颜色，检测到的红外信号由P2口输入，再通过软件分析，通过P1口输出相应的电机驱动信号控制小车，实现相应的动作来达到越过障碍物的目的；还有两个红外线传感器用于寻轨迹，检测到的信号输入到P3口再通过软件完成相应的控制动作；另外一个传感器便是霍尔传感器，它检测到的脉冲送入P3口，并进行记数，通过程序计算出小车的里程，并由LED显示出来。关键词关键词关键词关键词P89C51RA；红外传感器红外传感器红外传感器红外传感器；霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器2ABSTRACTTHEAUTOSEARCHINGFORTRACKISONTHEBASEOFTHEAGVAUTOGUIDEDVEHICLESYSTEMITMAKESTHECARDISCERNTHEROUTS,SOTHECARCANCHOOSETHERIGHTROUTESINTHEEXPERIMENTWETAKEUSEOFTHEGUIDINGWIREWHOSECOLORDISTINGUISHESFROMTHEBACKGROUNDTOGUIDETHECARANDTHEINFLECTEDINFRAREDSENSORTODISCERNTHEGUIDINGWIREANDOBSTACLESTHEP89C51RASINGLECHIPMICROCOMPUTERISUSEDFORTHECONTROLCOREINTHISSYSTEM,ANDTHEONEWAYPWMDIRECTCURRENTELECTROMOTORFORTHEMOTIVEFORCEORPOWERSYSTEMTHISTECHNOLOGYCOULDSERVETODRIVERLESSMOBILE,ROBOTFACTORY,WAREHOUSE,SERVICEROBOTANDETCINTHISSYSEM,THECARMAKEEXAMINETHECOLORWITHTHESENSORS,THEYWILLSENDTHESIGNALSTOTHEI/OPORT2OFTHEMICROCONTROLLERUNIT,ANDTHESIGNALSWILLBEANALYZEDBYTHESOFTWARE,WHICHGENERATETHECORRESPONDINGDRIVINGSIGNALSCONTROLLINGTHECAR,AVOIDINGTHEROADBLOCKSTHEANOTHERTWOSENSOESAREUSEDTOFINDTHEORBITTHATWESET,THEYWILLSENDTHESIGNALSTOTHEI/OPORT3OFTHECHIP,ANDTHESIGNALSWILLBEANALYZEDBYTHESOFTWARE,WHICHCREATETHECORRESPONDINGSIGNALSCONTROLLINGTHECAR,ALONGTHEREBITTHELASTSENSORISHALLSENSOR,ITGIVESPULSESTOTHECOUNTEROFTHESINGLECHIP,INTHELAST,BYTHEPROGRAM,THEDISTANCEWILLBECALCULATEDANDDISPLAYEDBYTHELEDKEYWORDSP89C51RAINFRAREDSENSORHALLSENSOR3目录摘要ABSTRACT第1章绪论111单片机的简介和发展112轨迹跟踪系统研究意义213设计任务及要求2第第第第22章章章章方案的分析与论证方案的分析与论证方案的分析与论证方案的分析与论证321主控系统分析与论证322机械系统分析与论证523电机驱动模块分析与论证524传感器系统分析与论证6241反射式红外传感器6242超声探测器的选型与工作方式7243金属探测器的选型9244光电探测器的选型925电源电路的选型分析与论证926里程检测模块分析与论证1027显示模块分析与论证11第第第第33章章章章硬件介绍与电路设计硬件介绍与电路设计硬件介绍与电路设计硬件介绍与电路设计1331P89C51简要说明13311管脚功能1432循迹电路设计17321循迹原理20322弯道情况及解决办法21323路径识别单元21324调速控制22325具体连接和控制2333显示模块的设计23331LED的特性23332LED显示器结构23333LED显示器分类24334LED的应用25335具体显示模块2634小车驱动设计2835ISP设计2936车轮转数及里程检测模块的设计与参数计算32第第第第44章章章章系统软件设计系统软件设计系统软件设计系统软件设计3341软件设计主流程图3342两侧检测黑线程序框图34结结结结论论论论35致致致致谢谢谢谢364参考文献参考文献参考文献参考文献37附附附附录录录录385第1章绪论11单片机的简介和发展我国开始使用单片机是在1982年，短短五年时间里发展极为迅速。1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界，在2003年7月，91STUDENTCOM（91猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为何有这样的魔力我们首先从它的构成说起单片机亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取内存（RAM）、只读存储器（O）、输入/输出埠（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机1。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微电脑（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智慧化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完2成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以,它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达13亿片，且每年以大约16的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单6片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机的开发及应用在我国是有着广阔前景的。12轨迹跟踪系统研究意义自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。13设计任务及要求机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。自动寻迹是基于自动导引小车（AGVAUTOGUIDEDVEHICLE）系统，要求小车实现自动识别路线，判断并自动规避障碍，选择正确的行进路线。采用与地面颜色有较大差别的线条作引导，使用传感器感知导引线和障碍判断。7第2章方案的分析与论证21主控系统分析与论证根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下三种方案并进行了综合的比较论证，具体如下。1仅采用CPLD作为核心部件的方案如图21所示选用一片CPLD（如EPM7128LC8415）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。2仅采用单片机作为核心部件的方案如图22所示采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种为较为理想的方案。里程检测循迹检测障碍检测CPLD避开障碍显示行驶里程、时间等指示灯显示行驶路线图21仅以CPLD为核心部件的系统8图22仅以单片机为核心部件的系统单片机单片机单片机单片机里程检测循迹检测障碍检测避开障碍显示行驶里程、时间等指示灯显示行驶路线针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了P89C51RA单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动、显示等诸多因素后，我们决定采用以一片单片机作为核心部件，充分利用P89C51RA单片机的资源。因其功能强大，程序空间多达8K足够本次设计使用。这种方案是一种较为理想的方案。因此是我的首选。3采用单片机与CPLD联合控制的方案利用CPLD的高速精准的计数特点进行计数以向单片机给出信号以得出准确的里程、时间数值，大大节省了单片机的资源以做控制之用，同时可以在很大程度上减小MCU的程序量。该系统综合了MCU及CPLD的优势，是三个方案中效果最好的一个方案。但是此系统有结构复杂，成本较高，且开发周期较长的缺点，在充分考虑到系统的需要及开发周期的情况下，我们决定选用第2种方案，即“仅采用单片机作为核心部件的方案”。922机械系统分析与论证本题目要求小车的机械系统稳定、简单，而四轮运动系统具备以上特点。因此我们选用市售玩具汽车的运动系统并进行了改装1驱动部分由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。2显示部分将显示模块放置小车前部上方，利于观察。3电池的安装将电池放置在车体的正下方，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。23电机驱动模块分析与论证电机驱动模块是本次设计的一个重要部分,它是使小车行驶的动力根源。所以要选择一个合适的驱动电路适合小车的行走,如果转速太大的话会使小车转弯或停止不是很流畅,因为小车在行驶路线中要避开障碍物,避开后还要沿着原来的轨迹行走,所以要求速度得尽量均匀些,所以对电机的要求提出了四种放方案如下。1采用步进电机步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，能够达到我们所要求的标准。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即是步进电机启动或反转。其转换灵敏度比较高。正转、反转控制灵活。但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。2采用继电器对电动机的开或关进行控制通过开关的切换对小车的速度进行调整此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。3采用电阻网络或数字电位器此种方法可以调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实10现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。4采用功率三极管作为功率放大器采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型保证了简单的实现转速和方向的控制；电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。24传感器系统分析与论证241反射式红外传感器反射式红外发射接收装置，只有物体反射红外光的时后才有信号输入，其信号的强度与小车到障碍物的距离是成正比的。因此可利用信号的强度来判断障碍物及避开障碍物。（1）红外探测器的选型红外探测器按其工作模式可大致分为主动式与被动式，主动式红外探测器自带红外光源，通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段可以完成对被探测物体位置的判别。被动式红外探测器本身没有光源，通过接受被探测物体的特征光谱辐射来测量被探测物的位置、温度或进行红外成像。直流直接驱动方式装置简单但检测距离和抗干扰能力都比较差；交流调制方式由于可以采用交流耦合方式解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离，同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由滤波器加以隔绝，因此交流调试方式抗干扰能力也比较强，缺点是系统相对复杂。在本体中我们要利用红外探测器检测障碍物的距离，显然选用主动式红外传感器比较合适，系统的造价可以降11低可靠性可以提高。主动式红外传感器又可分为分立元件型、透射遮挡型和反射型。分立元件型发光管和接收管是相互独立的，用户在使用时候可以根据需要灵活的设定发光管与接受管的不同位置，缺点是装置相对来说比较麻烦。透射遮挡型和反射型通过塑料模具将发光管与接收管封装在一起，非常方便用户使用，在本题中对障碍物的检测我使用反射型红外传感器。（2）主动式红外探测器的驱动方式主动式红外探测器自带红外光源，能够通过对光源的遮挡、反射、折射等方式来完成对被探测物体位置的判别。主动式红外探测器的工作方式选取主要是直流与交流的选取，最通用的驱动方式可分为直流直接驱动方式和交流调制方式，直流直接驱动方式搭建起来比较简单但在检测距离和抗干扰能力方面都比较差；交流调制方式由于可以采用交流耦合方式解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离。但其也有缺点，系统太庞大、结构复杂，对于比较大型的来说是一种理想的选择，利用红外探测器检测障碍物的距离，显然选用主动式红外传感器比其他它的更优越一些。242超声探测器的选型与工作方式（1）超声探测器的选型在当前科技高速的运转中，超声波传感器已成为被广泛应用的一种高科技技术，超声探测技术主要应用于中程测距、结构探伤等领域，超声波换能器是其核心部件，换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器三种；按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器；按其工作频率又可分为38KHZ、40KHZ等不同的等级。（2）用超声波探测器测距的工作方式的选取当利用超声波探测器测距时通常用的两种方法强度法和反射时间法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近,但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效其原理如图23所示，由于直接耦合信12号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图24所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式2TVS其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（21TTT），可以计算出路3程。采用反射式超声波换能器，只有物体反射超声波时才有信号输入，测量发射接收信号间的时间差T2T1，利用L05VT2T1得到障碍物的距离，将该信息送给单片机，单片机发出控制信号改变小车的转向，使小车不与障碍物发生接触。该方法适合较远距离障碍物检测。反射式超声波换能器成本高，电路设计复杂，因为不要求检测的很远，于是选自了反射式红外传感器，在本题中对前方障碍物的检测因为要求检测距离较远，受到环境光的干扰比较大，因此我们选用抗干扰能力较强的交流调制工作方式；这样采用交流的可以使小车的抗干扰力更强，而对小车侧面障碍物的检测由于要求检测距离较近，外界干扰相对较弱，对于驱动方面就相对于要求不是很高，所以为简化设计我们选用直流直接驱动方式。图24反射时间法直接耦合信号被测物反射信号图23强度法示意图13243金属探测器的选型金属物体的非接触探测常用的方法有两种，对于铁、钴、镍等磁性金属常使用磁场传感器如霍尔器件，而对一般的金属材料我们通常利用磁路敞开的线圈来进行检测，当金属材料靠近磁路敞开的线圈时，线圈的电感量和Q值都会改变，通过测量线圈这两个参量的变化就可以知道金属材料的位置，电感量的测量一般是将线圈接入到LC振荡器中，用测量频率的方法来间接的测量电感量，但由于电感量的变化不会很大加上LC振荡器的频率稳定度比较低，事实上这种方法并不理想。线圈的Q值测量比较麻烦，但很多情况我们并不需要精确的知道Q值，只需知道Q是否改变就可以了，比较成熟的方案是将线圈接成阻尼可调的振荡器，并调节阻尼电阻使线路刚刚起振，由于绝大多数金属接近线圈时都会使线圈的Q值降低从而使线路停振，这样我们通过检测线路是否振荡就可以知道金属是否靠近。但是此中方法比较麻烦,所以我们选取红外传感器。244光电探测器的选型光电探测器一般特制可见光光谱范围的光电探测器，包括光电导探测器、光伏型探测器、倍增管等，在热释电探测器、光电本题中可见光源是200W功率的白炽灯，功率较强，因此不必选用适合微光照探测的光电倍增管，同时光源光强相对比较分散选用热释电探测器（如碳斗）也不合适，光电导探测器温度、线性和稳定性不好。光伏型探测器又可分为光电二极管、PIN探测器、光电三极管和雪崩光电管APD，光电二极管量子效率较低，光点三极管漏电流较大，APD驱动电路复杂造价较高都不适合，因此我们选用硅材料（可见光光谱范围）的PIN探测器。可见光光电探测器抗干扰能力较差，非常容易受到环境光的干扰，同时由于本题中光源未经调制，因此仅靠电子线路自身的设计很难取得好的效果，所以我们放弃这种选择。25电源电路的选型分析与论证电源是每一种电子产品必备的一部分,它是一切需电设备的能源和动力。本次设计的智能小车更是少不了电源,对于适合小车的电源我们提出了两种选择方14案具体如下。1采用单一电源（4节AA电池）这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。2双电源供电将电动机驱动电源与单片机及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样做法虽然不如单电源方便灵活，但可将电动机驱动所造成的干扰完全消除，进一步提高系统稳定性。26里程检测模块分析与论证里程检测模块分析与论证里程检测模块分析与论证里程检测模块分析与论证对于智能小车的设计,其中有对于里程的计数,需要测量出小车所走的路程,这样的小车才更智能化人性化。所以我们要选则能够具有检测里程的装置,于是提出了两种方案如下。1由发光二极管和光敏二极管组成发射接收装置此装置是将一带四个孔的遮光塑料板贴于车轮，将此装置固定车轮一侧，车轮每转动一圈，发射接收正对四次，通过对接受脉冲计数从而得到车的里程,安装困难,所以我们放弃此种方案。2利用霍尔传感器半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象是美国物理学家霍尔发现的，即称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电动势，半导体薄片称为霍尔片或霍尔元件。利用霍尔效应实现磁电转换的传感器称为霍尔式传感器，它应有几个基本组成部分霍尔元件、加于激励电极两端的激励电源、与霍尔电极输出端相连的测量电路、产生某种具有磁场特性的装置。霍尔元件来对转过的车轮圈数来计程，在车轮子上装小磁片，霍尔集成片安装在固定位置，当磁铁与霍尔集成片正对时，由于霍尔效应，对产生脉冲计数从而得到车轮转数。霍尔元件靠近磁片一次计程为车轮周长。此方案传感的信号强，15电路简单，易于实现。所以我们选择此方案。如图25所示图25霍尔元件安装效果图通过计算车轮的转数间接测量距离，利用了霍尔元件感应磁块产生脉冲的原理，再对脉冲进行计数。通过程序求出里程，通过ZLG7289显示。经分析，拟选用此种方案。27显示模块分析与论证1采用LCD显示随着科技的不断发展，LCD在各个领域的应用已经被逐渐认可，代替CRT巳是大势所趋。但是它还存在着色彩表现有所欠缺、信号反应时间过长等瑕疵，用单片机可实现显示数据，但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵。2通过单片机直接驱动LED通过8个I/O口驱动八个LED，8个I/O口驱动LED的八段发光二级管，此方法占用大量的I/O口。还需扩展I/O口，很麻烦所以放弃这种方案。3采用驱动芯片使用ZLG7289显示驱动芯片，ZLG7289A是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片。ZLG7289A内部含有译码器磁片车轮16可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式此外还具有多种控制指令如消隐闪烁左移右移段寻址等。ZLG7289A采用串行方式与微处理器通讯串行数据从DATA引脚送入芯片并由CLK端同步。有操作方便占用I/O口少等优点，选用这种方案是比较合理的一种。同时也符合P89C51RA的功能，因此选用驱动芯片ZLG7289与显示器连接的。故选用此种方案。17第3章硬件介绍与电路设计经过方案论证的过程之后，我们选定了仅采用单片机作为核心部件的方案，其系统总方框图如图31所示。具体的功能设置已通过图31所示做了直观的说明。图31系统总原理框图31P89C51RA简要说明P89C51RA2具有8K并行可编程的非易失性FLASH程序存储器,并可实现对器件串行在系统编程ISP和在应用中编程IAP。IAP（INAPPLICATIONPROGRAMMING）MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，这种方法允许通过调制解调器连接进行远程编程。FLASH代码中则不需要加载程序对于IAP用户程序通过使用片内ROM中的标准程序对FLASH存储器进行擦除和重新编程,管脚如图32所示。LED显示模块（时间、里程）车体左侧循迹传感器车体右侧循迹传感器车体左前循迹传感器车体右前循迹传感器PWM控制直流电机驱动器里程传感器P89C51RA18图32P89C51RA芯片311管脚功能表31管脚功能名称管脚号类型名称和功能VSS20I地0V参考点名称管脚号类型名称和功能VCC40I电源提供掉电空闲正常工作电压P00073932I/OP0口P0口是开漏双向口，可向其写入1使其状态为悬浮，用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉传送1。P1017181I/OI/OP1口P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流见DC电气特性。P1口第2功能T2P10定时/计数器2的外部计数输入/时钟EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20UP89C51RA192345678III/OI/OI/OI/OI/O输出T2EXP11定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制ECIP12PCA的外部时钟输入CEX0P13PCA模块0捕获/比较模式的外部I/O管脚CEX1P14PCA模块1捕获/比较模式的外部I/O管脚CEX2P15PCA模块2捕获/比较模式的外部I/O管脚CEX3P16PCA模块3捕获/比较模式的外部I/O管脚CEX4P17PCA模块4捕获/比较模式的外部I/O管脚P20272128I/OP2口P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流见DC电气特性。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址MOVXDPTR，此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式访问外部数据存储器时，P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。P27在编程/擦除时必须为1。P30371017101112131415I/OIOIIIIP3口P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流见DC电气特性。P89C51RX2的P3口脚具有以下特殊功能RXDP30串行输入口TXDP31串行输出口INT0P32外部中断0INT1P33外部中断T0P34定时器0外部输入T1P35定时器1外部输入201617IIWRP36外部数据存储器写信号RDP37外部数据存储器读信号RST9I复位当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位。内部有扩散电阻连接到VSS，仅需要外接一个电容到VCC，即可实现上电复位。ALE30O地址锁存使能，在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下ALE输出信号恒定为1/6振荡频率，并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略ALE，可以通过置位SFRAUXILILARY0禁止置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。PSEN29O程序存储使能，读外部程序存储，当从外部读取程序时，PSEN每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器PSEN无效，访问内部程序存储器时PSEN无效。EA/VPP31I外部寻址使能/编程电压，在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。如果EA为高时，将执行内部程序。当RST释放后EA脚的值被锁存任何时序的改变都将无效。该引脚在对FLASH编程时用于输入编程电压VPP。XTAL119I晶体1，振荡反向放大器输入端和内部时钟发生电路输入端。XTAL218O晶体2，振荡反向放大器输出端。1振荡器特性XTAL1和XTAL2分别作为一个反相放大器的输入和输出此管脚可配置为使用内部振荡器要使用。其晶振的两种方式如图33和34所示。外部时钟源驱动器件时XTAL2可以不连接而由XTAL1驱动外部时钟信号无占空比的要求但高低电平的最长和最短时间必须符合手册的规定。21100PFC100PFCXTAL2XTAL1GNDXTAL2XTAL1GND悬空外外外外外外图33内部方式图34外部方式该器件在出厂时配置为每机器周期12个时钟参见12时钟模式可通过商用的FLASH编程器或ISP或软件配置为每机器周期6个时钟参见6时钟模式时钟控制寄存器CKCON。该器件支持通过SFR位X2或FLASH配置位FX2位于保密FLASH块中对6时钟/12时钟模式进行配置当FX2编程为6时钟模式时X2CKCON0将不起作用CKCON还支持单独对外围功能的时钟速率进行配置当运行于6时钟模式时外围功能可单独由FOSC/6或FOSC/12驱动运行于12时钟模式时则只能使用FOSC/122复位在振荡器工作时将RST脚保持至少两个机器周期高电平6时钟模式时为12个振荡器周期12时钟模式时为24个振荡器周期可实现复位为了保证上电复位的可靠RST必须保持足够长时间的高电平，该时间至少为振荡器的稳定时间通常为几个毫秒加上两个机器周期上电时VCC和RST必须同时上升。32循迹电路设计在此次设计中最主要就是要求小车能实现循迹的功能，使小车能按照指定的线条行驶，由于寻迹的传感器种类很多，我选择了适合本次设计的装置，在沿着轨迹行驶的电路中，利用红外线发射管发射红外线，红外线三极管进行接收。此电路主要用于两侧检测路径颜色，电路如图35所示。在智能小车的底前部装2个红外传感器用来检测地面的导引线。当检测到导引线，比较器的输出，LM32422是低电平，其他输出是高电平。LM324是14脚DIP封装，内置四个运算放大器的集成器件，电路简单、响应速度快、波形规则、调试简单。270R371KR3910KR3812LEDDS420KRPOT2R41PHOTONPNQ1923674LM324U6VCCP37图35两侧循迹传感器电路检测电路的设计是本次的一个很重要的部分,智能小车要实现的功能之一必须有成功检测前方颜色的电路,这也是循迹的一种，需要两个这样的传感器分别加到小车的车体最前方两侧，它是检测前方线路颜色的传感器,若检测前方为白色则前行一点点，然后再由两侧的寻迹进行判断颜色是左拐还是又拐。本课题组设计制作了一款具有循迹功能的小车，功能强大。小车具有以下几个功能循迹功6能（按路面的黑色轨道行驶）；计算并显示所走的路程和行走的时间，并可由二极管发光报警。检测颜色传感器安装位置分别位于小车前、左、右三个方向，用于检测前方、左边和右边的检测。自主式循迹、循迹智能小车的硬件设计包括了传感器测量电路、控制处理器电路、电机驱动电路、显示处理器电路，以及电源、显示部分。系统中采用了电机的专用三极管放大器驱动直流电机，电机速度采用PWM方式进行脉宽调制控制。程序设计主要考虑稳定性、抗干扰性，主程序主要起到导向和决策功能，决定什么时候小车该做什么。各种功能的实现通过调用具体的子程序，包括寻迹、90度、转向、直线前进、显示、定时等。23图36前方循迹检测电路对前方的检测因为要求检测距离较，受到环境光的干扰比较大，因此我们选用抗干扰能力较强的交流调制工作方。如图36所示，在发射端通过改变NPN三级管（9013）的开断使发光二级管产生50HZ到500HZ的脉冲。在接受端，采用001U的滤波电容，来阻止环境光的干扰。输入信号通过LM358集成运方放大输出，被单片机数据采集口读入。小车正面的传感器安装位置请参看图37。图37正面传感器位置特色设计4702K100K10KR1RES22M2M471K27K10K10K00132184A32184A123654R2RES21KQ1PNPR31KR4100KVCC红外传感器24（1）发光二级管端加入可变电阻，用于调节发光二级管的发光强度，通过可调节可对白黑产生反射信号。（2）在此设计中，采用同向放大，发大倍数为1MNRR分子R为100K，分母R为47K，10K，27K。通过三位拨盘来调节LM358的防大倍数。（3）在LM358的输出端增加一个发光二级管，通过LM358的输出信号控制NPN三级管的通断，来控制二级管是否发光。321循迹原理这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。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。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过15CM。对于发射和接收红外线的红外探4头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。（1）自制红外探头，。当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么光敏三极管将导通，比较器输出为高电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出低电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的白色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在黑色地面上。此种方法简单，价格便宜，灵敏度可调，但是容易受到周围环境的影响，特别是在较强的日光灯下，对检测到的信号有一定的影响。（2）集成式红外探头可以采用型号为E3FDS10C4集成断续式光电开关探测器，它具有简单、可靠的工作性能，只要调节探头上的一个旋钮就可以控制探头的灵敏度。该探头输出端只有三根线（电源线、地线、信号线），只要将信25号线接在单片机的I/O口，然后不停地对该I/O口进行扫描检测，当其为高电平时则检测到白纸，当为低电平时则检测到黑线。此种探头还能有效地防止普通光源（如日光灯等）的干扰。其缺点则是体积比较大，占用了小车有限的空间。（3）红外探头的安装在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。这4个红外探头的具体位置。循迹传感器共安装4个，全部在一条直线上。其中INFRAREDMR与INFRAREDML为第一级方向控制传感器，INFRAREDSR与INFRAREDSL为第二级方向控制传感器。小车行走时，始终保持黑线（行走轨迹黑线）在INFRAREDMR和INFRAREDML这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级探测器一旦探测到有黑线，单片机就会按照预先编定的程序发送指令给小车的控制系统，控制系统再对小车路径予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。322弯道情况及解决办法智能车系统根据检测到的路况和车速的当前信息，控制转向舵机和直流驱动电机，相应地调整小车的行驶方向和速度；最终的目的是使智能车能快速、稳定地按给定的黑色引导线行驶。小车在行驶过程中会遇到以下两种路况当小车由直道高速进入弯道时，转角方向和车速应根据弯道的曲率迅速做出相应的改变，原则是弯道曲率越大则方向变化角度越大，车速越低。当小车遇到十字交叉路段或是脱离轨迹等特殊情况时，智能车应当保持与上次正常情况一致的方向行驶，速度则相应降低。因此，对智能车的设计，要求具有实时路径检测功能和良好的调速功能。323路径识别单元为提高小车转向角的控制精度，系统路径识别单元采用4个发射和接收一体的反射式红外光电传感器作为路径检测元件。红外线具有极强的反射能力，应用广泛，采用专用的红外发射管和接收管可以有效地防止周围可见光的干扰，提高26系统的抗干扰能力。对于小车循迹场地的黑白两种颜色，发射管发出同样的光强，接收管接收到的光强不同，因此输出的电压值也不同；给定一个基准电压，通过对不同输出电压值进行比较，则电路的输出为高低电平。当检测到黑白线时分别输出为高低电平，这样不仅系统硬件电路简单，而且信号处理速度快角度控制单元324调速控制我们把小车直线行进时分成三种状态，当中间四个传感器都检测到黑线时，小车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。当检测到有一个传感器或者同侧的另一个个传感器偏出黑线时，小车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。当检测到有一个电机偏出时，小车处于较大的偏离状态，这时把另一个电机的速度调至极低，偏出电机全速运行，从而在较短时间内完成路线的调整。小车转向角的控制通过输入PWM信号进行开环控制。根据检测的不同路径，判断出小车所在位置，按不同的区间给出不同的舵机PWM控制信号，小车转过相应的角度。考虑到实际舵机的转向角与所给PWM信号的占空比基本成线性关系，所以舵机的控制方案采用查表法。在程序中预先创建控制表，路径识别单元检测当前的路况，单片机通过查表可知当前的赛道，然后给出相应的PWM信号控制舵机转向。系统角度控制单元在实际运行过程中，舵机的输出转角与给定的PWM信号值成线性关系，以PWM信号为系统输入信号，实现舵机开环控制。舵机响应曲线如图38所示。由于舵机的开环转向力矩足够，单片机通过采集的当前路况，给定PWM控制信号，从而实现舵机的转向。图38舵机影响曲线325具体连接和控制27两个循迹传感器的输出端分别接入P89C51RA2的P3口，车左边传感器的输出端接入P36,车右边传感器的输出端接入P37。设计中引导线宽大于两传感器间距离，所以当P36和P37接收到的都是低电平时，小车前行；当P36接收到的信号为低，P37接收到的信号为高时，小车左拐；反之，小车右拐。33显示模块的设计显示模块也是这次设计的一个必不可少的部分,主要是时间，里程数据的显示。显示器采用的是LED数码管，通过ZLG7289和LED显示器相连把数据送到显示器上。331LED的特性（1）允许功耗PM允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFM允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRM所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境TOPM发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。332LED显示器结构基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图39所示排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单图39LED显示器的结构片集成式多位数字式”等。28（1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好30M的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。（2）条形七段式数码管属于混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。（3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。（4）符号管、米字管的制作方式与数码管类似。（5）矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。333LED显示器分类（1）按字高分笔画显示器字高最小有1MM（单片集成式多位数码管字高一般在23MM）。其他类型笔画显示器最高可达127MM（05英寸）甚至达数百MM。（2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。（3）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。（4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离如图310所示所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的。如图311所示。295101E2D3C6B7A8G9F5EF1062KP共共共5101E2D3C6B7A8G9F5EF1062AP共共共图310共阴极方式图311共阳极方式334LED的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。由于发光二极管具有最大正向电流IFM、最大反向电压VRM的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流IF应在06IFM以下；应让可能出现的反向电压VR高电平5VIH结果ENBOOT位的被置1,CPU寻址到FC00H,进入BOOTROM编程和操作。方式2在RST转入下降沿时STATUSBYTE非00值，BOOTVECTOR0FCH结果ENBOOT位的被置1,CPU寻址到FC00H,进入BOOTROM，系统进入ISP运行状态,准备接受上位机通过串口传送的命令，而进行相应的擦除、编程等操作。方式3系统正常运行时,STEP1使ENBOOT1（SETBAUXR15），SETP2关闭中断。CLREISETP3使程序跳转到0FC00HLJMP0FC00H结果系统进入ISP运行状态,准备接受上位机通过串口传送的命令，而进行相应的擦除、编程等操作。方式4编制下位机各编程功能子程序（CALLPGMMTP）系统正常运行时,按照具体要求，进入IAP状态，接受上位机通过串口传送36的命令，调用相应的功能子程序，进行相应的擦除、编程等操作。36车轮转数及里程检测模块的设计与参数计算此设计采用霍尔传感器，检测小车车圈上的磁铁，在小车车圈上安装10片磁铁，磁铁于磁铁间距为17MM。通过单片机T1口计数器，记录磁片个数。每计数次产生一次中断，距离存储单元加一。一秒送ZLG7289A显示一次。霍尔传感器的分析如下按图321所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。图321三种设置磁体方式由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。这样就可以通过霍尔传感器来检测小车行驶的里程。然后把所测的数据送到LED显示器上，包括时间、里程等都从显示器上读出来。第4章系统软件设计A径向磁极B