【正文】 l 8031 指令系統(tǒng)的 單片機 的統(tǒng)稱。該系列 單片機 的始祖是 Intel 的 8031 單片機，后來隨著 Flash rom 技術(shù)的發(fā)展， 8031 單片機取得了長足的進展，成為應(yīng)用最廣泛的 8 位單片機之一，其代表型號是 ATMEL公司 的 AT89 系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有 51 系列的兼容機型推出，今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。 51 單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是 52 系列的單片機一般不具備自編程能力 。 51 單片機的功能 51 單片機的功能特點分別有： 8 位 CPU4kbytes 程序存儲器 (ROM) (52 為8K)， 128bytes 的數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) (52 有 256bytes 的 RAM)， 32 條 I/O 口線 111條指令，大部分為單字節(jié)指令 ， 21 個專用 寄存器 ， 2 個可編程定時 /計數(shù)器 5個中斷源， 2 個 優(yōu)先級 (52 有 6 個 )， 一個 全雙工 串行通信 口 ， 外部數(shù)據(jù) 存儲器尋 址空間 為 64kB， 外部 程序存儲器 尋址空間為 64kB， 邏輯操作 位尋址 功能 雙列直插 40PinDIP 封裝 。 51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別為 CPU:由運算和控制邏輯組成，同時還包括 中斷系統(tǒng) 和部分外部 特殊功能寄存器 。RAM:用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù) 。ROM:用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格 。I/O 口 :四個 8 位并行 I/O 口，既可用作輸入，也可用作輸出 ； T/C:兩個定時/記數(shù)器 ，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式 。五個 中斷源 的中斷控制系統(tǒng) 。 一個 全雙工 UART(通用異步接收發(fā)送器 )的 串行 I/O 口，用于實現(xiàn)單片機之間或 單片機 與 微機 之間的 串行通信 。片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路， 石英晶體 和 微調(diào)電容 需要外接。最佳振蕩頻率為 6M12M。 Arduino 比 51 更好的地方 Arduino 與 51 單片機相比 ： 變更人性化，編程相對 人性 化和直觀 ， 沒有 單片機基礎(chǔ) 的人也能很快上手 。 硬件性能上， Arduino 更加穩(wěn)定，不會像 51一樣時常出現(xiàn)跑 飛的現(xiàn)象。 Arduino 作為開源的一款的單片機， 更重要 的是 在這個福建船政交通學院 7 4g 時代可搜尋的學習資料是非常多的。綜上所述， Arduino 無疑是比 51 更適合新手和用于比賽專用的 。 Arduino 循跡小車 8 3 循跡 小 車 設(shè)計 硬件設(shè)計 單片機最小系統(tǒng) 主控機系統(tǒng)采用 Arduino mega2560 單片機， 采用 USB 接口的核心電路 板，它最大的特點就是具有多達 54 路數(shù)字輸入輸出，特別適合需要大量 IO 接口的設(shè)計。 Mega2560 的處理器核心是 ATmega2560， 同時具有 54 路數(shù)字輸入 /輸出口（其中 16 路可作為 PWM 輸出）， 16 路模擬輸入， 4 路 UART 接口，一個 16MHz晶體振蕩器，一個 USB 口，一個電源 插座，一個 ICSP header 和一個復(fù)位按鈕 。單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖 31 所示。 圖 31 單片機最小系統(tǒng) Arduino mega2560 的主要參數(shù) ： 處理器 ATmega2560， 工作電壓 5V， 輸入電壓（推薦） 712V， 輸入電壓（范圍） 620V， 數(shù)字 IO 腳 54 (其中 16 路作為 PWM 輸出） ， 模擬輸入腳 16，IO 腳直流電流 40 mA， 腳直流電流 50 mA， Flash Memory 256 K，（ ATmega328，其中 8 KB 用于 bootloader） ， SRAM 8 KB， EEPROM 4 KB， 工作時鐘 16 MHz。 福建船政交通學院 9 存儲器 ： ATmega2560 包括了片上 256KB Flash，其中 8KB 用于 Bootloader。同時還有 8KB SRAM 和 4KB EEPROM。 輸入輸出 ： 一共有 數(shù)字輸入輸出口 ， 4 路串口信號 ， 6 路外部中斷 ， 14 路脈沖寬度調(diào)制PWM（ 013） ， SPI（ 53(SS)， 51(MOSI)， 50(MISO)， 52(SCK)）： SPI 通信接口 ，16 路模擬輸入 ，特別 LED（ 13 號）： Arduino 專門用于測試 LED 的保留接口 ， 和TWI 接口 （專門支持通信）。 灰度傳感器模塊 灰度 傳感器是利用黑線對紅外線不同的反射能力通過光敏二極管或光敏三極管，接收反射回的不同光強信號，把不同光強轉(zhuǎn)換為電流信號，最后通過電阻，轉(zhuǎn)換為單片機可識別的高低電平。 灰度 傳感器實現(xiàn)循跡的基本電路如 32所示。 圖 32 灰度 傳感器電路圖 （ 1） 灰度傳感器工作原理 傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；而當 紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點亮。 小 車行駛過程中 向 地面 發(fā)射 紅外光 ， 當紅外光遇到 綠 色路線，地板發(fā)生漫反射，安裝在小型車的反射光接收器 會 接收；如果是遇到黑色路線，紅外光將被黑線吸收，安裝在小車上的接收管沒有收到紅外光。控制器會根據(jù)是否收到Arduino 循跡小車 10 反射的紅外光為判斷依據(jù)來確定的黑線的位置和小車的路線。這種探測方法，即利用紅外線在不同顏色的表面特征，具有不同的反射性能 。 紅外發(fā)射和接收紅外線感應(yīng)器，可以直接使用集成 的 紅外探頭 ， 選擇寬度為 35 厘米的黑線。該傳感器的靈 敏度是可調(diào)的，傳感器有時遇到黑線卻不能送出相應(yīng)的信號，通過調(diào)節(jié)傳感器上的可調(diào)電阻，適當?shù)脑龃蠡驕p小可改變靈敏度。 （ 2）傳感器分布 傳感器通過信號采集，向單片機提供信息。因此傳感器合理的布局很重要，傳感器布局需要考慮小車行駛過程中信息檢測的準確度和前瞻性，能使在相同數(shù)量的傳感器下，獲得更多的數(shù)據(jù)。 而由于考慮到我們改造車的車座較窄、不平整，且車身較 請，適合放 多的傳感器， 最終決定 選 用對 6 個傳感器 來 進行布局， 即在車子底座前端放 6 個傳感器 。 這種 布局是目前最適合我們改造車的布局方法 。 電機驅(qū)動電路 本設(shè) 計采用 L298N 電機專用驅(qū)動芯片帶動兩個 5V 的直流電動機。 L298N 是一個內(nèi)部有兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動芯片，可以用來驅(qū)動直流電動機、步進電動機。使用標準邏輯電平信號控制，直接連接單片機管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。 L298N 有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。 (1) L298N 引腳結(jié)構(gòu) 如表 31 圖 33 L298N 驅(qū)動芯片 表 31 L298N 引腳編號與功能 : 引腳編號 名稱 功能 1 電流傳感器 A 在該引腳和 地之間接小阻值電阻可用來檢測電流 福建船政交通學院 11 2 輸出引腳 1 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的輸出端 1，接至電機 A 3 輸出引腳 2 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的輸出端 2，接至電機 A 4 電機電源端 電機供電輸入端 ,電壓可達 46V 5 輸入引腳 1 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的邏輯控制輸入端 1 6 使能端 A 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的使能端 7 輸入引腳 2 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的邏輯控制輸入端 2 8 邏輯地 邏輯地 9 邏輯電源端 邏輯控制電路的電源輸入端為 5V 10 輸入引腳 3 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的邏輯控制輸入端 1 11 使能端 B 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的使能端 12 輸入引腳 4 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的邏輯控制輸入端 2 13 輸出引腳 3 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的輸出端 1，接至電機 B 14 輸出引腳 4 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的輸出端 2，接至電機 B 15 電流傳感器 B 在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流 （ 2） 電機驅(qū)動原理 電路的形狀很像字母 H。四個三極管就是 H 橋的四條垂直線，而電機就是 H中的橫線 ， 如圖 34 所示 。 圖 34 L298N 內(nèi)部 H 橋驅(qū)動電路 H 橋電機驅(qū)動電路包含四個三極管和一個電機。電機運轉(zhuǎn)，必須遵循導通對角線上的一對三極管。基于不同三極管對的導通情況可以控制電機 的轉(zhuǎn)向，電流可可以從左至右流過電機，也可以從右至左流過電機。當 Q1 管和 Q4 管導通Arduino 循跡小車 12 時，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右流過電機，然后再經(jīng) Q4 回到電源負極，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。下面分析另一對三極管 Q2 和 Q3，當兩個三極管同時導通的情況下，電流將從右至左流過電機。從而驅(qū)動電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。 電機控制邏輯如下：以電機 A 為例，當使能端 ENA 為高電平時，如果輸入引腳 IN1 為低電平而輸入引腳 IN2 為高電平，電機 A 反轉(zhuǎn)；如果輸入引腳 IN1 為高電平而輸入引腳 IN2 為低電平，電機 A 正轉(zhuǎn)。 圖 35 L298N 驅(qū)動芯片和直流電機接線圖 軟件設(shè)計 本設(shè)計的目的是以 Arduino 單片機 為控制 核心 ，將 紅外光電 傳感器輸出的 電信號送至單片機電路，再由單片機向 L298N 電機驅(qū)動模塊發(fā)送指令，控制后輪電機驅(qū)動小車行進，控制前輪電機驅(qū)動小車轉(zhuǎn)向，從而自動循跡。 系統(tǒng)主程序 在主程序模塊中，需要完成對各參量和接口的初始化、 檢測黑線、前進或轉(zhuǎn)向判斷 等工作。 當小車探測到黑線后，根據(jù)檢測到黑線的傳感器的編號不同，小車要做出相應(yīng)的動作。 當小車左邊的傳感器檢測到黑線時，說明小車車頭向右邊偏移，這時 主控芯片控制 前 輪電機 反轉(zhuǎn) ，車體向左邊修正 ； 同理當小車的電機 A 電機 B 福建船政交通學院 13 右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制 前 輪電機 正轉(zhuǎn) ，車體向右邊修正 ； 當黑線在車體的中間，中間的傳感器一直檢測到黑線，這樣小車就會沿著黑線 自動循跡 。 主 程序流程如圖 36 所示。 圖 36 循跡車 程序流程圖 本系統(tǒng)編譯器 本設(shè)計采用 C 語言來編譯程序。模塊化結(jié)構(gòu)程序的設(shè)計，可以使系統(tǒng)軟件便于調(diào)試與優(yōu)化，也使其他人更好地理解和閱讀系統(tǒng)的程序設(shè)計。因此，軟件的設(shè)計上，運用了模塊化程序的結(jié)構(gòu)對軟件進行設(shè)計，使得程序變得更加直觀易懂。 隨著單片機開發(fā)技術(shù) 的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， ARDUINO IDE 軟件是目前 Arduino 專用開發(fā) 的軟件， 界面清晰整潔 ,編程簡便 。 . ARDUINO IDE 開發(fā)系統(tǒng)可用于編輯 C。由編譯器編譯 可以 生成目標文件（ .ino） 。 Arduino 循跡小車 14 實物展示 圖 37 小車全景圖 福建船政交通學院 15 部分程序展示 unsigned int p_1=22。 unsigned int p_2=24。 unsigned int p_3=26。 unsigned int p_4=28。 unsigned int p_5=30。 unsigned int p_6=32。 define l 1 define r 2 define rl 3 unsigned int num,co,c=0,mum,d=0。 int t。 void setup() { pinMode(2,OUTPUT)。//lift back pinMode(3,OUTPUT)。//lift go pinMode(4,OUTPUT)。//right back pinMode(5,OUTPUT)。//right go for(t=22。t=52。t++) { pinMode(t, INPUT)。 } } void stop (unsigned char m) { switch(m) { case r : analogWrite(5,0)。 analogWrite(4,0)。 case l : analogWrite(3,0)。 analogWrite(2,0)。 case rl : ana