智能小车技术文档

1、3.智能车硬件系统设计 3.1单片机控制模块 STC89C52 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。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52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。 STC89C52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，STC89C52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

2、 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如图4是较为常见的单片机最小系统图。 图3-1 单片机最小系统3.2 电机驱动模块的设计 电机驱动模块采用专用芯片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，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机【2】 。 图3-2 电机驱动原理简图【3】3.2.1 L298N芯片的介绍 L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压

3、可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机，引脚图及直流电机实物接线图如下图所示。 图3-3 L298N引脚图图3-4 直流电机实物接线图L298N可接受标准TTL逻辑电平信号V

4、SS，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。在电动机中的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。In3，In4的逻辑图与上图相同。由上图可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停【4】。3.3红外避障电路

5、的原理与设计 本设计用红外传感器进行避障。红外传感器是集发射头与接收头于一体的检测器，其工作原理是根据发射头发出的光束，被物体反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平【5】。单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物。由于接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。小车采用红外传感器进行避障的电路原理图如下图所示： 图3-5 红外传感器避障电路原理图红外传感器E18-D80NK简介 红外传感器E18-D80NK是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见

6、光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同；白色物体最远，黑色物体最近）。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。电气特性： 红色：VCC；黑色：GND；黄色：OUT。 U:5VDC I:100mA Sn:3-80CM3.4寻迹模块的硬件设计寻迹模块采用红外传感器TCRT5000，即是使用红外探测法，利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射强度的特点，在小车行驶过程

7、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。 红外传感器TCRT5000简介 TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平

8、，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。TCRT5000反射式光电传感器是经常使用的传感器，这个系列的传感器种类齐全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。此传感器含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。 4.智能车软件系统设计4.1主程序框架启动循迹是否检测到停止线是否已经脱离黑线避障YYN停止图4-1 主程序框架图 本系统智能车采用四轮驱动,四个轮子左右两边各用一个电机驱动，调制四个轮子的转速起停从

9、而达到控制转向的目的。本设计将寻迹模块装在车体下的前端，避障模块采用三只红外探头分别置于小车的前端两侧以及正前端方向。一开始小车自动开始寻迹功能，若在寻迹过程中检测到停止线终止行走，否则继续寻迹；当搜索不到黑线的时候就自动进入避障模式，直到搜索到黑线。4.2电机驱动程序主要采用L298N，通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转、停止的操作，输入引脚与输出引脚的逻辑关系表为：表4-1 L298N功能模块L298N功能模块使能端输入端口1输入端口2运行状态0XX停止110正转101反转111刹停100停止电机驱动口定义 void CarGo() /小车前进 P2_0=1

10、;P2_1=1;P2_2=0; /P2_0、P2_3、P1_0、P1_3是使能端 P2_3=1;P2_4=1;P2_5=0; P1_0=1;P1_1=1;P1_2=0; P1_3=1;P1_4=1;P1_5=0;void CarBack() /小车后退 P2_0=1;P2_1=0;P2_2=1; P2_3=1;P2_4=0;P2_5=1; P1_0=1;P1_1=0;P1_2=1; P1_3=1;P1_4=0;P1_5=1;void CarTurnRight() /小车右转 P2_0=1;P2_1=1;P2_2=0; P2_3=1;P2_4=1;P2_5=0; P1_0=1;P1_1=0;P1

11、_2=1; P1_3=0;P1_4=1;P1_5=0;void CarTurnLeft() /小车左转 P2_0=1;P2_1=0;P2_2=1; P2_3=0;P2_4=0;P2_5=1; P1_0=1;P1_1=1;P1_2=0; P1_3=1;P1_4=1;P1_5=0;void CarStop() /小车停止 P2_0=0;P2_1=0;P2_2=1; P2_3=0;P2_4=0;P2_5=1; P1_0=0;P1_1=1;P1_2=0; P1_3=0;P1_4=1;P1_5=0;4.3避障模块框架开始左障碍右转是否检测到障碍前进Y右障碍判断左转前障碍后退右转进行寻迹N图4-2 避障框

12、架图本设计在避障模块采用三只红外探头分别置于小车的前端两侧以及正前端方向，使小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应，再向没有检测到障碍物的一方行走。在没有设定黑线跑道的情况时，小车会进入避障模块；若小车在寻迹的过程中遇到障碍物，本设计通过两个外部中断和一个定时器中断来优先处理避障，成功避障之后返回到寻迹模块。避障程序6void int0() interrupt 0/外部中断0CarTurnLeft();void int1() interrupt 2/外部中断1CarTurnRight();void time0() interrupt 1/定时器中断；重新设定值TH0 = (6

13、5536 - 45872) / 256;TL0 = (65536 - 45872) % 256;shaomiao();void shaomiao()TR0 = 0;/关闭定时器if(mid = 0)CarBack();delay(2000);CarTureRight();delay(1000);TR0 = 1;/打开定时器，为下次扫描做准备 中断系统 CPU正在执行程序时，单片机外部或内部发生的某一事件，请求CPU迅速去处理。CPU暂时中止当前的工作，转到中断服务处理程序处理所发生的事件。处理完该事件后，再回到原来被中止的地方，继续原来的工作，这称为中断。中断方式优点：大大地提高了CPU的工作

14、效率。 中断对事件的整个处理过程：进入中断保护现场中断处理恢复现场中断返回主程序断点继续执行主程序中断服务程序响应中断请求返回主程序图4-3 中断处理过程五个中断请求源：（1）INT0*外部中断请求0，由引脚INT0*输入，中断请求标志为IE0。（2）INT1*外部中断请求1，由引脚INT1*输入，中断请求标志为IE1。（3）定时器/计数器T0溢出中断请求，中断请求标志为TF0。（4）定时器/计数器T1溢出中断请求，中断请求标志为TF1。（5）串行口中断请求，中断请求标志为TI或RI。 对应特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位。本设计在实现避障和寻迹功能时使用了外部中断和定时器中断。4.4

15、 寻迹模块框架开始沿黑线走是否检测到停止线N左边 右边左转右转Y停止寻迹图4-4 寻迹框架图小车寻迹原理是小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。本设计在该模块中利用了比较普遍的检测方法红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理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，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，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，则小车上的接收管接收不到信号，再通过比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。寻迹程序void CarGoLine()

16、/小车沿黑线走 if(SS2=0&&SS3=0&&SS4=1 | SS2=0&&SS3=1&&SS4=1 ) /左边检测到信号，小车向左转 CarTurnLeft();else if(SS2=1&&SS3=0&&SS4=0 | SS2=1&&SS3=1&&SS4=0) /右边检测到信号，小车向右转 CarTurnRight(); else if(SS2=0&&SS3=1&&SS4=0 ) /检测到停止线小车停止行走 CarStop();

17、else CarGo(); /其他情况小车默认前进 void main() TMOD = 0x01;/定时器中断工作模式1TH0 = (65536 - 45872) / 256;/50毫秒TL0 = (65536 - 45872) % 256;EA = 1;/开总中断ET0 = 1;/开定时器0中断TR0 = 1; /启动定时器0EX0 = 1;/外部中断0IT0 = 0;/低电平触发外部中断0EX1 = 1;/外部中断1IT1 = 0 ;/低电平触发外部中断1 while(1) CarGoLine(); if(SS1=0)&&(SS5=0) / 判断是不是"十&qu

18、ot;字路口，"十"字路口优先直走行驶 CarGo(); delay(200); if(SS3=0) break; CarStop();5.智能车调试与性能分析5.1 智能车调试通过改变寻迹板滑动变阻器的大小来调试红外对管的灵敏度，通过改变延时程序来改变速度的大小【7】。下表为小车运行的情况：表5-1 小车调试情况小车运行次数成功寻迹次数成功避障次数1112213324425545.2 智能车性能分析 通过智能车调试阶段，可以了解到本设计系统能够实现自主寻迹功能，也可以成功完成避障。但系统还存在一些问题未解决：智能车在寻迹过程中遇到障碍物优先处理避障中断，执行完避障中断后还

19、不能够立即返回到原先设定的跑道中，就是说智能车寻迹功能和避障功能衔接不太顺畅。从小车调试结果可以得出结论：小车的稳定性良好，基本能够实现预计设计目标，也有需要提高的地方。5.3 小车实物图图5-1 小车实物图6.总 结本系统设计了一个用C语言编程，AT89C52作为主控芯片的红外寻迹避障智能车，根据红外线遇障碍反射原理来探测障碍物的位置，并能自主避开障碍物的小车。通过小车实现功能的制作过程，掌握了红外传感器的原理和使用方法，掌握了单片机的软硬件系统的设计和实际操作，实现了小车自主避障功能和寻迹功能。整个系统的设计以单片机为核心，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：（1） 自动沿预设轨道行驶。小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。（2）当小车探测到前进前方