基于STC89C52单片机的避障智能小车-毕业设计说明书.doc

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1、毕业设计说明书基于STC89C52单片机的避障智能小车设计基于STC89C52单片机的避障智能小车设计摘要本文介绍了基于STC89C52单片机的避障智能小车的设计与实现。小车主要通过单片机实现对自身的控制，使其能够识别黑线并检测障碍物，实现在固定跑道内行驶并且具有自动避障功能。本设计对单片机最小系统、电机驱动、红外避障等硬件电路分别给出了相应的设计方案。依据PCB设计的原则、抗干扰措施，自行设计了印刷电路板。该设计采用STC89C52单片机为控制系统，L298N作为电机驱动，四路红外线探测系统为避障系统，单片机产生PWM波并通过L298N来对小车的方向和速度进行控制。实验测试结果基本满足要求。

2、采用的技术主要有：1小车以单片机作为控制器；2采用红外线探测系统实现对黑线及障碍物的检测；3通过单片机产生PWM波并通过L298N来对小车的方向和速度进行控制。关键词：STC89C52，单片机，L298N，红外线探测系统，避障，PWMSTC89C52 microcontroller-based intelligent car obstacle avoidance DesignAbstractThis paper describes the design and implementation of the smart car obstacle avoidance STC89C52 microco

3、ntroller based. Trolley primarily through MCU control of their own to be able to identify the black line and detect obstacles and achieve traveling in a fixed track and has an automatic obstacle avoidance function. The design for the smallest single-chip systems, motor drives, infrared obstacle avoi

4、dance were given the corresponding hardware circuit design. Based on the principles of PCB design, anti-jamming measures, to design a printed circuit board. The design uses STC89C52 microcontroller for the control system, L298N as motor drive, four infrared detection system as obstacle avoidance sys

5、tem microcontroller PWM wave generated by L298N to the direction and speed of the car can be controlled. Experimental test results meet the basic requirements.Technologies used are: (1) car microcontroller as a controller; (2) using four infrared detection system to achieve the detection of black li

6、nes and obstacles; (3) generated by the microcontroller PWM wave through L298N to the direction and speed of the car can be controlled.Keywords: STC89C52, Microcontroller, L298N, Infrared detection system, obstacle avoidance, PWM学习文档 仅供参考目 录1 引言11.1 本课题的研究背景11.2 本课题的发展现状及前景21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状

7、31.3 本课题研究的意义42 避障智能小车总体方案论证62.1 直流调速方案论证62.2 设计方案的论证62.2.1 单片机模块的选择与论证62.2.2 电机驱动模块的选择与论证72.2.3 避障模块的选择与论证83 避障智能小车硬件设计93.1 系统硬件设计概述93.2 避障智能小车硬件电路设计93.2.1 STC89C52单片机最小系统设计93.2.2 避障模块的设计123.2.3 电路驱动模块设计133.3 印制电路板的设计133.3.1 印制电路板的设计原则133.3.2 PCB及电路抗干扰措施143.3.3 PCB设计版图153.4 硬件调试164 避障智能小车软件设计174.1

8、避障智能小车应用程序设计174.1.1 电机驱动设计174.1.2 避障程序设计184.2 程序下载以及软件说明185 避障智能小车的整体性能测试215.1 避障智能小车避障功能测试215.2 实验心得226 总结以及展望236.1 总结236.2 展望23附录A 实物图24附录B 部分程序代码25参考文献28致 谢30学习文档 仅供参考1 引言1.1 本课题的研究背景 智能小车，也就是轮式机器人，是一个集多学科于一体的综合性高技术产物，所涉及到的学科包括机械学、力学、拓扑学、电子与微电子学、控制科学、系统工程、人工智能等。虽然机器人发展了几十年，但至今对于机器人都没有一个统一、准确的定义。机

9、器人主要涵盖以下内容：具有一定的仿人或生物功能；具有通用性，动作程序灵活易变；具有智能性，如记忆、推断、决策、学习等。随着机器人的发展，其定义也会逐渐的修改，进一步的明确和统一。智能移动机器人不仅能促进对于复杂智能、人类思维模式的研究，而且在生产、生活中起到越来越大的作用。智能移动机器人要想在有障碍的环境中寻找一条从起点到终点的路径，通常需要解决三个问题，首先，机器人必须通过内、外部传感器确定自身在所工作环境中的精确位置，其中主要涉及到的问题有传感器的选择、环境建模以及如何提高定位的精度；然后根据探测到的环境信息以及构建的环境模型来确定目标的方位。有了自身的位置与目标点，还需要知道怎样才能到达

10、目标，这就属于路径规划的问题了，这三个问题解决了机器人便可以自主导航。移动机器人导航可分为在已知环境中的导航和未知环境中的导航，许多学者对已知环境中的导航控制方法进行了大量的研究也取得了一定的成果，对未知环境及移动障碍物环境的导航虽然也提出了假设干方法，但尚未形成统一和完善的体系结构，还有许多关键理论和技术问题有待解决和完善。因此，未知环境中的移动机器人导航将是今后很长一段时间内研究的热点问题。移动机器人要想准确的感知环境状况以及障碍物的位置，就必须利用多种传感器及更为有效的控制算法，多传感器的数据融合技术将在智能机器人的导航中得到越来越多的应用。作为一个多学科交叉的高科技领域，移动机器人的研

11、究内容涉及到电脑科学、控制理论、机械电子、传感技术等多个方面，因此开展移动机器人技术的研究不仅为我国培养多学科的复合型人才，而且对于促进工业、农业、国防现代化建设都具有重要意义，而且对相关领域研究的发展具有积极的推动作用1。1.2 本课题的发展现状及前景 国外研究现状机器人的发展从上世纪60年代至今，从最初的示范模仿机器人到现在的具有感知功能的智能机器人，在技术上取得了很大的进步，从其发展的先后顺序来看，大概可分为三代。第一代简单机器人也就是示教再现型机器人。它基本上不会思考也没有感觉，工作前需要操作者教其动作顺序和运动路径，机器人装有记忆存储器将示教指令记存起来，当它接到再现命令时，则自主地

12、再现。第二代机具有控制器和简单传感器的可编程机器人。因为装有传感器，所以它能获得操作对象和外界环境的简单信息，它具有一定的感觉系统。其特征是以根据作业对象的状况改变作业内容，即所谓的“知觉判断机器人”。 第三代是智能机器人。具有复杂的感知系统和控制系统，能够根据环境的变化作出决策，具有模拟人类思维的功能、能够自主学习和具有自适应能力。表达出高度的智能化，是多学科综合发展的产物。自从上世纪60年代末期，第一台自主移动机器人Shakey问世以后，国外的许多国家对移动机器人进行了大量的研究，其中法国于2001年提出了“机器人与人工体”，这是在机器人研究方面提出的一项大型国家计划，该项计划主要是对机器

13、人的认知功能进行深入的研究，使之能够在变化、复杂的环境中通过学习、判断来实现各种功能，包括多机器人协作、视觉定位，移动式操作手等几个方面2。美国生产的双轮差速驱动移动机器人，可以在室内送信件、食品等生活用品，还可以牵引吸尘器来打扫卫生。环境信息的获取，主要采用地图输入方式获取环境信息，可以很好的完成任务并返回原点待命。喷漆机器人在国外的使用可以追溯到20世纪中叶，美国Morris Motors Cowley公司成功的安装了一条高产出的涂装生产线，把所有的汽车外身的涂装工作交给3台3轴机器人完成，到了七八十年代，第二代多轴机器人的研制工作取得了很大进展，美、日欧等国的汽车涂装线，己使用多轴机器人

14、对车身内部难以到达的地方进行涂装作业，朝着喷漆车间无人化的目标迈进了一大步。 近年来兴起的手术机器人技术在微创的基础上，将手术的精度和可行性提升到了一个全新的度，引起学术界的广泛关注甚至有人预言一个以手术机器人为代表、以信息化处理为标志的新的外科手术时代即将来临。目前，国外手术机器人已在心胸外科、泌尿外科、妇科和腹部外科等领域逐渐普及，手术机器人具有灵活度高，稳定性好，安全性高的优点。 日本经济产业省1998年开始启动了人形机器人技术研究计划HRP。该计划主要用来建立一个人形机器人研究平台，开展机器人应用研究。在2002年提出了5年期的机器人排雷计划以及“21世纪机器人挑战”一国家项目，其中一

15、个3年的子项目是开发应用于机器人开放式结构的中间件。在当时，更长远的预期在于到2009年，机器人将应用在家庭、医疗服务、灾害救助等各个领域，基本实现商品化。由东京工业大学研发的技术名为“SOINN”的机器人，能够学习并掌握编程时所不具备功能的机器人。能够将瓶子中的水倒进杯子，这是事先编辑好的程序，在此之后，他们有要求正在完成其他任务的机器人将杯子中的水冷却。机器人停下手上的工作，思考之后放下瓶子，拿起冰块放入杯子中。这个看似不起眼的举动说明SOINN机器人已经具备学习能力。根据事先设定的指令，它并不会往杯里放冰块，完全是自行决定3。 在机器人研究的热点领域中，各国的实力不尽相同，其中在发表文章

16、方面，美国的发文总量为最多，为13533篇，占世界机器人研究领域发文量的35，日本紧随其后，占19，排名第三的是德国，其余依次为韩国、法国、加拿大、意大利等。各个国家对于机器人的科研能力都再逐渐增强。 国内研究现状国内移动机器人经过快速的发展也取得了一定的成果，“八五”期间的军用智能机器人的研制，“九五”期间军用“智能机器人平台2号”可以实现自主行驶，“十五”期间对复杂智能机器人进行研究，危险作业机器人、仿人机器人、复合结构移动机器人等研究都取得了很大的成果，上海交通大学研制的机器人采用仿人关节结构，具有很强的越障功能，中科院自动化研究所研制的机器人具有语音识别、会话等功能。国防科技大学研制的

17、智能车车采用复杂的控制算法，实现了自主行驶，高速自主超车功能，多项技术都处于世界领先地位4。在智能小车的路径规划及控制算法方面，我国的许多高校和研究所也做了大量的研究。新疆大学设计的智能小车配有红外光电传感道路检测装置、速度检测装置、电机驱动装置、转向控制舵机等设，采用模糊控制算法对小车进行控制，使小车具有道路检测和自动跟随功能。四川大学设计的的智能小车对智能小车视觉导航中图像处理复杂和路径数据存储量大的问题，采用了一种基于路径记忆算法的智能小车控制系统。通过推导小车转向控制角和摄像头检测出的路径横向偏差之间的简洁关系，实现了对小车的运动控制，提高了系统的实时性和控制精确度，将数学形态学滤波算

18、法和行程编码算法结合用于路径记忆，该方法占用的存储空间小、计算量小，可满足嵌入式系统实时性要求。 十几年来，我国相继研制出示教再现型搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工程中推广应用。与此同时，我国也开展移动机器人基础理论研究，在某些方面都取得了世界领先成果。在机器人研究领域，正在逐渐缩小与发达国家的差距5。1.3 本课题研究的意义作为一个高技术的综合体，移动机器人主要用在一些特殊的环境中代替人类工作，目前已在军事、工业、农业等领域得到了广泛应用。随着机器人技术的发展和人们的需求的多样化，其功能也越来越专一，在人们

19、日常生活中也得到广泛应用。实践证明，在某些场合，移动机器人比人类工作得更高效而且不需要像人那样去防护，节省了成本，带来了巨大的经济和社会效益。智能机器人主要用于以下场合：1、环境非常恶劣或者危险的场合目前我国煤矿开采生产存在较大安全隐患，矿难事故死亡人数越来越多，主要原因是因为煤矿井下有许多巷道和突发的危险情况，透水事故、瓦斯爆炸、矿井坍塌，随时可能发生，而智能小车属于一种移动机器人可以在恶劣的环境中完成复杂的活动。核工业机器人，主要用来处理核工厂的一些放射性原料。军用机器人可以用来侦察、作战后勤支援，自动完成爆炸物的处理等。2、服务人类可以使人更好的生活在生活中，移动机器人可以用来帮组残疾人

20、做很多事情，如帮组残疾人打扫地面尘土及垃圾、帮组残疾人用微波炉热食物，并将热好的食物取出放在指定的地点供他们食用。在医疗上，由于机器人操作的准确性，所以在一些精确度要求较高手术中，机器人可以用来完成一些机械操作。在工业上，机器人可以用来检测产品零部件、线路板，可以工作在X射线较多的地方，而不需要像人那样的防护。本课题研究旨在设计一款智能小车，能够检测周围环境自主避障，小车可以应用粮库检测、矿井探测等多个领域6。2 避障智能小车总体方案论证2.1 直流调速方案论证方案一：串电阻调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改

21、变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于

22、低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。方案三：脉宽调速系统。本次设计中，直流调速系统采用调速。直流调速系统采用晶闸管的直流斩波器与整流电路。晶闸管不受相位控制, 而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时, 电源电压加到电动机上, 当晶闸管关断时, 直流电源与电动机断开, 电动机经二极管续流, 两端电压接近于零。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation), 简称。脉冲周期不变, 只改变晶闸管的导通时间, 即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现, 但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的左转和右转, 本设计

23、采用了可逆 变换器。可逆 变换器主电路的结构式有型、型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式型变换器, 它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。2.2 设计方案的论证2.2.1 单片机模块的选择与论证方案一：AT89S52单片机含8位CPU，具有8K在系统可编程Flash存储器及256字节数据存储器，有32位I/O端口线和2个数据指针，3个16位定时/计数器，一个2级中断结构,还具有看门狗定时器，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。掉电保护方式下，数据存储器中的内容被保存，单片机工作停止，直到下一个中断或硬件复位时为止。方案二：STC89C52是一种低功耗，高性能CMOS 8位8

24、K的闪存可编程和可擦除只读存储器PEROM字节的微型电脑。内提供了以下标准特性：8K字节闪存，256字节RAM，32个I / O线，两个16位定时器/计数器，二个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，片上振荡器和时钟电路。此外，AT89C52是静态逻辑设计与操作频率下降到零，并支持两种软件可选的节电模式。空闲模式时CPU停止工作，而RAM，定时/计数器，串行口和中断系统继续工作。掉电模式保存RAM的内容，但冻结振荡器关闭，直到下一个硬件复位芯片其它功能。通过以上两单片机性能比较，STC89C52通过将集成在一个芯片上通用的8位闪存的CPU，Atmel的STC89C52是一个强大的微型电脑提供了

25、一个高度灵活和成本有效的解决方案为许多嵌入式控制应用。所以本设计选用STC89C52单片机7。2.2.2 电机驱动模块的选择与论证方案一：集成驱动芯片。采用专门的电机驱动芯片L298 N，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，静态电流小，输出电流大，电路简单，散热效果好，不容易烧坏，而且还带有控制使能端。具有以下特点：1、具有信号指示，2、转速可调， 3、抗干扰能力强，4、具有续流保护，5、可单独控制两台直流电机，6、可单独控制一台步进电机，7、PWM脉宽平滑调速可使用PWM信号对直流电机调速8、可实现正反转9、采用光电隔离。采用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，

26、性能优良8。方案二：分立元件组成驱动电路。用三极管分立元件来驱动，用分立元件电路较复杂，静态电流较大，需要调试参数，功率小，散热性能差，饱和导通压降小。但是对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。综合以上分析与比较，我们发现方案二所使用分立元件组成驱动H桥电路需要相应的功率管驱动电路与之配套，虽然功率较大，但电路复杂不符合本次应用的要求，故本系统采用方案一所采用的集成电机驱动芯片L298N。2.2.3 避障模块的选择与论证方案一：采用摄像头方式。通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，通过软

27、件处理获取道路的各种参数，来进行路径识别的一种方法。CCDCMOS摄像头有面阵和线阵两种类型，它们在接口电路、输出信号以及检测信息等方面有较大的区别，面阵摄像头可以获取前方道路图像信息，而线阵CCD只能获取道路上直线的图像信息。其实线阵CCD可看作分辨率很高的红外检测方式。它的优点是通过镜头可以前方很远的道路图像映射到CCDCMOS器件中，从而得到小车前方很大范围内的道路信息。可以有效进行小车的运动控制，提高车的路径跟踪精度和运行速度。但是硬件电路比较复杂，信息处理量大，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点9。方案二：红外检测方式。通过红外发光管发射红外线光照射

28、道路，道路外表与路上的标线具有不同的反射强度，利用红外接收管可以检测到这些信息。通过合理安排红外发射接收管的空间位置可以检测到小车前方道路相对小车的位置。红外发射接收管一般安装在小车的前端，可以装一排。红外发射接收管检测方案的优点是电路简单，安装方便，检测速度快，成本低。但分辩率低，识别道路信息少，前瞻性差，容易受到环境光线的干扰，耗电量较大。综合以上分析与比较，方案一所获得的路面信息多，范围广，但是硬件电路复杂，信息处理量大，对摄像头记录的图像进行分割与识别会加重处理器的运算负担，方案二获得的路面信息较方案一少，但是足以实现智能小车的避障功能，且方案二的硬件电路连接简单，检测速度快，成本低，

29、故选择方案二。3 避障智能小车硬件设计3.1 系统硬件设计概述本文所设计的智能小车主要由2 部分组成:1) 智能小车部分: 车体部分以及2 路电机、单片机STC89C52、驱动电路、红外避障模块;2) 系统软件设计: 主要有单片机程序设计。避障智能小车主要包括:单片机系统、红外避障模块、驱动电路。小车通过红外传感器完成对前方、左方和右方3个方向的障碍物检测，并以TTL电平信号的形式送入单片机的I/O口。单片机根据收到的信号，进行判断，发出控制信号，通过驱动电路实现小车避障。系统的整体框图如图 所示。图 系统框图3.2 避障智能小车硬件电路设计3.2.1 STC89C52单片机最小系统设计该ST

30、C89C52是一种低功耗，高性能CMOS 8位8K的闪存可编程和可擦除只读存储器PEROM字节的微型电脑。该设备是采用Atmel的高密度非易失性内存技术，并与行业标准的MCS - 51指令集和引脚兼容。片上闪存程序存储器可以编程就可以在系统或由传统的非易失性存储器编程。通过将集成在一个芯片上通用的8位闪存的CPU，Atmel的STC89C52是一个强大的微型电脑提供了一个高度灵活和成本有效的解决方案为许多嵌入式控制应用。功能特点:STC89C52内提供了以下标准特性：8K字节闪存，256字节RAM，32个I / O线，两个16位定时器/计数器，二个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，片上振荡

31、器和时钟电路。此外，STC89C52是静态逻辑设计与操作频率下降到零，并支持两种软件可选的节电模式。空闲模式时CPU停止工作，而RAM，定时/计数器，串行口和中断系统继续工作。掉电模式保存RAM的内容，但冻结振荡器关闭，直到下一个硬件复位芯片其它功能。 引脚说明:Vcc：电源电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1

32、口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上

33、拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。RST ：复位输入。此管脚上出现两个机器周期的高电平，而振荡器运行将使器件复位。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输

34、出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。地址锁存使能锁存在访问外部存储器地址的低字节输出脉冲。该引脚也是在flash编程脉冲输入。正常运行的ALE编是在1 / 6振荡器频率恒定的速率发射，并可能对外部定时或时钟的用途。请注意，但是，一个ALE脉冲被跳过在每次访问外部数据存储器。 如果需要时，ALE操作可以通

35、过设置位SFR的位置8EH 0。随着位设置，ALE为活跃，只有在执行MOVX或MOVC指令。否则，脚弱拉高。设置的ALE -禁用位微控制器没有影响，如果在外部执行模式。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1：

36、反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。单片机最小系统或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。 一般对51系列单片机来说，单片机+晶振电路+复位电路便组成了一个最小应用系统14。单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTA

37、L1和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，单片机最小应用系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。上电自动复位通过电容充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC接通来实现。图 3.2 单片机最小系统 避障模块的设计采用反射式红外光电管，是进行避障常用的方法。这种方法利用了一对红外发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物上的反射面时，红外线反射回来被接受管接收，经过电路比较器比较之后，信号输出接口输出一个低电

38、平的数字信号。这种方法的优点是:电路简单，信号处理速度快。缺点是:感知前方道路距离有限，受外界红外频段光线干扰，精度低15。光电管相对的感知距离较近并且只能提供非常少的前方车道的走势信息。但是对于本次设计，这种反射式红外光电管是比较合适的。该模块的设计电路图如图所示：图 避障模块电路 电路驱动模块设计智能小车的电机选用的是直流减速电机，即齿轮减速电机,是在普通直流电机的基础上,加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。电机的工作电压为3-6V，电压为6V时，无负载时转速为100转/分钟，无负载时电流为70mA，减速比为

39、1:4816。电机驱动电路连接图如图所示，主要包括光电耦合器件、电机驱动芯片、整流电路三个部分。光电耦合器件选用的是TLP521-4，其内部含有四组光耦管，用来将控制信号与负载完全隔离，可以增加安全性，减小信号之间的干扰；电机驱动芯片选用的是L298N，为15脚Multiwatt封装，其中IN1、IN2、IN3、IN4为控制信号输入端，VS为电源电压，最大可接36V，VSS为工作电压，最小4.5V，最大36V，在应用中根据实际情况选择5V电压。ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转,5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，也可以用此引脚来实现PWM脉宽平滑调速。SenseA、

40、SenseB接地。OUT1，OUT2和OUT3，OUT4为信号输入端分别接直流电动机，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平电机M1正转，控制另一台电机是同样的方式。输入信号IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2正转。整流电路选用8个二极管IN400717。图 驱动模块电路 印制电路板的设计 印制电路板的设计原则印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时.必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。要使电子电路获

41、得最正确性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB，应遵循以下一般原则：(1) 布局，PCB尺寸不可过大，否则造成印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，过小，则散热不好且邻近线条易受干扰。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。(2) 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。(3) 可能有较高的电位差的元器件或者

42、导线间，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。(4) 应考虑散热问题，热敏元件应远离发热元件。(5) 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。假设是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；假设是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。(6) 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。(7) 布线，输入输出端用的导线应尽量防止相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈耦合。在各种微处理器的输入输出信号中，总有相当一部分是相同类型的，例如数据线、地址线。对这些相同类型的信号线应该成组、平行分布，同时注意它们之间的长短差异不要太大，以便减

43、少干扰，增加系统的稳定性。 PCB及电路抗干扰措施PCB板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，本文就PCB抗干扰设计的几项常用措施和系统中采用的措施做一些说明。(1) 电源和地线设计根据印制线路板电流的大小加宽电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。地线设计的原则是：数字地与模拟地尽量分开。假设PCB板上同时有逻辑电路和线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格扩大面积地箔。应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。(2) 去耦电容配置瓷片

44、电容或者多层陶瓷电容是高频特性较好的去耦电容，它们两个作用，一方面是本集成电路的储能电容，提供和吸收该集成电路开门和关门瞬间的冲放电电能，另一方面，旁路该器件产生的高频噪声。常规做法之一是在各个关键部位配置适当的去耦电容。为提高系统的电源质量，消除低频噪声对系统的影响，一般应在电源进入印制电路板的位置和靠近各器件的电源引脚处加上滤波器，以消除电源的噪声，常用的方法是在这些位置加上几十到几百F的电容。消除系统中元器件工作时产生的高频噪声的一般的方法是，在器件的电源和地之间加上0.lF左右接地电容。原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，板上工作的元器件产生的噪声通常在100MH

45、z或者更高的频率范围内产生谐振，所以放置在每一个元器件的电源脚和地线脚之间的旁路电容一般比较小约0.lF)。 PCB设计版图硬件PCB的制作采用模块化设计，最后生成的PCB板为：最小系统 PCB板、避障模板PCB板、电机驱动板模块PCB板、串口模块PCB板。各个模块的PCB图如下图。图 最小系统图 避障模块图 电机驱动模块3.4 硬件调试印制电路板制作完成后，要对电路进行分块焊接，分别调试。(1) 首先完成最小系统的焊接，使用万用表检查各连线是否都连接正常；(2) 将电机驱动板的OUT口与小车电机连接，；(3) 将红外传感器模块连接在单片机的P2.3，P2.4，P2.5上，VCC和GND连接在

46、电源板上；(4) 完成硬件的其他部分焊接和调试。在小车上安装红外传感器模块的时候，要注意各个红外传感器的间隔，不能太近了。另外红外传感器的检测距离也要适当的调整。红外传感器对光线尤为敏感，假设是把检测距离调整的很大的话，在光线比较强的情况下，红外传感器会持续输出单一电平信号，失去避障功能。所以本设计要考虑到光线对红外传感器的影响，在不影响避障功能实现的情况下，尽量调小红外传感器的检测距离。4 避障智能小车软件设计 避障智能小车应用程序设计在有控制芯片的设计中，只有硬件而没有软件的支持，那么该设计是不完美的，也就是是无法正常完成设计的任务的。在本设计中主要由两部分的软件程序组成。第一部分为小车驱

47、动程序，第二部分为上位机程序。.1 电机驱动设计智能小车所采用的电机为直流减速电机，其工作电压为36V。当电压6V 时，无负载转速为100转/分钟，无负载电流为70mA。另外本设计选用L298N 电机驱动芯片控制两个直流电机。L298N 电机驱动芯片的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4 输出端分别接两个电机，在ENA、ENB 两个使能端为高电平，控制器只要控制4 个输入端的电平高低，就能实现小车的前进、后退、转向等动作。因此在对电机驱动进行开发的时候，只需要利用单片机I/O口同的电平，就可以控制电机的正反转，电机驱动流程图如下：初始化是否按下开关？前进左侧是否遇到障碍？右侧是否遇到障碍？向右侧行驶向左侧行驶前方是否有障碍停车YYYYNNNN图 4.1 小车前进流程图4.1.2 避障程序设计1小车后退程序：/*-主函数-*/void main(void)delay(100); run();while(1)/*无限循环*/