1、 畢業論文（設計）題 目 基于電磁感應路徑識別智能小車軟件設計院 系 專 業 年級 學生姓名 學 號 指導教師 電磁感應路徑識別智能小車軟件設計專業： 姓名： 指導老師： 【摘 要】 本系統主要實現了智能小車的左轉，右轉，停止等功能，在一個交變磁場為引導信號道路中，根據電感線圈的路徑識別模塊，單片機AT89S52得到采集到的信號，通過采集到的信號來改變輸出的PWM波的占空比，從而使兩個直流電機的轉速不相同，來控制小車的運行方向。程序采用了C語言進行設計，主程序采用了循環模式的設計，只要定時器計數沒滿，利用switch語句一直對P3口的判斷，再調用方向函數來控制小車行進方向。中斷服務程序中定義一

2、個計數變量自加1，當等于脈寬值width時，輸出口置為低電平，當等于頻率值fre時，輸出口置為高電平，這樣就可以改變width值時改變輸出占空比大小。方向函數中對width值進行了賦值，由主程序進行調用?！娟P鍵詞】 AT89S52；線圈磁場傳感器；直流電機，PWM調速法Electromagnetic induction intelligent vehicle recognition Major: Student : Supervisor: 【Abstract】The main achievement of the system of intelligent vehicle turn left,

3、 turn right, stop and other functions, in an alternating magnetic field in order to guide the signal path, based on inductance coil path identification module, single-chip AT89S52 signal, through the acquisition of the signal to change the output of the PWM wave duty cycle, so that the two DC the mo

4、tor speed is not the same, to control the car running direction.Program using C language for the design of the main program, using a circular pattern design, as long as the timer count not full, use switch statements have been on the P3 export judgment, and then call the direction function to contro

5、l the direction of the moving car.The interrupt service routine to define a variable count from 1, when equal to the pulse width when the value of width, output is low, when the value of fre is equal to the frequency, output is high, so it can change the width value change the output duty ratio size

6、.Directional function on width values were assigned, by the main program call.【Key words】AT89S52; magnetic field sensor; DC motor, PWM speed control method目 錄緒論31 設計方案介紹41.1 硬件方案介紹41.1.1 路徑識別模塊51.1.2 電機驅動模塊62 軟件方案介紹72.1.1 單片機介紹72.1.2 系統原理93 系統控制軟件設計93.1 主程序設計93.2 中斷服務程序113.3 控制程序設計144 調試與檢測154.1 調試與

7、仿真154.2 檢測與分析16結束語16附錄17程序清單17致 謝19緒論隨著科學技術的飛速發展，人們對生活的要求越來越高，特別是對交通工具的智能方面的要求，除此之外，隨著在企業中越來越追求工作效率和生產成本，迫切的要求以最低的成本生產出所需要的產品，在這種種的社會的條件下，人們越來越重視機器智能方面的研究，在眾多的研究當中，交通工具的智能研究就是其中的一個熱點問題，而智能小車的研究就是一個很好的代表。所謂的智能小車，就是集路面環境探測、衛星導航、自動行駛和有自己的決策能力等功能為一體的小車，它綜合運用了計算機、通信、導航和自動化控制等技術。正因為智能小車的功能強大和比較實用，同時對智能小車的

8、研究有很大的發展空間，所以智能小車的研究得到了國內外科學家的重點關注。智能小車的研究是一個很有意思的科研問題，得到了很多大學生的關注，他們在學校期間學習很多與之相關的知識，同時做很多與之相關的實驗?，F在國內的很多電子設計大賽都有與智能小車相關的題目，在大賽中設計出來的這些小車能實現很多方面的功能，例如避障、循跡等。 本系統主要實現了智能小車的左轉，右轉，停止等功能，在一個交變磁場為引導信號道路中，根據電感線圈的路徑識別模塊，單片機得到采集到的信號，通過采集到的信號來改變輸出的PWM波的占空比，從而使兩個直流電機的轉速不相同，來控制小車的運行方向。程序采用了C語言進行設計，主程序采用了循環模式的

9、設計，子程序則為功能模塊設計，由主程序進行調用。1 設計方案介紹本論文主要對智能小車軟件系統進行了研究。整個硬件系統由路徑檢測系統和單片機最小系統組成。論文首先對檢測系統作了詳細的分析，接著對單片機最小系統的各個組成部分作了詳細的說明，同時在論文中對所用到的傳感器，電機等闡述了其原理。系統整體設計基于單片機的控制，由單片機作為主控制器進行各部分的協調工作，在熟悉硬件的基礎上編程實現軟件功能。本系統先簡單介紹智能小車系統的構成與特性，再詳細講述基于AT89S52單片機的智能小車系統的軟件功能的設計與實現。1.1 硬件方案介紹整個硬件系統由路徑檢測系統和單片機最小系統組成，路徑檢測系統檢測到磁場的

10、變化情況，以信號的形式傳送給單片機，單片機最小系統接收并處理檢測系統傳送過來的信號，把處理好的信號后采取PWM 調速法來改變直流電機的轉速，從而控制小車的行駛。小車識別硬件系統的整體結構如下圖所示，圖1 硬件系統結構路徑檢測系統是整個小車硬件系統的前端部分，是比較重要的一部分，不可缺少的。在整個系統中，路徑檢測部分能否準確的檢測到磁場傳感器傳來的信號，對小車的行駛來說是很重要的。如果路徑檢測系統能夠準確的檢測到信號，并且及時的反饋給單片機系統，這樣的話，單片機系統就能及時的處理所接收到的信號，同時將所處理好的信號傳輸給直流電機，從而控制小車避開前進方向。因而路徑檢測系統中傳感器的選擇是很重要的

11、，傳感器選擇的好的話，會對設計的結果有很大的幫助。 路徑識別模塊用兩個10mH的電感線圈置于車模頭部作為確定小車位置的傳感器，即雙水平線圈方案。使用兩個線圈，分別裝在小車前方兩側，順著電流方向豎直放置線圈，此時線圈中的感應電動具有勢分布簡單，衰減快，遠處對近處的干擾小的特點，所以非常適合作為采集信號的傳感器。用一根導線產生20KHZ100mA的交變磁場，然后使小車沿著引導線信號的道路行走。根據電磁學，在導線中通入按正弦規律變化的電流，導線周圍會產生變化的磁場，且磁場與電流的變化成一定的規律。如果在此磁場中置一由線圈組成的電感，則該電感上會產生感應電動勢，且該感應電動勢的大小和通過線圈回路的磁通

12、量的變化率成正比。由于在導線周圍不同位置，磁感應強度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產生的感應電動勢也應該是不同。據此，則可以確定電感的大致位置?？拷艌龅牡胤酱鸥袘獜姸仍礁?，遠離磁場的地方磁感應強度越低。用兩線圈采集到的感應電壓對小車的位置做出判斷。對于弧形導線若選用左側線圈電壓減去右側線圈電壓，若這個差為正值則說明小車已經偏離直線向左側轉彎，且這個值越大說明偏左越厲害；同理可得，若選用右側線圈電壓減去左側線圈電壓，若這個差為正值則說明小車已經偏離直線向右轉彎，且這個值越大說明偏右越厲害。對于直導線，即左側線圈電壓和右側線圈電壓的值差不多，則小車沿著直線向前行走。不同的線圈軸線擺放方向

13、，可以感應不同的磁場分量。在車模前上方水平方向固定兩個相距L 的線圈，兩個線圈的軸線為水平，高度為h ，為了討論方便，我們在跑道上建立如下的坐標系，假設沿著跑道前進的方向為z軸，垂直跑道往上為y軸，在跑道平面內垂直于跑到中心線為x軸。xyz軸滿足右手方向。假設在車模前方安裝兩個水平的線圈。這兩個線圈的間隔為L，線圈的高度為h，參見下圖5所示。左邊的線圈的坐標為（x,h,z），右邊的線圈的位置(x-L,h,z)。由于磁場分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計算磁場強度的時候我們僅僅考慮坐標(x,y)。由于線圈的軸線是水平的，所以感應電動勢反映了磁場的水平分量。根據公式可以知道感應電動勢大小。圖2

14、感應線圈的布置方案令h=10cm, x(30,+30)cm，可以根據公式計算出感應電動勢我們使用相距水平長度為L 的兩個感應線圈，并計算兩個線圈感應電動勢的差值：下面假設L = 30cm ，計算兩個線圈電動勢差值d E。當左邊線圈的位置x = 30的時候，此時兩個線圈的中心恰好處于跑道中央，感應電動勢差值d E 為0。當線圈往左偏移， x (15,30) ，感應電動勢差值小于零；反之，當線圈往右偏移， x (0,15) ，感應電動勢大于零。因此在位移030cm 之間，電動勢差值d E 與位移x 是一個單調函數?？梢允褂眠@個量對于小車轉向進行負反饋控制，從而保證兩個線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線

15、。通過改變線圈高度h ,線圈之間距離L 可以調整位置檢測范圍以及感應電動勢的大小。 電機驅動模塊 一般來說控制器、功率變換器和電機三個部分組成了電動小車的驅動系統。由于小車的驅動不但要求電機驅動系統具有很寬的調速范圍和高可靠性的性能，還有就是電機的轉速要受電源功率的影響，就要求驅動具有寬的高效率區。直流電機的控制比較簡單，性能比較出眾，而且直流電源也比較容易實現。所以本設計的驅動選用了兩個直流電機,分別驅動兩側的小車履帶,同時也使小車能夠方便的達到轉彎的目的。電機在正常工作時對電源的干擾很大，所以可以用光耦器件將控制部分和電機驅動部分隔開，這樣可以有效的避免對電源部分的影響，并且用三極管加在場

16、效應管的基極加以驅動，從而有足夠大的基極電流流過場效應管。PWM為脈沖寬度調制，通過PWM波控制MOS管控制直流電機的電壓。通過改變PWM 的占空比可以調節電機的速度。直流電機兩端的電壓與其轉速比例，也與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比大小成正比，占空比越大，電機轉得越快，當占空比為1時，電機轉速最大。2 軟件方案介紹C語言：是計算機程序設計語言，既具有高級語言的特點，有具有匯編語言的特點，是一種中級語言。因為C語言的功能很強大，所以C語言發展非?？?，C語言成為現在最受歡迎的編程語言之一。C語言有以下優點：C語言是結構化語言，結構化使得程序層次清晰，便于使用、維護以及調試；C語言

17、功能齊全，具有多種數據類型，使得程序效率更高；C語言有很好的移植性，編好的C語言程序，能很好的下載到不同的芯片，沒有什么兼容性的問題，不需要重新再編寫程序?？偟膩碚f，就是C語言功能比較強大，又通俗易懂，所以在編程的時候，選擇C語言來編程。2.1.1 單片機介紹AT89S52的特點是：8位CPU和在系統可編程Flash;晶片內部具時鐘振蕩器;內部程序存儲器（ROM）為 8KB;內部數據存儲器（RAM）為 256字節;32個可編程I/O 口線;8個中斷向量源;三個 16 位定時器/計數器;三級加密程序存儲器;全雙工UART串行通道。端口3也具有內部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個

18、TTL負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數控制及外部數據存儲器內容的讀取或寫入控制等功能。P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。由于AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器，并且片上Flash允許程序存儲器在系統可編程。所以本設計采用AT89S52單片機

19、為核心控制器主控單元的一個最小系統。該最小系統包括：復位電路、電源電路、時鐘電路。C3與R1組成單片機的復位電路。復位時單片機執行初始化操作，復位后PC初始化為0000H，使得單片機程序從OUT單元開始執行，從成本與效益考慮本系統采用由簡單的RC電路構成的復位電路。時鐘頻率是單片機每個功能部件的運行基準，有了這個基準單片機才能有條有理的一拍一拍地工作，因此，時鐘直接關系到單片機的運行速度，時鐘電路的工作質量也直接關系到單片機系統的工作穩定性。本設計選用的是22.1184MHZ的晶體振蕩器（簡稱晶振），這樣是為了方便計算波特率。晶振的頻率越高，則系統得到的時鐘頻率也就越高，單片機執行指令的速度也

20、就越快。2.1.2 系統原理小車啟動后，調整好路線后全速前進，行駛到彎道時，左右線圈磁場傳感器會檢測到不相等的電壓信號，傳輸給單片機，通過單片機調節PWM信號輸出調節左右輪速度從而實現小車的轉彎，直轉到左右線圈磁場傳感器檢測到相等的電壓信號為止，在執行中斷服務程序中輸出PWM封鎖信號并實現閉鎖從而實現小車的剎車。剎車后小車在原地等待。3 系統控制軟件設計根據軟件設計方案，整個軟件采用模塊化設計，各功能部分均設計為子程序模塊，各功能的實現是通過主程序調用子程序或子程序調用子程序完成的。整個程序由以下部分組成：（1）、主程序：主程序是整個程序的主體，包括單片機內存單元以及各個I/O口的初始化,主要

21、有相關標志位，暫存單元，顯示緩沖區的清零，中斷向量入口地址，中斷優先級，堆棧指針的設置，以及對子程序的調用等。（2）、中斷服務程序：利用了定時器模擬PWM波輸出，并定義了小車運行時間。（3）、控制程序：控制小車前進的方向。3.1 主程序設計主程序是整個軟件流程核心，它起到串聯各功能模塊的作用，各功能部分的執行都采用子程序調用的方式來實現。另外主程序還負責對一些標志、狀態、符號地址進行定義和設置初始化值，以便在程序運行中使用和判斷。主程序采用循環結構的方式設計，在系統上電以后先系統的復位工作。 軟件系統的主結構圖 main()EA=1; /開中斷ET0=1; /開T0中斷TMOD=0x02; /

22、8位重裝TL0=0xfc;TH0=0x18;TR0=1;While(1) Temp=P3&0x0f;switch(temp) /檢查磁場傳感器傳來的接口狀態case 0x00: do stop(); /小車停止while(temp!=0);break;case 0x03: doleft(); /小車向左轉while(temp!=0);break;case 0x0b: doLeft1() /小車小幅度向左轉while(temp!=0x01);break;case 0x0d: doright(); /小車向右轉while(temp!=0x02);break;case 0x0c: doRight1(

23、); /小車小幅度向右轉while(temp!=0x04);break;case 0x0f: dohead(); /小車前進while(temp!=0);break;head(); 3.2 中斷服務程序中斷服務程序中定義了定時器變量sum，計數器變量count，當進一次中斷，計數器變量自加一，當等于全局區定義的脈寬變量width值時，把輸出PWM口置為0，count繼續自加一，當等于全局區定義的頻率變量fre值時，把輸出口PWM置1，這樣就完成了一個周期的輸出方波，每次只用控制width值就能改變占空比大小的輸出，進而控制小車的方向。而每次進中斷，定時器變量也自加一，當加到等于全局區定義的定時

24、器值時就中斷服務程序，并把輸出口置為低電平，小車停止前進。流程圖如下：相關程序如下：Void T0-ISR() interrupt 1Static int count; /計數器變量Int sum=0; /定時器變量Count +;Sum+;If(sum=sum1) /判斷小車是否到停止條件EA=0; /關閉中斷PwmR=0; /輸出口置為低電平PwmL=0If(count = widthR) Pwmr =0;If(count = widthL) Pwml =0;If(count=fre)Count =0;PwmR=pwmL=1;其設計原理如下圖： 圖 定時器模擬PWM波利用定時器/計數器計數

25、，當計到等于脈寬變量值width時，PWM口置為低電平，當計到等于頻率變量值fire時，PWM口置為高電平，如圖所示，當我改變width值的大小時，就可以改變該占空比大小。PWM調速原理：脈沖寬度調制（PWM）是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。它是一種是對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的來計算方波的占空比，用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。但PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重

26、復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。3.3 控制程序設計 控制程序設計主要是小車路徑的抉擇，在接到單片機的處理命令后控制程序控制著小車所做的舉動，包含了4個動作，其中head（）函數功能是向前走，left（）函數功能向左走，right（）函數功能是向右走，stop（）函數功能是停止前進。在程序中定義了兩個width變量來控制輸出占空比大小，一個控制左輪，一個控制右邊輪，所以只用改變width的值就能決定小車的方向，下圖為輸出端口與小車行走情況：圖 輸入端口電壓與小車行走情況的關系

27、P0.0-P0.7口為8位數據口和輸出低8位地址復用口。選擇其中的P0.2和P0.7口作為PWM波的輸出口。分別在兩個口各接一個光電耦合器，用于隔離單片機控制電路和驅動電路，防止干擾的產生。而P3.0、 P3.1、 P3.2、P3.3分別為RXD串行接受端、TXD串行發送端、INT0外部中斷0請求端、INT1外部中斷1請求端。現在接著電磁感應路徑識別模塊的4個輸出端，都用于接收采集到的信號，然后處理采集到的信號。經過檢波、濾波、放大后的線圈采集到的電壓信號與3個電阻R11、R12、R13分壓后的電壓相比較，得到需要采集的信號，產生的是高低電平，輸入單片機的P3.0-P3.3口，來控制單片機輸出

28、PWM波的占空比，來控制直流電機的轉速，進而控制小車的轉向。void left()WidthL=15;WidthR=20;void right() WidthR=15;widthL=20;void stop()WidthR=0;WidthL=0;void head()WidthR=20;Widthl=20;4 調試與檢測調試與檢測是應用開發電子領域中必不缺少的實踐環節，單片機的開發也是一樣。若在具體的工程實踐中，因為方案錯誤并進行相應的開發設計，會浪費更多的時間和資金，應此，進行軟件的模擬與仿真是非常有必要的。對結果的數據分析關系到系統的參數是否正確，通過檢測分析能夠及時的更正發生的錯誤以避免

29、造成不必要的麻煩。4.1 調試與仿真單片機開發，除必要的硬件外，軟件也是不能分開的。通過編譯軟件將源代碼編譯變為機器碼，早期單片機的匯編軟件有A51等，隨著技術的不斷發展，由早期的匯編語言開發逐漸演變到現在的高級語言開發。同時單片機的開發軟件也在不斷更新發展，其中KeilC51軟件是目前最流行的用于開發MCS-51系列單片機的軟件。KeilC51提供了包括庫管理、連接器、宏匯編、C編譯器和一個功能強大的仿真調試系統等，它通過一個集成開發環境將這些組件結合在一起，全Windows界面，生成目標代碼的效率非常高，是一種非常實用的軟件。Keil軟件的優點：容易上手，編程操作簡單；支持許多內部函數，內

30、部函數產生代碼來完成庫函數，執行速度很快，效率也很高。另外一款用于硬件仿真的軟件Proteus ISIS是Labcenter公司推出的電路實物分析仿真系統，可仿真各類電路及IC，并全面支持單片機系統。它的元件庫種類齊全，使用方便，是一款人們普遍使用的的專業單片機軟件仿真系統。其主要的特點有兩個：一是能夠對動態元件的實時仿真，同時使得系統更具真實性；二是集成了虛擬工具箱的功能，虛擬工具能夠與仿真系統同時進行，使測量更加方便而準確。本系統使用C語言編程，采用Keil uversion3 編譯器進行源程序編譯，結合硬件電路的設計制作使用Proteus ISIS硬件仿真軟件進行系統的聯調與仿真測試。調

31、試過程分模塊進行調試與仿真，在確保各個模塊無異常情況下進行系統聯調，最后進行數據的分析對比，改進完善程序。4.2 檢測與分析本小節將介紹在調試過程中檢測出的問題及分析解決方法。初次調試程序難免會產生相應的錯誤，這就需要耐心的對程序的語法進行檢查，如函數的定義規則、逗號的使用、花括號的對應，以及賦值符號與等號分別。通過修改，編譯全部通過，下一步就是對程序的功能測試。在程序功能測試中的主要問題是起初所給的電壓過于低，導致小車沒法驅動；其次小車沒法識別方向，經過排查，是因為單片機上的P0輸出口與電機接口沒能連接妥當。結束語通過這次畢業設計，使我認識到自身在該門課的理論知識的不足之處，表現在一些錯誤發

32、生時，不能很好的按照科學的檢查方法檢查出錯誤，致使一些實驗步驟進展緩慢。但是，對于單片機接口電路以及C語言的程序的設計知識得到了鞏固，溫習了舊的知識，也增強了實驗動手能力，同時，使我得到了一次用專業知識、專業技能分析和解決問題全面系統的鍛煉。使我在單片機的基本原理、單片機應用系統開發過程，以及在常用編程設計思路技巧（特別是C語言）的掌握方面都能向前邁了一大步。讓我感受感到現代科學技術的迅猛發展，作為一個新時代的大學生，更應該以求知若渴的姿態不斷吸收新的知識，以跟上時代的步伐，促進祖國科技實力的不斷進步，為日后成為合格的應用型人才打下良好的基礎！ 參考文獻1.余孟嘗.數字電子技術基礎簡明教程.

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