智能循跡小車的電氣設(shè)計--畢業(yè)論文.doc

畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要智能循跡小車是一個集單片機(jī)、傳感器、電機(jī)調(diào)速技術(shù)于一體的可實(shí)現(xiàn)自動識別路線、測距、避障功能的智能運(yùn)動載體。 本設(shè)計為單片機(jī)控制小車自動循跡、避障、測距的綜合設(shè)計方案。STC12C5A60S2作為本次設(shè)計的主控制芯片。此次綜合方案循跡模塊采用TCRT5000紅外反射式光電開關(guān)傳感器，通過紅外傳感器感知黑線與地板反射光線的不同，并通過電壓比較器獲得數(shù)字量；執(zhí)行部分由兩個直流電機(jī)組成，采用PWM調(diào)速控制，PWM信號由單片機(jī)調(diào)制得到；距離檢測模塊由超聲波傳感器負(fù)責(zé)完成，距離顯示由LCD液晶顯示屏顯示；避障模塊由車子左前方的紅外傳感器負(fù)責(zé)檢測距離，單片機(jī)做出判斷并給予動作指令，直流電機(jī)做出后退、右轉(zhuǎn)等避障動作；本設(shè)計電路簡單，可靠性高，能滿足各種設(shè)計要求，且提升空間較大。關(guān)鍵詞：智能小車；STC單片機(jī)；直流電機(jī)調(diào)速；超聲波測距；LCD1602顯示畢業(yè)設(shè)計說明書 第 II 頁 共 II 頁目 錄1 緒論21.1智能小車的研究背景與市場價值21.2 智能小車的現(xiàn)狀21.3 智能小車的設(shè)計思路21.4 主要功能22 方案的設(shè)計與論證32.1 主控系統(tǒng)32.2 循跡傳感器模塊32.3 測距避障模塊42.4 顯示模塊42.5 電機(jī)驅(qū)動模塊52.6 電源模塊62.7 機(jī)械系統(tǒng)63 主要器件的介紹63.1 STC12C5A60S2 的介紹63.2 L298N 的介紹103.2.1 L298N的引腳功能113.2.2 L298N的運(yùn)行參數(shù)123.2.3 L298N的邏輯控制123.3 TCRT5000 的介紹123.4 LM324 的介紹133.5 超聲波傳感器的介紹133.5.1 HC-SR04 超聲波測距模塊的特性143.6 液晶顯示器153.6.1 LCD1602 的各個引腳的功能說明153.6.2 LCD1602 的工作時序163.6.3 LCD1602 的指令集184 硬件設(shè)計及模塊原理184.1 總體方案的概述184.2 STC單片機(jī)最小系統(tǒng)194.2.1 時鐘電路204.2.2 復(fù)位電路204.3 電機(jī)驅(qū)動電路214.4 循跡檢測模塊225 軟件設(shè)計235.1 程序設(shè)計流程圖235.2 關(guān)鍵程序設(shè)計展示255.2.1 STC單片機(jī)內(nèi)部單元的定義255.2.2 STC單片機(jī)PWM信號調(diào)制265.2.3 超聲波測距模塊的設(shè)計265.2.4 LCD液晶屏的初始化程序275.2.5 LCD液晶屏的寫指令程序的設(shè)計285.2.6 LCD液晶屏寫數(shù)據(jù)程序285.2.7 LCD 判忙程序296 系統(tǒng)調(diào)試306.1 調(diào)試的思路306.2 各個模塊的調(diào)試306.2.1 LCD模塊的調(diào)試306.2.2 超聲波模塊的調(diào)試306.2.3 報警調(diào)試316.3 調(diào)試心得32結(jié)束語33致謝34參考文獻(xiàn)35附錄A35相關(guān)程序39?？飘厴I(yè)設(shè)計說明書（論文） 第48頁 共 51頁1 緒論1.1智能小車的研究背景與市場價值隨著微型計算機(jī)控制技術(shù)、信息感測技術(shù)、電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品的小型化、可塑性、柔性化越來越受到人們的關(guān)注。人們越來越注意將現(xiàn)代科技融入到現(xiàn)實(shí)生活個個方面，將更多的事情交給機(jī)器執(zhí)行，從而更大程度上解放人的雙手，極大地豐富了人們的精神生活。另一方面，機(jī)器逐漸取代一些繁瑣重復(fù)的工作過程，使人有更多時間和精力去開發(fā)更多人工智能，為社會生產(chǎn)力發(fā)展水平的提高做出更多貢獻(xiàn)。目前，企業(yè)對提高生產(chǎn)技術(shù)、節(jié)約用人成本、車間自動化水平有著迫切要求。智能車輛基礎(chǔ)上研發(fā)的自動物流運(yùn)輸設(shè)備受到了廣泛關(guān)注。不光在工廠車間里智能小車有廣大的前景，更重要的是，智能小車在軍工產(chǎn)業(yè)、消防器材上的不可估量的研發(fā)與投資價值。軍工上，排爆機(jī)器人、偵查機(jī)器人已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的不可缺少的特殊軍用設(shè)備。在遇到險情時，士兵不必親自到前線查看敵情 ，而是通過車載攝像智能小車進(jìn)入戰(zhàn)場勘測敵情，小車可以受到遙控接收戰(zhàn)場信號，甚至可以攜帶槍支或炸彈。以最小的成本獲取信息、殺傷敵軍。這種方式較為隱蔽。消防上，智能小車可以制作成搶險車輛，當(dāng)發(fā)生地震等重大災(zāi)害時，人無法到達(dá)的地方都可以讓小車展開探測搜救工作。智能小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決斷、自動行進(jìn)于一體的高新行動載體。其中廣泛的應(yīng)用了傳感技術(shù)、系統(tǒng)自控技術(shù)、數(shù)模電子技術(shù)。1.2 智能小車的現(xiàn)狀智能小車主要應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場貨物運(yùn)輸，輔助駕駛系統(tǒng)，以及車輛自動駕駛系統(tǒng)中。較為精尖的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域,如軍事偵察機(jī)器人，該機(jī)器人的工作環(huán)境諸如丘陵、山地叢林、開闊的野外環(huán)境，其中較為出名的輕型地面?zhèn)刹鞕C(jī)器人“背包”機(jī)器人，是由美國IROBOT公司研究開發(fā)的。該機(jī)器人裝備了遠(yuǎn)距離光學(xué)攝像機(jī)并接裝了延長桿，此外也加裝了傳聲器、聲波定位器、紅外傳感器、羅盤、激光掃描、微波雷達(dá)等傳感設(shè)備。具有自動、遙控、智能自控制等功能。其它以此為基礎(chǔ)開發(fā)的地面移動機(jī)器人分別具有偵察、探測險情、排爆等功能?！褒埿姓摺?Dragon runner)布控式地面?zhèn)刹鞕C(jī)器人、歐弗洛（OFRO）室外安檢機(jī)器人、“徘徊者”（PROWLER）地面武裝機(jī)器人、MR-5排爆機(jī)器人等等，都是走在智能地面移動機(jī)器人的前列。1.3 智能小車的設(shè)計思路小車的頭部有兩對紅外傳感器，發(fā)射器向地面發(fā)射紅外線，黑線和地面之間反射的亮度會有差異（黑線會吸收大部分的紅外光線），地板反射的紅外光線由光電開關(guān)的三極管接收端接收，并使三極管導(dǎo)通，通過電壓比較器獲得單片機(jī)識別的數(shù)字量，以此來矯正小車方向；車頭部分有超聲波傳感器和紅外傳感器，對小車前面是否有障礙物進(jìn)行判斷，并驅(qū)動兩側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)。STC特有的兩路PWM脈沖信號輸出，輸出脈寬可調(diào)的方波，讓信號輸入到L298N驅(qū)動芯片。寬度可調(diào)方波控制三極管通斷，以此實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。的設(shè)計顯示部分：LCD1602液晶顯示器顯示測距結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對超聲波測的距離的實(shí)時監(jiān)控。1.4 主要功能 功能：A. 智能車輛的主要功能是實(shí)現(xiàn)對黑線的智能循跡。B. 檢測智能車輛與障礙物之間的距離，距離信息依靠LCD顯示屏顯示。C. 在距障礙物特別近時（大概十幾厘米），車輛停止并名蜂鳴器，向右緩慢繞圓避障，最終回到軌道。2 方案的設(shè)計與論證方案如下：現(xiàn)有三輪玩具車一輛，前兩輪為動力輪，后輪是轉(zhuǎn)向輪，此為智能循跡小車的主體架構(gòu)。在車上加裝紅外反射式光電開關(guān)、超聲波傳感器作為小車的感知部分。裝置一套單片機(jī)控制系統(tǒng)作為小車主控部分。動力層面：兩臺直流電機(jī)組成，并配有調(diào)速電路。顯示部分由LCD顯示屏完成。各部分連接到單片機(jī)上，共同協(xié)同工作完成循跡避障工作。2.1 主控系統(tǒng)方案一：選取89C51單片機(jī)作為智能車輛的控制核心芯片。 89C51是一個低功耗、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)4Flash ROM，片外最多可擴(kuò)至64KB ROM因此，統(tǒng)一編址0000H-FFFFH，其中0000H-0FFFH是片內(nèi)編址。4個8位並行口P0-P3，每個口既可以作為輸入亦可當(dāng)作輸出。兩個16位定時計數(shù)器。五個中斷源。一個串行I/O口（單片機(jī)之間通信）。但是基本I/O不夠多，無法滿足需求。因此放棄。方案二：選取STC12C5A60S2單片機(jī)作為本次綜合設(shè)計的主控制芯片。用它來完成信息的采集、處理，給執(zhí)行元件輸送動作指令。STC12C5A60S2芯片不僅兼容AT89C51的全部指令，內(nèi)部架構(gòu)上還多了許多較好的補(bǔ)充。如；增加兩路PWM信號電路；I/O接口的驅(qū)動能力增強(qiáng)達(dá)到20mA，每個輸入輸出口都有四種工作模式（見下文），還有部分增加的功能下文做介紹。輸入輸出端口較多，方便日后拓展功能。再者，本次設(shè)計需要兩路PWM信號，選用STC12C5A60S2芯片可以使用現(xiàn)成的端口，因而可以節(jié)省出定時器計數(shù)器。方便更多功能的拓展。所以采用方案二2.2 循跡傳感器模塊方案一： 采用兩只簡易光敏電阻，但實(shí)際效果并不理想。行駛過程中對穩(wěn)定性要求很高，方案一誤測機(jī)率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用的過程中極易出現(xiàn)各種問題，采取光敏電阻作為循跡傳感器，利用不同光強(qiáng)下光敏的阻值變化這一特性，感知地面光照的不同。但是，光敏電阻的反應(yīng)不夠靈敏，有一定的時滯，響應(yīng)速度上跟單片機(jī)不在一個等級上，從而影響本設(shè)計中最重要的循跡功能。故放棄方案一。方案二：運(yùn)用集成型紅外反射對管作為尋跡模塊的傳感器。將兩對傳感器分別置于前部車身靠近黑線的兩側(cè)，兩側(cè)分別有紅外發(fā)射端、接收端。采用紅外線發(fā)射器有很大的優(yōu)勢，主要是，可見光對接收信號的影響較小。兩對光電開關(guān)及相關(guān)電路根據(jù)地板和黑線反射光線強(qiáng)度的不同做出開關(guān)量的判斷，并且鍵數(shù)字量傳入單片機(jī)，單片機(jī)做出方向上的修正。測試表明，只要調(diào)整好兩對紅外光電開關(guān)的位置就能很好的實(shí)現(xiàn)循跡功能。經(jīng)過多番測試，兩對傳感器之間距離是黑線的1.21.7倍之間效果較好。另外，選好平整光潔的地板。本方案便很容易實(shí)現(xiàn)。故選用方案二。2.3 測距避障模塊方案一:選用兩對紅外傳感器置于智能車輛的頭部兩側(cè)，正對前方。該裝置能夠?qū)π≤嚺c障礙物的距離、方位做出準(zhǔn)確判，可以判斷障礙物是在左側(cè)還是右側(cè)。但是，該方案需要兩對紅外傳感器，成本較高。另外，紅外測距距離較近，一般為4-20cm。且室內(nèi)混雜其它光線，容易擾亂紅外端。如果是專門的避障車可以采用此方案，但本著簡易穩(wěn)定的原則，所以未采用。方案二：選用超聲波傳感器。超聲波測距的優(yōu)勢:檢測距離在0.1-4m之間，檢測精度在1cm，它具備不易受外界干擾，成本低，檢測距離遠(yuǎn)，不易受室內(nèi)光線和黑線的影響等特點(diǎn)。配合一對紅外反射對管實(shí)行避障功能，將一個紅外對管置于車子左前方，靠近物體后即標(biāo)記停止位。故本設(shè)計選擇方案二超聲波檢測。2.4 顯示模塊方案一： 選用LED數(shù)碼管顯示：它具有結(jié)構(gòu)簡單，電路簡易、功耗低、壽命長的特點(diǎn)。但LED數(shù)碼管顯示的內(nèi)容單一，只能顯示數(shù)字和簡單的字母。但是本設(shè)計用到的顯示不止一位，如果顯示多位數(shù)據(jù)就要使用多個數(shù)碼管，就要用到動態(tài)刷新或是增加I/O口，就會浪費(fèi)過多的輸入輸出口，復(fù)雜化電路。故不予考慮。 方案二： 選用LCD顯示：顯示的內(nèi)容豐富，控制電路簡單使用方便，較為美觀，一個液晶顯示器就可以滿足不同功能的顯示 對于本課題的要求，選擇LCD顯示方式，選擇方案二。2.5 電機(jī)驅(qū)動模塊方案一：使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有優(yōu)良的可控性和精確性。在精確控制場合，對電機(jī)轉(zhuǎn)動速度、角度要求較為嚴(yán)格的情況下，當(dāng)給電機(jī)一個電脈沖時，步進(jìn)電機(jī)就會轉(zhuǎn)動一個特定的角度，角度可轉(zhuǎn)化成距離，這樣可以實(shí)現(xiàn)精確控制。然則當(dāng)步進(jìn)電機(jī)需要連續(xù)轉(zhuǎn)動時就需要持續(xù)地輸入連續(xù)的脈沖信號。轉(zhuǎn)動速度只與外加脈沖頻率有關(guān)。轉(zhuǎn)動速度不僅不受電壓波動、負(fù)載情況影響，還不受溫度、氣壓影響。但是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路較為復(fù)雜，價格也比較昂貴。方案二：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，控制也較為簡單，直要電機(jī)兩端加電壓就可以使電機(jī)轉(zhuǎn)動，電壓越高轉(zhuǎn)速越快。改變正負(fù)極就可以改變旋轉(zhuǎn)方向。所以，直流電機(jī)常用的PWM方式驅(qū)動，即將方波信號通入H橋三極管，通過時序控制改變成對三極管通斷情況，這樣就能改變電動機(jī)正反轉(zhuǎn)。改變PWM占空比就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。本設(shè)計中采用L298N集成雙H橋芯片（圖2.1），剛好控制兩個電機(jī)。這種調(diào)速方法調(diào)速范圍大，有續(xù)流二極管可以較好地保護(hù)電路。速度調(diào)節(jié)勻稱、平緩。制動和翻轉(zhuǎn)迅速。優(yōu)點(diǎn)較多。直流電機(jī)即可滿足小車要求的精度。所以取方案二。圖2.1 H橋式電路2.6 電源模塊方案一：選用4節(jié)1.5V干電池降壓到5V給單片機(jī)供電。一節(jié)9V電池給電機(jī)供電。一共五節(jié)電池，重量太大，不易攜帶，加重小車負(fù)擔(dān)。故放棄方案二： 用一塊5V的手機(jī)電池給單片機(jī)供電，一節(jié)9電池給電機(jī)供電。兩塊電池滿足小車用電要求且重量適中，方便車輛攜帶。采用方案二。2.7 機(jī)械系統(tǒng)本次設(shè)計要求循跡小車機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、靈活簡單，用現(xiàn)有的三輪玩具車，其中前兩輪是驅(qū)動輪，后面一個輪子是萬向輪，負(fù)責(zé)調(diào)整方向。放棄采用四輪車，四輪車增加了兩個電機(jī)，且轉(zhuǎn)向不方便，造價成本較高。驅(qū)動部分：由于智能車輛電機(jī)功率較小，車載元件過多，負(fù)擔(dān)很重。在直流電機(jī)和輪子之間加裝三級減速齒輪可實(shí)現(xiàn)小車平穩(wěn)啟動，問題解決。3 主要器件的介紹3.1 STC12C5A60S2 的介紹 國內(nèi)STC公司的單片機(jī)產(chǎn)品在國能市場上具有很強(qiáng)的競爭力。它內(nèi)部具有大容量FLASH程序存儲器,同時兼容8051單片機(jī)指令。STC單片機(jī)片內(nèi)就自帶60K FLASHROM,滿足較大篇幅程序的寫入。而且STC系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。STC12C5A60S2單片機(jī)比尋常單片機(jī)多兩個IO口P4、P5能實(shí)現(xiàn)更多的控制功能。它的速度比一般單片機(jī)快8-12倍。有4個16位定時器。內(nèi)部集成兩路PWM電路，8路10位A/D 轉(zhuǎn)換。其有以下特點(diǎn)：1. 工作電壓：3.3-5.5V；2. 工作頻率：0-35MHz；3. 40K/48K/60K字節(jié)應(yīng)用程序空間；4. 集成1280字節(jié)RAM；5. 36、40、44個通用口。復(fù)位后可設(shè)置成四種模式。即：強(qiáng)上拉、強(qiáng)退挽、高阻、開漏。6. A/D轉(zhuǎn)換。8路10位精度ADC。高速轉(zhuǎn)換速度可達(dá)每秒鐘25萬次。7. 有WATCH_DOG8. 工作溫度范圍：-40 - +85(工業(yè)級) / 0 - 75(商業(yè)級)9. 中斷優(yōu)先級有四種狀態(tài)可定義芯片引腳圖如圖3.1所示。圖3.1 STC12C5A60S2單片機(jī)管腳圖STC12C5A60S2各個引腳功能簡單介紹如下：3.2 L298N 的介紹L298N是ST公司旗下一款出色的驅(qū)動芯片。芯片內(nèi)部包含兩套雙H橋電路，每一套H橋電路能控制一個直流電機(jī)。芯片的驅(qū)動電壓為5V，輸入端能接受標(biāo)準(zhǔn)電平（4.5-7v）。電機(jī)的驅(qū)動電壓不同于芯片驅(qū)動電壓，可接受2.5V-46v（取決于不同的電機(jī)等級）。H橋上需要添加續(xù)流二極管，來保護(hù)驅(qū)動電路中的三極管。OUT1，OUT2之間接直流電機(jī)M1，由IN1、IN2信號控制正反轉(zhuǎn)，PWM1也就使能端A控制電機(jī)轉(zhuǎn)動和停止。OUT3，OUT4連接電機(jī)M2，由 IN3、IN4，PWM2控制。圖3.2，L298N內(nèi)部原理圖。圖3.1 L298N實(shí)物圖圖3.2L298N內(nèi)部H橋原理圖3.2.1 L298N的引腳功能L298N芯片的引腳圖如下圖3.3，其引腳功能見表3.1。圖3.3 L298N引腳圖表3.1 L298N的引腳功能表3.2.2 L298N的運(yùn)行參數(shù)L298N的運(yùn)行參數(shù)見如下表3.2.表3.2 L198N 的運(yùn)行參數(shù)3.2.3 L298N的邏輯控制表3.3 L298N功能邏輯表3.3 TCRT5000 的介紹TCRT5000具有結(jié)構(gòu)緊湊建設(shè)的特點(diǎn)。光源和探測器排列在同一方向，它的工作波長為950mm，探測器是由光電晶體管組成。在它正常工作時，藍(lán)色發(fā)射管向正前方發(fā)射一束紅外線，障礙物存在時紅外光線束被反射回來，紅外接收管接收反射光線后呈導(dǎo)通狀態(tài)。通過狀態(tài)量的變化感知反射光線的光強(qiáng)。如圖示： 圖3.4 TCRT5000實(shí)物圖 圖3.5 TCRT5000引腳簡單示意圖3.4 LM324 的介紹LM324為集成四路運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償且電路功耗很小，采用14引腳雙列之差塑料封裝。元件本質(zhì)上就是一個運(yùn)放電路，反饋回路無窮大。它有5個端口，V+和V-接正負(fù)電源。Vi+，Vi-接輸入端，一個接正相端一個接反相端。Vo接輸出端。當(dāng)正相輸入端電壓大于反向輸入端電壓時，那么運(yùn)放輸出低電位。單個運(yùn)放器如圖 3.5所示。LM324引腳排列如圖3.6所示。 。3.5 超聲波傳感器的介紹本設(shè)計選用HC-SR04超聲波測距。HC-SR04超聲波測距模塊有4個引腳，如圖3.8示 ，發(fā)射端（Echo）接收端（Tring）直流5V電源端，接地端。HC-SR04超聲波測距的測距原理： 在Tring端口加一個大于10us的高電平，模塊發(fā)送8個高頻脈沖方波。之后，檢測是否有返回信號到來。如果信號接收端接收到反射信號，將記錄發(fā)射到返回之間的時間差。通過計算得到距離。距離等于聲速與時間差的積的1/2.圖3.8 HC-SR04超聲波測距模塊實(shí)物圖3.5.1 HC-SR04 超聲波測距模塊的特性HC-SR04超聲波測距模塊的電氣參數(shù)見表3.4所示。 表3.4 HC-SR04超聲波測距電氣參數(shù)HC-SR04超聲波測距模塊的時序圖如圖3.9所示。圖3.9 超聲波測距模塊時序圖通過時序圖可以看出，當(dāng)給Trig引腳一個不少于10us的脈沖觸發(fā)信號。觸發(fā)信號內(nèi)部高頻信號波，回響信號的示意圖。3.6 液晶顯示器LCD1602液晶廣泛應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)中，較之?dāng)?shù)碼管顯示液晶顯示具有顯示內(nèi)容豐富驅(qū)動簡單等特點(diǎn)。顧名思義，1602代表它能顯示16*2個字符，分兩行顯示。顯示模式是點(diǎn)陣顯示。如圖3.10示：圖3.10 LCD1602液晶顯示器實(shí)物圖此顯示器為16引腳封裝，內(nèi)部控制器選用HD44780芯片。外部116號引腳具備以下功能：電源和接地、讀寫、使能、數(shù)據(jù)、背光。方便與單片機(jī)相連接，因而廣泛使用。3.6.1 LCD1602 的各個引腳的功能說明 LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）和16腳（帶背光）接口，各個引腳的接口說明如表3.5所示。 表3.5 LCD1602引腳接口說明各個引腳說明如下：3.6.2 LCD1602 的工作時序1602液晶模塊作為單片機(jī)外部器件，基本操作以單片機(jī)為主器件運(yùn)行?；静僮靼ㄗx狀態(tài)、寫指令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、初始化和清屏。數(shù)據(jù)通過LCD1602的并行數(shù)據(jù)端口DB0DB7傳輸，操作類型由3個控制端電平組合控制；根據(jù)1602LCD的引腳說明，這4種基本操作時序所對應(yīng)的引腳狀態(tài)應(yīng)安排如下。說明：1為高電平，0為低電平。（1） 讀狀態(tài)。 輸入：RS=0，RW=1，E=1； 輸出：DB0DB7=狀態(tài)字。（2） 寫指令。 輸入：RS=0，R/W=0，E=下降沿脈沖，DB0DB7=指令碼； 輸出：無。（3） 讀數(shù)據(jù)。 輸入：RS=1，RW=1，E=1； 輸出：DB0DB7=數(shù)據(jù)。（4） 寫數(shù)據(jù)。 輸入：RS=1，R/W=0，E=下降沿脈沖，DB0DB7=數(shù)據(jù)； 輸出：無。在數(shù)據(jù)或指令的讀寫過程中，控制端所加電平有一定的時序要求。圖3.11和圖3.12所示，分別為該器件的讀、寫操作時序圖。時序圖說明了3個控制端口與數(shù)據(jù)之間的時間對應(yīng)關(guān)系。圖3.11 讀操作時序圖3.12 寫操作時序3.6.3 LCD1602 的指令集 1602液晶模塊內(nèi)部控制器的操作受控制指令指揮，各指令利用1B的16進(jìn)制代碼表示，共有11個控制指令。在單片機(jī)向LCD1602寫指令期間，要求RS=0，R/W=0，然后在E的上升沿作用下把數(shù)據(jù)寫入LCD1602，各個指令代碼功能見表3.6。 表3.6 LCD1602 液晶模塊內(nèi)部控制器的條控制指令4 硬件設(shè)計及模塊原理4.1 總體方案的概述本車輛使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。小車主要功能是無障礙時巡線前進(jìn)最終完成整圈賽道。在有障礙時，小車測距模塊測出與障礙物之間的距離，小車緩慢前進(jìn)，近距離時依靠車前面的紅外對管檢測障礙物，距離到達(dá)一個閥值時，對管發(fā)出指示信號，小車停止，執(zhí)行右轉(zhuǎn)圓周運(yùn)行，速度較慢。最終再次進(jìn)入軌道。小車總體電路圖見附錄。圖4.1 簡要框圖4.2 STC單片機(jī)最小系統(tǒng)STC最小系統(tǒng)主要包括STC單片機(jī)、復(fù)位電路和時鐘電路。STC單片機(jī)芯片作為本次設(shè)計的主控制器，負(fù)責(zé)處理傳感器傳送的實(shí)時信號，給部分輸送動作指令，完成數(shù)據(jù)匯總處理的功能。時鐘電路為單片機(jī)提供時序控制，像節(jié)拍器一樣有序指揮單片機(jī)完成工作。復(fù)位電路是當(dāng)單片機(jī)死機(jī)時使單片機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)的電路。將編譯好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，上電后加電自檢，執(zhí)行程序。 圖4.2 STC12C5A60S2單片機(jī)4.2.1 時鐘電路STC12C5A60S2單片機(jī)時鐘系統(tǒng)兼容8051系列。兩個時鐘源被裝載到STC12C5A60S2單片機(jī)中。其一是：內(nèi)部R/C時鐘震蕩電路。它會隨著溫度變化而產(chǎn)生變化，RC電路的頻率會產(chǎn)生些許溫飄，因而不適合工藝要求高的場合。常溫下，5V單片機(jī)頻率11MHz-17MHz，3單片機(jī)為8MHz-12MHz。外部時鐘電路由XTAL1、XTAL2端口輸入，中間放置石英振蕩器。兩路各自串聯(lián)一個微調(diào)電容，并接地。這種外部晶振震蕩電路提供了高精度的時鐘。圖4.3 外部晶體連接電路4.2.2 復(fù)位電路外部RST引腳復(fù)位，外部低壓檢測復(fù)位，掉電復(fù)位，軟件復(fù)位，看門狗復(fù)位，以上是STC12C5A60S2系列單片機(jī)共有五種復(fù)位方式。在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，且振蕩器穩(wěn)定后，在RST引腳施加一個持續(xù)24個機(jī)器週期脈衝信號，則cpu就可以相應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。把PC初始化0000H。單片機(jī)從0000H單元執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)需要初始化之外，當(dāng)程序出錯或是操作失誤致系統(tǒng)鎖死時，也可使用復(fù)位鍵重新啟動。圖4.4 復(fù)位電路4.3 電機(jī)驅(qū)動電路本次綜合綜合設(shè)計選用L298N作為驅(qū)動電機(jī)的主要元件，并配合8個續(xù)流二極管保護(hù)驅(qū)動電路。上文在介紹L298N的時候已經(jīng)敘述過其內(nèi)部的H橋電路。單片機(jī)6個輸入輸出口就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)停，調(diào)速。注意，VSS和VS電源電壓不同作用也不同，切勿接反，5V是模塊供電，9（12V）是電機(jī)供電。單片機(jī)調(diào)制的pwm信號波輸入到ENA和中。圖4.6 電機(jī)驅(qū)動電路4.4 循跡檢測模塊智能車輛會循著地板上的黑線行進(jìn)，重要元件TCRT5000型光電對管，上文元件介紹已經(jīng)敘述。如電路圖如圖3.4所示，TCRT5000發(fā)射管發(fā)射光線，檢測到白色地板時，接收管導(dǎo)通，電壓比較器正相端大于反相端，反向電壓比較器輸出低電平，LED2導(dǎo)通;相反，檢測到黑線時，輸出高電平，燈不亮。單片機(jī)靠循跡模塊傳來的數(shù)字量判斷傳感器有沒有壓到黑線，如果左側(cè)壓到黑線，就會做出左側(cè)電機(jī)減速的動作，依靠速度差調(diào)整方向、位置，右側(cè)同理。所以，小車是在不停的左右擺動中行進(jìn)的。本次設(shè)計中的循跡模塊利用簡單、價格合理的模塊，應(yīng)用普遍的檢測方法是紅外探測法。市面上有很多紅外傳感器，在這里選用TCRT5000紅外對管。圖4.7 循跡原理5 軟件設(shè)計5.1 程序設(shè)計流程圖本設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序組成部分：a) 電機(jī)驅(qū)動子程序。b) 中斷子程序。c) 定時子程序d) 寫數(shù)據(jù)子程序。e) 循跡子程序。f) 算法子程序等構(gòu)成g) 讀數(shù)據(jù)子程序。h) 測距子程序i) 避障子程序。主程序流程圖、小車循跡流程圖和小車避障流程圖如下圖所示。圖5.1主程序流程圖圖5.2 小車循跡流程圖 圖5.3 小車避障流程圖5.2 關(guān)鍵程序設(shè)計展示5.2.1 STC單片機(jī)內(nèi)部單元的定義 5.2.2 STC單片機(jī)PWM信號調(diào)制 5.2.3 超聲波測距模塊的設(shè)計5.2.4 LCD液晶屏的初始化程序 5.2.5 LCD液晶屏的寫指令程序的設(shè)計 5.2.6 LCD液晶屏寫數(shù)據(jù)程序5.2.7 LCD 判忙程序6 系統(tǒng)調(diào)試6.1 調(diào)試的思路本設(shè)計的智能循跡小車，一共分為五大模塊。分別是：循跡模塊、L298N驅(qū)動模塊，超聲波測距模塊，LCD顯示模塊以及蜂鳴器報警模塊。調(diào)試的時候我們可以把五大模塊分別調(diào)試，最后再把所有模塊組合起來再進(jìn)行最后的整機(jī)調(diào)試這樣一個調(diào)試的思路。6.2 各個模塊的調(diào)試6.2.1 LCD模塊的調(diào)試將LCD顯示程序燒寫到單片機(jī)中，測試LCD液晶屏的顯示是否正常。各個電路一般都已經(jīng)模塊化集成，所以不可能出現(xiàn)元件內(nèi)部錯誤，只要確保連線正常無誤就可以了，用萬用表檢測每一根杜邦線的良好導(dǎo)電性就可以確保硬件的完好性。程序無誤的情況下就可以了。調(diào)整偏執(zhí)電壓也就是LCD的3號引腳，變化阻值就調(diào)整。圖6.1 LCD測試圖6.2.2 超聲波模塊的調(diào)試超聲波傳感器模塊插入到插槽中即可。對應(yīng)的P3.0， P3.2引腳發(fā)送接收引腳。電源接地引腳無誤就可以了。如圖6.2示，超聲波調(diào)試圖。 6.2.3 報警調(diào)試蜂鳴器只用一個PNP管子就可以做成驅(qū)動電路。P1.7輸出口送0時候，管子導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲。圖6.3 蜂鳴器報警電路6.3 調(diào)試心得進(jìn)過一番調(diào)試，我們可以清楚的認(rèn)識到計算機(jī)仿真和實(shí)物搭配、連接、調(diào)試的不同。程序設(shè)計的合理性還要到實(shí)物實(shí)踐中得到確認(rèn)，同時，不斷地修改程序調(diào)整，最終保證程序的正確性。之后調(diào)整各個模塊參數(shù)，到跑道上試驗(yàn)參數(shù)的正誤和偏差量。最終，可以確保循跡小車的完美運(yùn)行。在調(diào)試的過程中，我遇到過許多問題。例如，在宿舍調(diào)試小車時，宿舍光線不是太好，此時的循跡模塊就不能正常工作，要想正常工作需要調(diào)節(jié)循跡模塊的偏量電阻，當(dāng)?shù)綄?shí)驗(yàn)室再次試驗(yàn)時，需要再次調(diào)節(jié)電阻。還又一次，超聲波傳感器失去作用，lcd不顯示數(shù)值，后來更換供電電源也不行，經(jīng)過一番檢查后才發(fā)現(xiàn)是模塊插槽的地線接線斷路，用萬用表檢測出線路斷路。跟換新的線路后，模塊正常運(yùn)行。這些事告訴我，做事一定要有條理，按部就班，逐級逐級檢測故障點(diǎn)。經(jīng)過多次測試證明，當(dāng)兩對循跡傳感器并排且之間距離等于黑線寬度的1.2-1.7倍時循跡效果最好。 結(jié)束語本課題研究的內(nèi)容主要是智能小車的循跡系統(tǒng)。以實(shí)驗(yàn)組裝小車為基礎(chǔ)，使用了兩個循跡傳感器來探測地面黑色軌跡的信號，同時對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合。使用了四組傳感完成循跡避障取得了以下成果：(1)小車在沒有障礙物干擾的情況下可以一直沿著黑線平穩(wěn)的運(yùn)動。(2)經(jīng)過多次測試證明，當(dāng)兩對循跡傳感器并排且之間距離等于黑線寬度的1.2-1.7倍時循跡效果最好，此時小車車身擺動最小，轉(zhuǎn)彎時運(yùn)行最穩(wěn)定。小車的速度是個不確定因素，低速時固然穩(wěn)定循跡效果固然很好，但完成測試時間長，如若是比賽中低速模式不利完成比賽。高速模式，小車平穩(wěn)問題又必須考慮進(jìn)去。需要在高速、低速之間尋找一個平衡點(diǎn)，此時小車速度不慢，穩(wěn)定性又高。（3）小車的避障功能還算比較穩(wěn)定，小車?yán)@行時速度緩慢穩(wěn)定性高，再次進(jìn)入軌道時會有出錯的可能，但低速可以保障小車順利進(jìn)入軌道。（5）小車能夠在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展更多功能，硬件和軟件上都做了預(yù)留。智能循跡小車屬于應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目，涉及了多種學(xué)科，由于本課題的試驗(yàn)性和不完善性。智能循跡小車在以下兩個方面還有提升的空間：如：增加藍(lán)牙遙控模塊，遙控小車行進(jìn)。 （6）本設(shè)計可以改進(jìn)的地方：增加精確避障，再增加一個紅外對管，左右都有檢測。致謝歷時三個月的畢業(yè)設(shè)計終于完成。經(jīng)過謝聰老師的悉心指導(dǎo)以及同學(xué)們的熱切幫助我學(xué)到了很多，也領(lǐng)悟了很多。這段時間里，謝聰老師不厭其煩地為我們做指導(dǎo)工作，耐心地為我們答疑解惑，謝老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、熱忱的工作作風(fēng)令我敬佩不已。再者，同學(xué)們之間互幫互助，努力探究問題，在此基礎(chǔ)上我們解決了不少難題。此次畢業(yè)設(shè)計讓我領(lǐng)悟到三點(diǎn)：其一，專業(yè)知識是非常重要的。其二，理論聯(lián)系實(shí)際是必要的，實(shí)踐檢驗(yàn)真知。其三，對知識運(yùn)用靈活度不夠，動手能力有待提高。最后，再一次感謝謝聰老師的培養(yǎng)，讓我對本專業(yè)的認(rèn)識程度又有了新的提升。讓我對更深層次的學(xué)習(xí)充滿興趣。本人經(jīng)驗(yàn)欠缺，設(shè)計中還有很多東西似是而非沒有追根究底，敬請給位老師指正。參考文獻(xiàn) 1 陳勇.程月波.荊蕾等編著.單片機(jī)原理及應(yīng)用基于匯編、C51及混合編程M.北京：高等教育出版社，2014.32 姜波等編著.單片機(jī)原理及C51應(yīng)用設(shè)計M.北京：高等教育出版社，2014.83 陳海松等編著.單片機(jī)應(yīng)用技能項(xiàng)目化教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2012.14 王守中編著51單片機(jī)開發(fā)入門與典型實(shí)例M.第1版. 人民郵電出版社， 2007:103-1085 王雅芳編著.傳感器原理與使實(shí)用技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.76 鄭鋒.王巧之.陳繪兵.王鼎媛編著.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全M.第1版.北京：中國鐵道出版社，2010.17 程國剛編著.案例解說單片機(jī)C語言開發(fā)基于8051+Proteus仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2012.98 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