at89s51单片机的智能循轨小车设计
【摘要】本设计是一种基于单片机控制的简单自动寻迹小车系统，包括了系统软硬件设计方法。自动循轨小车以AT89S51 为控制核心, 用单片机产生PWM波，控制小车速度。利用红外光电传感器对路面黑色线条轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号进行分析判断,及时控制驱动电机使调整小车转向,从而让小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动循迹行走的目的。本设计可在大型的仓库里使用，自动取货的机器小车，不仅增加了效率，减少了人力成本，降低的生产成本，而且具有能量运输效果好、安全方便、适用范围广等优势。
目 录
一、 引言 5
(一）循轨小车的发展历程回顾 5
（二）课题研究的目的和意义 5
二、 方案分析选择及元器件介绍 6
（一） 主控器件的选择 6
（二） AT89S51单片机芯片 7
（三） ST168红外探测器介绍 8
（四） L298N电机驱动芯片介绍 8
（五） LM339比较器介绍 9
（六） LM2940电源芯片 10
二、硬件系统设计 11
（一）智能循轨小车系统原理框图设计 11
（二） 在AT89S51单片机最小系统设计 11
1. 复位电路设计 11
2. 时钟电路设计 12
(三) ST168检测避障电路 13
（四）L298N驱动电路设计 13
（五） 电源电路设计 14
四、 系统软件设计 14
（一）智能小车工作流程 15
(二） ST168判别流程工作设计 15
（三） L298N电机工作流程设计 16
总结 18
致谢 19
参考文献 20
附录 21
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 元器件列表 23
附录四 部分程序 24
引言
(一）循轨小车的发展历程回顾
智能小车发展至今已有了50多年的历史，从第一代电脑成功的组建，意
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
味着人们进入了信息时代，随着时代的不断进步，在各行各业都不断地向智能化发展。智能机器人更是成为了时代变革的先锋，他不仅集计算机、机械、电子信号处理、自动控制系统与一体，技术人员还赋予了它的自己思考的能力。循轨小车在也是一个小型化的智能机器人，他一共经历三代的变革。
第一代循轨小车是可编程的示教模型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关来进行控制，通过编程来设置寻轨小车的行径与运动参数等，在工作过程中，不能感受来自环境的变化而改变自身的多种运动轨迹，支持离线编程的第二代循轨小车具有一定感知和适应环境的能力，这种循轨小车装有比较简单的传感器，可以感觉到自身的运动的位置和速度等。
第三代循轨小车是以智能为基础的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器作为感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化，从而改变自身的运动。智能循轨小车能独立的完成任务，有其自身的知识基础，拥有多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，可以根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织能力。为了让循轨小车能够独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握了多个多类传感器信息融合技术，这样循轨小车可以更准确、更全面的获得所处环境的心中。
（二）课题研究的目的和意义
该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大部分，检测部分、CPU计算部分、电机制动部分，智能循轨小车，不仅实现了遵循轨迹的行动，还可以在此上进行改进，加装智能蔽障系统，使得小车的可用性更为广泛更好的为人类服务。
通过制作智能循轨小车，不仅掌握了51单片机的使用方法，还熟知了各种51单片机的优劣，通过性能来决定小车的性能优化。在组建智能小车时，对于各种电路的组合与调试，对我们的专业技术得到了训练过后。在设计与实现时，我们灵活的运用了机电、单片机等相关学科的知识，联系在实际操作中的问题，达到了理论与实际相结合。让我们在技术层面得到加强。
方案分析选择及元器件介绍
主控器件的选择
主控器件的选择对于设计一款自动控制系统来说是最关键的一部分，该器件的控制性能、处理速度以及内部资源模块将在很大程度上决定了控制系统的软硬件结构以及开发成本，另外不同类型的主控器件要求开发者具备不同的开发功底，下面就对单片机以及FPGA这两款性能卓越的微处理器进行介绍和分析，从中选择出一款具体型号的芯片作为本控制系统的控制芯片。
如果采用单片机芯片作为主控器件，那么首选当然是大学期间熟知的AT89C51/STC89C51等基础51芯片，这些被冠以相类似型号却出自不同厂家的51单片机在内部结构上大同小异，全部都采用了MCS51的CPU作为运算部分，因此这些51单片机都具有8位数据处理能力。51单片机的开发成本在目前的微处理器届来说相对是属于最低的一个款式，无论是单片机还是FPGA，开发成本主要包含芯片自身成本、烧写仿真器购买成本、电路构建以及PCB绘制成本、开发环境成本以及开发者自身掌握的知识成本等，在这几个方面，都能够在本次毕业设计中降到最低程度。在51单片机的处理性能方面，相对于FPGA来说处于劣势状态，51单片机目前最高的时钟频率能够达到40M，并且其内部具有机器周期的概念，即为了提高51单片机的工作稳定性能，必须将时钟频率除以12，才能在此速度下执行指令，因此对于数据的处理能力来说相对较慢。在内置功能模块方面，它内部集成了常用的定时器、串口以及中断等功能，并且具有32个相互独立的GPIO管脚可供用户使用。
而如果采用Altera公司或者赛灵思等公司推出的高性能FGPA器件作为控制系统的核心处理器，那么将能够实现系统更高的集成度，许多硬件结构以及软件结构都能够通过程序的配置而在FPGA芯片内部实现，尤其是一些逻辑器件，FPGA在这方面最强。FPGA在开发成本相对51单片机来说较高，这不仅和FPGA高超的处理性能有关，而且还和FPGA造价昂贵的程序下载仿真器件有密切关系，另外笔者对于开发FPGA的VHDL等语言较为陌生，如果采用FPGA作为主控处理器，那么必须花费一段时间来对VHDL语言进行熟悉，这样急促的毕业设计时间来说非常浪费。FPGA芯片在内部资源模块上相对于51单片机来说具有更多的功能，内置的IP核以及DSP处理核，能够辅助用户大大提高数字信号的处理能力，是51单片机所不能相提并论的，另外FPGA的IO管脚数量一般都能够达到100以上，是51单片机的数倍。
综合上面对两中不同的处理器进行综合对比和分析，得出一个结论：51单片机虽然性能相对FPGA较低，但是更加适合笔者开发毕业设计，而FPGA无论是在内部功能模块还是数据处理性能上都超过51单片机，但是笔者对于FPGA来说较为陌生，不利于增加毕业设计的成功性，因此最终决定选用51单片机来作为主控芯片。
目 录
一、 引言 5
(一）循轨小车的发展历程回顾 5
（二）课题研究的目的和意义 5
二、 方案分析选择及元器件介绍 6
（一） 主控器件的选择 6
（二） AT89S51单片机芯片 7
（三） ST168红外探测器介绍 8
（四） L298N电机驱动芯片介绍 8
（五） LM339比较器介绍 9
（六） LM2940电源芯片 10
二、硬件系统设计 11
（一）智能循轨小车系统原理框图设计 11
（二） 在AT89S51单片机最小系统设计 11
1. 复位电路设计 11
2. 时钟电路设计 12
(三) ST168检测避障电路 13
（四）L298N驱动电路设计 13
（五） 电源电路设计 14
四、 系统软件设计 14
（一）智能小车工作流程 15
(二） ST168判别流程工作设计 15
（三） L298N电机工作流程设计 16
总结 18
致谢 19
参考文献 20
附录 21
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 元器件列表 23
附录四 部分程序 24
引言
(一）循轨小车的发展历程回顾
智能小车发展至今已有了50多年的历史，从第一代电脑成功的组建，意
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
味着人们进入了信息时代，随着时代的不断进步，在各行各业都不断地向智能化发展。智能机器人更是成为了时代变革的先锋，他不仅集计算机、机械、电子信号处理、自动控制系统与一体，技术人员还赋予了它的自己思考的能力。循轨小车在也是一个小型化的智能机器人，他一共经历三代的变革。
第一代循轨小车是可编程的示教模型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关来进行控制，通过编程来设置寻轨小车的行径与运动参数等，在工作过程中，不能感受来自环境的变化而改变自身的多种运动轨迹，支持离线编程的第二代循轨小车具有一定感知和适应环境的能力，这种循轨小车装有比较简单的传感器，可以感觉到自身的运动的位置和速度等。
第三代循轨小车是以智能为基础的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器作为感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化，从而改变自身的运动。智能循轨小车能独立的完成任务，有其自身的知识基础，拥有多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，可以根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织能力。为了让循轨小车能够独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握了多个多类传感器信息融合技术，这样循轨小车可以更准确、更全面的获得所处环境的心中。
（二）课题研究的目的和意义
该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大部分，检测部分、CPU计算部分、电机制动部分，智能循轨小车，不仅实现了遵循轨迹的行动，还可以在此上进行改进，加装智能蔽障系统，使得小车的可用性更为广泛更好的为人类服务。
通过制作智能循轨小车，不仅掌握了51单片机的使用方法，还熟知了各种51单片机的优劣，通过性能来决定小车的性能优化。在组建智能小车时，对于各种电路的组合与调试，对我们的专业技术得到了训练过后。在设计与实现时，我们灵活的运用了机电、单片机等相关学科的知识，联系在实际操作中的问题，达到了理论与实际相结合。让我们在技术层面得到加强。
方案分析选择及元器件介绍
主控器件的选择
主控器件的选择对于设计一款自动控制系统来说是最关键的一部分，该器件的控制性能、处理速度以及内部资源模块将在很大程度上决定了控制系统的软硬件结构以及开发成本，另外不同类型的主控器件要求开发者具备不同的开发功底，下面就对单片机以及FPGA这两款性能卓越的微处理器进行介绍和分析，从中选择出一款具体型号的芯片作为本控制系统的控制芯片。
如果采用单片机芯片作为主控器件，那么首选当然是大学期间熟知的AT89C51/STC89C51等基础51芯片，这些被冠以相类似型号却出自不同厂家的51单片机在内部结构上大同小异，全部都采用了MCS51的CPU作为运算部分，因此这些51单片机都具有8位数据处理能力。51单片机的开发成本在目前的微处理器届来说相对是属于最低的一个款式，无论是单片机还是FPGA，开发成本主要包含芯片自身成本、烧写仿真器购买成本、电路构建以及PCB绘制成本、开发环境成本以及开发者自身掌握的知识成本等，在这几个方面，都能够在本次毕业设计中降到最低程度。在51单片机的处理性能方面，相对于FPGA来说处于劣势状态，51单片机目前最高的时钟频率能够达到40M，并且其内部具有机器周期的概念，即为了提高51单片机的工作稳定性能，必须将时钟频率除以12，才能在此速度下执行指令，因此对于数据的处理能力来说相对较慢。在内置功能模块方面，它内部集成了常用的定时器、串口以及中断等功能，并且具有32个相互独立的GPIO管脚可供用户使用。
而如果采用Altera公司或者赛灵思等公司推出的高性能FGPA器件作为控制系统的核心处理器，那么将能够实现系统更高的集成度，许多硬件结构以及软件结构都能够通过程序的配置而在FPGA芯片内部实现，尤其是一些逻辑器件，FPGA在这方面最强。FPGA在开发成本相对51单片机来说较高，这不仅和FPGA高超的处理性能有关，而且还和FPGA造价昂贵的程序下载仿真器件有密切关系，另外笔者对于开发FPGA的VHDL等语言较为陌生，如果采用FPGA作为主控处理器，那么必须花费一段时间来对VHDL语言进行熟悉，这样急促的毕业设计时间来说非常浪费。FPGA芯片在内部资源模块上相对于51单片机来说具有更多的功能，内置的IP核以及DSP处理核，能够辅助用户大大提高数字信号的处理能力，是51单片机所不能相提并论的，另外FPGA的IO管脚数量一般都能够达到100以上，是51单片机的数倍。
综合上面对两中不同的处理器进行综合对比和分析，得出一个结论：51单片机虽然性能相对FPGA较低，但是更加适合笔者开发毕业设计，而FPGA无论是在内部功能模块还是数据处理性能上都超过51单片机，但是笔者对于FPGA来说较为陌生，不利于增加毕业设计的成功性，因此最终决定选用51单片机来作为主控芯片。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzdq/673.html
