基于51單片機(jī)的智能小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

自智能循跡小車(chē)又被稱(chēng)為AutomatedGuidedVehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)AGV，是二十世紀(jì)五十年代研發(fā)出來(lái)的新型智能搬運(yùn)機(jī)器人。智能循跡小車(chē)是指裝備如電磁，光學(xué)或其他自動(dòng)導(dǎo)引裝置，可以沿設(shè)定的引導(dǎo)路徑行駛，安全的運(yùn)輸車(chē)。工業(yè)應(yīng)用中采用充電蓄電池為主要的動(dòng)力來(lái)源，可通過(guò)電腦程序來(lái)控制其選擇運(yùn)動(dòng)軌跡以及其它動(dòng)作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來(lái)確定其行進(jìn)路線，無(wú)人搬運(yùn)車(chē)通過(guò)電磁軌道所帶來(lái)的訊息進(jìn)行移動(dòng)與動(dòng)作，無(wú)需駕駛員操作，將貨物或物料自動(dòng)從起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地。AGV的另一個(gè)特點(diǎn)是高度自動(dòng)化和高智能化，可以根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運(yùn)行路徑的費(fèi)用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比非常低廉。AGV小車(chē)一般配有裝卸機(jī)構(gòu)，可與其它物流設(shè)備自動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)貨物裝卸與搬運(yùn)的全自動(dòng)化過(guò)程。此外，AGV小車(chē)依靠蓄電池提供動(dòng)力，還有清潔生產(chǎn)、運(yùn)行過(guò)程中無(wú)噪音、無(wú)污染的特點(diǎn)，可用在工作環(huán)境清潔的地方。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來(lái)代替人來(lái)做一些非常危險(xiǎn)，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就誕生了機(jī)器人這門(mén)學(xué)科。世界上誕生第一臺(tái)機(jī)器人誕生于1959年，至今已有50多年的歷史，機(jī)器人技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)已發(fā)展成一門(mén)包含：機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信號(hào)處理，傳感器等多學(xué)科為一體的性尖端技術(shù)。循跡小車(chē)共歷了三代技術(shù)創(chuàng)新變革：第一代循跡小車(chē)是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何傳感器，只是采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)編程來(lái)設(shè)置循跡小車(chē)的路徑與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在工作過(guò)程中，不能根據(jù)環(huán)境的變化而改變自身的運(yùn)動(dòng)軌跡。支持離線編程的，第二代循跡小車(chē)具有一定感知和適應(yīng)環(huán)境的能力，這類(lèi)循跡小車(chē)裝有簡(jiǎn)單的傳感器，可以感覺(jué)到自身的的運(yùn)動(dòng)位置，速度等其他物理量，電路是一個(gè)閉環(huán)反饋的控制系統(tǒng)，能適應(yīng)一定的外部環(huán)境變化。第三代循跡小車(chē)是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構(gòu)成感官系統(tǒng)，通過(guò)采集外部的環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車(chē)，能獨(dú)立完成任務(wù)，有其自身的知識(shí)基礎(chǔ)，多信息處理系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境變化作出決策，有一定的適應(yīng)能力，自我學(xué)習(xí)能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車(chē)能獨(dú)立工作，一方面應(yīng)具有較高的智慧和更廣泛的應(yīng)用，研究各種新機(jī)傳感器，另一方面，也掌握多個(gè)多類(lèi)傳感器信息融合的技術(shù)，這樣循跡小車(chē)可以更準(zhǔn)確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息。

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)、DVD、洗衣機(jī)、汽車(chē)等消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品越來(lái)越呈現(xiàn)光機(jī)電一體化、智能化、小型化等趨勢(shì)。各種智能化小車(chē)在市場(chǎng)玩具中也占一個(gè)很大的比例。根據(jù)美國(guó)玩具協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)全球玩具銷(xiāo)量增幅與全球平均GDP增幅大致相當(dāng)。而全球玩具市場(chǎng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)比重卻發(fā)生了重大改變：傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具則蒸蒸日上。美國(guó)玩具市場(chǎng)的高科技電子玩具的年銷(xiāo)售額2004年交2003年增長(zhǎng)52%，而傳統(tǒng)玩具的年銷(xiāo)售額僅增長(zhǎng)3%。英國(guó)玩具零售商協(xié)會(huì)選出的2001圣誕節(jié)最受歡迎的十大玩具中，有7款玩具配有電子元件。從這些數(shù)字可以看出，高科技含量的電子互動(dòng)式玩具已經(jīng)成為玩家行業(yè)發(fā)展的主流。

如今知識(shí)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)電一體化和工業(yè)一體化等許多領(lǐng)域都在討論智能系統(tǒng)，人們要求系統(tǒng)變得越來(lái)越智能化。顯然傳統(tǒng)的控制觀念是無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求，而智能控制與這些傳統(tǒng)的控制有機(jī)的結(jié)合起來(lái)取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高整體的優(yōu)勢(shì)更好的滿(mǎn)足人們的需求。隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來(lái)它的發(fā)展新時(shí)代。計(jì)算機(jī)控制與電子技術(shù)融合為電子設(shè)備智能化開(kāi)辟了廣闊前景。因此，遙控加智能的技術(shù)研究、應(yīng)用都是非常有意義而且有很高市場(chǎng)價(jià)值的。

人類(lèi)的研究活動(dòng)已擺脫了地球生物圈的束縛而廣泛地進(jìn)入外層空間和海洋深處。對(duì)月球和太陽(yáng)系其他行星的探測(cè)，對(duì)太陽(yáng)系以外的宇宙進(jìn)行考察，對(duì)數(shù)千米以下的海底的研究，都是目前單靠人力所不能及的。自動(dòng)控制系統(tǒng)正在代替人們完成這些任務(wù)。在戰(zhàn)場(chǎng)上的軍事活動(dòng)中，在惡劣環(huán)境條件下的生產(chǎn)勞動(dòng)中，凡不宜由人直接承擔(dān)的任務(wù)，均可由自動(dòng)控制系統(tǒng)代替，如智能小車(chē)可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段、人類(lèi)無(wú)法介入等特殊情況下的任務(wù)。高科技自動(dòng)控制系統(tǒng)及裝置已日益成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中離不開(kāi)的自動(dòng)智能設(shè)備。

AGV從發(fā)明至今已經(jīng)有50多年的歷史，隨著應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴(kuò)大，其種類(lèi)和形式也變得更加多樣化。一般根據(jù)行駛的導(dǎo)航方式將智能循跡小車(chē)分為以下幾種類(lèi)型：

(1)電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式引導(dǎo)一般在地面上，沿預(yù)定路徑埋電線，當(dāng)高頻電流通過(guò)導(dǎo)線，電線周?chē)�產(chǎn)生電磁場(chǎng)流動(dòng)，AGV小車(chē)上安裝兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的電磁感應(yīng)傳感器，他們收到的電磁信號(hào)差異可以反映的AGV偏離程度路徑的程度。AGV自動(dòng)化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車(chē)輛的轉(zhuǎn)向，連續(xù)的動(dòng)態(tài)的閉環(huán)控制設(shè)置能夠保證AGV對(duì)設(shè)定路徑的穩(wěn)定自動(dòng)跟蹤。在目前商業(yè)用途的AGV中，特別是大型和中型小車(chē)，絕大多數(shù)都采用電磁感應(yīng)導(dǎo)航。

(2)激光式安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器的AGV，可安裝在墻壁或有高反射激光定位標(biāo)志的支柱上或者路徑上運(yùn)行，AGV依靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標(biāo)志反射回的激光束，車(chē)載計(jì)算機(jī)，計(jì)算出當(dāng)前車(chē)輛的位置和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)內(nèi)置的數(shù)字地圖和校準(zhǔn)位置相比，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。目前，這種AGV類(lèi)型的應(yīng)用比較廣泛�；�于同樣的原理，如果激光掃描儀被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導(dǎo)的AGV小車(chē)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外引導(dǎo)和超聲引導(dǎo)的AGV。

(3)視覺(jué)式視覺(jué)引導(dǎo)式AGV是的迅速發(fā)展和比較成熟的AGV，這種AGV配備CCD攝像機(jī)，傳感器和車(chē)載電腦，在車(chē)載計(jì)算機(jī)中設(shè)置有AGV欲行駛路徑周?chē)�環(huán)境圖像數(shù)庫(kù)。在AGV的行駛過(guò)程中，相機(jī)得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，以確定當(dāng)前位置和車(chē)輛周?chē)�的圖像信息并對(duì)駕駛下一步作出決定。這種AGV小車(chē)并不需要設(shè)置任何的人工物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計(jì)算機(jī)圖像采集，存儲(chǔ)和處理技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這種類(lèi)型的AGV實(shí)用性越來(lái)越強(qiáng)。此外，還有鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式AGV、光學(xué)引導(dǎo)式AGV等多種形式的AGV。

智能循跡小車(chē)發(fā)展歷史及主要應(yīng)用場(chǎng)所如下：

(1)倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)1954年，來(lái)自美國(guó)南卡羅來(lái)納州的MercuryMotorFreight公司成為第一批把AGV小車(chē)的應(yīng)用到倉(cāng)庫(kù)的使用者，來(lái)實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)貨物的自動(dòng)處理。至今世界上有超過(guò)2100個(gè)廠家把大約2萬(wàn)臺(tái)大型或小型的AGV小車(chē)應(yīng)用到自己的倉(cāng)庫(kù)中。中國(guó)的海爾集團(tuán)在2000年把9臺(tái)AGV小車(chē)投產(chǎn)到了自己的倉(cāng)庫(kù)區(qū)，形成一個(gè)靈活的AGV自動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少33500的儲(chǔ)存和裝卸貨物的任務(wù)。

(2)制造業(yè)在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中AGV小車(chē)大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運(yùn)送任務(wù)。由多臺(tái)AGV小車(chē)組成的物流運(yùn)輸處理系統(tǒng)，較人工搬運(yùn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更靈活，運(yùn)輸路線可以根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程及時(shí)調(diào)整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十幾個(gè)產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活性，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在1974年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車(chē)組裝廠，提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的靈活性，使用以AGV小車(chē)為載運(yùn)工具的裝配線，采用該裝配線后，減少了20%裝配時(shí)間、減少了39%組裝錯(cuò)誤，減少了57%投資資金回收時(shí)間以及減少了5%的員工費(fèi)用。目前，在世界主要的汽車(chē)生產(chǎn)廠家，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾AGV小車(chē)已被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，作為CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystems，直譯為基于計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng))的基礎(chǔ)搬運(yùn)工具，AGV已經(jīng)深入到機(jī)械加工，家電制造，微電子制造，煙草等行業(yè)，生產(chǎn)業(yè)和加工業(yè)已成為AGV小車(chē)使用最廣泛的領(lǐng)域。

(3)郵局、圖書(shū)館、港口碼頭和機(jī)場(chǎng)在郵局，圖書(shū)館，碼頭和機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓等人口密集的公眾場(chǎng)所，存在著大量的物品的運(yùn)送工作，充滿(mǎn)不定性和動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的特點(diǎn)，搬運(yùn)過(guò)程往往也很單一。AGV有著可并行工作、自動(dòng)化、智能化和處理靈活的特點(diǎn)，可以很好的滿(mǎn)足這些場(chǎng)合的運(yùn)輸要求。1983年瑞典的大斯得哥爾摩郵局，1988年日本東京的多摩郵局，1990年中國(guó)上海的郵政相繼開(kāi)始使用AGV小車(chē)來(lái)完成郵品的搬運(yùn)工作。在荷蘭的鹿特丹港口，50輛被稱(chēng)為“院子里的拖拉機(jī)”的AGV小車(chē)每天都在把集裝箱從船邊運(yùn)送到幾百米以外的倉(cāng)庫(kù)中。

(4)煙草、醫(yī)藥、化工、食品

對(duì)于處理一些需要在清潔、安全、無(wú)排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如煙草、制藥、食品、化工等產(chǎn)品時(shí)應(yīng)考慮AGV小車(chē)的應(yīng)用。在全國(guó)許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團(tuán)、玉溪紅塔集團(tuán)、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠，應(yīng)用激光引導(dǎo)式AGV完成托盤(pán)貨物的搬運(yùn)工作。

(5)危險(xiǎn)場(chǎng)所和特種行業(yè)在軍事方面，以AGV小車(chē)為基礎(chǔ)有著自動(dòng)駕駛和檢測(cè)功能的設(shè)備，可用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察和掃雷，英國(guó)軍方正在開(kāi)發(fā)MINDER偵察系統(tǒng)，這是一種具有地雷探測(cè)、銷(xiāo)毀和路線驗(yàn)證能力自動(dòng)型偵察車(chē)。在鋼鐵廠，AGV小車(chē)負(fù)責(zé)爐料運(yùn)輸，大大降低了工人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。在核電廠的核儲(chǔ)存地點(diǎn)使用AGV小車(chē)，以避免輻射的危險(xiǎn)。AGV小車(chē)可在黑暗環(huán)境中，準(zhǔn)確、可靠的運(yùn)輸物料。

根據(jù)課題要求，確定以下方案：在現(xiàn)有的智能小車(chē)的基礎(chǔ)上，加上超聲波測(cè)距器，實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所測(cè)量的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠、精度高，可滿(mǎn)足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為該設(shè)計(jì)屬于多輸入的復(fù)雜程序控制問(wèn)題，因此我擬定了以下幾種方案，具體如下：

方案一：

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

方案二：

AVR單片機(jī)是Atmel公司1997年推出的RISC單片機(jī)。RISC(精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))是相對(duì)于CISC(復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))而言的。RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是通過(guò)使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理而提高運(yùn)算速度的。RISC優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令:并固定指令寬度，減少指令格式和尋址方式的種類(lèi)，從而縮短指令周期，提高運(yùn)行速度。由于AVR采用了RISC的這種結(jié)構(gòu)，使AVR系列單片機(jī)都具備了1MIPS/MHz(百萬(wàn)條指令每秒/兆赫茲)的高速處理能力。

方案三：

FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶(hù)可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無(wú)須專(zhuān)用的FPGA編程器，只須用通用、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

方案比較:

采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車(chē)，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)——控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)——多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了STC89C52單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用STC89C52單片機(jī)的資源。

STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-FlashPargramabieandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。

STC89C52具體介紹如下：

1.主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源GND(Pin20)：接地線

2.外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端

3.控制引腳（4根）

RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。

ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)

EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。

4.可編程輸入/輸出引腳（32根）

STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。

PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱(chēng)為P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱(chēng)為P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱(chēng)為P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱(chēng)為P3.0～P3.7

STC89C52主要功能如表2.1所示：

STC89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路如圖2.3(a)所示，在RXD和TXD引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在1.2～12MHz之間選擇，電容值在5～30pF之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。

外部方式的時(shí)鐘電路如圖2.3(b)所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。

如圖所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。

（a）內(nèi)部時(shí)鐘電路                     （b）外部時(shí)鐘電路

（1）復(fù)位操作

復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。

除PC之外，復(fù)位操作還對(duì)其他一些寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表2.2所示

（2）復(fù)位信號(hào)及其產(chǎn)生

RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期(即二個(gè)機(jī)器周期)以上。若使用頗率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)4us才能完成復(fù)位操作。

產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路邏輯如圖

整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)刻對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。

復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位相按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。

上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖2.4（a）所示。這佯，只要電源Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。

按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖2.4（b）所示；而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于6MHz晶振，能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期。

其電路如圖2.4（c）所示：

（a）上位電路                       （b）按鍵電平復(fù)位

（c）按鍵脈沖復(fù)位

采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路(如圖2.5)。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開(kāi)關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)�，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N。

這種調(diào)速方式有調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。

采用兩只紅外對(duì)管，分別置于小車(chē)車(chē)身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開(kāi)關(guān)接受到白線與黑線的情況來(lái)控制小車(chē)轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車(chē)向，測(cè)試表明，只要合理安裝好兩只光電開(kāi)關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。(參考文獻(xiàn)[3])

采用一只紅外對(duì)管置于小車(chē)右側(cè)。通過(guò)測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車(chē)避開(kāi)障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。(參考文獻(xiàn)[3])

本題目要求小車(chē)的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)部分：由于玩具汽車(chē)的直流電機(jī)功率較小，而小車(chē)上裝有電池、電機(jī)、電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車(chē)能夠順利啟動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在直流電機(jī)和輪車(chē)軸之間加裝了三級(jí)減速齒輪。

電池的安裝：將電池放置在車(chē)體的電機(jī)前后位置，降低車(chē)體重心，提高穩(wěn)定性，同時(shí)可增加驅(qū)動(dòng)輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)具備以上特點(diǎn)。

采用4支1.5V電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時(shí)給單片機(jī)與與電機(jī)供電。

智能小車(chē)采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬(wàn)象輪，起支撐的作用。將循跡光電對(duì)管分別裝在車(chē)體下的左右。當(dāng)車(chē)身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停止，車(chē)向左修正，當(dāng)車(chē)身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車(chē)向右修正。

避障的原理和循線一樣，在車(chē)身右邊裝一個(gè)光電對(duì)管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車(chē)子倒退,轉(zhuǎn)向，從而避開(kāi)障礙物。

主板設(shè)計(jì)框圖如圖3.1，所需原件清單如表3.1

小型直流電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器，所用芯片L293屬于H橋集成電路，其輸出電流為1000mA，最高電流2A，最高工作電壓36V，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)小型直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制兩路電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。本模塊具有體積小，控制方便的特點(diǎn)。采用此模塊定會(huì)使您的電機(jī)控制自如，應(yīng)對(duì)小車(chē)題目輕松自如。驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3.2。

小車(chē)循跡原理是小車(chē)在畫(huà)有黑線的白紙“路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。

紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，不斷地向外發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色障礙物時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被與之相對(duì)的接收管接收；如果遇到黑色物體則紅外光被吸收，接收管接收不到紅外光。將接收管的結(jié)果送給單片機(jī)。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理。根據(jù)它的特性可以用于智能小車(chē)的尋跡或避障。紅外對(duì)管白色為發(fā)射管，長(zhǎng)引腳為正極，接高電位。黑色為接收管，長(zhǎng)引腳接地，短引腳接高電位.電路圖如圖3-3。

本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)給出PWM波控制電機(jī)速度，起停。以及再檢測(cè)到障礙報(bào)警等作用。其電路圖如圖

進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。

1、當(dāng)單片機(jī)接收到光電開(kāi)關(guān)與避障信號(hào)后，控制電機(jī)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)循跡。

2、編制程序使單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)前方小車(chē)距離，調(diào)整后車(chē)的車(chē)速。

3、光電開(kāi)關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)兩小車(chē)之間的相互通信，實(shí)現(xiàn)超車(chē)、領(lǐng)跑功能。

1、循跡轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)思路

當(dāng)左右兩邊光電開(kāi)關(guān)都接收到檢車(chē)信號(hào)時(shí)，兩光電開(kāi)關(guān)都輸出低電平，小車(chē)直行；當(dāng)左右光電開(kāi)關(guān)分別為接收不到信號(hào)、接收到信號(hào)時(shí)，左右光電開(kāi)關(guān)分別輸出高、低電平，小車(chē)右拐；當(dāng)左右光電開(kāi)關(guān)分別為接收到信號(hào)、接收不到信號(hào)時(shí)，左右光電開(kāi)關(guān)分別輸出低、高電平，小車(chē)左拐。

當(dāng)檢測(cè)到拐彎標(biāo)志時(shí)，輸出為高電平，并實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)志線計(jì)數(shù)功能，作為小車(chē)起始、拐彎、超車(chē)標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的起始、拐彎與超車(chē)。

1.主程序流程圖如圖所示

我們嘗試著先用STC89C52來(lái)控制小車(chē)的跑馬燈，結(jié)果實(shí)驗(yàn)成功。證明單片機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。然后嘗試尋跡，結(jié)果試驗(yàn)成功，小車(chē)能正常的跑動(dòng)起來(lái)。這個(gè)小試驗(yàn)，是為了檢測(cè)小車(chē)的機(jī)械性能。達(dá)到了我們預(yù)期目的。

主板通電前檢查：電路安裝完畢，我們首先直觀檢查電路各部分生產(chǎn)線是否正確，檢查電源、地線、信號(hào)線、元器件引腳之間有無(wú)短路，器件有無(wú)接錯(cuò)。

通電檢查：給電機(jī)通電，觀察電機(jī)是否工作正常。電機(jī)正常工作時(shí)，后驅(qū)工作電流為320mA，電壓為5.4V；前驅(qū)電機(jī)工作電流為180mA，電壓為5.41V。給主板通電，觀察電路各部分器件有無(wú)異�，F(xiàn)象。

主板安裝調(diào)試，在調(diào)試的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)了原理圖中有一個(gè)小小的錯(cuò)誤。這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致小車(chē)的穩(wěn)壓芯片過(guò)熱。一起討論之后決定，修改原理圖，調(diào)換小車(chē)驅(qū)動(dòng)芯片的位置。改動(dòng)之后，小車(chē)電源穩(wěn)壓芯片過(guò)熱現(xiàn)象消失。小車(chē)也能實(shí)現(xiàn)了基本的功能。

在調(diào)試的過(guò)程中卻發(fā)現(xiàn)小車(chē)不停車(chē)，經(jīng)過(guò)了幾天的努力，終于發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的所在，原來(lái)時(shí)程序設(shè)計(jì)有誤。改正后調(diào)試，終于也能實(shí)現(xiàn)了循跡功能。

本設(shè)計(jì)方案按照任務(wù)書(shū)的要求，以51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合無(wú)線遙控模塊、紅外對(duì)管尋跡模塊、紅外線避障模塊和電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)尋跡功能，自動(dòng)避障功能，無(wú)線遙控和語(yǔ)音控制功能�；�本完成各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能化行駛。系統(tǒng)是通過(guò)軟硬結(jié)合的方式，得到硬件檢測(cè)信號(hào)后輸入單片機(jī)各個(gè)對(duì)應(yīng)的I/O接口，通過(guò)匯編程序控制過(guò)程，小車(chē)由遙控啟動(dòng)后，自動(dòng)尋跡，并不斷檢測(cè)遙控、避障和語(yǔ)音信號(hào)，只要得到其中任何一種信號(hào)都將轉(zhuǎn)入它們對(duì)應(yīng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)有效控制

由于時(shí)間不足以及客觀多方面的困難，整個(gè)小車(chē)相比任務(wù)書(shū)中的要求已經(jīng)簡(jiǎn)化的比較多，伴隨著也出現(xiàn)多個(gè)地方的不足：不過(guò)，這些一定的不足極大激發(fā)了我的興趣，不斷改進(jìn)完善小車(chē)：遙控達(dá)到以上功能外還將加入速度控制，停啟等，同時(shí)也可以加入里程計(jì)算顯示或則其他溫度、濕度、氣壓的控制檢測(cè)等多方面的功能，達(dá)到智能機(jī)器人的效果。這些也需從工作中學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)，讓自己更上一個(gè)臺(tái)階。

論文完成之際，謹(jǐn)向xxx老師致以最誠(chéng)摯的感謝,本人在做設(shè)計(jì)期間,本文的研究工作從始至終都得到了劉老師的熱心指導(dǎo)和關(guān)心，多次尋找相關(guān)資料，為我指點(diǎn)迷津，幫助我開(kāi)拓思路。劉老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，高度的敬業(yè)的精神，兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對(duì)我產(chǎn)生重要影響。她淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時(shí)肖老師致力要求我自己獨(dú)立完成設(shè)計(jì)，培養(yǎng)我以后做事的獨(dú)立性。

持續(xù)幾個(gè)月的忙碌，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，雖然不是特別完美，但它凝聚了多方的心血，作為一個(gè)專(zhuān)科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，同學(xué)們的支持合作，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。和他們的接觸及溝通不僅使我樹(shù)立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。在此深深的感謝劉老師，以及指導(dǎo)，關(guān)心和幫助的同學(xué)和朋友，感謝你們使得我不斷的在學(xué)習(xí)中進(jìn)步，成長(zhǎng)。

最后感謝在百忙之中抽出時(shí)間評(píng)閱論文的各位老師和學(xué)者，由于知識(shí)水平有限，錯(cuò)誤在所難免，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。

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