畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要智能循跡小車是一個(gè)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(dòng)識(shí)別路線、測(cè)距、避障功能的智能運(yùn)動(dòng)載體。 本設(shè)計(jì)為單片機(jī)控制小車自動(dòng)循跡、避障、測(cè)距的綜合設(shè)計(jì)方案。STC12C5A60S2作為本次設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)傳感器，通過(guò)紅外傳感器感知黑線與地板反射光線的不同，并通過(guò)電壓比較器獲得數(shù)字量；執(zhí)行部分由兩個(gè)直流電機(jī)組成，采用PWM調(diào)速控制，PWM信號(hào)由單片機(jī)調(diào)制得到；距離檢測(cè)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(cè)距離，單片機(jī)做出判斷并給予動(dòng)作指令，直流電機(jī)做出后退、右轉(zhuǎn)等避障動(dòng)作；本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，可靠性高，能滿足各種設(shè)計(jì)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(cè)距；LCD1602顯示畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 II 頁(yè) 共 II 頁(yè)目 錄1 緒論21.1智能小車的研究背景與市場(chǎng)價(jià)值21.2 智能小車的現(xiàn)狀21.3 智能小車的設(shè)計(jì)思路21.4 主要功能22 方案的設(shè)計(jì)與論證32.1 主控系統(tǒng)32.2 循跡傳感器模塊32.3 測(cè)距避障模塊42.4 顯示模塊42.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)距模塊的特性143.6 液晶顯示器153.6.1 LCD1602 的各個(gè)引腳的功能說(shuō)明153.6.2 LCD1602 的工作時(shí)序163.6.3 LCD1602 的指令集184 硬件設(shè)計(jì)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(shí)鐘電路204.2.2 復(fù)位電路204.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路214.4 循跡檢測(cè)模塊225 軟件設(shè)計(jì)235.1 程序設(shè)計(jì)流程圖235.2 關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)制265.2.3 超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(bào)警調(diào)試316.3 調(diào)試心得32結(jié)束語(yǔ)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(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第48頁(yè) 共 51頁(yè)1 緒論1.1智能小車的研究背景與市場(chǎng)價(jià)值隨著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信息感測(cè)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(lái)越受到人們的關(guān)注。人們?cè)絹?lái)越注意將現(xiàn)代科技融入到現(xiàn)實(shí)生活個(gè)個(gè)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(guò)程，使人有更多時(shí)間和精力去開(kāi)發(fā)更多人工智能，為社會(huì)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(duì)提高生產(chǎn)技術(shù)、節(jié)約用人成本、車間自動(dòng)化水平有著迫切要求。智能車輛基礎(chǔ)上研發(fā)的自動(dòng)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(jià)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(zhēng)中的不可缺少的特殊軍用設(shè)備。在遇到險(xiǎn)情時(shí)，士兵不必親自到前線查看敵情 ，而是通過(guò)車載攝像智能小車進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)勘測(cè)敵情，小車可以受到遙控接收戰(zhàn)場(chǎng)信號(hào)，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(xiǎn)車輛，當(dāng)發(fā)生地震等重大災(zāi)害時(shí)，人無(wú)法到達(dá)的地方都可以讓小車展開(kāi)探測(cè)搜救工作。智能小車，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決斷、自動(dòng)行進(jìn)于一體的高新行動(dòng)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(chǎng)貨物運(yùn)輸，輔助駕駛系統(tǒng)，以及車輛自動(dòng)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(kāi)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(guó)IROBOT公司研究開(kāi)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(zhǎng)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(dòng)、遙控、智能自控制等功能。其它以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的地面移動(dòng)機(jī)器人分別具有偵察、探測(cè)險(xiǎn)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(dòng)機(jī)器人的前列。1.3 智能小車的設(shè)計(jì)思路小車的頭部有兩對(duì)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(huì)有差異（黑線會(huì)吸收大部分的紅外光線），地板反射的紅外光線由光電開(kāi)關(guān)的三極管接收端接收，并使三極管導(dǎo)通，通過(guò)電壓比較器獲得單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字量，以此來(lái)矯正小車方向；車頭部分有超聲波傳感器和紅外傳感器，對(duì)小車前面是否有障礙物進(jìn)行判斷，并驅(qū)動(dòng)兩側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)。STC特有的兩路PWM脈沖信號(hào)輸出，輸出脈寬可調(diào)的方波，讓信號(hào)輸入到L298N驅(qū)動(dòng)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(jì)顯示部分：LCD1602液晶顯示器顯示測(cè)距結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波測(cè)的距離的實(shí)時(shí)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(duì)黑線的智能循跡。B. 檢測(cè)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(shí)（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(jì)與論證方案如下：現(xiàn)有三輪玩具車一輛，前兩輪為動(dòng)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(kāi)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(dòng)力層面：兩臺(tái)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(gè)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(gè)8位並行口P0-P3，每個(gè)口既可以作為輸入亦可當(dāng)作輸出。兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器。五個(gè)中斷源。一個(gè)串行I/O口（單片機(jī)之間通信）。但是基本I/O不夠多，無(wú)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(jì)的主控制芯片。用它來(lái)完成信息的采集、處理，給執(zhí)行元件輸送動(dòng)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(hào)電路；I/O接口的驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)達(dá)到20mA，每個(gè)輸入輸出口都有四種工作模式（見(jiàn)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(jì)需要兩路PWM信號(hào)，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(shí)器計(jì)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(jiǎn)易光敏電阻，但實(shí)際效果并不理想。行駛過(guò)程中對(duì)穩(wěn)定性要求很高，方案一誤測(cè)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(guò)程中極易出現(xiàn)各種問(wèn)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(shí)滯，響應(yīng)速度上跟單片機(jī)不在一個(gè)等級(jí)上，從而影響本設(shè)計(jì)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(duì)管作為尋跡模塊的傳感器。將兩對(duì)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(shì)，主要是，可見(jiàn)光對(duì)接收信號(hào)的影響較小。兩對(duì)光電開(kāi)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(kāi)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(cè)試表明，只要調(diào)整好兩對(duì)紅外光電開(kāi)關(guān)的位置就能很好的實(shí)現(xiàn)循跡功能。經(jīng)過(guò)多番測(cè)試，兩對(duì)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(cè)距避障模塊方案一:選用兩對(duì)紅外傳感器置于智能車輛的頭部?jī)蓚?cè)，正對(duì)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(duì)紅外傳感器，成本較高。另外，紅外測(cè)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(jiǎn)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(cè)距的優(yōu)勢(shì):檢測(cè)距離在0.1-4m之間，檢測(cè)精度在1cm，它具備不易受外界干擾，成本低，檢測(cè)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(duì)紅外反射對(duì)管實(shí)行避障功能，將一個(gè)紅外對(duì)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(jì)選擇方案二超聲波檢測(cè)。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(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)易、功耗低、壽命長(zhǎng)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(jiǎn)單的字母。但是本設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)碼管，就要用到動(dòng)態(tài)刷新或是增加I/O口，就會(huì)浪費(fèi)過(guò)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(jiǎn)單使用方便，較為美觀，一個(gè)液晶顯示器就可以滿足不同功能的顯示 對(duì)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(dòng)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(chǎng)合，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、角度要求較為嚴(yán)格的情況下，當(dāng)給電機(jī)一個(gè)電脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(dòng)時(shí)就需要持續(xù)地輸入連續(xù)的脈沖信號(hào)。轉(zhuǎn)動(dòng)速度只與外加脈沖頻率有關(guān)。轉(zhuǎn)動(dòng)速度不僅不受電壓波動(dòng)、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(dòng)電路較為復(fù)雜，價(jià)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(jiǎn)單，直要電機(jī)兩端加電壓就可以使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，即將方波信號(hào)通入H橋三極管，通過(guò)時(shí)序控制改變成對(duì)三極管通斷情況，這樣就能改變電動(dòng)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(jì)中采用L298N集成雙H橋芯片（圖2.1），剛好控制兩個(gè)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(dòng)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(jì)要求循跡小車機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、靈活簡(jiǎn)單，用現(xiàn)有的三輪玩具車，其中前兩輪是驅(qū)動(dòng)輪，后面一個(gè)輪子是萬(wàn)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(gè)電機(jī)，且轉(zhuǎn)向不方便，造價(jià)成本較高。驅(qū)動(dòng)部分：由于智能車輛電機(jī)功率較小，車載元件過(guò)多，負(fù)擔(dān)很重。在直流電機(jī)和輪子之間加裝三級(jí)減速齒輪可實(shí)現(xiàn)小車平穩(wěn)啟動(dòng)，問(wèn)題解決。3 主要器件的介紹3.1 STC12C5A60S2 的介紹 國(guó)內(nèi)STC公司的單片機(jī)產(chǎn)品在國(guó)能市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。它內(nèi)部具有大容量FLASH程序存儲(chǔ)器,同時(shí)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(gè)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(gè)16位定時(shí)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(gè)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(kāi)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(wàn)次。7. 有WATCH_DOG8. 工作溫度范圍：-40 - +85(工業(yè)級(jí)) / 0 - 75(商業(yè)級(jí))9. 中斷優(yōu)先級(jí)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(gè)引腳功能簡(jiǎn)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(dòng)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(gè)直流電機(jī)。芯片的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓不同于芯片驅(qū)動(dòng)電壓，可接受2.5V-46v（取決于不同的電機(jī)等級(jí)）。H橋上需要添加續(xù)流二極管，來(lái)保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路中的三極管。OUT1，OUT2之間接直流電機(jī)M1，由IN1、IN2信號(hào)控制正反轉(zhuǎn)，PWM1也就使能端A控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiàn)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(jiàn)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(cè)器排列在同一方向，它的工作波長(zhǎng)為950mm，探測(cè)器是由光電晶體管組成。在它正常工作時(shí)，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(shí)紅外光線束被反射回來(lái)，紅外接收管接收反射光線后呈導(dǎo)通狀態(tài)。通過(guò)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(jiǎn)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(gè)運(yùn)放電路，反饋回路無(wú)窮大。它有5個(gè)端口，V+和V-接正負(fù)電源。Vi+，Vi-接輸入端，一個(gè)接正相端一個(gè)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(shí)，那么運(yùn)放輸出低電位。單個(gè)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(jì)選用HC-SR04超聲波測(cè)距。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊有4個(gè)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(cè)距的測(cè)距原理： 在Tring端口加一個(gè)大于10us的高電平，模塊發(fā)送8個(gè)高頻脈沖方波。之后，檢測(cè)是否有返回信號(hào)到來(lái)。如果信號(hào)接收端接收到反射信號(hào)，將記錄發(fā)射到返回之間的時(shí)間差。通過(guò)計(jì)算得到距離。距離等于聲速與時(shí)間差的積的1/2.圖3.8 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊實(shí)物圖3.5.1 HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊的特性HC-SR04超聲波測(cè)距模塊的電氣參數(shù)見(jiàn)表3.4所示。 表3.4 HC-SR04超聲波測(cè)距電氣參數(shù)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊的時(shí)序圖如圖3.9所示。圖3.9 超聲波測(cè)距模塊時(shí)序圖通過(guò)時(shí)序圖可以看出，當(dāng)給Trig引腳一個(gè)不少于10us的脈沖觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)內(nèi)部高頻信號(hào)波，回響信號(hào)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(dòng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。顧名思義，1602代表它能顯示16*2個(gè)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(hào)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(gè)引腳的功能說(shuō)明 LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）和16腳（帶背光）接口，各個(gè)引腳的接口說(shuō)明如表3.5所示。 表3.5 LCD1602引腳接口說(shuō)明各個(gè)引腳說(shuō)明如下：3.6.2 LCD1602 的工作時(shí)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(guò)LCD1602的并行數(shù)據(jù)端口DB0DB7傳輸，操作類型由3個(gè)控制端電平組合控制；根據(jù)1602LCD的引腳說(shuō)明，這4種基本操作時(shí)序所對(duì)應(yīng)的引腳狀態(tài)應(yīng)安排如下。說(shuō)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(wú)。（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(wú)。在數(shù)據(jù)或指令的讀寫過(guò)程中，控制端所加電平有一定的時(shí)序要求。圖3.11和圖3.12所示，分別為該器件的讀、寫操作時(shí)序圖。時(shí)序圖說(shuō)明了3個(gè)控制端口與數(shù)據(jù)之間的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3.11 讀操作時(shí)序圖3.12 寫操作時(shí)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(gè)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(gè)指令代碼功能見(jiàn)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(jì)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(wú)障礙時(shí)巡線前進(jìn)最終完成整圈賽道。在有障礙時(shí)，小車測(cè)距模塊測(cè)出與障礙物之間的距離，小車緩慢前進(jìn)，近距離時(shí)依靠車前面的紅外對(duì)管檢測(cè)障礙物，距離到達(dá)一個(gè)閥值時(shí)，對(duì)管發(fā)出指示信號(hào)，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(jiàn)附錄。圖4.1 簡(jiǎn)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(shí)鐘電路。STC單片機(jī)芯片作為本次設(shè)計(jì)的主控制器，負(fù)責(zé)處理傳感器傳送的實(shí)時(shí)信號(hào)，給部分輸送動(dòng)作指令，完成數(shù)據(jù)匯總處理的功能。時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供時(shí)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(shí)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(shí)鐘電路STC12C5A60S2單片機(jī)時(shí)鐘系統(tǒng)兼容8051系列。兩個(gè)時(shí)鐘源被裝載到STC12C5A60S2單片機(jī)中。其一是：內(nèi)部R/C時(shí)鐘震蕩電路。它會(huì)隨著溫度變化而產(chǎn)生變化，RC電路的頻率會(huì)產(chǎn)生些許溫飄，因而不適合工藝要求高的場(chǎng)合。常溫下，5V單片機(jī)頻率11MHz-17MHz，3單片機(jī)為8MHz-12MHz。外部時(shí)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(gè)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(shí)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(cè)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(gè)持續(xù)24個(gè)機(jī)器週期脈衝信號(hào)，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(cuò)或是操作失誤致系統(tǒng)鎖死時(shí)，也可使用復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。圖4.4 復(fù)位電路4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本次綜合綜合設(shè)計(jì)選用L298N作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要元件，并配合8個(gè)續(xù)流二極管保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路。上文在介紹L298N的時(shí)候已經(jīng)敘述過(guò)其內(nèi)部的H橋電路。單片機(jī)6個(gè)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(hào)波輸入到ENA和中。圖4.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.4 循跡檢測(cè)模塊智能車輛會(huì)循著地板上的黑線行進(jìn)，重要元件TCRT5000型光電對(duì)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(cè)到白色地板時(shí)，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(cè)到黑線時(shí)，輸出高電平，燈不亮。單片機(jī)靠循跡模塊傳來(lái)的數(shù)字量判斷傳感器有沒(méi)有壓到黑線，如果左側(cè)壓到黑線，就會(huì)做出左側(cè)電機(jī)減速的動(dòng)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(dòng)中行進(jìn)的。本次設(shè)計(jì)中的循跡模塊利用簡(jiǎn)單、價(jià)格合理的模塊，應(yīng)用普遍的檢測(cè)方法是紅外探測(cè)法。市面上有很多紅外傳感器，在這里選用TCRT5000紅外對(duì)管。圖4.7 循跡原理5 軟件設(shè)計(jì)5.1 程序設(shè)計(jì)流程圖本設(shè)計(jì)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(dòng)子程序。b) 中斷子程序。c) 定時(shí)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(cè)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(jì)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(hào)調(diào)制 5.2.3 超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)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(jì) 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(jì)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(dòng)模塊，超聲波測(cè)距模塊，LCD顯示模塊以及蜂鳴器報(bào)警模塊。調(diào)試的時(shí)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(lái)再進(jìn)行最后的整機(jī)調(diào)試這樣一個(gè)調(diào)試的思路。6.2 各個(gè)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(cè)試LCD液晶屏的顯示是否正常。各個(gè)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(cuò)誤，只要確保連線正常無(wú)誤就可以了，用萬(wàn)用表檢測(cè)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(wú)誤的情況下就可以了。調(diào)整偏執(zhí)電壓也就是LCD的3號(hào)引腳，變化阻值就調(diào)整。圖6.1 LCD測(cè)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(duì)應(yīng)的P3.0， P3.2引腳發(fā)送接收引腳。電源接地引腳無(wú)誤就可以了。如圖6.2示，超聲波調(diào)試圖。 6.2.3 報(bào)警調(diào)試蜂鳴器只用一個(gè)PNP管子就可以做成驅(qū)動(dòng)電路。P1.7輸出口送0時(shí)候，管子導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲。圖6.3 蜂鳴器報(bào)警電路6.3 調(diào)試心得進(jìn)過(guò)一番調(diào)試，我們可以清楚的認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)物搭配、連接、調(diào)試的不同。程序設(shè)計(jì)的合理性還要到實(shí)物實(shí)踐中得到確認(rèn)，同時(shí)，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(gè)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(guò)程中，我遇到過(guò)許多問(wèn)題。例如，在宿舍調(diào)試小車時(shí)，宿舍光線不是太好，此時(shí)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(shí)，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(lái)更換供電電源也不行，經(jīng)過(guò)一番檢查后才發(fā)現(xiàn)是模塊插槽的地線接線斷路，用萬(wàn)用表檢測(cè)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(jí)逐級(jí)檢測(cè)故障點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試證明，當(dāng)兩對(duì)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(shí)循跡效果最好。 結(jié)束語(yǔ)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(gè)循跡傳感器來(lái)探測(cè)地面黑色軌跡的信號(hào)，同時(shí)對(duì)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(méi)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(dòng)。(2)經(jīng)過(guò)多次測(cè)試證明，當(dāng)兩對(duì)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(shí)循跡效果最好，此時(shí)小車車身擺動(dòng)最小，轉(zhuǎn)彎時(shí)運(yùn)行最穩(wěn)定。小車的速度是個(gè)不確定因素，低速時(shí)固然穩(wěn)定循跡效果固然很好，但完成測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，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(wèn)題又必須考慮進(jìn)去。需要在高速、低速之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，此時(shí)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(shí)速度緩慢穩(wěn)定性高，再次進(jìn)入軌道時(shí)會(huì)有出錯(cuò)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(kāi)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(gè)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(jì)可以改進(jìn)的地方：增加精確避障，再增加一個(gè)紅外對(duì)管，左右都有檢測(cè)。致謝歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成。經(jīng)過(guò)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(shí)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(wèn)題，在此基礎(chǔ)上我們解決了不少難題。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我領(lǐng)悟到三點(diǎn)：其一，專業(yè)知識(shí)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(duì)知識(shí)運(yùn)用靈活度不夠，動(dòng)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(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)程度又有了新的提升。讓我對(duì)更深層次的學(xué)習(xí)充滿興趣。本人經(jīng)驗(yàn)欠缺，設(shè)計(jì)中還有很多東西似是而非沒(méi)有追根究底，敬請(qǐng)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(jì)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(kāi)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 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