【正文】 光電智能尋跡小車(chē)的研制與設(shè)計(jì)摘要本畢業(yè)設(shè)計(jì)是以AT89S51為核心的《光電智能尋跡小車(chē)的研制與設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，AT89S51單片機(jī)是一款八位單片機(jī)，他的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。該設(shè)計(jì)是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類(lèi)課題。這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)采用了AT89S51與紅外接收發(fā)射探頭傳感器結(jié)合，利用紅外接收，發(fā)射探頭傳感器檢測(cè)道跑道軌跡，控制電動(dòng)小汽車(chē)自動(dòng)尋跡，以及自動(dòng)停車(chē)。該系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高，智能化程度高，低功耗等特點(diǎn)。本系統(tǒng)的實(shí)用性強(qiáng)?？梢詮V泛的應(yīng)用于自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的貨物運(yùn)輸。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)，紅外探頭，尋跡，智能小車(chē)AbstractThe graduation design is based on AT89S51 as the core of The Research and Design of Photoelectric Intelligent Tracing Car, AT89S51 is an eight singlechip microputer, its usability and versatility received highly mendation. The design is a bination of scientific research project and design task. The detection system with AT89S51 and infrared sensor probe, receiving launched using infrared sensor probe receiving, emission, runway automatically control electric car tracing and automatic parking. This system is practical and it can be widely applied to the goods transportation of automatic warehouseKey words: Singlechip, Infrared detector, TracingSmart cars目錄摘要 IAbstract II1. 緒論 1 1 1 2 3 3 43. 智能小車(chē)硬件設(shè)計(jì) 5 5 機(jī)械部分材料清單 5 6 AT89S51單片機(jī)簡(jiǎn)介 7 AT89S51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 8 AT89S51單片機(jī)管腳簡(jiǎn)介 8 AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 8 10 10 11 11 13 154智能小車(chē)軟件設(shè)計(jì) 16 16 175開(kāi)發(fā)流程 20 20 22 23結(jié)論 25致謝 26文獻(xiàn)參考 27附錄A 28附錄B 31附錄C 33附錄D 371. 緒論國(guó)內(nèi)外隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，信息技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理進(jìn)入了自動(dòng)化，信息化和智能化的時(shí)代，智能化已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的需要。第三代單片機(jī)包括了Intel公司發(fā)展MCS51系列的新一代產(chǎn)品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,還包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑HarriaMetra﹑ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色﹑與80C51兼容的單片機(jī)。新一代的單片機(jī)的最主要的技術(shù)特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)Microputer完善的控制功能為己任，將一些外部接口功能單元如A/D﹑PWM﹑PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)﹑WDT(監(jiān)視定時(shí)器)﹑高速I(mǎi)/O口﹑計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機(jī)中，在總線方面最重要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機(jī)80C51系列8ｘC592單片機(jī)引入了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線CAN(Controller Area Network BUS).新一代單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展與配置打下了良好的基礎(chǔ)。該項(xiàng)目可以應(yīng)用于機(jī)車(chē)頭自動(dòng)尋跡，工廠自動(dòng)化，倉(cāng)庫(kù)管理，可提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)環(huán)境。在柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線，智能倉(cāng)庫(kù)管理及物流配送等領(lǐng)域，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境惡劣時(shí)，工人不能完成的任務(wù)如物料運(yùn)輸和裝卸等，可采用智能尋跡小車(chē)完成相應(yīng)的任務(wù)?；谏a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和日常生活的實(shí)際需要，研究和開(kāi)發(fā)智能尋跡小車(chē)系統(tǒng)具有十分重要的意義。在本次設(shè)計(jì)中，要求所設(shè)計(jì)的小車(chē)具有自動(dòng)尋跡的功能，能在指定跑道上勻速，平穩(wěn)地運(yùn)行。跑道為黑色。其背景色為白色，跑道可以為環(huán)形，圓形，梯形。很明顯，我們要設(shè)計(jì)的小車(chē)是要能沿黑線跑道正常行駛，并在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車(chē)行駛速度。系統(tǒng)框架圖 單片機(jī)AT89S51指示燈紅外發(fā)射紅外接收電機(jī)驅(qū)器電機(jī)M1電機(jī)M2紅外發(fā)射紅外接收紅外接收紅外發(fā)射智能尋跡小車(chē)能尋跡主要是由前方的兩對(duì)紅外發(fā)射與接收探頭來(lái)完成的。根據(jù)光有反射的特性。所以說(shuō)當(dāng)紅外發(fā)射出來(lái)的光線遇到物體時(shí)，就會(huì)形成反射的光線，而這個(gè)經(jīng)反射的紅外光線剛好被紅外接收探頭接收到。當(dāng)紅外接收探頭接收到信號(hào)后，再將信號(hào)送到單片機(jī)由單片機(jī)內(nèi)部程序來(lái)控制電機(jī)，由電機(jī)完成小車(chē)的前進(jìn)，轉(zhuǎn)向。在單片機(jī)選擇提供兩種選擇一種是8031另一種是AT89S51選用8031單片機(jī)系統(tǒng)8031單片機(jī)內(nèi)不帶程序存儲(chǔ)器ROM，使用時(shí)用戶需外接程序存儲(chǔ)器8255和一片2764，來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展。電路復(fù)雜。選用AT89S51單片機(jī)系統(tǒng)AT89S51里有4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)。不用擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。顯而易見(jiàn)，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。由此可見(jiàn)選用AT89S51單片機(jī)。在傳感器方案的選擇中，有以下兩種方案供參考：方案一：使用CCD傳感器來(lái)采集路面信息。使用CCD傳感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)和識(shí)別圖像復(fù)雜的路面而且抗干擾能力強(qiáng)。但是對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，使用CCD傳感器也有其不足之處。首先使用CCD傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算。因?yàn)槭且詫?shí)現(xiàn)小車(chē)視覺(jué)為目的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)工作量較大，電路復(fù)雜。方案二：使用光電傳感器來(lái)采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，免去了復(fù)雜的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間低，便于近距離路面情況的檢測(cè)。但紅外傳感器的缺點(diǎn)是，它所獲取的信息是不完全的，只能對(duì)路面情況作簡(jiǎn)單的黑白判別，檢測(cè)距離有限，而且容易受到諸多擾動(dòng)的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對(duì)其造成干擾。在本次設(shè)計(jì)中，賽道為黑色與白色兩種顏色，小車(chē)只要能區(qū)分黑色就可以采集到準(zhǔn)確的路面信息。經(jīng)過(guò)綜合考慮，在本設(shè)計(jì)中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。在小車(chē)的運(yùn)行中，主要有方向和速度的控制，即舵機(jī)和電機(jī)的控制，這兩個(gè)控制是系統(tǒng)軟件的核心操作，對(duì)小車(chē)的性能有著決定性的作用。對(duì)舵機(jī)的控制，要達(dá)到的目的就是：在任何情況下，總能給舵機(jī)一個(gè)合適的偏移量，保證小車(chē)能始終連貫地沿黑線以最少距離行駛。在舵機(jī)的控制方案中，有以下兩種方案可供選擇：方案一：比例控制這種控制方法就是在檢測(cè)到車(chē)體偏離的信息時(shí)給小車(chē)一個(gè)預(yù)置的反向偏移量，讓其回到跑道。比例算法簡(jiǎn)單有效，參數(shù)容易調(diào)整，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳感器的個(gè)數(shù)與布局方式的限制，其控制量的輸出是一個(gè)離散值，不能對(duì)舵機(jī)進(jìn)行精確地控制，容易引起舵機(jī)左右搖擺，造成小車(chē)行駛過(guò)程中的振蕩，而且其收斂速度也有限。方案二PID控制PID控制在比例控制的基礎(chǔ)上加入了積分和微分控制，可以抑制振蕩，加快收斂速度，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)可以有效地解決方案一的不足。不過(guò)P，I，D三個(gè)參數(shù)的設(shè)定較難，需要不斷的進(jìn)行調(diào)試，憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定，因此其適應(yīng)性較差。方案三：最少拍控制最少拍設(shè)計(jì)，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)（如階躍信號(hào)，速度信號(hào)，加速度信號(hào)等）作用下，經(jīng)過(guò)最少拍（有限拍），使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。所以，最少拍控制系統(tǒng)，也稱(chēng)最少拍無(wú)差系統(tǒng)，最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是時(shí)間最優(yōu)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能指標(biāo)就是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短或盡可能短?？梢钥闯鱿到y(tǒng)對(duì)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的要求是快速性和準(zhǔn)確性。也就是說(shuō)讓小車(chē)在行駛出跑道后，能在最短的時(shí)間內(nèi)回到跑道上。最少拍控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與被控對(duì)象的零極位置有很密切的關(guān)系。在本次設(shè)計(jì)中小車(chē)只要求按照跑道行駛，跑道簡(jiǎn)單。能有快速性，準(zhǔn)確性的反應(yīng)就可以，經(jīng)過(guò)綜合考慮后，采用最少拍控制。3. 智能小車(chē)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的小車(chē)硬件設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是機(jī)械設(shè)計(jì)，一部分是電路設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)主要是對(duì)小車(chē)的機(jī)械部件進(jìn)行選件與組裝。電路設(shè)計(jì)是對(duì)核心單片機(jī)、還有復(fù)位操作方式、晶振頻率、傳感器電路設(shè)計(jì)、電源管理模塊、驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行介紹。組裝注意事項(xiàng)請(qǐng)看附錄B 機(jī)械部分材料清單材料清單分為：電動(dòng)機(jī)芯裝配材料清單與小車(chē)裝配清單（1）電動(dòng)機(jī)芯裝配材料清單：序號(hào)名稱(chēng)規(guī)格1電機(jī)131U=6V10000轉(zhuǎn)/分2蝸桿M= Z=13二牙軸Φ2*184二牙片M==10/205三牙軸**68方軸6三牙片M= Z=12/38方孔7電機(jī)夾板A8四牙軸**z8方軸9四牙片M= Z=42方孔10電機(jī)夾板B11自攻螺絲*812機(jī)制螺絲M3*30（2）小車(chē)裝配清單：序號(hào)名稱(chēng)規(guī)格數(shù)量1底板12機(jī)制螺絲M384對(duì)3機(jī)芯24后輪25開(kāi)關(guān)16機(jī)制螺絲M282對(duì)7雙聯(lián)極片38前輪29前輪架210單聯(lián)極片211機(jī)制螺絲M384對(duì)12前輪軸Φ3118113前輪固定圈2位號(hào)名稱(chēng)備注位號(hào)名稱(chēng)備注M1電機(jī)1接線座SIU1LED數(shù)碼管M2電機(jī)2接線座IR1紅外接收頭X1前端探測(cè)板接線座RX110K排阻DC電源接線座Z1R115KIC1AT89S51R2220IC2MAX232CPER3150KIC3LG911集成電路R41MIC4LG911集成電路R547KC110uF/16vR6560C2104R7560C3104R8560C4104R9560C510uF/16vR10560C610uF/16vR11560C730PFR12560C830PFR13560C9104R14220C1010uF/16vR1510KC1110uF/16vR16560C1210uF/16vR1710KC1310uF/16vR18560D1D8紅色發(fā)光二極管R19560D9綠色發(fā)光二極管R20560S1按鍵開(kāi)關(guān)R21560S2按鍵開(kāi)關(guān)R22560S3開(kāi)關(guān)R23560COM19針串行端口R24560D1D2LED發(fā)光二極管前板用R2510KV1紅外發(fā)射頭前板用R26560V2紅外接收頭前板用RL1光敏電阻V3紅外發(fā)射頭前板用SB1蜂鳴器V4紅外接收頭前板用B1話筒V5紅外接收頭前板用R1220前板用V6紅外發(fā)射頭前板用R2220前板用R3560前板用R415K前板用R515K前板用R6220前板用R7560前板用R815K前板用COM數(shù)據(jù)線詳細(xì)圖片請(qǐng)看附件 AT89S51單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89S51作為本設(shè)計(jì)的核心芯片如圖所示31，是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許