1、電子信息專業(yè)實驗報告課 程 電子信息系統(tǒng)綜合設計實驗mcu部分實驗題目 智能機器小車設計 實驗總分 學生姓名 學 號 學生姓名 學 號 學生姓名 學 號 實驗時間 地 點 分組 電子信息學院專業(yè)實驗中心目錄一、摘要二、題目要求三、軟硬件設計方案四、各部分電路的作用及電路工作原理分析五、系統(tǒng)調(diào)試與實驗結(jié)果六、實驗結(jié)果七、拓展功能八、參考資料九、附錄一、摘要摘要:智能循跡小車主要由單片機模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊以及電源模塊組成，小車具有自主尋跡的功能。本次設計我們采用stc89c52單片機作為控制芯片，傳感器模塊采用紅外光電對管和比較器實現(xiàn)，能夠識別黑白兩色路面，電機模塊由l293d芯片和兩

2、個減速直流電機構(gòu)成，組成了智能車的動力系統(tǒng)，電源采用7.2v的直流電池，經(jīng)過系統(tǒng)組裝，從而實現(xiàn)了小車的自動循跡的功能。 關(guān)鍵詞智能小車stc89c52單片機l293d芯片紅外光對管二、題目要求“智能尋跡機器小車設計”，要求采用mcs-51單片機為控制芯片，設計出一個能夠識別并沿著以白底為道路色，寬度5mm左右的黑色膠帶制作的不規(guī)則的封閉曲線為引導軌跡行進的智能尋跡機器小車。三、軟硬件設計方案1、硬件部分可分為四個模塊：單片機模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊以及電源模塊。1.1、單片機模塊 單片機模塊為小車運行的核心部件，起控制小車的所有運行狀態(tài)的作用。本次小車的設計我們小組采用的是atmel公司

3、的stc89c52rc單片機。stc89c52rc是一種低損耗、高性能、cmos八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。其程序和數(shù)據(jù)存儲是分開的。stc89c52rc單片機介紹：上圖為stc89c52rc引腳圖。stc89c52rc引腳功能說明：vcc（40引腳）：電源電壓vss（20引腳）：接地p0端口（p0.0p0.7，3932引腳）：p0口是一個漏極開路的8位雙向i/o口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個ttl負載，對端口p0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0口也可以提供

4、低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，p0口內(nèi)部上拉電阻有效。在flashrom編程時，p0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。p1端口（p1.0p1.7，18引腳）：p1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口。p1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。p1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。p2端口（p2.0p2.7，2128引腳）：p2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p2的輸出緩沖器可以驅(qū)動（吸收或輸出電流方式

5、）4個ttl輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。p2作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。p3端口（p3.0p3.7，1017引腳）：p3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。p3做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。rst（9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作。看門狗計時完成后，

6、rst引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器auxr（地址8eh）上的disrto位可以使此功能無效。disrto默認狀態(tài)下，復位高電平有效。30引腳：地址鎖存控制信號（ale）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳也用作編程輸入脈沖。29引腳：外部程序存儲器選通信號，當at89c51rc從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。31引腳：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000h到ffffh的外部程序存儲器讀取指令，必須接gnd。xtal1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端

7、。xtal2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。1.2傳感器模塊 我們小組使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外光電對管，其結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，沒有復雜的圖像處理工作，因此反應靈敏，響應時間少。但也存在不足，它能獲取的信息是不完全的，容易受很多擾動（如背景光源，高度等）的影響，抗干擾能力較差。但本次實驗要求精度并不是太高，出于成本和設計復雜度方面考慮，我們決定采用紅外對管來完成傳感器模塊。 圖中僅以一對光電管示例1.3電機控制模塊 我們本次實驗采用的是直流減速電機電機，其轉(zhuǎn)過的角度可以精確定位，可實現(xiàn)小車行進過程的精確定位，驅(qū)動部分我們則采用的是采用專用芯片l293d作為電機驅(qū)動

8、芯片其操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。一片l293d就可以分別控制兩個步進電機工作。1.4電源模塊 電源模塊的作用是給整個系統(tǒng)穩(wěn)定供電以保持其正常工作，包括7.2v的電源以及轉(zhuǎn)5v部分，其中7.2v的是給步進電機和其驅(qū)動供電，5v的用來驅(qū)動單片機及其他芯片。硬件各個部分的連接圖如下： 2、軟件部分 2.1程序流程圖本系統(tǒng)采用的是stc89c52單片機，再根據(jù)硬件連接，通過相應的軟件來完成對信號的采集和數(shù)據(jù)的分析，再控制小車的運行狀態(tài)，以下為主程序流程圖：2.2程序設計思路2.2.1尋跡模塊程序通過傳感器獲得路面信息然后反饋給單片機，再通過單片機來實現(xiàn)相應的功能。2.2.2電機驅(qū)動模塊程序控制兩個

9、直流電機，實現(xiàn)前進、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、停車等功能。4、 各部分電路的作用及電路工作原理分析 1、電機驅(qū)動模塊1.1、電機工作原理 本次我們的小車動力部分采用的是直流減速電機，又叫齒輪減速電機，是在普通直流電機的基礎上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。這大大提高了，直流電機在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機是指減速機和電機（馬達）的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達或齒輪電機。通常由專業(yè)的減速機生產(chǎn)廠進行集成組裝好后成套供貨。減速電機廣泛應用于鋼鐵行業(yè)、機械行業(yè)等。使用減速電機的優(yōu)點是簡化設計、節(jié)省空間。

10、 減速機部分： 主要有齒輪，軸承，蝸輪，蝸桿等。電機部分：定子：主磁極+換向極+機座+電刷裝置if轉(zhuǎn)子：電樞鐵心+電樞繞組+換向器+轉(zhuǎn)軸直流電機工作原理：直流電機是智能車行進的動力部件，它的轉(zhuǎn)動是通過給它加載直流電壓來實現(xiàn)的，下面介紹它的工作原理。圖、電磁力方向左手定則判定圖直流電機由定子、轉(zhuǎn)子和電刷組成。當給電刷加一直流電壓，轉(zhuǎn)子上的繞組線圈中就有電流流過，由畢-薩電磁力定律可知：一個通電流的導體，在磁場中要受到力的作用，這個力叫電磁力。電磁力的大小由下式?jīng)Q定電磁力f=bli電磁力方向由左手定則判定如圖4.1.1所示。根據(jù)畢-薩電磁力定律可知，當磁密度和繞組線圈長度一定時，電磁力的大小只和流

11、過繞組線圈的電流的大小有關(guān)圖4.1.2是直流電機分析物理模型圖，它表示了一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）由一對ns相對的永磁磁鐵和一對電刷組成，旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）則由電樞線圈繞組和一對相互隔離的圓弧形銅片做成的換向片組成，兩換向片分別接到電樞線圈繞組的a、b端，換向片與轉(zhuǎn)軸之間是互相絕緣的。定子與轉(zhuǎn)子之間要有一定的氣隙空間，流過轉(zhuǎn)子上電樞線圈繞組的電流由定子部分的電刷與換向片接觸導通來實現(xiàn)。當電刷a與換向片a相接觸時如果我們通以正向電流，如圖4.2.2所示，電流從線圈繞組的a端流入，根據(jù)電磁力方 圖4.1.2向左手定則可知會產(chǎn)生一個向左的切線方向的電磁力，使得轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。當

12、旋轉(zhuǎn)到90時，電刷a與換向片a脫離接觸而與換向片b接觸，同時電刷b也與換向片b脫離而與換向片a接觸，雖然電樞旋轉(zhuǎn)后電樞線圈繞組的位置發(fā)生了改變，但是由于換向片的作用，電流雖然是從電樞線圈繞組的b電流入，但是電流的方向沒有改變，根據(jù)電磁力方向左手定則，電磁力的方向依然是向左的切線方向，因此轉(zhuǎn)子在一直向左的電磁力的作用下就會不斷的逆時針旋轉(zhuǎn)。同理當改變加載在換向片兩邊的電壓極性時，因為改變了流入電機繞組的電流方向，根據(jù)電磁力方向左手定則可知轉(zhuǎn)子會沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。如果加載在電機兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律流過電樞線圈繞組的電流就會增大，由畢-薩電磁力定律：電磁力f=bli可知，當磁場強度和導線長度一定

13、時，電磁力只和流過電樞線圈的電流有關(guān)，電流越大電磁力越大，那么電機就轉(zhuǎn)得越快。現(xiàn)在除了有刷電機外還有無刷直流電機，無刷直流電機的原理和有刷的差不多，簡單地說就是把把定子和轉(zhuǎn)子換了一個位置，轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，電刷由永磁體擔任，換向片由霍爾元件和換成了電子換向器組成。 1.2、驅(qū)動部分原理及電路圖 l293d提供雙向驅(qū)動電流高達600毫安，電壓是從4.5v至36v的。兩個設備是專為驅(qū)動等感性負載繼電器，電磁閥，直流雙極步進和馬達，也可以給其他高電流/高電壓提供電源負載。兼容所有的ttl輸入，每個輸出都是推拉式驅(qū)動電路，與達林頓三極管和偽達林源。啟用1,2en驅(qū)動器和3,4en驅(qū)動器。當使能

14、輸入為高電平時，相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器被啟用和他們的輸出處于活動狀態(tài)，并在其輸入端的同相。當使能輸入為低，這些驅(qū)動器被禁用其輸出關(guān)閉，在高阻抗狀態(tài)。工作溫度是從0到70。l293d引腳和驅(qū)動電路圖：l293d的輸入輸出部分原理圖如下：驅(qū)動和電機相連接的電路圖如下(左邊引腳分別于單片機相應引腳相連)。2、信號采集模塊智能小車在運行之后是不需要人來操控的，因此信號采集模塊是非常重要的，本系統(tǒng)采用的是紅外對管來采集路面信息，紅外發(fā)射管會定時的發(fā)射紅外光，當前面路面是黑色時，大部分的光被吸收，紅外接收管接收到微弱的發(fā)射信號，反饋給控制系統(tǒng)信號“1”，當前面的路面是白色時，大部分的光被反射，紅外接收管接收到較強

15、的信號，反饋給控制系統(tǒng)信號”0”，這樣就通過傳感器系統(tǒng)收集到了路面信息，接下來由信號處理系統(tǒng)來分析處理,從而判斷小車的運動情況。傳感器部分電路原理圖如下所示：紅外發(fā)射接收管的電路連接裝配圖：lm393雙電壓比較器集成電路內(nèi)部原理圖： 3、信號處理模塊檢測到白色路面的紅外接收頭處理后送出的是低電平（“0”），而檢測到黑色路線的檢測頭送出的是高電平（“1”），由此可根據(jù)這2個紅外接收頭的高低電平判斷路線情況而調(diào)整小車前進方向。具體情況有如下幾種：a檢測到 00 小車直走b檢測到 10 小車左轉(zhuǎn)c檢測到 01 小車右轉(zhuǎn) d檢測到 1 1 小車停止主芯片的電路：usb轉(zhuǎn)串口電路：max232芯片是美信

16、（maxim）公司專為rs-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。max232內(nèi)部原理圖：usb轉(zhuǎn)串口電路連接圖可以直接實現(xiàn)單片機與電腦相連接，進行程序燒錄。 五、系統(tǒng)調(diào)試1、硬件部分焊接完成后，首先進行的調(diào)試是用數(shù)字萬用表測量各個電路是否焊接正常，是否有虛焊漏焊等現(xiàn)象的出現(xiàn)，以及各個電容是否是正常的未被擊穿狀態(tài)、電阻的阻值是否與設計的原理圖上的一致。接通電源，用數(shù)字萬用表測量當有+5v的各引腳是否有+5v的電壓，測量電路中是否出現(xiàn)了不該有的短路現(xiàn)象。接入光電傳感器模塊，使各個光電檢測器的光電對管靠近白紙，觀察對應的發(fā)光二極管是否發(fā)光，不發(fā)光表示正常。然后再使各個光電對

17、管靠近黑線，觀察對應的發(fā)光二級管是否發(fā)光，發(fā)光表示正常。硬件部分的原理圖見附錄一。2、軟件部分首先我們先測試了小車的前進，停止，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。組裝信號采集模塊后，實現(xiàn)小車的自動循跡功能。軟件部分的程序代碼見附錄三。六、實驗結(jié)果 1、主要功能測試：小車可以在黑色軌跡上完成循跡任務。并且在轉(zhuǎn)彎時，前面的定位發(fā)光二極管可以模擬汽車的轉(zhuǎn)向。 2、其他功能測試：二極管的動態(tài)顯示，紅外遙控，防撞等功能將相應程序燒入其中基本上都可以實現(xiàn)。七、拓展功能 防止掉落地面功能：當小車行駛到懸空的地方時，前面的紅外對管檢測不到信號就會停止，防止小車掉落。八、參考資料 電子信息專業(yè)實驗教程 四川大學出版社 c語言程序設計

18、與應用 清華大學出版社 電路理論基礎 科學出版社 模擬電子技術(shù) 清華大學出版社 數(shù)字電路設計 四川大學出版社九、附錄附錄一：總體電路原理圖：附錄二：主板和傳感器電路焊接裝配圖：附錄三：軟件部分程序代碼#include /包含51單片機相關(guān)的頭文件sbit leftled=p20; /定義前方左側(cè)指示燈端口sbit rightled=p07; /定義前方右側(cè)指示燈端口sbit fontlled=p17;sbit leftir=p35; /定義前方左側(cè)紅外探頭端口sbit rightir=p36; /定義前方右側(cè)紅外探頭端口sbit fontir=p37; /定義前方正前方紅外探頭端口sbit m

19、1a=p00; /定義左側(cè)電機驅(qū)動a端sbit m1b=p01; /定義左側(cè)電機驅(qū)動b端sbit m2a=p02; /定義右側(cè)電機驅(qū)動a端sbit m2b=p03; /定義右側(cè)電機驅(qū)動b端sbit b1=p04; /定義語音識識別傳感器端口sbit sb1=p06; /定義蜂鳴器端口void tingzhi() m1a=0; /將m1電機a端初始化為0 m1b=0; /將m1電機b端初始化為0 m2a=0; /將m2電機a端初始化為0 m2b=0; /將m2電機b端初始化為0void qianjin() m1a=1; m1b=0; m2a=1; m2b=0;void houtui() m1a=

20、0; m1b=1; m2a=0; m2b=1;void zuozhuan() m1a=0; m1b=1; m2a=1; m2b=0;void youzhuan() m1a=1; m1b=0; m2a=0; m2b=1;void delay_nus(unsigned int i) /延時:i=12 ,i的最小延時單12 us i=i/10; while(-i); void delay_nms(unsigned int n) /延時n ms n=n+1; while(-n) delay_nus(900); /延時 1ms,同時進行補償 void controlcar(unsigned char contype) /定義電機控制子程序 tingzhi(); switch(contype) /判斷用戶設定電機形式 case 1: /前進 /判斷用戶是否選擇形式1 qianjin();break; case 2: /后退 /判斷用戶是否選擇形式2 houtui(); /m2電機反轉(zhuǎn) break; case 3: /左轉(zhuǎn)