智能循跡小車的設計與實作
摘要：現當代社會電子技術的不斷發展，企業生產技術不斷提高，對自動化技術要求也不斷加深的環境下。當前生產生活中，單片機功能愈加強大，本課題以STC89C52單片機為核心所設計的智能小車，分為三大組成部分：執行部分、CPU，傳感器檢測部分。智能小車要實作自動避障、循跡等功能，感知導引線和障礙物，自動識別、選擇正確的行進路線，檢測到障礙物時能自動躲避。 將計算機技術與測量控制技術結合，組成智能化測量控制系統。這種技術促使智能機器人技術有了突飛猛進的發展。也體現了當代科技的進步與發展。
關鍵詞：單片機；循跡；自動避障
Design and Implementation of Intelligent Tracking Car
Abstract: With the continuous development of electronic technology, enterprise production technology continues to improve, and the requirements for automation technology are also deepening. At present, the function of single chip microcomputer is becoming more and more powerful. The intelligent robot based on STC89C52 microcontroller is divided into three parts: sensor detection part, executive part, CPU. The intelligent robot should realize the function of automatic obstacle avoidance and tracing, perceive the guide line and the obstacle, automatically recognize, select the right route, and avoid the obstacle automatically when the obstacle is detected. The intelligent measurement and control system is composed of computer technology and measurement control technology. This technology has promoted the development of intelligent robot technology by leaps and bounds.
Keywords: Singlechip ,Track ,Automatic obstacle avoidance
目錄
第1章 緒論 1
1.1 設計目的 1
1.2 設計要求 2
第2章 總體設計方案 3
2.1 總體設計方案 3
2.2總體設計原理 4
第3章 硬體電路設計 5
3.1 單片機最小系統電路 5
3.1.1 電源電路 5
3.1.2 復位電路 5
3.1.3晶振電路 6
3.1.3 STC89C52單片機 6
3.2 電機驅動電路 7
3.3 顯示電路 9
3.4 尋跡和避障電路 10
第4章 系統軟體程式 11
4.1 主程式流程圖 11
4.2 尋跡子程式流程 11
第5章 小車的焊接與功能檢驗 13
5.1 焊接 13
5.2功能檢驗 14
第6章 總結 15
參考文獻 16
第1章 緒論
在我國科技強國戰略下，企業生產技術不斷提高，對自動化技術要求也不斷加深的環境下，智能車輛以及在智能車輛基礎上開發出來的產品已成為自動化物流運輸、柔性生產組織等系統的關鍵設備。世界上許多國家都在積極進行智能車輛的研究和開發設計。智能尋跡機器人，是一個集環境感知、規劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統，它集中地運用了計算機、傳感、資訊、通信、導航及白動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。目前，國內外的許多大學及研究機構都在積極投入人力、財力研制開發針對特殊條件下的安全監測系統。其中包括研究使用遠程、無人的方法來進行實作，如智能機器人遠程監控等。無線傳輸的發展使得測量變得相對簡單，處理資料的速度變得很快。單片機技術作為自動控制技術的核心之一，被廣泛應用于工業控制、智能儀器、機電產品、家用電器等領域。
目前單片機功能愈加強大，本課題以STC89C52單片機為核心所設計的智能機器人，分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執行部分、CPU。智能機器人要實作自動避障、尋跡等功能，感知導引線和障礙物，自動識別、選擇正確的行進路線，檢測到障礙物時能自動躲避。 將計算機技術與測量控制技術結合，組成智能化測量控制系統。這種技術促使智能機器人技術有了突飛猛進的發展。
1.1 設計目的
使小車能夠紅外控制，黑線尋跡，避障，數碼管顯示等功能，掌味訓本控制為設計目的。
（1）了解機械部件結構與機械安裝程序；
（2）了解電子元器件的基本形狀及焊接程序；
（3）掌握電子元器件的焊接步驟與檢測程序；
（4）了解單片機內部結構與程式編制方法；
（5）了解數碼管內部結構，掌握數碼顯示技術；
（6）了解鍵盤結構原理，掌握中斷查詢技術；
（7）了解蜂鳴器驅動技術，體現報警功能；
（8）通過本機系統學習，全面掌握智能自動尋跡機器人的控制方法。
1.2 設計要求
使小車能夠進行黑線尋跡，紅外控制，數碼管顯示等功能。
（1）完成以STC89C52為主控芯片的智能機器人總體系統設計；
（2）完成智能機器人的總體結構搭建；
（3）完成智能機器人的電路圖設計；
（4）完成智能機器人的硬體焊接、安裝和軟體除錯；
（5）最終的設計要求能完全表現智能機器人,黑線尋跡、,顯示、報警、按鍵控制，數碼管顯示程式結合等各項性能。
第2章 總體設計方案
2.1 總體設計方案
整個路系統分為檢測、控制、驅動三個模塊。首先利用光電對管對路面信號進行檢測，經過比較器處理之后，送給軟體控制模塊進行實時控制，輸出相應的信號給驅動芯片驅動電機轉動，從而控制整個小車的運動。該簡易智能小車在畫有黑線的白紙“路面”上行使,由于黑線和白線對光線的反射系數不同,可根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”——黑線。判斷信號可通過單片機控制驅動模塊修正前進方向，以使其保持沿著黑線行進。當小車脫離軌道時，即當置于中間的一只光 電開關脫離軌道時，等待外面任意一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛。在該模塊中利用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法——紅外探測法。即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質的特點。在小車行駛程序中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發生漫發射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號。
本設計以STC89C52單片機作為檢測和控制核心。采用紅外光電傳感器檢測路面黑線及障礙物，用光敏電阻檢測、判斷車庫位置，通過軟體編程實作智能小車行進、繞障、停止的精確控制以及檢測資料的存盤、顯示。通過對電路的優化組合，可以最大限度地利用52單片機的全部資源。系統框圖如2-1所示。
圖2-1系統框圖
2.2總體設計原理
智能尋跡小車采用現在較為流行的8位單片機作為系統大腦。以STC89C52為主芯片。40腳的DIP封裝使它擁有32個完全IO埠，通過對這些埠加以信號輸入電路，控制電路，執行電路共同完成尋跡機器人。P0.0，P0.1，P0.2，P0.3分別通過L293D電機驅動來驅動電機1和電機2。由電機的正轉與反轉來完成機器人的前進，后退，左轉，右轉，行走時會通過P3.5與P3.6的紅外接收探頭來進行檢測。P2.0為指示燈的運行狀態。這個紅外遙控接收頭接收到紅外信號時將信號經過P3.3送入到主芯片，主芯片對其進行解密后以不同的方式對機器人進行控制。同時將用戶的按鍵資訊通過P2埠上LED數碼管顯示出來。
當前的電動小汽車基本上采取的是基于純硬體電路的一種開環控制方法，或是直線行使，或是在遙控下控制前進、后退、轉彎、停車等基本功能。
第3章 硬體電路設計
3.1 單片機最小系統電路
3.1.1 電源電路
電源采用5V直流電壓供電。如圖3-1所示
圖3-1 電源電路
3.1.2 復位電路
復位操作有上電自動復位相按鍵手動復位兩種方式。本系統的復位電路采用上電復位方式。
上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實作的，這佯，只要電源VCC的上升時間不超過1ms，就可以實作自動上電復位，即接通電源就成了系統的復位初始化。如圖3-2所示
圖3-2 復位電路
3.1.3晶振電路
振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入到內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度.外接晶振電路圖如下圖3-3所示。
圖3-3晶振電路
3.1.3 STC89C52單片機
單片機電路如圖3-4所示，它是整個機器人運行的核心部件，起著控制機器人所有運行狀態的作用。控制方法有很多，大部分都采用單片機控制。由于52單片機具有價格低廉、使用簡單的特點，這里選擇了ATMEL公司的STC89C52作為控制核心部件。
STC89C52是一種帶8K位元組閃爍可編程可擦除只讀存盤器（FPEROM-Flash Program Able and Erasable Read Only Memory ）的低電壓、高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存盤器制造技術制造，與工業標準的MCS-52指令集和輸出管腳相兼容。它的存盤器用的是哈佛結構，
即將程式和資料存盤截然分開，程式存盤器和資料存盤器各有自己的尋址方式、尋址空間和控制系統。如圖3-4所示。
圖3-4 單片機圖
3.2 電機驅動電路
直流電機驅動采用簡單易管理的L293D芯片驅動，電機驅動電路如圖3-5所示，芯片管腳及功能說明如圖3-6所示。電機1連到芯片的3、6兩個埠，電機2連到芯片芯片的11、14兩個埠，2、7、10、15埠分別與主芯片相連，控制電機，1、9分別作為使能端跟主芯片相連。電機可以完成智能尋跡機器人的前進、后退、左轉和右轉。驅動板能同時驅動兩個直流電機。通過對這幾個I/O口的控制就可以分別實作對電機正反轉的控制。完成向前、向后、左轉和右轉等各種組合運動。每個電機用三個口控制，一個能使端（EN）和兩個PWM輸入端，控制電機的轉動與停止。也就說，對這兩個輸入端輸入脈沖，當為一高一低電平時，電機轉動，而為兩低電平時，電機停止轉動。以電機1為例，假設1路輸出高電平，而2路輸出低電平，電機會實作正轉，而1路輸出低電平，而2路輸出高電平，電機實作反轉，但如果1、2路都為低電平，電機就會停止轉動。
圖3-5 電機驅動電路
序號 符號 功能
1 ENA 1,2路的使能埠
2 INPUT1 1路的輸入
3 OUTPUT1 1路的輸出
4,5 GND 地線
6 OUTPUT2 2路的輸出
7 INPUT2 2路的輸入
8 VSS 電源
9 ENB 3,4路的使能埠
10 INPUT3 3路的輸入
11 OUTPUT3 3路的輸出
12，13 GND 地線
14 OUTPUT4 4路的輸出
15 INPUT4 4路的輸入
16 VCC 電源
圖3-6 L293D管腳及功能
3.3 顯示電路
LED數碼管采用共陽極的方式接入，通過對埠的置數操作，數碼管是將發光二極管通過一定的形式封裝在一個數字的外殼中，可以通過不同的點亮方式來顯示不同的數字符號。數碼管顯示模塊如圖3-5所示。它的a、b、c、d、e、f、g分別接入主芯片P2.1—P2.7的埠。它的功能由埠直接控制，更好的展示出機器人的運行狀態，當為低電平時數碼管燈亮，高電平時不亮。小車運行程式時分別顯示為0-3,1代表尋跡，2代表避障，3代表紅外線遙控。數碼管顯示電路如圖3-7所示。
圖3-7 數碼管顯示電路
3.4 尋跡和避障電路
機器人尋跡，通常采用紅外檢測的方法，紅外反射尋跡和避障電路如圖3-8所示。紅外檢測法是通過黑線和白色對紅外線的吸收效果不同，當紅外光線射到白色底板上時，會發生漫反射反射到智能機器人的接收管上，而射到黑線則會被吸收不會發射，智能機器人紅外接收管就接收不到。所以整個智能機器人通過紅外接收管是否接收到紅外線來判斷黑線和白線的，從而實作尋跡。但需要主要的是，紅外傳感器的檢測距離有限，一般在3cm之內。紅外光電傳感器油一個紅外發射管（發射器）和一個光電二極管（接收器）所構成。紅外光電傳感器是由發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管構成，它使用的非接觸式檢測方式，且檢測距離范圍較大。避障模塊選用的傳感器是一紅外光電管。集發射與接收于一體的光電式傳感器，其檢測距離可以根據需要進行調節。此傳感器探測距離遠，抗干擾性強，且價格低廉，容易使用，已在智能尋跡小車行業中得到廣泛應用，是避障功能設計的最佳選擇。該傳感器原理：前方無障礙輸出低電平（0），有障礙輸出口（黃色）點平會從高電平變成高電平（1）。
圖3-8 尋跡和避障電路
第4章 系統軟體程式
4.1 主程式流程圖
機器人進入尋跡模式后，即開始不停的掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，就執行相應的判斷程式，把相應的信號發送給電動機，從而糾正機器人的狀態。主程式流程圖如圖4-1所示。
圖4-1 主程式流程圖
4.2 尋跡子程式流程
機器人的尋跡程序通過兩對紅外對管是否接收到反射光實作。開始，機器人沿黑線前進，此程序均沒有反射光。當左邊的紅外接收管，接收到反射光時，說明機器人行進偏離黑線左方，則機器人向右轉彎。當右邊的紅外接收管，接收到反射光時，說明機器人行進偏離黑線右方，則機器人向左轉彎。當兩側紅外接收管均未接收到反射光時，機器人繼續直行。尋跡子程式流程圖如圖4-2所示。
Y
N
Y
N
圖4-2 尋跡子程式流程圖
第5章 小車的焊接與功能檢驗
5.1 焊接
焊接注意事項：
1、電容有正負極之分，長正短負；
2、二極管有正負極之分，長正短負；
3、蜂鳴器有正負之分，長正短負；
4、三極管按照電路板封裝焊接；
5、集成電路即芯片，安裝時要注意缺口對應（缺口對應位置和封裝對應位置要一致）。（缺口在芯片或芯片底座的一端）
6、數碼管焊接時注意數碼管上的小數點要與電路板封裝上的小數點對應。
7、強烈推薦電池采用南孚電池或其他高性能電池。
焊接中主要遇到了以下問題：不同阻值的電阻焊錯位置，造成小車焊接后無法正常發揮其功能，經過反復查錯修改，使小車能正常發揮它的功能。焊接與安裝如圖5-1所示：
圖5-1焊接與安裝
5.2功能檢驗
把所有的程式都下載進來，當數碼管顯示1時，小車執行尋跡，而當數碼管顯示2時，小車顯示避障，而當數碼管顯示3時，小車顯示紅外線遙控。運動現象如圖5-2所示。
圖5-2 運動現象圖
第6章 總結
本系統能夠基本滿足設計要求，能夠較快較平穩的是小車沿引導線行駛，但由于經驗能力有限，該系統還存在著許多不盡人意的地方有待于進一步的完善與改進。
本設計主要用到了單片機的通用IO口的讀寫，定時器，中斷等基本功能，通過實際操作進一步掌握了51單片機的使用。同時，通過單片機外圍電路的設計，更深入學習了51單片機在嵌入式系統中的應用。在本次的課程設計中，我們制作了一個基于51單片機的智能循跡小車，因為是以小組為單位,我們在討論,分工和測驗中,懂得了小組成員之間的分工和相互合作有多么重要。雖然中間不可避免有一些意見的不同,但我們也能在討論中得到意見的協調。
另外,小車不時出現了不一樣的問題和狀況,有些是不可避免,比如直流電機本身的轉速受到多方面的影響,而我們當初選擇它的原因卻是因為直流電機相對簡單些,因此現在也只有盡量減小它的影響程度,這告訴我們事物總是沒有十全十美,而我們得懂得取長補短。通過實際焊接電路，撰寫程式，也進一步提高了我的動手能力以及分析解決錯誤的能力，是我能夠更好的將所學知識應用到實際中來。
兩周的實習，我學會了很多，學會了Protel99SE的使用，會用該軟體繪制各種電路圖，以及制作對應的PCB電路板。之外，這次課程設計還鍛煉了我們的動手能力，讓我們能把理論與實踐相結合。
參考文獻
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先做個最小系統板出來吧
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