1、基于STC89C52單片機紅外智能循跡小車實驗報告冊 學 院 ： 電氣工程學院 協 會 ： 電子科技協會 班 級 ： 電氣 1206 班 姓 名 ： 蔡 申 申 學 號 ： 201223910625 聯系方式 ： 151 3714 7607摘 要本報告論述了自己參加第八屆河南工業大學科技創新大賽基于STC89C52RC單片機紅外智能循跡小車的方案論證、制作過程、調試過程。設計采用STC89C52RC單片機為核心控制器件，采用TCRT5000紅外反射式開關傳感器作為小車的循跡模塊來識別白色路面中央的黑色引導線，采集信號并將信號轉換為能被單片機識別的數字信號，單片機獲取路面信息后，進行分析、處理，

2、最后控制減速電機轉動實現轉向。實驗表明：該系統抗干擾能力強、電路結構簡單、制作成本低，運行平穩、可靠性好。關鍵詞：STC89C52單片機、反射式光電對管、PWM調速 減速電機目 錄摘要.21 緒 論.41.1 智能循跡小車概述.41.1.1 循跡小車的發展歷程回顧.41.1.2 智能循跡分類.41.1.3 智能循跡小車的應用.52 智能循跡小車總體設計方案.52.1 整體設計方案.52.1.1 系統設計步驟.52.1.2 系統基本組成.52.2 整體控制方案確定.63 系統的硬件設計.63.1 單片機電路的設計.63.1.1 單片機的功能特性描述.63.1.2 晶振電路.73.1.3 復位電路

3、.73.2 光電傳感器模塊.83.2.1 傳感器分布.83.3 電機驅動電路.93.3.1 L298N引腳結構.93.3.2 電機驅動原理.94 系統的軟件設計.104.1 軟件設計的流程.104.2 本系統的編譯器.105 系統的總體調試.115.1 硬件的測試.115.2 系統的軟件調試.11結 論.11致 謝.11參考文獻.12附錄A 原理圖與模塊電路圖.12附錄B 程序代碼.13附錄C 硬件實物圖.15 1 緒 論 智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發展的趨勢。尋跡小車可以看作是縮小化的智能汽車，它

4、實現的基本功能是沿著指定軌道自動尋跡行駛。1.1 智能循跡小車概述 智能循跡小車又被稱為Automated Guided Vehicle，簡稱AGV，是二十世紀五十年代研發出來的新型智能搬運機器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光學或其他自動導引裝置，可以沿設定的引導路徑行駛，安全的運輸車。工業應用中采用充電蓄電池為主要的動力來源，可通過電腦程序來控制其選擇運動軌跡以及其它動作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來確定其行進路線，無人搬運車通過電磁軌道所帶來的訊息進行移動與動作，無需駕駛員操作，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。1.1.1 循跡小車的發展歷程回顧隨著社會的不斷發展，科學技術水平的不斷

5、提高，人們希望創造出一種來代替人來做一些非常危險，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就誕生了機器人這門學科。世界上誕生第一臺機器人誕生于1959年，至今已有50多年的歷史，機器人技術也取得了飛速的發展和進步，現已發展成一門包含：機械、電子、計算機、自動控制、信號處理，傳感器等多學科為一體的性尖端技術。循跡小車共歷了三代技術創新變革： 第一代循跡小車是可編程的示教再現型，不裝載任何傳感器，只是采用簡單的開關控制，通過編程來設置循跡小車的路徑與運動參數，在工作過程中，不能根據環境的變化而改變自身的運動軌跡。第二代循跡小車具有一定感知和適應環境的能力，這類循跡小車裝有簡單的傳感器，可以感覺到自身

6、的的運動位置，速度等其他物理量，電路是一個閉環反饋的控制系統，能適應一定的外部環境變化。第三代循跡小車是智能的，目前在研究和發展階段，以多種外部傳感器構成感官系統，通過采集外部的環境信息，精確地描述外部環境的變化。智能循跡小車，能獨立完成任務，有其自身的知識基礎，多信息處理系統，在結構化或半結構化的工作環境中，根據環境變化作出決策，有一定的適應能力，自我學習能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車能獨立工作，一方面應具有較高的智慧和更廣泛的應用，研究各種新機傳感器，另一方面，也掌握多個多類傳感器信息融合的技術，這樣循跡小車可以更準確，更全面的獲得所處環境的信息。1.1.2 智能循跡分類智能循跡小車

7、從發明至今已經有50多年的歷史，隨著應用領域范圍的不斷擴大，其種類和形式也變得更加多樣化。根據行駛的導航方式將智能循跡小車分為以下幾種類型：(1)電磁感應式 (2)激光式 (3)視覺式1.1.3 智能循跡小車的應用智能循跡小車發展歷史及主要應用場所如下： （1）軍事偵察與環境探測 (2)探測危險與排除險情 (3) 探測危險與排除險情 (4)智能家居2 智能循跡小車總體設計方案2.1 整體設計方案本系統采用簡單明了的設計方案。通過高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成的傳感器循跡模塊判斷黑線路經，然后由STC89C52通過IO口控制L298N驅動模塊改變兩個直流電機的工作狀態，最后實現

8、小車循跡。2.1.1 系統設計步驟(1)確定控制方案。(2)利用Protel 99se設計合理的硬件原理圖。(3)畫出程序流程圖，使用C語言進行編程，進行模擬調試。(4)各模塊電路焊接。(5)進行調試以實現控制功能。2.1.2 系統基本組成 智能循跡小車主要由STC89C52單片機電路、TCRT5000循跡模塊、L298N驅動模塊、直流電機、小車底板、電源模塊等組成。(1)單片機電路：采用STC89C52芯片作為控制單元。STC89C52單片機具有低成本、高性能、抗干擾能力強、超低功耗、低電磁干擾，并且與傳統的8051單片機程序兼容，無需改變硬件，支持在系統編程技術。使用ISP可不用編程器直接

9、在PCB板上燒錄程序，修改、調速都很方便。(2)TCRT5000循跡模塊：采用脈沖調制反射式紅外發射接收器作為循跡傳感器，調制信號帶有交流分量，可減少外界的大量干擾。信號采集部分就相當于智能循跡小車的眼睛，由它完成黑線識別并生產高、低平信號傳送到控制單元，然后單片機生成指令來控制驅動模塊來控制兩個直流電機的工作狀態，來完成自動循跡。JY043W型光電管和電壓比較器LM393為核心部分，再加上必要的外圍電路。(3)L298N驅動模塊：采用L298N作為電機驅動芯片。L298N具有高電壓、大電流、響應頻率高的全橋驅動芯片，一片 L298N可以分別控制兩個直流電機，并且帶有控制使能端。該電機驅動芯片

10、驅動能力強、操作方便，穩定性好，性能優良。L298N的使能端可以外接電平控制，也可以利用單片機進行軟件控制，滿足各種復雜電路的需要。另外，L298N的驅動功率較大，能夠根據輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠的問題。(4)直流電機：采用雙直流電動機。直流電動機的控制方法比異步電動機簡單，只需給電機兩條控制線加上適當的電壓就能使電機旋轉，在正常工作電壓范圍，電壓越高直流電機轉速越高。直流電動機調速方法分為兩種：一種是直接調整電壓，另一種通過PWM調速。PWM調速就是使加在直流電機兩端的電壓波形為矩形波，改變矩形波的占空比就能實現電壓的改變，從而實現電機轉速的改變。(5)電源模塊

11、：由6個串聯1.5V干電池作為電源。通過7805穩壓芯片穩壓，通過0.1uF和100F電容進行濾波。2.2 整體控制方案確定 圖2.2為循跡小車的系統控制框圖。引導線是小車跟蹤的目標，檢測系統檢測車的相對路徑，然后將此信息輸入到單片機，單片機處理此信息后，將控制命令輸出到驅動模塊，以控制小車的直流電機，保證小車快速平穩地沿預先設定好的路線行駛。采用5V的可充電池組作為主電源。STC89C52單片機作為主控制器。因為小車電機內部裝有減速齒輪組，所以不需考慮調速功能，采用電機驅動芯片L298N控制直流電機，而不使用步進電機。L298N是利用TTL電平進行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對

12、電機進行正轉、反轉和停止操作，亦能滿足直流減速電機的要求，用該芯片作為電機驅動具有的操作方便、穩定性好等優點。用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發射較弱。這樣單片機和循跡傳感器組成了一個帶有反饋信號的系統。3 系統的硬件設計3.1 單片機電路的設計 一個單片機應用系統的硬件電路設計包含兩部分內容：一是系統擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數器、中斷系統等不能滿足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，設計相應的電路；二是系統的配置，即按照系統功能

13、要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、A/D、D/A轉換器等。3.1.1 單片機的功能特性描述單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜。單片機內部也有和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件。單片機是一種集成電路芯片，采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片

14、上構成的一個小而完善的計算機系統。本課題選擇了STC公司的生產的STC89C52單片機。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是帶8K字節閃爍可編程可檫除只讀存儲器。一個芯片上擁有8位CPU，并且在系統可編程Flash。STC89C52提供給為眾多嵌入式控制應用系統高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標準功能:8k字節Flash，512字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，兩個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。此外，空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護

15、方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。3.1.2 晶振電路在STC89C52單片機上內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內部方式產生或外部方式產生。在1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩器就產生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯諧振回路。從XTAL1接入，如圖3.2所示。由于外部時鐘信號經過二分頻觸發后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有要求。本設計選用的是11.0592MHZ無源晶振、2個22pF電容。晶振的作用是為系統提供基

16、本的時鐘信號，而兩個電容則是起到并聯諧振的作用，如果沒電容，振蕩電路會因為沒有回路而停振，電路不能正常工作。 圖3.2 單片機晶振電路圖3.1.3 復位電路復位電路的作用是在上電或復位過程中，控制CPU的復位狀態：這段時間內讓CPU保持復位狀態，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止CPU發出錯誤的指令、執行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸發器中的。施密特觸發電路是一種波形整形電路，當任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，產生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區，可以防止在滯后范圍內

17、之噪聲干擾電路的正常工作。如遙控接收線路，傳感器輸入電路都會用到它整形。當系統處于正常工作狀態時，且振蕩器穩定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統復位。本設計采用的電容值為10F的電容和電阻采用1.5K和200的電阻。如圖3.3所示上電后，由于電容充電，使RST持續一段高電平時間。當單片機已在運行之中時，按下復位鍵也能使RST持續一段時間的高電平，從而實現上電且開關復位的操作。 圖3.3 單片機復位電路圖3.2 光電傳感器模塊循跡光電傳感器原理，就是利用黑線對紅外線不同的反射能力通過光敏二極管或光敏三極管，接收反射回的不同光強信號

18、，把不同光強轉換為電流信號，最后通過電阻，轉換為單片機可識別的高低電平。光電傳感器實現循跡的基本電路如3.4所示。 圖3.4 循跡傳感器電路圖循跡傳感器工作原理：TC端是傳感器工作控制端，為高電平時，發光二極管不工作，傳感器休眠，為低電平時，傳感器啟動。Signal端為檢測信號輸出，當遇到黑線，黑線吸收大量的紅外線，反射的紅外線很弱，光敏三極管不導通，Signal輸出高電平；當遇到白線，與黑線相反，反射的紅外線很強，使光敏三極管導通，Signal輸出低電平。這種探測方法，即利用紅外線在不同顏色的表面特征，具有不同的反射性能，汽車行駛過程中接收地面的紅外光。當紅外光遇到白色路線，地板發生漫反射，

19、安裝在小型車的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路線，紅外光將被黑線吸收，安裝在小車上的接收管沒有收到紅外光。控制器會根據是否收到反射的紅外光為判斷依據來確定的黑線的位置和小車的路線。紅外探測器距離通常是不應超過15厘米的。紅外發射和接收紅外線感應器，可以使自己或直接使用集成紅外探頭。調整左右傳感器之間的距離，兩探頭距離約等于黑線寬度最合適，選擇寬度為3 5厘米的黑線。該傳感器的靈敏度是可調的，傳感器有時遇到黑線卻不能送出相應的信號，通過調節傳感器上的可調電阻，適當的增大或減小可改變靈敏度。另外，循跡傳感器的放置也是有講究的，有兩種方法，一種是兩個都是放置在黑線內側緊貼黑線邊緣，第二種是都放置在

20、黑線的外側，同樣緊貼黑線邊緣。本設計采用第二種方法。單片機燒錄程序后，就可以執行循跡指令了。如果小車向前行駛時向左偏離了黑線，那么右邊傳感器會產生一個高電平，單片機判斷這個信號，然后向右拐回到黑線。兩傳感器輸出信號為低電平時，小車前進。如果小車向右偏離黑線，左邊傳感器產生一個高電平，單片機判斷這個信號，然后向左拐。這樣，小車一定不會偏離黑線。若兩個光電傳感器同時輸出的信號為高電平，即單片機判斷的都為高電平時，小車向前直走。3.2.1 傳感器分布一字型布局即所有傳感器在同一直線上。一字型布局分為等距排布型和非等距排布型。等距排布型不利于采集準確的彎道信息。考慮到弧度信息采集的連貫性，非等距排布采

21、用等角原則，即在垂直平分線上方處某點，以等角的引射線與直線的交點就是傳感器的分布點，此種方法檢測連貫簡單，更容易控制小車。3.3 電機驅動電路本設計采用L298N電機專用驅動芯片帶動兩個12V的直流電動機。直流電機由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。其中L298N是ST公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部包

22、含4通道邏輯驅動電路。可以驅動兩個直流電機或驅動兩個二相電機，也可單獨驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V。直接通過電源來調節輸出電壓，直接通過單片機的IO端口提供信號，使得電路簡單，使用更方便。L298N可接受標準的TTL邏輯電平信號VSS，VSS通常接4.57V的電壓。4腳VS接電壓源，VS可接電壓范圍VIH為2.546V。L298N芯片輸出電流可達2.5 A，可驅動電感負載。L298N是一個內部有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動芯片，可以用來驅動直流電動機、步進電動機。使用標準邏輯電平信號控制，直接連接單片機管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。L

23、298N有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作。3.3.1 L298N引腳結構圖3.5 L298N 驅動芯片表3.3 L298N引腳編號與功能3.3.2 電機驅動原理電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。圖3.6 L298N內部H橋驅動電路 圖3.6為一個典型的直流電機的控制電路。被命名為“H橋驅動電路”主要是因為電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。如圖所示，H橋電機驅動電路包含四個三極管和一個電機。電機運轉，必須遵循導通對角線上的一對三極管。基于不同三極管對的導通情況可以控制電機的轉向，電流可可以從

24、左至右流過電機，也可以從右至左流過電機。如圖3.6所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右流過電機，然后再經Q4回到電源負極，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。4 系統的軟件設計4.1 軟件設計的流程本設計采用C語言來編譯程序。模塊化結構程序的設計，可以使系統軟件便于調試與優化，也使其他人更好地理解和閱讀系統的程序設計。因此，軟件的設計上，運用了模塊化程序的結構對軟件進行設計，使得程序變得更加直觀易懂。程序的主要模塊有：主程序、定時溢出中斷服務程序、外部中斷服務程序。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要

25、看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。4.2 本系統的編譯器 Keil C51單片機軟件開發系統可用于編輯C或匯編源文件。然后分別由C51編譯器編譯生成目標文件（.OBJ）。目標文件與庫文件一起經LIB51連接定位生成絕對目標文件（.ABS）。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM 中。5 系統的總體調試5.1 硬件的測試 按照之前設計好的智能循跡小車原理圖，詳細計算系統中各個元件的參數，選擇相應

26、器件，制作實際電路板。然后選取萬用表的200歐姆檔來測試電路板。用紅、黑表筆來測試電路板上每條走線，如果測量的電阻值非常小時，證明走線沒有斷開，當其電阻值很大時，證明該條走線斷了，應該重新制作走線，使電路板在電氣上得到正確地連接。(1)晶振電路的測試 在單片機正常運行的必要條件是單片機系統的時鐘穩定正常。實際中，因為各種原因導致系統時鐘不正常而出現系統無法正常運行的情況時有，因此系統時鐘是否振是通電檢查的首要環節。在系統通電的狀況下，用萬用表的直流電壓檔(20V)，分別測量XTAL1和XTAL2引腳的電壓，看是否正常，在調試過程中，測得電壓XTAL1引腳應為2.05V,XTAT2應為2.15V

27、。(2)復位電路的測試 復位不正常也會導致系統不能工作。如果復位引腳始終為高電平，系統將始終處于復位狀態；如果始終為低電平，不能產生復位所需的高電平信號脈沖，則系統也可能無法正常工作。單片機正常工作時，RST復位引腳應為0V，按下復位按鍵時，復位引腳為高電平5V左右11。結 論本課題研究的內容主要是智能小車的循跡系統。以實驗組裝小車為基礎，使用了4個光電傳感器來探測周圍環境，同時對采集到的數據信息進行融合。取得了以下成果：(1)小車可以實現按照預定軌道在無外部環境影響或改變時，小車將一直沿著黑色標記線運動。(2)小車保留了擴展功能。循跡小車在完成設計預想的前提下，主要考慮了車體結構設計的簡單化

28、，降低了制作成本，使之更具有普及性。由于設計要求并不復雜，沒有在電路中增加冗余的功能，但是保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴展和進一步的開發。致 謝在此次參加第八屆河南工業大學科技創新大賽學習到了很多知識，感謝學長對我知識上的輔導，同時感謝協會其他參賽人員，讓我有了機會與這么多電子愛好者互相學習。題目的選定、電路的設計得到了學長好多的引導和支持，同時電子科技協會實驗室的開放讓我的電路焊接、調試都得到了很多方便。在C語言編程方面更是有了同學的支持才使我順利完成本次小車的設計制作。祝：電子科技協會明天更美好！ 所有心懷“電氣夢”人明天更美好！參考文獻1 郭天祥.51單片機C語言教程.

29、電子工業出版社.20092 蔡自興編著. 中國的智能循跡小車研究J. 莆田學院學報, 2002,9 (3):36-39.3 恒盛杰資訊編著Protel電路板設計從入門到精通. 第1版. 中國青年出版 社.2006:1-1484 陳曉莉，張俊濤KEIL C51單片機仿真器的設計. 第二版. 陜西科技大學出版社，5 周潤景.等Proteus在MCS-51&ARM7系統中的應用百例.20066 周偉偉BF-1餐飲服務機器人實驗報告冊附錄A：電路圖與模塊實物 附錄B：程序 第 19 頁 共 19 頁第八屆河南工業大學科技創新大賽 智能小車設計制作2013年 蔡申申 /河南工業大學電子科技協會 /第八屆電子創新大賽 /電氣1206班 蔡申申 /基于89C52智能紅外循跡小車 #include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/*硬件連接定義*/sbit ma0=P22;/電機A控制 sbit ma1=P23;/電機A控制1sbit ma2=P24;/電機A