智能玩具小车毕业设计.doc

1、北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 1 -摘 要随 着 科 学 技 术 的 进 步 ， 智 能 化 和 自 动 化 技 术 越 来 越 普 及 ， 各 种 高 科 技 技 术 也 广 泛应 用 于 智 能 小 车 河 机 器 人 玩 具 制 造 领 域 ， 使 智 能 机 器 人 越 来 越 多 样 化 。 智 能 小 车 是 一个 多 种 高 新 技 术 的 集 成 体 ， 融 合 了 机 械 ， 计 算 机 硬 件 ， 软 件 ， 电 子 ， 人 工 智 能 等 多 种科 学 技 术 的 知 识 ， 可 以 涉 及 到 当 今 许 多 前 言 领 域 的 技 术 。利 用 红

2、 外 对 管 来 检 测 黑 线 ， 利 用 超 声 波 实 现 避 障 ， 并 以 STC89C51 单 片 机 为 主 控 芯片 控 制 小 车 的 转 向 和 速 度 ， 从 而 使 小 车 实 现 自 动 循 迹 避 障 的 功 能 。 其 中 由 L298N 驱 动 电路 对 小 车 驱 动 ， 单 片 机 输 出 的 PWM 波 控 制 速 度 。 由 内 置 程 序 分 别 控 制 位 于 小 车 左 右 的直 流 电 机 的 运 转 ， 实 现 小 车 的 自 动 识 别 路 线 的 功 能 ， 能 够 有 效 的 控 制 小 车 遇 到 障 碍 物时 能 够 转 弯 角 度

3、与 循 迹 行 驶 。 本 设 计 的 结 构 相 对 简 单 ， 比 较 易 于 实 现 ， 体 现 了 一 定 程度 的 智 能 。关 键 词 ： 智 能 小 车 ； 红 外 对 管 ； STC89C51 单 片 机 ； 超 声 波 ； L298N北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 2 -AbstractWith the progress of science and technology, intelligent and automation technology is more and more popular, various high-tech technology

4、is also widely used in the field of intelligent car river robot toy manufacturing, make intelligent robot has become more and more diversified. Smart car is an integration of a variety of high technology, the integration of mechanical, computer hardware, software, electronics, artificial intelligenc

5、e and many other kinds of scientific and technological knowledge can involves to many of todays introduction in the field of technology.Using infrared tube to detect the black line, in order to avoid obstacles by using ultrasonic wave, and the STC89C51 MCU as the main control chip to control the car

6、s steering and speed, so as to enable the car to achieve the function of automatic tracking and obstacle avoidance. Which is driven by the L298N driver circuit, the output of the microcontroller PWM wave control speed. By the built-in program control located in the car about DC motor running, the ca

7、r automatic recognition route function, can effectively control the car encountered obstacles to the steering angle and tracking road. The structure of the design is relatively simple, the comparison is easy to realize, and it embodies the intelligence of a certain degreeKeywords: intelligent vehicl

8、e; infrared tube; STC89C51 MCU; ultrasonic; L298N北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 3 -目 录摘 要 1Abstract 2引 言 11 绪 论 .21.1 智 能 玩 具 的 意 义 和 作 用 .21.2 智 能 小 车 的 现 状 .31.2.1 国 外 移 动 机 器 人 的 状 况 .31.2.2 国 内 移 动 机 器 人 的 状 况 .32 方 案 设 计 与 论 证 .52.1 主 控 系 统 52.1.1 AT89C52 单 片 机 简 介 52.1.2 单 片 机 的 发 展 62.2 电 机 驱 动 模 块

9、 .72.2.1 H 桥 式 电 路 工 作 原 理 92.2.2 PWM 调 速 技 术 .92.3 循 迹 模 块 92.3.1 光 电 传 感 器 的 工 作 原 理 92.3.2 光 电 传 感 器 的 分 类 和 工 作 方 式 .102.4 避 障 模 块 112.4.1 超 声 波 测 距 的 原 理 .122.4.2 超 声 波 传 感 器 的 分 类 .122.4.3 超 声 波 测 距 特 点 13北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 4 -2.5 显 示 模 块 142.5.1 数 码 管 的 结 构 及 工 作 原 理 .142.5.2 数 码 管 的 选

10、择 152.6 机 械 系 统 152.6.1 电 机 驱 动 部 分 ： 152.6.2 电 池 的 安 装 ： 152.7 电 源 模 块 163 硬 件 设 计 .173.1 总 体 设 计 173.1.1 主 板 设 计 框 图 如 图 3.1173.2 驱 动 电 路 173.2.1 电 机 驱 动 电 路 设 计 .183.2.2 信 号 检 测 电 路 设 计 .183.2.3 主 控 电 路 设 计 193.3 显 示 模 块 电 路 设 计 .204 软 件 设 计 .224.1 主 程 序 设 计 .224.1.1 主 程 序 框 图 224.1.2 主 程 序 流 程 图

11、 234.2 循 迹 模 块 程 序 设 计 .244.3 避 障 模 块 程 序 设 计 .254.4 显 示 模 块 的 程 序 设 计 .265 制 作 安 装 与 调 试 .275.1 小 车 的 安 装 .275.2 小 车 的 调 试 275.3 智 能 小 车 的 功 能 28结 论 29参 考 文 献 31北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 5 -北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 1 -引 言随 着 微 电 子 技 术 的 不 断 发 展 ， 单 片 机 不 但 集 成 程 度 越 来 越 高 ， 已 可 以 在 一 块 芯 片上 同 时 集 成

12、CPU、 存 储 器 、 定 时 器 计 数 器 、 并 行 和 串 行 接 口 、 看 门 狗 、 前 置 放 大 器 、A D 转 换 器 、 D A 转 换 器 等 多 种 电 路 ， 而 且 体 积 越 来 越 小 ， 功 耗 越 来 越 低 ， 这 就 很容 易 将 计 算 机 技 术 与 测 量 控 制 技 术 结 合 ， 组 成 智 能 化 测 量 控 制 系 统 8。 这 种 技 术 促 使 机器 人 技 术 也 有 了 突 飞 猛 进 的 发 展 ， 目 前 的 机 器 人 技 术 发 展 异 常 迅 速 ， 已 经 出 现 了 各 种各 式 的 用 于 各 种 用 途 的

13、机 器 人 了 ， 机 器 人 的 设 计 与 制 造 已 经 不 是 很 高 难 度 的 事 情 了 ，已 经 具 有 普 及 性 了 。本 文 设 计 以 STC89C52 单 片 机 作 为 检 测 和 控 制 核 心 。 采 用 红 外 光 电 传 感 器 检 测 路面 黑 线 及 障 碍 物 ， 应 用 超 声 波 传 感 器 测 距 ， 利 用 单 片 机 控 制 电 动 机 的 转 动 方 向 和 转 速 。通 过 软 件 编 程 实 现 小 车 的 行 进 、 绕 障 。 通 过 对 电 路 的 优 化 组 合 ， 可 以 最 大 限 度 地 利 用51 单 片 机 的 全 部

14、 资 源 。 P0 口 用 于 连 接 VCC， P1 口 用 于 传 感 器 的 数 据 采 集 与 中 断 控 制 ，P2 口 用 于 电 动 机 的 驱 动 控 制 。 这 样 做 的 优 点 是 ： 简 单 有 效 ， 降 低 了 总 体 设 计 的 成 本 。北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 2 -1 绪 论1.1 智 能 玩 具 的 意 义 和 作 用 自 从 第 一 台 工 业 机 器 人 诞 生 以 来 ， 机 器 人 的 发 展 已 经 在 机 械 、 电 子 、 冶 金 、 交 通 、宇 航 、 国 防 等 领 域 遍 布 。 由 于 机 器 人 的 智 能

15、 水 平 的 不 断 提 高 ， 人 们 的 生 活 方 式 迅 速 地改 变 着 。 在 人 们 不 断 认 识 、 改 造 、 探 讨 自 然 的 过 程 中 ， 替 代 人 劳 动 的 机 器 的 实 现 一 直是 人 类 的 梦 想 。由 于 科 学 技 术 的 进 一 步 发 展 ， 机 器 人 的 感 觉 传 感 器 种 类 逐 渐 增 加 ， 视 觉 传 感 器 对自 动 行 走 和 驾 驶 的 功 能 的 实 现 起 到 主 要 作 用 。 自 主 式 智 能 导 航 系 统 是 视 觉 的 典 型 应 用领 域 ， 图 像 处 理 技 术 对 于 视 觉 的 各 种 技 术

16、而 言 已 相 当 发 达 ， 而 基 于 图 像 的 理 解 技 术 相对 落 后 ， 需 要 通 过 大 量 的 运 算 的 机 器 视 觉 也 只 能 识 别 部 分 结 构 化 环 境 相 对 简 单 的 目 标 。摄 像 管 或 CCD 是 视 觉 传 感 器 的 核 心 器 件 ， CCD 目 前 已 能 实 现 自 动 聚 焦 。 但 CCD 传 感 器的 使 用 方 式 、 价 格 、 体 积 上 不 占 优 势 ， 因 此 在 只 需 要 粗 略 感 觉 不 要 求 清 晰 图 像 的 系 统中 的 一 种 实 用 有 效 方 法 是 使 用 接 近 觉 传 感 器 。机 器

17、 人 想 要 实 现 自 动 导 引 、 避 障 功 能 需 感 知 导 引 线 和 障 碍 物 ， 感 知 导 引 线 相 当 于 给机 器 人 添 加 一 个 视 觉 功 能 。 自 动 导 引 小 车 （ AVGauto-guide vehicle） 系 统 使 智 能 小车 基 于 它 实 现 自 动 识 别 、 判 定 进 而 自 动 避 开 障 碍 ， 选 择 正 确 的 行 驶 路 径 。 传 感 器 用 于感 知 路 线 和 障 碍 并 且 做 出 判 定 和 相 应 的 执 行 动 作 。智 能 避 障 小 车 可 以 分 为 三 大 组 成 部 分 ： 传 感 器 检 测

18、部 分 、 执 行 部 分 和 CPU。 机 器 人在 实 现 自 动 避 障 功 能 的 同 时 ， 还 可 以 拓 展 循 迹 等 功 能 ， 可 以 感 知 导 引 线 和 障 碍 物 。 使小 车 实 现 自 动 识 别 路 线 ， 选 择 正 确 的 行 进 路 径 ， 检 测 到 障 碍 物 并 自 动 避 开 。 基 于 以 上要 求 ， 考 虑 到 小 车 不 需 要 感 知 特 别 清 晰 的 图 像 ， 传 感 检 测 部 分 只 需 要 粗 略 感 知 便 可 ，所 以 不 使 用 昂 贵 的 CCD传 感 器 而 考 虑 邮 性 价 比 高 的 的 红 外 反 射 式

19、传 感 器 来 替 代 。 智 能 小车 的 驱 动 部 分 ， 是 由 直 流 电 机 来 实 现 ， 主 要 控 制 小 车 的 行 进 速 度 和 方 向 。 单 片 机 驱 动直 流 电 机 有 两 种 可 行 方 案 ： 第 一 ， ， 选 择 有 PWM功 能 的 单 片 机 不 需 要 占 用 单 片 机 资 源 ，可 以 实 现 精 确 的 调 速 ； 第 二 ， PWM输 出 调 制 由 软 件 模 拟 实 现 ， 需 占 用 单 片 机 资 源 ， 很 难精 确 调 速 ， 但 单 片 机 型 号 的 选 择 性 比 较 大 。 综 合 考 虑 ， 我 们 选 择 第 二

20、种 方 案 。 CPU由STC89C52单 片 机 配 合 软 件 编 程 实 现 。北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 3 -1.2 智 能 小 车 的 现 状1.2.1 国 外 移 动 机 器 人 的 状 况到 20世 纪 90年 代 ， 以 研 制 高 水 平 的 环 境 信 息 传 感 器 和 信 息 处 理 技 术 ， 适 应 性 强 的 移动 机 器 人 控 制 技 术 ， 真 实 环 境 下 的 规 划 技 术 为 标 志 ， 展 开 了 移 动 机 器 人 更 高 层 次 的 研 究 。随 着 技 术 的 进 步 ， 移 动 机 器 入 开 始 在 更 现 实 的

21、 基 础 上 ， 开 拓 各 个 应 用 领 域 ， 向 实 用 化 前进 。 如 1997年 牛 津 大 学 机 器 人 研 究 小 组 采 用 分 布 式 滤 波 及 局 部 智 能 控 制 代 理 的 系 统 模式 ， 利 用 卡 尔 曼 滤 波 方 法 融 合 来 自 摄 像 机 、 激 光 测 距 、 声 纳 的 数 据 信 息 ， 设 计 出 了 在已 知 或 未 知 的 工 厂 环 境 下 工 作 的 移 动 机 器 人 。 美 国 国 家 航 空 和 宇 宙 航 行 局 （ nasa） 资 助研 制 的 八 足 行 走 机 器 人 。 丹 蒂 ”， 作 为 能 实 现 远 程

22、探 险 的 高 性 能 移 动 机 器 人 ， 于 1994年 在 斯 珀 火 山 的 火 山 口 迸 行 了 成 功 的 表 演 。 美 国 nasa研 制 的 火 星 探 测 机 器 人“sojourner”于 1997年 登 上 火 星 ， 验 证 了 自 主 移 动 机 器 人 在 火 星 表 面 运 动 和 进 行 科 学试 验 的 可 行 性 。 2003年 ， 美 国 nasa又 派 出 两 个 火 星 着 陆 器 ， 这 两 个 着 陆 器 上 各 带 勇 气号 和 机 遇 号 火 星 漫 游 者 ， 到 火 星 上 采 集 数 据 在 任 务 期 间 ， “勇 气 ”创 造

23、了 日 行 27.5米的 纪 录 ， 打 破 了 “sojourner”97年 创 下 的 日 行 7米 的 记 录 ； “机 遇 ”号 也 己 成 功 地 在火 星 上 进 行 了 多 种 科 学 实 验 。 后 来 ， 美 国 宇 航 局 又 在 研 究 另 一 种 新 型 的 火 星 探 测 器 一火 星 科 学 实 验 室 （ MSL） ， 是 一 种 适 用 于 所 有 地 形 的 多 用 途 机 器 人 ， 乃 执 行 任 务 。 德 国研 制 了 一 种 轮 椅 机 器 人 ， 并 在 乌 尔 姆 市 中 心 车 站 的 客 流 高 峰 期 的 环 境 中 和 1998年 汉 诺

24、 威工 业 商 品 展 览 会 大 厅 环 境 中 进 行 了 超 过 36小 时 的 考 验 ， 所 展 现 的 性 能 是 其 它 现 存 的 轮椅 机 器 人 和 移 动 机 器 人 所 不 可 比 的 。 另 外 ， 自 从 1996年 成 功 地 举 行 了 第 一 次 世 界 机 器人 足 球 赛 以 来 ， 现 在 一 年 一 度 的 世 界 机 器 人 足 球 赛 已 经 吸 引 了 越 来 越 多 的 团 体 参 加 ，极 大 地 推 进 了 多 移 动 机 器 人 技 术 的 研 究 ， 成 为 研 究 和 验 证 人 工 智 能 成 果 的 实 验 床 。1.2.2 国

25、内 移 动 机 器 人 的 状 况在 国 内 ， 从 “七 五 ”开 始 ， 我 国 的 移 动 机 器 人 研 究 开 始 起 步 ， 经 过 多 年 来 的 发 展 ，已 经 取 得 了 一 定 的 成 绩 。 清 华 大 学 智 能 移 动 机 器 人 于 1994年 通 过 鉴 定 。 涉 及 到 五 个 方面 的 关 键 技 术 ： 基 于 地 图 的 全 局 路 径 规 划 技 术 研 究 ； 基 于 传 感 器 信 息 的 局 部 路 径 规 划技 术 研 究 ； 路 径 规 划 的 仿 真 技 术 研 究 ； 传 感 技 术 、 信 息 融 合 技 术 研 究 ； 智 能 移

26、动 机 器人 的 设 计 和 实 现 。 香 港 城 市 大 学 智 能 设 计 、 自 动 化 及 制 造 研 究 中 心 的 自 动 导 航 车 和 服务 机 器 人 。 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 得 AGV和 防 暴 机 器 人 。 中 国 科 学 院 自 动 化 所 自行 设 计 、 制 造 的 全 方 位 移 动 式 机 器 人 视 觉 导 航 系 统 。 哈 尔 滨 工 业 大 学 于 1996年 研 制 成 功的 导 游 机 器 人 等 。北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 4 -自 主 移 动 机 器 人 的 研 究 虽 取 得 了 很

27、大 的 进 展 ， 但 是 对 于 复 杂 的 应 用 ， 仍 不 能 令 人 满意 。北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 5 -2 方 案 设 计 与 论 证2.1 主 控 系 统根 据 设 计 要 求 ， 我 认 为 此 设 计 属 于 多 输 入 量 的 复 杂 程 序 控 制 问 题 。 据 此 ， 拟 定 了 以下 两 种 方 案 并 进 行 了 综 合 的 比 较 论 证 ， 具 体 如 下 ：方 案 一 ：系 统 的 核 心 部 件 选 用 一 片 CPLD（ 如 EPM7128LC84-15） ， 实 现 控 制 和 处 理 的 功 能 。CPLD 具 有 速 度

28、 快 、 资 源 丰 富 、 编 程 容 易 、 开 发 周 期 短 等 优 点 ， 可 利 用 VHDL 语 言 进 行 软件 的 编 写 开 发 。 但 CPLD 在 控 制 上 和 单 片 机 有 较 大 的 差 距 。 并 且 CPLD 的 处 理 速 度 特 别 快 ，而 小 车 的 行 驶 速 度 不 能 太 快 ， 从 而 系 统 处 理 信 息 的 需 求 也 就 不 是 太 高 ， 由 此 ， MCU 可 以胜 任 了 。 若 采 用 这 个 方 案 ， 定 会 在 控 制 上 添 加 了 很 多 没 必 要 添 加 的 难 题 。 为 此 ， 我 们不 采 用 这 种 方

29、案 ， 并 且 提 出 了 第 二 种 设 想 。方 案 二 ：整 个 系 统 的 核 心 由 单 片 机 来 实 现 ， 用 其 来 控 制 行 驶 中 的 小 车 ， 实 现 其 性 能 指 标 。经 过 充 分 的 分 析 这 个 的 系 统 ， 发 现 关 键 在 于 小 车 自 动 控 制 的 实 现 ， ， 单 片 机 在 这 一 点上 就 能 显 现 出 来 它 的 优 势 控 制 简 单 、 快 捷 、 方 便 。 这 样 一 来 使 单 片 机 资 源 丰 富 、控 制 功 能 强 大 及 可 位 寻 址 操 作 功 能 、 低 廉 的 价 格 等 优 点 就 可 以 充 分

30、 发 挥 。 因 此 ， 这 种方 案 是 较 为 理 想 的 。针 对 本 次 设 计 的 特 点 多 开 关 量 输 入 的 复 杂 程 序 控 制 系 统 ， 单 片 机 需 要 处 理 多开 关 量 ， 因 此 不 能 使 用 程 序 存 储 器 的 小 体 积 和 精 简 I/O 口 的 单 片 机 ， 也 不 必 选 用D/A、 A/D 功 能 。 根 据 这 些 分 析 , 本 设 计 选 定 P89C51RA 单 片 机 为 的 主 控 装 置 ， 51 单 片 机有 功 能 强 大 的 位 操 作 指 令 ， I/O 口 均 可 按 位 寻 址 ， 多 达 8K 的 程 序

31、空 间 ， 对 于 本 设 计 也可 以 完 全 胜 任 ， 并 且 51 单 片 机 有 着 非 常 低 廉 的 价 格 。经 过 综 合 考 虑 两 部 电 机 的 驱 动 、 传 感 器 等 因 素 后 ， 我 们 决 定 应 用 一 片 单 片 机 ， 对STC89C52 单 片 机 的 资 源 充 分 利 用 。2.1.1 AT89C52 单 片 机 简 介在 众 多 的 单 片 机 系 列 中 ， AT89C52 是 一 种 低 功 耗 ， 高 性 能 CMOS8 位 微 控 制 器 ， 具 有8K 系 列 可 编 程 Flash 存 储 器 。 使 用 Atmel 公 司 高 密

32、 度 非 易 失 性 存 储 器 技 术 制 造 ， 与 工业 80C51 产 品 指 令 和 引 脚 完 全 兼 容 。 片 上 Flash 允 许 程 序 储 存 器 在 系 统 可 编 程 ， 也 适北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 6 -应 于 常 规 编 程 。 在 单 芯 片 上 ， 拥 有 灵 巧 的 8 位 CPU 和 在 系 统 可 编 程 Flash， 使 得AT89C52 为 众 多 嵌 入 式 控 制 应 用 系 统 提 供 高 灵 活 、 超 高 效 的 解 决 方 案 。AT89C52 有 40 个 引 脚 ， 32 个 外 部 双 向 输 入 /输

33、 出 （ I/O） 端 口 ， 同 时 内 含 2 个 外 中断 口 ， 3 个 16 位 可 编 程 定 时 计 数 器 ， 2 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ， 2 个 读 写 口 线 ， AT89C52可 以 按 照 常 规 方 法 进 行 编 程 ， 但 不 可 以 在 线 编 程 (S 系 列 的 才 支 持 在 线 编 程 )。 其 将 通 用的 微 处 理 器 和 Flash 存 储 器 结 合 在 一 起 ， 特 别 是 可 反 复 擦 写 的 Flash 存 储 器 可 有 效 地 降低 开 发 成 本 。2.1.2 单 片 机 的 发 展1946 年 第 一 台 电

34、子 计 算 机 诞 生 至 今 ， 依 靠 微 电 子 技 术 和 半 导 体 技 术 的 进 步 ，从 电 子 管 晶 体 管 集 成 电 路 大 规 模 集 成 电 路 ， 使 得 计 算 机 体 积 更 小 ， 功 能更 强 。 特 别 是 近 20 年 时 间 里 ， 计 算 机 技 术 获 得 飞 速 的 发 展 ， 计 算 机 在 工 农 业 ， 科 研 ，教 育 ， 国 防 和 航 空 航 天 领 域 获 得 了 广 泛 的 应 用 ， 计 算 机 技 术 已 经 是 一 个 国 家 现 代 科 技水 平 的 重 要 标 志 14。单 片 机 诞 生 于 20 世 纪 70 年

35、代 ， 象 Fairchild 公 司 研 制 的 F8 单 片 微 型 计 算 机 。所 谓 单 片 机 是 利 用 大 规 模 集 成 电 路 技 术 把 中 央 处 理 单 元 (Center Processing Unit,也 即 常 称的 CPU)和 数 据 存 储 器 (RAM)、 程 序 存 储 器 (ROM)及 其 他 I/O 通 信 口 集 成 在 一 块 芯 片 上 ，构 成 一 个 最 小 的 计 算 机 系 统 ， 而 现 代 的 单 片 机 则 加 上 了 中 断 单 元 ， 定 时 单 元 及 A/D 转换 等 更 复 杂 、 更 完 善 的 电 路 ， 使 得 单

36、 片 机 的 功 能 越 来 越 强 大 ， 应 用 更 广 泛 14。20 世 纪 70 年 代 ， 微 电 子 技 术 正 处 于 发 展 阶 段 ， 集 成 电 路 属 于 中 规 模 发 展 时期 ， 各 种 新 材 料 新 工 艺 尚 未 成 熟 ， 单 片 机 仍 处 在 初 级 的 发 展 阶 段 ， 元 件 集 成 规 模 还 比较 小 ， 功 能 比 较 简 单 ， 一 般 均 把 CPU、 RAM 有 的 还 包 括 了 一 些 简 单 的 I/O 口 集 成 到 芯片 上 ， 象 Fairchild 公 司 就 属 于 这 一 类 型 ， 它 还 需 配 上 外 围 的

37、其 他 处 理 电 路 方 才 构 成 完整 的 计 算 系 统 。 类 似 的 单 片 机 还 有 Zilog 公 司 的 Z80 微 处 理 器 。1976 年 INTEL 公 司 推 出 了 MCS-48 单 片 机 ， 这 个 时 期 的 单 片 机 才 是 真 正 的 8位 单 片 微 型 计 算 机 ， 并 推 向 市 场 。 它 以 体 积 小 ， 功 能 全 ， 价 格 低 赢 得 了 广 泛 的 应 用 ，为 单 片 机 的 发 展 奠 定 了 基 础 ， 成 为 单 片 机 发 展 史 上 重 要 的 里 程 碑 20。在 MCS-48 的 带 领 下 ， 其 后 ， 各

38、大 半 导 体 公 司 相 继 研 制 和 发 展 了 自 己 的 单 片机 ， 象 Zilog 公 司 的 Z8 系 列 。 到 了 80 年 代 初 ， 单 片 机 已 发 展 到 了 高 性 能 阶 段 ， 象INTEL 公 司 的 MCS-51 系 列 ， Motorola 公 司 的 6801 和 6802 系 列 ， Rokwell 公 司 的 6501及 6502 系 列 等 等 ,此 外 ,日 本 的 著 名 电 气 公 司 NEC 和 HITACHI 都 相 继 开 发 了 具 有 自 己特 色 的 专 用 单 片 机 20。80 年 代 ， 世 界 各 大 公 司 均 竞

39、相 研 制 出 品 种 多 功 能 强 的 单 片 机 ， 约 有 几 十 个 系 列 ，300 多 个 品 种 ， 此 时 的 单 片 机 均 属 于 真 正 的 单 片 化 ， 大 多 集 成 了 CPU、 RAM、 ROM、数 目 繁 多 的 I/O 接 口 、 多 种 中 断 系 统 ， 甚 至 还 有 一 些 带 A/D 转 换 器 的 单 片 机 ， 功 能 越北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 7 -来 越 强 大 ， RAM 和 ROM 的 容 量 也 越 来 越 大 ， 寻 址 空 间 甚 至 可 达 64kB， 可 以 说 ， 单 片机 发 展 到 了 一 个

40、 新 的 平 台 。单 片 机 经 历 了 SCM、 MCU、 SOC 三 大 阶 段 21。 1.SCM 即 单 片 微 型 计 算 机 （ Single Chip Microcomputer） 阶 段 ， 主 要 是 寻 求 最佳 的 单 片 形 态 嵌 入 式 系 统 的 最 佳 体 系 结 构 。 “创 新 模 式 ”获 得 成 功 ， 奠 定 了 SCM 与 通用 计 算 机 完 全 不 同 的 发 展 道 路 。 在 开 创 嵌 入 式 系 统 独 立 发 展 道 路 上 ， Intel 公 司 功 不 可 没 。2.MCU 即 微 控 制 器 （ Micro Controller

41、 Unit） 阶 段 ， 主 要 的 技 术 发 展 方 向 是 ：不 断 扩 展 满 足 嵌 入 式 应 用 时 ， 对 象 系 统 要 求 的 各 种 外 围 电 路 与 接 口 电 路 ， 突 显 其 对 象的 智 能 化 控 制 能 力 。 它 所 涉 及 的 领 域 都 与 对 象 系 统 相 关 ， 因 此 ， 发 展 MCU 的 重 任 不 可避 免 地 落 在 电 气 、 电 子 技 术 厂 家 。 从 这 一 角 度 来 看 ， Intel 逐 渐 淡 出 MCU 的 发 展 也 有 其客 观 因 素 。 在 发 展 MCU 方 面 ， 最 著 名 的 厂 家 当 数 Phi

42、lips 公 司 。 Philips 公 司 以 其 在 嵌 入 式 应 用 方 面 的 巨 大 优 势 ， 将 MCS-51 从 单 片 微 型 计 算 机迅 速 发 展 到 微 控 制 器 。 因 此 ， 当 我 们 回 顾 嵌 入 式 系 统 发 展 道 路 时 ， 不 要 忘 记 Intel 和Philips 的 历 史 功 绩 14。单 片 机 是 嵌 入 式 系 统 的 独 立 发 展 之 路 ， 向 MCU 阶 段 发 展 的 重 要 因 素 ， 就 是 寻求 应 用 系 统 在 芯 片 上 的 最 大 化 解 决 ； 因 此 ， 专 用 单 片 机 的 发 展 自 然 形 成

43、了 SOC 化 趋 势 。随 着 微 电 子 技 术 、 IC 设 计 、 EDA 工 具 的 发 展 ， 基 于 SOC 的 单 片 机 应 用 系 统 设 计 会 有较 大 的 发 展 。 因 此 ， 对 单 片 机 的 理 解 可 以 从 单 片 微 型 计 算 机 、 单 片 微 控 制 器 延 伸 到 单片 应 用 系 统 13。2.2 电 机 驱 动 模 块方 案 一 ：电 动 机 的 开 或 关 由 继 电 器 对 进 行 控 制 ,对 小 车 的 速 度 通 过 开 关 的 切 换 进 行 调 整 .该 方案 优 点 是 电 路 简 单 ,缺 点 是 继 电 器 的 响 应 时

44、 间 慢 , 寿 命 较 短 ， 易 损 坏 ,可 靠 性 不 高 。方 案 二 ：电 动 机 采 用 数 字 电 位 器 或 电 阻 网 络 调 节 达 到 分 压 的 目 的 。 但 电 阻 网 络 仅 能 实 现 有级 调 速 ， 并 且 数 字 电 阻 的 元 器 件 价 格 较 为 昂 贵 。 更 关 键 的 问 题 是 一 般 的 电 动 机 的 电 阻很 小 ， 但 电 流 却 很 大 ， 导 致 不 仅 分 压 回 降 低 效 率 ， 并 且 实 现 很 困 难 。方 案 三 ：由 功 率 三 极 管 当 作 功 率 放 大 器 的 输 出 控 制 直 流 电 机 实 现 。

45、线 性 型 驱 动 电 的 路 结 构以 及 原 理 简 单 ， 加 速 能 力 较 强 ， 采 用 由 达 林 顿 管 构 成 的 H 型 桥 式 电 路 (如 图 2.1)。 用 单片 机 控 制 的 达 林 顿 管 使 它 工 作 在 占 空 比 可 调 整 的 开 关 状 态 下 ， 可 以 精 确 调 整 电 动 机 的北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 8 -转 速 。 由 于 此 电 路 工 作 在 管 子 的 饱 和 截 止 的 模 式 下 ， 所 以 效 率 特 别 高 ， H 型 桥 式 电 路 确保 了 简 单 的 实 现 控 制 转 速 和 方 向 ， 并

46、 且 电 子 管 的 开 关 速 度 非 常 快 ， 同 时 稳 定 性 也 很 强 ，是 一 种 可 以 广 泛 应 用 的 PWM 调 速 技 术 。 现 在 市 面 上 有 很 多 款 此 种 芯 片 ， 而 我 则 选 用 了L298N(如 图 2.1)。此 种 调 速 方 式 的 有 优 点 调 速 特 性 优 良 、 调 速 范 围 广 、 调 整 平 滑 、 能 承 受 频 繁 的 负载 冲 击 、 过 载 能 力 大 ， 并 且 可 实 现 频 繁 地 无 级 快 速 启 动 、 反 转 及 制 动 等 。 因 此 我 决 定使 用 功 率 三 极 管 作 功 率 放 大 器

47、的 输 出 控 制 直 流 电 机 。图 2.1L298N2.2.1 H 桥 式 电 路 工 作 原 理电 路 得 名 于 “H 桥 式 驱 动 电 路 ”是 因 为 它 的 形 状 酷 似 字 母 H。 4 个 三 极 管 组 成 H 的4 条 垂 直 腿 ， 而 电 机 就 是 H 中 的 横 杠 。H 桥 式 电 机 驱 动 电 路 包 括 4 个 三 极 管 和 一 个 电 机 。 要 使 电 机 运 转 ， 必 须 导 通 对 角线 上 的 一 对 三 极 管 。 根 据 不 同 三 极 管 对 的 导 通 情 况 ， 电 流 可 能 会 从 左 至 右 或 从 右 至 左流 过 电

48、 机 ， 从 而 控 制 电 机 的 转 向 。2.2.2 PWM 调 速 技 术这 种 调 速 方 式 有 调 速 特 性 优 良 、 调 整 平 滑 、 调 速 范 围 广 、 过 载 能 力 大 ， 能 承 受 频繁 的 负 载 冲 击 ， 还 可 以 实 现 频 繁 的 无 级 快 速 启 动 、 制 动 和 反 转 等 优 点 。 因 此 决 定 采 用使 用 功 率 三 极 管 作 为 功 率 放 大 器 的 输 出 控 制 直 流 电 机 。北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 9 -2.3 循 迹 模 块利 用 光 电 传 感 器 实 现 循 迹 的 基 本 原 理

49、2.3.1 光 电 传 感 器 的 工 作 原 理光 电 传 感 器 是 通 过 把 光 强 度 的 变 化 转 换 成 电 信 号 的 变 化 来 实 现 控 制 的 。 光 电 传 感器 在 一 般 情 况 下 ， 有 三 部 分 构 成 ， 它 们 分 为 ： 发 送 器 、 接 收 器 和 检 测 电 路 。发 送 器 对 准 目 标 发 射 光 束 ， 发 射 的 光 束 一 般 来 源 于 半 导 体 光 源 ， 发 光 二 极 管 (LED)、激 光 二 极 管 及 红 外 发 射 二 极 管 。 光 束 不 间 断 地 发 射 ， 或 者 改 变 脉 冲 宽 度 。 接 收 器 有 光电 二 极 管 、 光 电 三 极 管 、 光 电 池 组 成 。 在 接 收 器 的 前 面 ， 装 有 光 学 元 件 如 透 镜 和 光 圈等 。 在 其 后 面 是 检 测 电 路 ， 它 能 滤 出 有 效 信 号 和 应 用 该 信 号 。此 外 ， 光 电 开 关 的 结 构 元 件 中 还 有 发 射 板 和 光 导 纤 维 。三 角 反 射 板 是 结 构 牢 固 的 发 射 装 置 。 它 由 很 小 的 三 角 锥 体 反 射 材 料 组 成 ， 能 够 使光 束 准 确 地