基于51单片机的循迹小车系统设计.docx
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1、基于51单片机的循迹小车系统设计摘 要80C51单片机是一款八位单片机,他的易用性和多功能性受到了广阔使用者的好评。在生活中但凡涉及到自动控制的地方都会出现单片机的身影,单片机的应用有利于产品的小型化、智能化,并且能够提高生产效率。这里介绍的是如何用AT89C52单片机来实现小车的循迹功能,该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。本系统以设计题目的要求为目的,采用AT89C52单片机为控制核心,利用红外传感器检测道路上的黑线,控制电动小汽车的自动循迹,快慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间、里程和速度,和寻光功能。整个系统的电路结构非常简单,可靠性能很高。实验测试结果满足要求,本文着重介
2、绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。关键词:80C51单片机;电动小车;pwm调速;光电检测;自动调速系统Car tracking system based on microcontrollerAbstract80C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. In life, whenever it comes to automatic control of the local microcontroller will appear figure, m
3、icrocontroller applications in favor of product miniaturization, intelligent, and can improve productivity. Here is how to use AT89C52 microcontroller to achieve the car tracking feature, which is designed to determine the combination of scientific research and design class topic. This system design
4、 requirements of the subject for the purpose of using AT89C52 microcontroller core, the use of infrared sensors to detect the black line on the road, the automatic tracking control of electric cars, fast low traffic speeds, as well as automatic parking, and can automatically record time , mileage an
5、d speed, and look for the light function. The circuit structure of the entire system is very simple, very high reliability. The test results meet the requirements, the paper focuses on the hardware design and test results of the system analysis.Keywords: 80C51 microcontroller; Electric car Pwm speed
6、; A photodetector; Automatic Speed Control System.学习文档 仅供参考目 录中文摘要I外文摘要1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 智能小车研究前景及功能31.3 国内外的研究情况6 智能小车国外研究现状. 1.3.2 智能小车国内研究现状.1.4 本课题具体应用方面及场合2 智能循迹小车的方案设计2.1 智能小车的运行环境及行走路线7 2.1.1 智能小车的运行环境2.1.2 智能小车的运行路线 2.2 主控芯片的选择与原理8 2.2.1 51单片机引脚与功能说明2.3 调速系统的设计8 2.3.1 PWM逆变电路及其控制方法 2.3.1.
7、1 计算法 2.3.1.2 调制法学习文档 仅供参考 2.3.2 PWM调速的优点3 硬件电路的选择与搭建 3.1 单片机的辅助电路 3.1.1 时钟电路 3.1.2 复位电路 3.2 单片机控制模块的设计 3.3 驱动模块的设计 3.3.1 电机驱动芯片 3.3.2 电机驱动模块 3.4 循迹模块的制作与设计 3.4.1 循迹传感器工作原理 3.4.2 寻光电路分析 3.4.3 循迹电路分析 3.4.3.1 红外对管TCRT500 3.4.3.2 电压比较器 LM324 3.5 各模块的组装与连接4 循迹小车的软件设计4.1 软件设计开发平台154.2 小车运动状态分析及三路算法的设计164
8、.2.1 小车运动状态分析164.2.2 三路循迹算法设计174.3 软件设计流程图204.4 软件的调试24学习文档 仅供参考4.4.1 设置和删除断点244.4.2 查看和修改寄存器的内容26 观察和修改变量284.4.4 查看存储器区域结 论44参考文献45致 谢46附录1 智能循迹小车原理图50附录2 循迹程序附录3 外文参考文献译文50附录4 外文参考文献原文5学习文档 仅供参考1 绪论1.1 课题背景及意义随着汽车工业的发展,关于汽车的研究也就越来越受到人们的关注。在全国电子大赛以及省内的电子大赛上,我们几乎每次都能看到智能小车这方面的题目,在全国各的高校中也都很重视该类型题目的研
9、究。由此可见其研究意义很大,故本设计中就是在这样的背景下提出来的。此题目是结合科研类项目而确定的设计类课题。本设计的智能电动小车应该具有自动循迹的功能,并且可以扩展实时显示时间、速度、里程、寻光、避障功能,可程控行驶速度、准确定位停车等功能。近几十年来,移动机器人从无到有,数量不断增多,智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。 智能小车研究前景及功能智能车辆也叫做无人车辆,是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动的报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下,能够自动地操纵
10、和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)前进。智能车辆在原有的车辆系统中,增加了一些智能化的技术设备: (1)在电脑处理系统,智能车主要来获取图像,并预处理、增强、分析、识别等工作; (2)摄像机,用来获得道路图像信息; (3)传感器设备,车速传感器可以用来获得当前车速,障碍物传感器可以用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。 智能车辆技术按照其功能可划分为三层,即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统团。且上一层技术是下一层技术的基础。可以利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及驾驶员自身的状态信息,必要时发出预警信息。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。碰撞预警
11、系统可以给出前方碰撞警告、十字路口警告、车道偏离警告、盲点警告、换道/并道警告、后方碰撞警告、行人检测与警告等.驾驶员状态监控系统。1.3 国内外的研究情况智能小车技术在国内外的研究现状 。智能小车技术是一个表达国家高技术实力的一个重要标准,它涉及到多个学科,机械、电工、数学、自动控制、电脑测量、人工智能、传感技术等等,是众多领域的高科技。而智能小车比赛就是机器人技术的一个重要研究方向,目前许多国家己经开始把移动机器人比赛作为创新教育的一个战略性手段。 移动机器人比赛是一种高科技的对抗性的活动,各国的专家和学者来通过移动机器人竞赛,推进了在竞赛型移动机器人方面的研究,不改良机器人寻址速度和算法
12、研究,并试图让机器人更加的接近智能化,它集高科技、娱乐和比赛于一体,引起了各国的广泛关注和极大兴趣,从而推动了移动机器人研究热潮. 据统计部门的数据,至2006年中国汽车保有量已达3500万辆其中轿车占80%,约2500万辆,每年仍以30%的速度递增。我国成为了继美国之后的第二大汽车生产和消费国。汽车行业的发展也带动了相关服务业的发展。而将功能强大的智能车载信息系统车载电脑加载到汽车上已经成为欧美、日本等国汽车市场的首选新装备。车载电脑给汽车带来了一场信息化的革命,让每辆汽车构都建成一个完美的车载信息与娱乐系统终端,我们坐在汽车里面听广播或者音乐已经习以为常。让你在开车的时候听音乐,在休息的时
13、候欣赏好莱坞大片或是收看电视,甚至玩各种游戏。车载通讯与导航系统主要指 GPRS和GPS,可以让你“轻车熟路”,而且可以轻松的打 。智能小车,就是在关键得基础理论模型研究的前提下,把先进的信息技术、数据通信技术及电脑处理技术等技术有效地综合运用于汽车交通体系,从而可以大范围、全方位的发挥准确、实时、高效的功能,是很好的交通工具。它可以利用无线通讯的专网低频段并以其低成本实现了智能小车的实时控制、快速传输,并自行开发研制出了无线通讯系统的车载智能终端设备及控制系统,使智能小车能够完全利用无线通讯系统来采集和传输路面状况数据,并进行小车速度和方向的控制,具有载人和自动控制的双重功能。小车信息响应速
14、度快、全自动方向控制自动化、信息发布智能化、设备自维护智能化的特点。1.3.1 智能小车国外研究现状国外的智能车辆研究历史比较长,开始于上个世纪的50年代,其发展历程大致可以分为三个阶段 。第一阶段:20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国的Barrett Electronic公司研究出了世界上的第一台自主引导车系统,该系统是一个可以运行在固定路线上的拖车式的运货平台,但是它却具有了智能车辆所具有的最基本的的特征。第二阶段:开始于80年代中后期,西方发达国家对智能车辆的开展具有卓有成效的研究,在欧洲,普罗米修斯项目于1986年开始在这个领域内探索,在北美,美国于1995年成立了
15、国家自动高速公路系统联盟,他的目标之一就是来研究发展智能车辆的可行性,并促进智能车辆技术进入实用化,来为人类谋福利。 第三个阶段:从90年代开始,智能车辆进入了更加深入、系统、大规模的研究阶段。其中最为突出的是,美国卡内基-梅陇大学的机器人研究所完成的Navlab系列的自主车的研究,取得了非常显著的成就。目前无人驾驶技术越来越成熟,谷歌的无人驾驶汽车内置的电脑系统可以被认定为合法的“驾驶员”,而这一政策在未来将会对无人驾驶的汽车在美国公路上能够顺畅行驶起到积极的促进作用。目前,像谷歌和福特等都正在积极的进行无人驾驶汽车的测试,而特斯拉甚至已经开始为旗下车型升级了一些辅助驾驶功能1.3.2 智能
16、小车国内研究现状我国的智能车辆研究开始于上世纪80年代末。当时国家的863计划自动化领域智能机器人主题确定立项进行遥控驾驶的智能移动平台的研制;几乎同时国家部委也开始在规划“八五”预研项目中的地面智能机器人技术进行研究,并确定研制成功了我国第一辆样车ATB-1(AutonmousTestBed-1)。该车是由国内的多所重点大学联合研制,在1996年的演示中,该车自主行驶的最高速度可达,正常行驶速度为,在越野环境下,白天行驶的最高速度为24km/h,夜间行驶最高速度为15km/h。目前,开展这方面研究工作的单位主要包括一些大学和科研院所,比方国防科技大学、清华大学、吉林大学、西安交通大学、重庆大
17、学等。近几年来,具有代表性的典型系统包括:由国内多家大学参与的“十五”期间的第三代自主地面车辆ATB-3;国防科技大学研制的新一代地面无人驾驶车辆CITAVT-IV及其与中国一汽合作研制的“红旗”自主轿车;清华大学研制的THMR-V型智能车辆;吉林大学的Cybercar智能车辆;重庆大学的CQAC-I型智能车辆等。这一时期国内研究工作的主要方向是智能车辆的应用环境由简单场景向非结构化、复杂场景的转变,以及全天候条件下的实用化技术,基于多源信息融合的系统鲁棒性研究等。1.4 本课题具体应用方面及场合目前,人工智能技术取得了诸多的突破。一方面,电脑在数据搜集、存储和管理等能力上有了很大的进步;另一
18、方面,云技术的迅猛发展也使得云计算基础能力也有所提升。人工智能的发展势必会对智能小车产生至关重要的影响。从2014年的车联网,到2015年自动驾驶的初露端倪,智能汽车已经连续两届成为CES的主题,2016年CES无人驾驶与智能汽车吸引了全球的瞩目。如今,汽车智能化、共享化趋势愈加明显。随着汽车电子技术的发展,汽车智能化技术正在逐步得到应用,这种技术使汽车的操纵越来越简单,动力性和经济性也会越来越高,行驶安全性越来越好。目前,汽车已进入“智能机”时代,将催生智能汽车投资时机。汽车共享化,即车联网、无人驾驶,将依托于汽车制造商、经销商与运营商,汽车电子化与智能化实现“人-车”互动,车联网实现“人-
19、车-网络”的互动,而智能交通将实现“人-车-网络-路”的互动,共享化亦是未来汽车发展的趋势。在智能汽车主战场,汽车智能化步伐加速。从谷歌低成本的LIDAR感官系统和英伟达的DrivePX无人驾驶处理平台,到丰田的低成本高精地图绘制,再到宝马i8Spyder、微软、谷歌等企业的人机交互,无论是互联网巨头、汽车零部件供给商,还是传统车企,都把智能化摆在了极为重要的战略位置。我们认为感官系统和处理判断系统技术是未来决战汽车智能化的关键所在,而低成本可靠的智能技术将加快汽车智能化步伐。互联网巨头自身的无人驾驶技术与传统车企的汽车制造经验结合碰撞会加快无人驾驶汽车的商业化。与此同时,德尔福、大陆与博世三
20、大零部件供给商将纷纷推出全新的汽车共享解决方案。智能化、共享化,智能网联汽车,汽车智能革命到来。智能化就是智能汽车,共享化就是无人驾驶、车联网,智能网联汽车将是未来发展方向。2 智能循迹小车的方案设计2.1 智能小车的运行环境及行走路线根据题目的要求,可以确定如下方案:在玩具电动车的基础上,加装光电、红外线、超声波传感器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。2.1.1 智能小车的运行环境循迹是指小车在白色地板上循黑线行走,由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同,可以根据接收到的反射光的强弱来判断
21、“道路”。通常采取的方法是红外探测法。红外探测法,即利用红外线在不同颜色的物体外表具有不同的反射性质的特点,在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时就会发生漫反射,反射光可以被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收,小车上的接收管接就收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据,来确定黑线的位置和小车的行走路线。但是,红外探测器探测距离有限。小车在进入循迹模式后,即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口,一旦检测到某个I/O口有信号,便进入判断处理程序switch,可以先确定4个探测器中的哪一个探测到了黑线,如果左面第一级传感器或者左面第二级传
22、感器探测到黑线,即小车左半部分压到黑线,车身向右偏出,此时应使小车向左转;如果是右面第一级传感器或是右面第二级传感器探测到了黑线,即车身右半部压住黑线,小车向左偏出了轨迹,则应使小车向右转。在经过了方向调整后,小车再继续向前行走,并继续探测黑线重复上述动作。 利用LED来显示小车运行的状态,并且利用倒计时模块来启动小车。2.1.2 智能小车的运行路线本设计中小车的循迹路线大致可分三种:“7”字型路线、“T”字型路线、“十”字型路线。具体路线如下列图所示。 主控芯片的选择与原理51系列单片机除了Intel公司的MCS-51系列外,还有美国Atmel公司生产的AT系列、硅存储技术公司的SST系列、
23、深圳宏晶公司生产的STC系列等公司的兼容产品,这些公司的51单片机封装、引脚与Intel公司的MCS-51系列单片机完全兼容。51系列单片机有不同封装形式,外观各不相同。本设计选用宏晶公司生产的STC89C52型号的单片机。2.2.1 51单片机引脚与功能说明如左图2-2所示为40脚双列直插式封装8051单片机引脚图。按照其引脚功能来分,可以分为四组。下面分别说明这些引脚的名称和功能。1. 电源与地引脚Vcc:电源引脚,用于接+5V电源。Vss:接地引脚,连接时接公共地端2. 时钟电路引脚X1:接外部石英晶体和补偿电容一端;如果使用外部时钟源,则该引脚应该接地。实际上该引脚为片内振荡电路放大器
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