緒論1.1研究背景與意義隨著汽車制造技術(shù)的不斷革新與工業(yè)化的迅猛推進(jìn)，傳統(tǒng)汽車的常規(guī)功能已無(wú)法充分滿足日益提升的使用需求。在此背景下，具備高度智能化與自動(dòng)化特性的新型汽車逐漸成為研究與實(shí)踐的核心領(lǐng)域。智能汽車依托其自主導(dǎo)航、環(huán)境感知與適應(yīng)能力，以及對(duì)外部干擾的強(qiáng)大抵御性能，在處理復(fù)雜交通狀況和執(zhí)行高難度任務(wù)時(shí)表現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，逐步確立了其在行業(yè)中的引領(lǐng)地位。汽車智能化，具有一定的軍事價(jià)值，也可以給我們的生活帶來(lái)極大的便利，在交通運(yùn)輸、物流倉(cāng)儲(chǔ)、外賣配送等方面大有作為。單片機(jī)是一種應(yīng)用范圍非常廣泛的集成電路芯片，已經(jīng)完全融入到了人類的日常生活中，從玩具到家電、汽車甚至是機(jī)器人、航天器等都能看到單片機(jī)的身影。單片機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展極大地促進(jìn)了汽車智能化水平的提升，在數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理以及過(guò)程控制等領(lǐng)域展現(xiàn)出關(guān)鍵性作用。以路面狀況監(jiān)測(cè)為例，借助內(nèi)置單片機(jī)的智能傳感裝置收集道路信息，并依此實(shí)時(shí)調(diào)整車輛運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而完成行駛、轉(zhuǎn)向、加速、減速和駐車等自動(dòng)化功能操作。當(dāng)前，隨著企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的需求愈發(fā)深入。以單片機(jī)為關(guān)鍵組件的智能車輛及其相關(guān)設(shè)備，已逐步演變?yōu)樽詣?dòng)化物流運(yùn)輸系統(tǒng)中至關(guān)重要的構(gòu)成要素?；诖?，眾多國(guó)家紛紛加大對(duì)人力、物力及財(cái)力資源的投入力度，致力于智能車輛的研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新工作。在這樣的大環(huán)境下，本次設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)智能小車的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，可以更好的掌握單片機(jī)、C語(yǔ)言以及各類傳感器和元件的知識(shí)，鍛煉分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的綜合能力。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀自20世紀(jì)60年代以來(lái)，智能小車相關(guān)研究以自主移動(dòng)機(jī)器人問(wèn)世為開(kāi)端，在全球范圍內(nèi)逐步推進(jìn)。斯坦福研究所開(kāi)發(fā)的“Shakey”機(jī)器人首次實(shí)現(xiàn)了自主推理、路徑規(guī)劃與控制系統(tǒng)等功能的集成創(chuàng)新，從而將人工智能技術(shù)成功應(yīng)用于更加復(fù)雜的實(shí)踐領(lǐng)域。此后經(jīng)過(guò)幾十年的快速發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的示教模仿機(jī)器人，而是今天具有多種感知功能和推演能力的智能機(jī)器人，研發(fā)技術(shù)和理論基礎(chǔ)上都取得了巨大的進(jìn)步。移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展從無(wú)到有、從少到多、從單一到多樣，許多國(guó)家都在移動(dòng)智能機(jī)器人領(lǐng)域投入了大量的精力，而智能車輛作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支也被越來(lái)越重視。在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，各國(guó)的科研水平高低不同，其中美國(guó)和日本的研究處于較為領(lǐng)先的地位。美國(guó)發(fā)明的智能機(jī)器人，可以自主運(yùn)送快遞、外賣等生活用品，還可以牽引其他設(shè)備完成相應(yīng)的工作；日本研制的人形機(jī)器人，甚至可以模仿人類的各種面部表情，與人類實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙溝通交流，而且非常逼真；法國(guó)提出的一項(xiàng)科技計(jì)劃計(jì)劃讓智能機(jī)器人具有自動(dòng)認(rèn)知能力，通過(guò)自主感知判斷可以使其在復(fù)雜多變的環(huán)境中自動(dòng)執(zhí)行各種動(dòng)作。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀相對(duì)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)在智能汽車和機(jī)器人方面的研究起步較晚，相對(duì)落后，理論基礎(chǔ)和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)仍然處于低級(jí)階段。但是經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展，也取得了一定的成果，尤其是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用方面碩果累累，目前已經(jīng)相繼成功研制出了多種復(fù)雜的智能機(jī)器人，包括危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人、仿人機(jī)器人以及復(fù)合結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人等，并已投入到了實(shí)戰(zhàn)當(dāng)中。國(guó)內(nèi)的很多大學(xué)都開(kāi)設(shè)了相關(guān)的專業(yè)和課程培養(yǎng)人才，并舉辦各種競(jìng)賽，在這方面的研究成果也層出不窮，例如中科院研制的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)和人的對(duì)話、上海交通大學(xué)研制的仿人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了弧焊機(jī)器人和點(diǎn)焊機(jī)器人等，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)有絕對(duì)的權(quán)威性。除此之外，我國(guó)還有很多優(yōu)秀的研究團(tuán)體和機(jī)構(gòu)正在開(kāi)展對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)理論研究，雖然相比于其他國(guó)家我們起點(diǎn)較低，但是我國(guó)的科研實(shí)力正朝著國(guó)際第一梯隊(duì)加速前進(jìn)，正在逐漸縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。1.3論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本文聚焦于以STC89C52單片機(jī)為核心的智能小車設(shè)計(jì)，基于電機(jī)模型車平臺(tái)，融合電機(jī)控制與傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車行駛速度的精確測(cè)量與實(shí)時(shí)顯示。文中針對(duì)核心問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)化分析與深入探討，涉及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的搭建、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)程序開(kāi)發(fā)等內(nèi)容。全文共分為七個(gè)章節(jié)，具體結(jié)構(gòu)安排如下：第一章，引言緒論。闡釋了本課程設(shè)計(jì)的研究背景與學(xué)術(shù)價(jià)值，系統(tǒng)回顧了國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展脈絡(luò)。同時(shí)，界定了論文的核心內(nèi)容框架及整體結(jié)構(gòu)布局，為后續(xù)章節(jié)的深入探討提供了必要的鋪墊。第二章，核心技術(shù)概述。介紹了本次設(shè)計(jì)相關(guān)的核心技術(shù)，包括STC89C52單片機(jī)、C語(yǔ)言、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)、KeiluVision軟件等。第三章，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析。介紹了設(shè)計(jì)的功能要求以及相關(guān)指標(biāo)，對(duì)可能的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論述并選擇出合適的方案，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和操作三個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行了可行性分析。第四章，系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)。功能模塊核心芯片的選型依據(jù)與技術(shù)背景，并實(shí)現(xiàn)硬件電路的整體規(guī)劃與布局。第五章，系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。各模塊程序設(shè)計(jì)與流程圖解析。第六章，系統(tǒng)軟件測(cè)試。軟件測(cè)試的目的、方法與過(guò)程探究：?jiǎn)栴}與解決方案分析及實(shí)例驗(yàn)證。第七章，總結(jié)與展望。本研究系統(tǒng)梳理了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的核心成果，深入分析現(xiàn)存缺陷并提出優(yōu)化方案，進(jìn)而對(duì)后續(xù)研究路徑進(jìn)行前瞻性探討。1.4本章小結(jié)本章著重闡釋研究主題的背景支撐及其理論價(jià)值與實(shí)踐意義，系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)，并對(duì)后續(xù)章節(jié)的內(nèi)容架構(gòu)及邏輯體系進(jìn)行概括性說(shuō)明。

2相關(guān)技術(shù)概述2.1單片機(jī)20世紀(jì)70年代初期，大規(guī)模集成電路技術(shù)的突破催生了單片機(jī)的誕生。這種高度集成的器件將中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（如ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如RAM）以及輸入/輸出接口和通信功能等模塊整合于單一芯片中，形成了一個(gè)緊湊而完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框架。隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，現(xiàn)代單片機(jī)不僅延續(xù)了其核心功能，還集成了定時(shí)控制、中斷處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換等多種擴(kuò)展模塊，其電路設(shè)計(jì)更加精細(xì)復(fù)雜，整體性能大幅提升，并在工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。如圖2-1所示是單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖2-1單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.1.1STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介STC89C52單片機(jī)是由宏晶科技研發(fā)并制造的一款基于CMOS技術(shù)的8位微控制器，兼具低能耗與高性能的特點(diǎn)。該芯片以經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核為基礎(chǔ)，并經(jīng)過(guò)顯著的功能優(yōu)化與升級(jí)，其性能較傳統(tǒng)51系列單片機(jī)有了大幅提升，同時(shí)具備部分獨(dú)特功能，為其他同類產(chǎn)品所不具備。作為嵌入式控制系統(tǒng)中的優(yōu)選方案，它能夠提供靈活且高效的解決途徑。以下是其若干典型功能：（1）該指令集架構(gòu)不僅完整兼容傳統(tǒng)8051系列，還創(chuàng)新性地提供6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期兩種可選模式，以滿足多樣化應(yīng)用場(chǎng)景需求，屬于性能優(yōu)化型的8051單片機(jī)產(chǎn)品。（2）工作電壓范圍為3.3V至5.5V；（3）工作頻率范圍為0～40MHz，實(shí)際可達(dá)48MHz；（4）工作溫度范圍：-40℃至85℃；（5）片上集成512字節(jié)RAM的研究與實(shí)現(xiàn)；（6）8K字節(jié)用戶應(yīng)用空間；（7）32個(gè)通用I/O口；（8）三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（9）4路外部中斷；（10）ISP/IAP技術(shù)支持串口直接下載用戶程序；（11）通用異步串行口；（12）具有EEPROM功能；（13）PDIP封裝；2.1.2STC89C52單片機(jī)引腳圖2-2展示了STC89C52單片機(jī)的引腳分布，其40個(gè)引腳按功能可劃分為四大類：電源引腳、時(shí)鐘晶振引腳、控制引腳以及I/O引腳。各引腳的具體位置與對(duì)應(yīng)功能詳細(xì)說(shuō)明如下：（1）電源引腳(2根)VCC(引腳40)：接+5V電源輸入；VSS(引腳20)：接地線；（2）時(shí)鐘晶振引腳(2根)XTAL1（引腳19）：振蕩電路的輸入端口；XTAL2（引腳20）：振蕩電路輸出端口；（3）控制引腳(4根)RST（引腳9）：復(fù)位端，高電平持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期時(shí)單片機(jī)復(fù)位；PSEN（引腳29）：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)；ALE/PROG（引腳30）：地址鎖存允許信號(hào)功能描述；EA（第31引腳）作為程序存儲(chǔ)器內(nèi)外部選擇的控制端口，其電平狀態(tài)決定了指令讀取路徑。當(dāng)該引腳設(shè)置為低電平時(shí)，單片機(jī)將以外部附加程序存儲(chǔ)器為指令源；而高電平狀態(tài)下，則優(yōu)先從內(nèi)部集成程序存儲(chǔ)器中提取指令以完成操作執(zhí)行。（4）可編程輸入/輸出引腳(32根)STC89C52單片機(jī)包含4組8位可編程I/O口，分別命名為P0、P1、P2和P3口：PO口（引腳39至引腳32）：8位雙向I/O口線，即P0.0至P0.7；P1口（引腳1至引腳8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，記作P1.0至P1.7；P2口（引腳21至引腳28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，標(biāo)記為P2.0至P2.7；P3端口（引腳10至引腳17）：此接口為8位準(zhǔn)雙向輸入/輸出端口，其引腳標(biāo)識(shí)為P3.0至P3.7。該端口具有復(fù)用功能，主要用于特定信號(hào)的傳輸或控制操作（可歸入控制總線范疇）；圖2-2STC89C52單片機(jī)引腳圖2.1.3STC89C52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-3所示是STC89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖2-3STC89C52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2C語(yǔ)言C語(yǔ)言作為一種經(jīng)典的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，因其深厚的歷史積淀、完備的理論體系以及在軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的核心作用而備受矚目。作為一門過(guò)程式編程語(yǔ)言，其編譯機(jī)制清晰簡(jiǎn)練，尤其適合系統(tǒng)底層開(kāi)發(fā)需求。在使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，生成的機(jī)器代碼量較少，能夠獨(dú)立高效運(yùn)行，且無(wú)需依賴其他運(yùn)行環(huán)境支持。C語(yǔ)言研究分析總結(jié)出以下特點(diǎn)：（1）語(yǔ)言非常簡(jiǎn)潔；（2）具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句；（3）獨(dú)具其他編程語(yǔ)言所沒(méi)有的數(shù)據(jù)類型；（4）包含34個(gè)運(yùn)算符；（5）能夠直接操作物理地址；（6）代碼具備優(yōu)良的可移植性；（7）可生成高質(zhì)量、高效目標(biāo)代碼程序執(zhí)行效率研究。2.3PWM脈寬調(diào)制技術(shù)2.3.1PWM脈寬簡(jiǎn)介脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)是一種依托微處理器數(shù)字信號(hào)輸出來(lái)調(diào)節(jié)模擬電路的手段，其核心原理在于：通過(guò)高精度計(jì)數(shù)器生成方波信號(hào)，并借助對(duì)方波占空比的調(diào)整，完成對(duì)目標(biāo)模擬信號(hào)電平的編碼與控制。2.3.2PWM脈寬優(yōu)點(diǎn)PWM技術(shù)因其多項(xiàng)突出優(yōu)勢(shì)而在工程實(shí)踐中獲得廣泛應(yīng)用。該技術(shù)具有出色的抗干擾特性，信號(hào)以數(shù)字形式在處理器與受控系統(tǒng)間傳輸，能夠有效抵御噪聲干擾。其具備優(yōu)異的遠(yuǎn)距離通信性能，通過(guò)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)可顯著擴(kuò)展通信距離。該技術(shù)同時(shí)具備頻率調(diào)節(jié)、電壓變換以及諧波抑制等多重功能?；谶@些特性，PWM技術(shù)已成為交流傳動(dòng)與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)選方案。2.3.3PWM信號(hào)調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制通常情況有兩種方法：（1）通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，使用帶PWM功能的單片機(jī)；（2）通過(guò)C語(yǔ)言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)PWM脈沖調(diào)制。2.4KeiluVision軟件KeiluVision由美國(guó)Keil公司研制，是一款面向8051架構(gòu)微控制器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），以其友好的交互性、強(qiáng)大的功能性及經(jīng)典的設(shè)計(jì)理念而聞名。作為成熟的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)，uVision為用戶提供了直觀便捷的操作界面，并整合了編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試工具等多樣化功能模塊。該軟件支持包括STC89系列、AT89系列和STC12系列在內(nèi)的數(shù)百種微控制器型號(hào)，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。具有如下一些特點(diǎn)：（1）ARMC/C++編譯工具鏈功能完備；（2）支持Cortex-R4、ARM7和ARM9等系列器件；（3）完善的GUI庫(kù)；（4）提供帶有標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)類的USB設(shè)備與主機(jī)棧；（5）TCP/IP網(wǎng)絡(luò)套件可提供多種協(xié)議與應(yīng)用；（6）集成開(kāi)發(fā)、仿真與調(diào)試環(huán)境；（7）小封裝實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；（8）ULINKpro可實(shí)時(shí)分析運(yùn)行程序并記錄Cortex-M指令每次執(zhí)行；（9）項(xiàng)目例程豐富；（10）執(zhí)行分析工具與性能分析器的應(yīng)用研究；（11）程序運(yùn)行的完整代碼覆蓋率分析；（12）符合Cortex微控制器軟件接口規(guī)范。2.5本章小結(jié)好的工具是項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的良好開(kāi)端，本章簡(jiǎn)要介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用到的芯片和軟件，以及涉及到的關(guān)鍵技術(shù)等，為接下來(lái)的工作打下了基礎(chǔ)。3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析為了避免盲目研究，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)之前，首先要搭建系統(tǒng)的總體框架，分析系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，制定軟硬件設(shè)計(jì)的原則，針對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)，要從眾多方案中選擇出最合適的方案進(jìn)行匹配，并從可行性方面分析論證，以確保設(shè)計(jì)的效果。3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)功能要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)以單片機(jī)為智能小車的控制核心，選用電池組作為電源，實(shí)現(xiàn)小車的測(cè)速、顯示及調(diào)速等功能，并達(dá)到智能控制的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)擬采用STC89C52單片機(jī)作為核心處理單元，融合PWM脈寬調(diào)制技術(shù)與PI速度控制算法等關(guān)鍵技術(shù)手段，開(kāi)發(fā)一套具備智能小車運(yùn)行速度自動(dòng)感知功能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)精確的指令調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)其行駛速度的高效管控。3.1.2系統(tǒng)總體架構(gòu)按上述功能需求，本系統(tǒng)主要由主控模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、顯示模塊等五個(gè)部分組成，系統(tǒng)的總體組成框圖如圖3-1所示。硬件設(shè)計(jì)部分主要包括單片機(jī)、傳感器、LED顯示器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電路，軟件設(shè)計(jì)部分主要為信息分析處理和控制算法。圖3-1系統(tǒng)總體架構(gòu)圖3.1.3硬件設(shè)計(jì)原則（1）經(jīng)濟(jì)合理性：在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，性價(jià)比構(gòu)成核心考量要素之一。于硬件設(shè)計(jì)階段，應(yīng)在確保性能參數(shù)達(dá)標(biāo)前提下，優(yōu)先采用成本優(yōu)勢(shì)明顯的元器件，從而實(shí)現(xiàn)支出的最小化控制；（2）安全可靠：考慮到智能小車工作環(huán)境的溫度、濕度、距離等情況，為了確保在各種環(huán)境下都能正常工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要穩(wěn)定可靠；（3）抗干擾能力強(qiáng)：硬件設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到噪聲的影響，設(shè)計(jì)一定的抗干擾措施，如強(qiáng)弱電壓之間的隔離措施，屏蔽電磁干擾等。3.1.4軟件設(shè)計(jì)原則（1）程序架構(gòu)合理：采用模塊化設(shè)計(jì)，程序結(jié)構(gòu)清晰且便于后期擴(kuò)展。（2）設(shè)置保護(hù)措施：為保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，編程過(guò)程中需集成狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷模塊，以便迅速定位異常問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)建立周期性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份機(jī)制，防止因突發(fā)斷電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。（3）執(zhí)行速度快：合理安排程序中的延時(shí)與中斷，提升運(yùn)行速度。3.1.5速度控制算法小車在行駛過(guò)程中會(huì)因自身質(zhì)量產(chǎn)生慣性，而信號(hào)從單片機(jī)輸出再到電機(jī)響應(yīng)也會(huì)有一定的延遲，所以小車的實(shí)際運(yùn)行情況與程序設(shè)定好的狀況會(huì)有一定的偏差，尤其是在小車轉(zhuǎn)彎時(shí)更加明顯，所以速度控制是智能小車行駛過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，需要對(duì)其電機(jī)進(jìn)行一定的處理。該系統(tǒng)采用典型的閉環(huán)控制框架，借助PI速度控制算法對(duì)運(yùn)行速度的穩(wěn)定性、響應(yīng)效率及精確度進(jìn)行有效調(diào)控。比例-積分-微分（PID）控制器包含三種關(guān)鍵調(diào)節(jié)功能：（1）比例控制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本偏差，加快響應(yīng)速度并減小誤差，但過(guò)大的比例會(huì)削弱系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）積分控制通過(guò)累積偏差消除穩(wěn)態(tài)誤差，提升系統(tǒng)無(wú)差度。（3）微分控制借助系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，精確預(yù)判偏差演變趨勢(shì)，構(gòu)建超前調(diào)節(jié)機(jī)制，進(jìn)而提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。在本設(shè)計(jì)中，只需要通過(guò)PI調(diào)節(jié)就可以達(dá)到設(shè)計(jì)精度和超調(diào)量，不需要加上微分項(xiàng)。3.2各模塊設(shè)計(jì)與論證3.2.1主控模塊單片機(jī)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)一般包含系統(tǒng)擴(kuò)展與配置兩大核心部分。基于功能設(shè)計(jì)需求，該類系統(tǒng)屬于輸入信號(hào)復(fù)雜且需要高級(jí)程序控制的場(chǎng)景，從而產(chǎn)生了主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩種主要方案：（1）方案一采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）作為核心控制單元以實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行管理，其設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)可通過(guò)VHDL語(yǔ)言完成。該方案在運(yùn)行效率、內(nèi)部資源容量、程序編寫便利性及研發(fā)周期等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際控制性能上存在明顯局限性。（2）方案二建議采用單片機(jī)作為系統(tǒng)主控單元的核心組件。該設(shè)計(jì)具備電路控制簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)效率高且經(jīng)濟(jì)成本低的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效發(fā)揮單片機(jī)資源豐富、控制性能優(yōu)越及支持位尋址操作的技術(shù)特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的精確控制，整體上是一種較佳的技術(shù)實(shí)施方案。綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性，具有多開(kāi)關(guān)量處理能力的單片機(jī)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)全面權(quán)衡硬件適配性、成本效益及開(kāi)發(fā)便利性等多維度因素，最終確定采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元模塊。3.2.2電源模塊作為系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵要素，電源在本架構(gòu)中為單片機(jī)控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供穩(wěn)定的能量支持。為實(shí)現(xiàn)可靠的電力供應(yīng)，提出了以下兩種技術(shù)方案以供選用：（1）方案一采用12V鉛酸蓄電池作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心供電單元，直接為電機(jī)提供電能，并通過(guò)降壓模塊將電壓調(diào)節(jié)至5V，以滿足單片機(jī)及其他電子器件的運(yùn)行需求。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于電池具備持久的放電周期與穩(wěn)定的輸出性能；但其缺陷亦十分明顯——主要表現(xiàn)為質(zhì)量較大、體積偏大，對(duì)載具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求；（2）方案二建議采用兩節(jié)3.7V鋰離子電池串聯(lián)構(gòu)建7.4V供電系統(tǒng)，為電機(jī)提供能量，同時(shí)借助LM7805穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定的5V電壓，以保障單片機(jī)及其外圍電路的正常運(yùn)作。該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于鋰離子電池具有質(zhì)量輕、體積小的特點(diǎn)，且支持多次充放電循環(huán)，對(duì)設(shè)備整體性能的影響微乎其微；考慮到小車單次行駛的距離和時(shí)間都不長(zhǎng)，沒(méi)有必要采用蓄電池供電，鋰電池的電量足夠小車完成運(yùn)行任務(wù)，最終選擇環(huán)保經(jīng)濟(jì)的鋰電池作為小車的驅(qū)動(dòng)電源。3.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要分為直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)兩類：（1）方法一：直流電機(jī)作為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心裝置，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊以及高轉(zhuǎn)矩輸出等突出特點(diǎn)。利用嵌入式單片機(jī)的控制能力，通過(guò)編程生成不同占空比的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，從而調(diào)節(jié)直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型車輛行駛速度的精確控制。（2）方法二：步進(jìn)電機(jī)方案。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子角位移的執(zhí)行裝置，其工作原理為每接收一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子即以精確的角度進(jìn)行預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)動(dòng)。與步進(jìn)電機(jī)相比，直流電機(jī)展現(xiàn)出更迅捷的響應(yīng)性能、更高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及更優(yōu)良的額定轉(zhuǎn)矩特性，同時(shí)具備成本低廉和維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)。鑒于這些特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將直流電機(jī)作為小車驅(qū)動(dòng)模塊的關(guān)鍵部件。3.2.4測(cè)速模塊正常情況下，車速是與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比的，所以可以通過(guò)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)車速的檢測(cè)的目的。檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速通常有以下兩種方案：（1）方法一：采用霍爾效應(yīng)的開(kāi)關(guān)型傳感器。此類傳感器通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)極性的變化生成并輸出脈沖信號(hào)。當(dāng)電機(jī)完成一整周旋轉(zhuǎn)時(shí)，通常會(huì)輸出1到2個(gè)脈沖信號(hào)。通過(guò)對(duì)這些脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔進(jìn)行分析，便可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量與計(jì)算。（2）方法二：采用直射式光電傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量方案。該方案通過(guò)在驅(qū)動(dòng)輪主軸安裝帶有透光槽的圓盤，并在其側(cè)旁配置直射式光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)使透光槽與紅外發(fā)射路徑重合時(shí)，光電探測(cè)器導(dǎo)通并產(chǎn)生脈沖信號(hào)。隨著車輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)將輸出一組連續(xù)脈沖信號(hào)。通過(guò)對(duì)這些脈沖信號(hào)的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)與分析，可精確獲取車輪轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速以及整車移動(dòng)速度等參數(shù)?？紤]到本系統(tǒng)中的小車車輪較小，霍爾開(kāi)關(guān)型傳感器的測(cè)量方式不太符合實(shí)際情況，所以選擇直射式光電檢測(cè)器作為測(cè)速模塊。3.2.5顯示模塊測(cè)量出小車速度后還要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示的功能，一般情況下有兩種方案：（1）方案一：選用共陽(yáng)極數(shù)碼管。該顯示器件以發(fā)光二極管為核心組件，具有操作簡(jiǎn)便的特性。當(dāng)正極端接入正向電壓，負(fù)極端通過(guò)限流電阻連接至地線時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮功能。通過(guò)程序設(shè)計(jì)，此顯示模塊可直觀呈現(xiàn)小車運(yùn)行速度；（2）方案二：選用LCD液晶顯示模塊。該模塊以多個(gè)5×7或5×11點(diǎn)陣字符位作為基本單元，可實(shí)現(xiàn)字符與數(shù)字信息的可視化展示，并能通過(guò)與單片機(jī)直接連接構(gòu)建完整的顯示電路體系；考慮到本系統(tǒng)中，顯示的速度是由數(shù)字構(gòu)成的，不需要顯示字符，而且LCD的成本要比LED高，所以采用LED來(lái)作為本系統(tǒng)的顯示模塊。3.3可行性分析對(duì)各單獨(dú)模塊做了方案設(shè)計(jì)和分析，選出最合適的方案后，還要考慮組合方案的可行性以確保系統(tǒng)整體開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)確性，避免后期的調(diào)整浪費(fèi)時(shí)間。本文主要從經(jīng)濟(jì)可行性、技術(shù)可行性兩方面去分析。3.3.1經(jīng)濟(jì)可行性分析經(jīng)濟(jì)可行性分析是對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本做預(yù)測(cè)，以盡可能低的成本開(kāi)發(fā)出風(fēng)險(xiǎn)小、功能完善的系統(tǒng)。本系統(tǒng)在各模塊設(shè)計(jì)的時(shí)候就充分考慮到成本的因素，選用的都是一些常見(jiàn)的元件和芯片，庫(kù)存較大，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上到處都可以買到，購(gòu)買和維修的成本很低，對(duì)于任何組織或個(gè)人都是可以承擔(dān)的。所以，本系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)角度分析是可行的。3.3.2技術(shù)可行性分析從硬件上看，本系統(tǒng)最終采用了STC89C52單片機(jī)、直流電機(jī)、LED數(shù)碼管、L298n芯片、78M05芯片等元件，這些元件的應(yīng)用都非常成熟，而且網(wǎng)上有大量的使用說(shuō)明和開(kāi)發(fā)案例供我們參考借鑒；從軟件上看，本系統(tǒng)是采用C語(yǔ)言編寫，語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、編譯方式簡(jiǎn)單，而且有非常成熟的開(kāi)發(fā)工具。綜上所述，本系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的。3.4本章小結(jié)本章從整體上對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)做了設(shè)計(jì)，分出主控模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊和顯示模塊五大部分，并對(duì)這五個(gè)模塊分別做了方案設(shè)計(jì)和分析，選出了最合適的設(shè)計(jì)方案，最后就選擇的方案做了可行性分析，本次系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是可行的，為下面的詳細(xì)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。4系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)基于前期對(duì)系統(tǒng)功能的理論分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)，本研究以STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元，集成了電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)組件、轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元以及LED顯示界面。如圖4-1所示，系統(tǒng)整體框架詳細(xì)展示了各關(guān)鍵部件之間的內(nèi)在聯(lián)系及其邏輯關(guān)系：圖4-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2單片機(jī)模塊及電路作為智能小車系統(tǒng)的核心控制單元，單片機(jī)對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行及功能實(shí)現(xiàn)具有決定性影響。在構(gòu)建單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)，需著重關(guān)注設(shè)計(jì)的合理性，并盡可能精簡(jiǎn)外圍電路元件數(shù)量，從而保障硬件架構(gòu)的整體簡(jiǎn)潔性與高效性。基于這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考量了以下幾個(gè)關(guān)鍵需求方面：（1）為了避免其他元件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大電流對(duì)單片機(jī)造成干擾甚至是損壞，單獨(dú)設(shè)計(jì)了單片機(jī)的供電系統(tǒng)；（2）為滿足后期功能擴(kuò)展與調(diào)試需求，設(shè)計(jì)時(shí)需引出所有I/O口；（3）系統(tǒng)編程與測(cè)試中需頻繁修改程序，故將下載端口集成于最小系統(tǒng)以便利操作；圖4-2展示了本系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路圖，該模塊主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：（1）晶振電路單片機(jī)在工作時(shí)由外部晶振提供時(shí)鐘源，如圖中的Y1、C2和C3元件，在電路布局時(shí)，晶振和電容要放置在單片機(jī)的18、19引腳附近，如果放置過(guò)遠(yuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致晶振不能穩(wěn)定起振。這里的C2、C3為30pF電容，Y1選擇12M型號(hào)。（2）復(fù)位電路多數(shù)單片機(jī)采用高電平復(fù)位方式，于9號(hào)引腳施加持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。（3）RS232下載端口前面提到，為了便于程序測(cè)試和功能擴(kuò)展，把程序現(xiàn)在端口直接集成到了最小系統(tǒng)電路上，這里選擇常用的RS232下載端口。圖4-2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖4.3電源模塊及電路4.3.1電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)本系統(tǒng)中使用了兩節(jié)3.7V的可充電電池作為電源，實(shí)際電壓在7.3V左右,單片機(jī)及其他傳感器的工作電壓是5V，所以首先要對(duì)電池進(jìn)行降壓，經(jīng)過(guò)綜合考慮，選擇了LM7805芯片，它可以將輸出電壓穩(wěn)定在5伏左右，保證整個(gè)系統(tǒng)可以工作在穩(wěn)定的電壓下。如圖4-3所示是電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：圖4-3電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.3.278M05芯片簡(jiǎn)介78M05芯片屬于降壓型轉(zhuǎn)換器，以其卓越的可靠性和穩(wěn)定性著稱。其輸入電壓最高可承受35V，能夠穩(wěn)定輸出5V直流電，最大負(fù)載電流可達(dá)500mA。該器件在-40℃至125℃的寬溫范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，并內(nèi)置過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)及自動(dòng)關(guān)斷功能等多項(xiàng)安全保障機(jī)制。在本系統(tǒng)中，主要有兩路供電，其中一路是經(jīng)過(guò)78M05降壓后為單片機(jī)、光電測(cè)速傳感器等供電，另一路是由電池直接給電機(jī)供電，如圖4-4所示是78M05電路圖：圖4-478M05電路圖4.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及電路單片機(jī)因自身輸出功率有限，難以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須借助外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊來(lái)控制兩個(gè)直流電機(jī)。該模塊可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)速度及行進(jìn)方向的精準(zhǔn)操控。4.4.1L298n介紹本系統(tǒng)采用L298N芯片作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心組件，其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明且驅(qū)動(dòng)效能突出，已在工程領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。該芯片基于H橋電路原理設(shè)計(jì)，內(nèi)部包含雙路H橋高電壓、大電流全橋功率放大模塊，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行模式與轉(zhuǎn)速的精確控制。圖4-5為L(zhǎng)298n參考電路圖：（1）該電路采用雙電源供電架構(gòu)，其中5V電源VCC專門用于為L(zhǎng)298N芯片提供工作電壓，而蓄電池VSS則主要承擔(dān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電力供應(yīng)任務(wù)；（2）本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩路電機(jī)，分別是P2和P5，是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；（3）1號(hào)與11號(hào)引腳為兩路電機(jī)通道使能開(kāi)關(guān)，高電平使能，可直連高電平；（4）L298N功耗較大，為提升散熱性能加裝了散熱片。圖4-5L298n電路圖4.4.2電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制PWM控制技術(shù)借助直流斬波原理與H橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)控。根據(jù)直流電機(jī)的工作特性，其轉(zhuǎn)速與端電壓呈現(xiàn)線性相關(guān)性，即端電壓下降時(shí)轉(zhuǎn)速隨之降低，而端電壓升高則轉(zhuǎn)速提升。通過(guò)調(diào)整電機(jī)端電壓可有效實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速管理。鑒于電機(jī)端電壓與單片機(jī)輸出PWM信號(hào)的占空比呈正相關(guān)關(guān)系，電機(jī)轉(zhuǎn)速亦隨占空比變化呈現(xiàn)比例關(guān)聯(lián)。當(dāng)占空比較低時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于緩慢；而當(dāng)占空比達(dá)到最大值1時(shí)，電機(jī)將運(yùn)行至額定最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)。4.5測(cè)速模塊及電路本系統(tǒng)采用MC-2單路測(cè)速模塊，通過(guò)小型對(duì)射式紅外收發(fā)管與碼盤配合實(shí)現(xiàn)小車速度監(jiān)測(cè)。當(dāng)碼盤隨電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測(cè)速組件產(chǎn)生脈沖信號(hào)序列，經(jīng)反相器調(diào)整電平后傳送至單片機(jī)ECT端口。單片機(jī)捕捉電平跳變的上升沿與下降沿，在預(yù)設(shè)周期內(nèi)統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，從而計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。如圖4-6所示是MC-2單路測(cè)速模塊外形圖：圖4-6MC-2單路測(cè)速模塊外形圖傳感器將被測(cè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，需經(jīng)調(diào)理方可滿足后續(xù)分析要求，故本系統(tǒng)采用圖4-7所示的中間級(jí)變換電路完成信號(hào)預(yù)處理任務(wù)。該電路中，電阻R1與R4承擔(dān)電流限制功能，R2實(shí)現(xiàn)分流作用，R3則作為輸出端負(fù)載電阻進(jìn)行配置。在光孔未受遮擋時(shí)，電路輸出呈現(xiàn)低電平狀態(tài)；而當(dāng)光孔被遮擋時(shí)，則轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖捷敵?。圖4-7中間變化電路4.6顯示模塊及電路4.6.1LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)與編碼方式該系統(tǒng)采用由7段共陽(yáng)極LED數(shù)碼管構(gòu)成的車輛速度顯示模塊，其具體結(jié)構(gòu)可參考圖4-8。依據(jù)其工作原理，當(dāng)陰極接入低電平時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管將形成通路并發(fā)光；而施加高電平時(shí)，則無(wú)法導(dǎo)通發(fā)光。圖4-87段數(shù)碼顯示器外形及結(jié)構(gòu)圖七段LED顯示器可呈現(xiàn)數(shù)字“0”到“9”以及大寫字母“A”至“F”，其結(jié)構(gòu)包含七個(gè)發(fā)光二極管（LED）段和一個(gè)用于小數(shù)點(diǎn)顯示的LED，總計(jì)八個(gè)顯示位。這一結(jié)構(gòu)特性恰好能夠通過(guò)單個(gè)字節(jié)進(jìn)行表達(dá)，其中控制各段LED點(diǎn)亮與否的狀態(tài)由8位二進(jìn)制編碼定義，該編碼被稱為段碼。表4-1列出了七段LED數(shù)碼管部分字符所對(duì)應(yīng)的顯示代碼示例：表4-17段LED數(shù)碼管字型顯示代碼表顯示數(shù)字共陽(yáng)極afbgcdpde代碼0123456789E010010000000111000100000000110001110000010000010000000111111111111010010010000101110101014Hd7H4cH45H87H25H24H57H04H05H2cH4.6.2LED數(shù)碼顯示器電路本研究中，LED顯示屏采用動(dòng)態(tài)刷新機(jī)制設(shè)計(jì)，通過(guò)將各顯示位的同名端并聯(lián)，并借助一組8位I/O端口實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用控制。各顯示位的公共陽(yáng)極由獨(dú)立的I/O引腳分別驅(qū)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)分時(shí)段的選擇性導(dǎo)通效果。其原理是人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，當(dāng)每位的顯示間隔夠短時(shí)，會(huì)造成多位同時(shí)點(diǎn)亮的假象，所以單片機(jī)要不斷刷新顯示。如圖4-9是LED顯示器的電路圖：圖4-9LED動(dòng)態(tài)顯示電路圖4.7本章小結(jié)根據(jù)前文對(duì)系統(tǒng)整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能劃分，本章重點(diǎn)針對(duì)單片機(jī)模塊、電源管理單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件、轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊以及顯示接口單元等五大核心部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明，并通過(guò)關(guān)鍵電路原理圖的展示，實(shí)現(xiàn)硬件開(kāi)發(fā)階段的預(yù)期目標(biāo)。5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)軟件程序一般可劃分為數(shù)據(jù)處理與過(guò)程控制兩大類型。其中，數(shù)據(jù)處理類程序主要負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)字濾波、信號(hào)采集及量綱轉(zhuǎn)換等任務(wù)，而過(guò)程控制類程序則通過(guò)特定算法進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果輸出至外部設(shè)備。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了模塊化編程方法，將整體流程分解為多個(gè)獨(dú)立功能模塊，各模塊分別承擔(dān)相應(yīng)的任務(wù)。這種編程方式具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）更容易編寫和調(diào)試；（2）單個(gè)模塊可被多任務(wù)反復(fù)調(diào)用；（3）任務(wù)可分割，利用現(xiàn)有程序段提升編程效率。本系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷、定時(shí)、調(diào)速、測(cè)速及算法子程序構(gòu)成。5.1速度控制系統(tǒng)軟件模塊分析在本系統(tǒng)中，L298n驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)STC89C52單片機(jī)給出的指令控制兩個(gè)電機(jī)的加減速，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，從而給小車一個(gè)穩(wěn)定的行駛的速度，小車的速度是由PWM控制，并通過(guò)PI算法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的的。如圖5-1所示是軟件處理流程圖，程序的主流程大致是：各模塊首先完成初始化，再通過(guò)無(wú)限循環(huán)語(yǔ)句不斷的重復(fù)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出程序、測(cè)速程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序以及顯示程序等。圖5-1軟件處理流程圖5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)依托晶體管開(kāi)關(guān)特性，將固定電壓的直流電源通過(guò)恒頻通斷實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。該系統(tǒng)根據(jù)外部輸入信號(hào)調(diào)整每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的占比，從而改變電機(jī)電樞電壓的占空比，最終通過(guò)對(duì)電樞端平均電壓的精確調(diào)節(jié)達(dá)成對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高效控制。在本設(shè)計(jì)中，采用定時(shí)器T0定時(shí)的方法產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，將定時(shí)器的定時(shí)溢出時(shí)間設(shè)定為0.1ms，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到200時(shí)，也就是到20ms時(shí)，觸發(fā)定時(shí)器中斷并產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)。如圖5-2所示電機(jī)的PWM調(diào)速程序流程圖。圖5-2電機(jī)PWM調(diào)速程序流程圖5.3測(cè)速及顯示程序設(shè)計(jì)基于定時(shí)器T0的每20毫秒觸發(fā)中斷機(jī)制，計(jì)數(shù)器T1在此期間累積計(jì)數(shù)。每當(dāng)T1累計(jì)達(dá)25次，即累計(jì)時(shí)間達(dá)到0.5秒時(shí)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，并隨后清零T1以啟動(dòng)新一輪計(jì)數(shù)周期?？紤]到碼盤配置了2個(gè)齒，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可通過(guò)將每秒接收的脈沖數(shù)量乘以2，并進(jìn)而除以碼盤上的齒總數(shù)來(lái)計(jì)算，所得結(jié)果即為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每秒（R/s）。微控制器計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速值，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)值進(jìn)行十進(jìn)制權(quán)重的除法操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速數(shù)字各位的分解，隨后通過(guò)查閱預(yù)設(shè)表格，將解析出的每一位數(shù)字對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為特定的顯示字段編碼，從而驅(qū)動(dòng)LED顯示屏顯示出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速信息。如圖5-3所示，該測(cè)速及顯示程序的執(zhí)行流程清晰呈現(xiàn)：圖5-3測(cè)速及顯示程序流程圖5.4PI調(diào)速程序設(shè)計(jì)PID控制屬于經(jīng)典的早期控制策略，相比兩位式控制，展現(xiàn)出算法簡(jiǎn)明、精度突出及可靠性優(yōu)異的特點(diǎn)。該技術(shù)現(xiàn)已十分成熟，廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制與運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。如圖5-4所示，模擬PID控制系統(tǒng)的工作機(jī)制如下：比例環(huán)節(jié)通過(guò)即時(shí)反映偏差信號(hào)e(t)實(shí)現(xiàn)誤差的快速校正；積分環(huán)節(jié)致力于消除穩(wěn)態(tài)誤差，著重補(bǔ)償累積歷史誤差；微分環(huán)節(jié)則通過(guò)對(duì)偏差變化趨勢(shì)（即變化率）的響應(yīng)，預(yù)測(cè)并修正潛在的未來(lái)誤差。圖5-4模擬PID控制系統(tǒng)框圖5.5本章小結(jié)本章通過(guò)模塊設(shè)計(jì)的方法對(duì)本系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，而且分層結(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計(jì)也有利于未來(lái)功能的擴(kuò)展。6系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試在軟件開(kāi)發(fā)生命周期中扮演著至關(guān)重要的角色，是保障計(jì)算機(jī)軟件功能穩(wěn)定運(yùn)行的必備環(huán)節(jié)。任何軟件產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)完成并投入實(shí)際使用之前，都必須接受嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)測(cè)試，以此檢驗(yàn)其性能指標(biāo)與可靠性水平。6.1測(cè)試目的在軟件開(kāi)發(fā)生命周期內(nèi)，不同階段常伴隨各類問(wèn)題的疊加出現(xiàn)，尤其是規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功能全面的軟件系統(tǒng)，更易產(chǎn)生錯(cuò)誤與缺陷。測(cè)試工作的關(guān)鍵目的在于，在系統(tǒng)正式運(yùn)行之前，盡可能全面地發(fā)現(xiàn)并定位軟件中潛藏的各類錯(cuò)誤。6.2測(cè)試方法測(cè)試流程亦采用分步驟的方式有序推進(jìn)?？紤]到本系統(tǒng)軟件由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，且各子系統(tǒng)內(nèi)部涵蓋若干功能模塊，其測(cè)試的層次結(jié)構(gòu)可依據(jù)圖6-1所示進(jìn)行劃分與執(zhí)行：圖6-1系統(tǒng)測(cè)試層次示意圖6.2.1單元測(cè)試單元測(cè)試的關(guān)鍵目的在于檢驗(yàn)軟件各個(gè)模塊的獨(dú)立功能是否完善，保證其運(yùn)行行為與需求文檔相符，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的功能偏差或代碼缺陷。6.2.2集成測(cè)試集成測(cè)試旨在組裝所有模塊并同步測(cè)試，重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)接口相關(guān)問(wèn)題。6.2.3確認(rèn)測(cè)試確認(rèn)測(cè)試的核心目標(biāo)在于評(píng)估系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的功能需求。在完成模塊集成并解決主要接口問(wèn)題之后，該階段著重對(duì)系統(tǒng)的整體效能與應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行深入驗(yàn)證。6.3調(diào)試過(guò)程6.3.1調(diào)試儀器調(diào)試儀器包括數(shù)字萬(wàn)用表、秒表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、MCS51仿真機(jī)及直流穩(wěn)壓電源等。6.3.2調(diào)試步驟作為系統(tǒng)供電單元的直流穩(wěn)壓電源，其性能驗(yàn)證需依循特定流程：首先采用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)各元件的電阻值、漏電流、電壓降及開(kāi)關(guān)特性（如導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)）進(jìn)行測(cè)量，以判定元件性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)；繼而運(yùn)用信號(hào)發(fā)生器與示波器測(cè)試傳感器的信號(hào)接收與傳輸能力；隨后通過(guò)MCS51仿真器核查軟件功能的完備性；最終借助秒表記錄智能小車運(yùn)行參數(shù)，并分析其是否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。6.4本章小結(jié)本章著重探討系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后調(diào)試階段的相關(guān)工作，主要圍繞調(diào)試目的、方法及具體實(shí)施流程展開(kāi)論述。通過(guò)系統(tǒng)的全面檢測(cè)與多次調(diào)整優(yōu)化后，該系統(tǒng)已達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并能夠充分實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能需求。7總結(jié)與展望7.1總結(jié)該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為主控單元，電源部分采用78M05穩(wěn)壓器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，并運(yùn)用PWM技術(shù)完成速度調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)速度監(jiān)測(cè)功能，集成了MC-2單通道檢測(cè)模塊，同時(shí)采用共陽(yáng)極七段數(shù)碼管對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。軟件開(kāi)發(fā)使用C語(yǔ)言編寫代碼，嚴(yán)格遵循系統(tǒng)化流程，包括總體框架設(shè)計(jì)、方案論證與可行性分析、硬件電路繪制、程序開(kāi)發(fā)以及全系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，最終成功達(dá)成預(yù)期功能并完成整體項(xiàng)目構(gòu)建。在整個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，碰到了許多難易解決的問(wèn)題，比如所需的缺乏素材、代碼出錯(cuò)、參數(shù)不匹配等，花費(fèi)了大量的時(shí)間精力，這使我充分認(rèn)識(shí)到在編程時(shí)一定要認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，做好分析和整體設(shè)計(jì)，不要盲目編寫代碼。7.2展望雖然本系統(tǒng)已經(jīng)初步達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，但是還有很多需要優(yōu)化和升級(jí)的地方，比如系統(tǒng)的功能還不夠完善，目前只實(shí)現(xiàn)了小車速度檢測(cè)顯示的功能，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、巡線形式等功能；其次在電路設(shè)計(jì)和布置上因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足，還不夠精簡(jiǎn)和美觀；最后在程序編程上，還有一定的冗余代碼，需要優(yōu)化。這些都會(huì)在我以后的工作中，逐步去完善。參考文獻(xiàn)[1]楊國(guó)君.單片機(jī)技術(shù)在機(jī)器人智能控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)用[J].電子制作，2018.[2]郭曉科.“智能化”電子產(chǎn)品中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2018.[3]張揚(yáng)，王聰，張雷.基于單片機(jī)C8051F500的無(wú)刷直流電機(jī)控制研究[J].微處理機(jī)，2020.[4]王永華，龍怡嘉，張志華.基于STC89C52的智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2020.[5]王殿臣.基于STC單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速控制方法研究[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2020.[6]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程——入門、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].電子工業(yè)出版社，2009.[7]趙家瑩，蘭揚(yáng)，胡楠.電子技術(shù)中的單片機(jī)運(yùn)用分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2020.[8]趙一萌,王新鑫,王澤坤.淺談單片機(jī)技術(shù)在電子信息技術(shù)中的應(yīng)用[J].科學(xué)大眾，2020.[9]范立南.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2019.[10]徐瑋.C52單片機(jī)高效入門[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.[11]張靖武，周靈彬，方曙光.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2011.[12]李群芳.單片機(jī)原理接口與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2005.[13]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008.[14]朱淑偵，侯軒，李利民.基于89C52的無(wú)線遙控小汽車的設(shè)計(jì)[J].電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2012(12).[15]姚陪，張李堅(jiān).基于單片機(jī)控制的智能尋跡避障小車[J].機(jī)電信息，2010.[16]王艷.基于51單片機(jī)的紅外遙控小車設(shè)計(jì)和制作[J].電子制作，2010.[17]鐘富昭等.8051單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2007.[18]陳海宴.51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2010.[19]王東峰等.單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用100例[M].電子工業(yè)出版社，2009.[20]肖驍，戈文祺.電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用解析[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2017.[21]賈飛.單片機(jī)技術(shù)課程中項(xiàng)目教學(xué)法的應(yīng)用案例[J].張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017.附錄源程序#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitzhen=P1^0;sbitfan=P1^1;sbiten=P1^2;longbb;#defineKP1.6#defineKI0.5#defineKD0#definemax200 //返回的最大值，是PWM的周期值#definemin0 //返回的最小值，為0#definedeadline0x08 //速度PID設(shè)置死區(qū)范圍#definesetspeed80 //速度設(shè)定值typedefstructPID //定義數(shù)法核心數(shù)據(jù){intvi_Ref; //速度PID，速度設(shè)定值intvi_FeedBack; //速度PID，速度反饋值longPreError; //速度PID，前一次，速度誤差longPreDerror; //速度PID，前一次，速度誤差之差uintv_Kp; //速度PID，Ka=Kpuintv_Ki; //速度PID，Kb=Kp*(T/Ti)uintv_Kd; //速度PID，kc=Kp*(Td/T)longPreU; //電機(jī)控制輸出值}PID;staticPIDsPID; //PID控制結(jié)構(gòu)staticPID*sptr=&sPID;ucharcodeloops[]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef};//定義顯示位控制驅(qū)動(dòng)碼ucharcodetable[]={0x14,0xd7,0x4c,0x45,0x87,0x25,0x24,0x57,0x04,0x05};//共陽(yáng)極0,1,2,3,4,5,6,7,8,9voidPIDInit(void){sptr->vi_Ref=setspeed; //速度設(shè)定值sptr->vi_FeedBack=bb; //速度反饋值sptr->PreError=0; //前一次，速度誤差,setspeed-speedsptr->PreDerror=0; //前一