畢業(yè)設計（論文）尋跡控溫智能小車

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1、徐州師范大學單片機培訓班畢業(yè)論文 第一章 緒論 1.1課題背景 我國的貨車的發(fā)展已有幾十年的歷史了，隨著要求越來越多、越來越經(jīng)濟化，比如南方的水果要運往北方，還有工廠里面的貨物流通對時間對溫度都有要求，倘若忽略時間的影響，那就可能有很大的損失，浪費大量資源。所以我們很有必要對車里的運貨倉實行溫度監(jiān)控，來避免不必要的資源流失。在如今的工廠里都實施自動化系統(tǒng)來節(jié)省大量的人力資源，未來的發(fā)展趨勢是沿著人性化的方向前進的，工廠自動化系統(tǒng)會在未來得到更加的重視和發(fā)展。 1.2研究的目的 通過本次的設計，熟悉紅外對管、L298N驅(qū)動芯片，熟悉匯編語言編譯環(huán)境，進一步熟悉單片機各端口的

2、特性和作用，減速電機的應用。 1.3文章的結(jié)構(gòu) 在下面的章節(jié)中對電路設計的方案、單片機及其部分芯片的基本原理、硬件的組裝、電路的調(diào)試與測試、程序的編寫做了詳細的闡述。在電路方面討論了多組方案，對于方案的可行性進行了論證；在基本原理中對AT89S51單片機、L298N芯片等進行分析；電路的測試主要對硬件組裝的成品進行通電檢測，調(diào)試硬件電路解決問題，最后對部分外文資料進行翻譯工作。 第二章模塊方案設計比較與論證 根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、循跡傳感器模塊、減速電機及其驅(qū)動芯片L298N等模塊構(gòu)成。 為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，分別選擇

3、了幾種方案并分別進行了論證。 2.1 車體設計方案 方案1：自己制作電動車。一般的說來，自己制作的車體比較粗糙，對于白色基板上的道路面行駛，車身重量以及平衡都要有精確的測量，而且也要控制好小車行駛的路線和轉(zhuǎn)彎的力矩及角度，這些都比較難以實現(xiàn)，所以此方案不妥。 方案2：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪。我們可以保留左右兩輪轉(zhuǎn)動動軸，并改換轉(zhuǎn)軸力矩大的電機來精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎角度，采取保留后方向輪，并使用直流電機進行驅(qū)動的方案。玩具電動車具有如下優(yōu)點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需電路的安裝十分方便，看起來也比較美觀。其次，玩具電動車是依靠電機與相關(guān)齒輪一起

4、驅(qū)動，能適應題目中小車準確前進、后退、轉(zhuǎn)彎的要求，而且這種電動車一般價格適中，則此方案較好。 基于以上分析，我們選擇了方案2。 2.2 電機模塊方案 方案1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。 方案 2：直流電機。直流電機的控制方法比較簡單，只需給電機的兩根控制線加上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機轉(zhuǎn)速越高。對于直流電機的

5、速度調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 基于以上分析，我們選擇了方案2，使用直流電機作為電動車的驅(qū)動電機。 2.3 電機驅(qū)動模塊方案 方案1：用分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際中被廣泛應用。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。因此放棄了此方案。 方案 2：采用SM6135W電機遙控驅(qū)動模塊。SM6135W是專為遙控車設計的大規(guī)模集成電路。能實現(xiàn)前進、后退、向右、向左、加速五個功能，但是其采用的是編碼輸入控制，而不是電平控制，這樣

6、在程序中實現(xiàn)比較麻煩，而且該電機模塊價格比較高。 方案3：采用電機驅(qū)動芯片L298N。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動，可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時在依照上表，用程序輸入對應的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對應的動作。表1是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。 表2-1 L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 EN A（B） IN1（IN3） IN2（IN4） 電機運行情況 H H L 正轉(zhuǎn)

7、 H L H 反轉(zhuǎn) H 同IN2（IN4） 同IN2（IN4） 快速停止 L X X 停止 基于以上分析，我們選擇了方案3，用L298N來做為電機的驅(qū)動芯片。 2.4 尋跡傳感器選擇方案 方案1：采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點：易受到外界光源的干擾，有時甚至檢測不到黑線，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產(chǎn)生直接影響?？朔巳秉c的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會增加檢測系統(tǒng)的功耗。 并且這種方案受光照影響很大，不能穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其它更穩(wěn)定的方案。 方案2：用

8、紅外發(fā)射器和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管接收到反射回來的光線則檢測出白線繼而輸出低電平；若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界的干擾；此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如果采用占空比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流很大（50～100mA）（ST-188允許的最大輸入電流為50mA），則大大提高了信噪比。此種測試方案反應速度大約在5us。 方案3：采用CCD傳感器，此種方法雖然能對路面信息進

9、行準確完備的反應，但它存在信息處理滿，實時性差等缺點，因此若采用CCD傳感器，無疑會加重單片機的處理負擔，不利于實現(xiàn)更好的控制策略。 根據(jù)以上分析我們采用方案2。 2.5 控制器模塊選擇方案 方案1：采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮放棄了此方案。 方案2：采用凌陽公司的SPCE061A小板作為主控制芯片，它是

10、16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領(lǐng)域。而且可以采用凌陽的小車模組，可以很快的完成其基本功能，但是用該小板存在在一定的局限性，較難擴張功能，而且各個模塊的拼湊，沒有比集成在一塊板的穩(wěn)定性高。 方案3：采用AT89S51作為主控制芯片，該芯片是一個低功耗、高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含有4K Bytes ISP（In—system programmable）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令

11、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存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 基于以上分析，我們選擇了方案3，采用AT89S51作為電動車的主控制芯片。 2.6電源模塊選擇方案 　　在本系統(tǒng)中，需要用到的電源有單片機的5V，L298N芯片的電源5V和電機的電源7—15V。所以需要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。 　　方案1：用9V的鋅電源給前、后輪電機供電，然后使用7805穩(wěn)壓管來把高電壓穩(wěn)成5V分別給單片機和電機驅(qū)動芯片供電。這種接法比較簡單，但小車的電路功耗過大會導致后輪電機動力不足。

12、 方案2：采用雙電源。為了確保單片機控制部分和后輪電機驅(qū)動的部分的電壓不會互相影響，要把單片機的供電和驅(qū)動電路分開來，即用6節(jié)干電池7.2V來驅(qū)動電機芯片，然后用7805穩(wěn)壓管來穩(wěn)成5V供給單片機，后輪電機的電源用3V供電，這樣有助于消除電機干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 基于以上分析，我們選擇了方案2。 2.7溫度傳感器的選擇方案 考慮到用溫度傳感器。在單片機電路設計，大都使用傳感器，所以這是非常容易想到的。對于溫度傳感器的選擇，我做了以下三種比較： 方案1 采用紅外溫度傳感器MLX90615ESG-DAA。MLX90615在信號調(diào)節(jié)芯片中使用了先進的低噪音放大器，一枚16-bit ADC

13、以及功能強大的DSP元件。溫度計能適應從-40C到85C的廣泛工作溫度范圍。但此芯片易于損壞，故不選用。 方案2 采用溫度傳感器鉑電阻Pt1000。鉑熱電阻的物理化學性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，他能用作工業(yè)測溫元件，且此元件線性較好。在0℃～ 100℃時最大非線性偏差小于0.5℃鉑熱電阻與溫度的關(guān)系是，Rt=R0(1+At+Bt*t)；其中Rt是溫度為t攝氏度時的電阻；R0是溫度為0℃時電阻；t為任意溫度值，A、B為溫度系數(shù)。但其成本太貴，不適合做普通設計。 方案3 采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的第一片支持“一總線”接口的溫度傳感器，它具

14、有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理，且硬件電路簡單，支持多點測溫。 基于以上分析，選擇方案3 2.8顯示器件的選擇 方案1采用LCD液晶顯示器。LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。雖然使用較為方便，但是價錢較貴，且顯示的不鮮艷。所以放棄此方案。 方案2采用LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管是一種半導體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。LED數(shù)碼管是一類顯示屏。通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發(fā)亮。從

15、而顯示出數(shù)字 數(shù)碼管能夠顯示時間、日期、溫度、等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)。而且工作電低，顯示簡單明了。 基于以上分析，選擇方案2。 2.9 最終方案 經(jīng)過反復論證，我最終確定了如下方案： 1、 車體用購買的玩具小車。 2、 采用AT89S51單片機作為主控制器。 3、 紅外對管尋跡。 4、 采用直流電機，芯片L298N作為電機驅(qū)動。 5、 12V的電源供電，通過7805的變換后為單片機、傳感器和電機供電。 2.10 自動循跡小車結(jié)構(gòu)方案圖 單片機控制模塊 （AT89S51） 電機驅(qū)動模塊 （L298N） 紅外循跡模塊 （檢測白帶）

16、 圖2-1 尋跡小車結(jié)構(gòu)方框圖 第三章 硬件電路的設計 硬件電路是實現(xiàn)整個設計的主體部分，以下主要是硬件的各個部分進行介紹。 3.1 控制器的設計 AT89S51 是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復擦寫1000此的Flash 只讀程序存儲器。 AT89S51具有如下的特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出

17、（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S51 設計和配置了振蕩頻率可為0Hz 并可以通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP、和PLCC等三種封裝形式，以適應不同的產(chǎn)品的需求。 各引腳功能： Vcc：接+5V電壓。 Vss：接地。 XTAL1：接外部晶振的一個引腳，在單片機的內(nèi)部，它是一個反相放大器

18、的輸入端，此反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 XTAL2：接外部晶體的另一個引腳，在單片機的內(nèi)部，它是反相放大器的輸出端，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。當使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號。 I/O：P0、P1、P2、P3，共32根 P0口，8位、漏極開路的雙向I/O口； P1口，8位、準雙向I/O口，內(nèi)部含有上拉電阻； P2口，8位、準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路； P3口，8位、準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ堋? 控制線：共4根 RST：復位輸入信號，高電平有

19、效。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個周期以上的高電平，便可復位器件。當AT89S51內(nèi)部看門狗定時器溢出時，該引腳將輸出98個振蕩周期的高電平。 EA/\Vpp：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。當EA/接地時，CPU只執(zhí)行片外存儲器中的程序；當EA/接Vcc時，CPU首先執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器中的程序（0000H~0FFFH），然后自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器中的程序（1000H~FFFFH）。如果程序鎖定位LB1被編程（P），那么EA/值將在復位時由片內(nèi)鎖存。在與Flash并行編程/校驗期間，該引腳施加12V的編程電壓Vpp。 ALE\PROG/：地址鎖存允許信號輸出。在CPU訪問外

20、部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE提供一個地址鎖存信號，將低8位地址鎖存在片外鎖存器中。在與Flash并行編程/校驗期間，該引腳也是編程負脈沖的輸入端。在正常操作狀態(tài)下，該引腳端口輸出恒定頻率的脈沖。其頻率為晶振頻率的1/6，可用作外部定時或其他觸發(fā)信號。如果需要，可通過SFR的第0位置禁止ALE操作，但ALE的禁止位不影響對外部存儲器的訪問。 PSEN/：片外程序存儲器選通信號，低電平有效。當AT89S51執(zhí)行來自外部程序存儲器的指令代碼時，PSEN/每個機器周期兩次有效。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN/無效。 3.1.1 AT89S51 單片機的基本結(jié)構(gòu) 如圖3—1 所示

21、為AT89S51 單片機的基本結(jié)構(gòu)框圖，它由8個部件組成，即中央處理器（CPU）、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、片內(nèi)程序存儲器(ROM)、輸入輸出接口（I/O口、分為P0口、P1口、P2口、和P3口）、可編程串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）。各部分通過內(nèi)部總線相連。其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上，卻采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。 ROM P2口 P0口 RAM 微處理器 （運算部件） 控制部件 B 定時/ 計數(shù)器 P3口 中斷 系統(tǒng) P1口

22、 特殊功能寄存器 （SFR） 串行口 圖3-1 AT89S51 基本結(jié)構(gòu)框圖 如圖3-2 所示為AT89S51 單片機的引腳圖： 圖3-2 AT89S51引腳圖 3.2 電機驅(qū)動電路設計 本小車采用的電機是直流電機，考慮到小車必須能夠作出前進、轉(zhuǎn)向、停止等靈活的動作，在左右兩主動輪分別通過一個電機分別進行控制。當左輪電機旋轉(zhuǎn)右輪電機停止時小車向右轉(zhuǎn)，反之則向左轉(zhuǎn)。通過驅(qū)動芯片L298N的輸出來達到控制電機的轉(zhuǎn)速的目的。 3.2.

23、1 電機驅(qū)動芯片 L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機或一個兩相步進電機。 L298驅(qū)動芯片輸出電壓最高可達50V,可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的I/O口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。它可接受標準TTL邏輯電平信號Vss，Vss可接收4.5-7V電壓。4腳Vs接電壓，Vs電壓范圍為+2.5V-46V。輸出電流可達2.5A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298N可驅(qū)動2個電動機，OUT1,

24、OUT2和OUT3,OUT4之間分別接電動機，5（IN1），7(IN2)，10(IN3)，12(IN4)腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，這四個引腳輸入PWM脈沖，假設IN1輸入以個PWM脈沖，IN2輸入與IN1相反的PWM脈沖電機正轉(zhuǎn)，相反的PWM可以由程序設置或者在IN2的輸入前加一個反相器也可實現(xiàn)，建議使用程序設置方便簡單，以減少硬件電路避免出現(xiàn)更多的問題，若要實現(xiàn)電機的反轉(zhuǎn)，則IN1、IN2輸入與正轉(zhuǎn)相反的脈沖可實現(xiàn)，EN1、EN2接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。當使能端為低電平時芯片不會工作。 L298N引腳說明如表3-1所列。

25、 表3-1 引腳說明 管腳 名稱 功能 6，11 ENA,ENB 電機控制使能端 5,7,10,12 IN1—IN4 控制輸入 2，3，13，14 OUT1—OUT4 驅(qū)動輸出 8 GND 接地 4，9 VS-VSS 電源 邏輯功能如表3-1所列。 表3-2 L298N邏輯功能表 ENA (B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機運行情況 H H L 正傳 H L H 反轉(zhuǎn) H H

26、 H 剎停 H L L 停止 L 任意 任意 停止 3.3 電源電路設計 任何一個電路都需要工作電源，一個電源只有輸出正確的工作電壓才能夠使電路安全地并且按照預先的方案進行工作，否則就會造成燒毀元器件或者電路不能正常工作。 3.3.1 三端集成穩(wěn)壓器7805 集成穩(wěn)壓器是指將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集成電路。由于集成穩(wěn)壓器具有穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、體積小、重量輕等顯著優(yōu)點，在各種電源電路中得到了普遍的應用。78XX系列集成穩(wěn)壓器是常用的固定正確輸出電壓的集成穩(wěn)定器，輸出電壓有5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等規(guī)格，最

27、大輸出電流為1.5A。它的內(nèi)部含有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，采用了噪聲低、溫度漂移小的基準電壓源，工作穩(wěn)定可靠。 圖3-3 串聯(lián)式集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路方框圖 本次設計電路需要的工作電壓為5V，由于三端集成穩(wěn)壓器的使用十分方便，只有三個引出端：輸入端、輸出端和公共端，在實際應用電路中連接比較簡單。所以我采用三端集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓輸出的方式為電路提供安全的工作電壓。7805的1腳為輸入端，2腳為接地端，3腳為輸出端。根據(jù)7805的工作條件，本次設計采用的是8節(jié)1.5V電池串聯(lián)作為輸入電壓，而7805的輸出正好符合電路的安全工作電壓。三端集成穩(wěn)壓

28、器7805的主要參數(shù)：輸入電壓為10V，輸出電壓為5V還包括電壓調(diào)整率，電流調(diào)整率，最小壓差，輸出噪聲，輸出電阻，峰值電流和輸出溫漂?？驁D如圖3-4所示。 輸入 1 7805 輸出 3 接地 2 圖3-4 7805框圖 3.3.2 電源電路的原理圖 根據(jù)電源電路的工作要求在電路的輸出端加入的電容為濾波電容，作用為濾出電源中的高頻和低頻干擾。電路中的發(fā)光管為電源指示燈，以顯示電源部分是否有電壓輸出。 電路中的濾波電容C2是當負載電流突變時，為改善電源的動態(tài)特性

29、而設的，取值約為100～470uF。C1為電解電容。在結(jié)構(gòu)上，它們是由兩個電容極板中間加絕緣介質(zhì)卷繞而成的。因此，對電源中的高頻分量，電解電容均含有電感，而集成穩(wěn)壓器內(nèi)部帶有負反饋，可能會使穩(wěn)壓器的輸出端產(chǎn)生有害振蕩。C2正是為抑制這種振蕩或消除電網(wǎng)串入的高頻干擾而設置的，通常C2取值為0.1～0.33uF。D7為電源指示燈。 電路如圖3-5 所示。 圖3-5 電源電路 3.4尋跡電路設計 這里的循跡是指小車在綠地毯上循白線走，通常采取的方法是紅外探測法。 紅外探測法，即用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)

30、的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色布條時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接受；如果遇到黑色則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測距離有限，一般最大不應超過3cm。 3.4.1 LM339集成芯片 LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V-18V；3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差動輸入電壓范

31、圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。 　　LM339集成塊采用C-14型封裝，外型及管腳排列如圖。由于LM339使用靈活，應用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。 　　LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信

32、號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 　　LM339可構(gòu)成 單限比較器、 遲滯比較器

33、 、雙限比較器（窗口比較器） 、振蕩器等。 　　LM339還可以組成高壓數(shù)字邏輯門電路，并可直接與TTL、CMOS電路接口。 LM339的特點和一些參數(shù) 　　1）電壓失調(diào)小，一般是2mV； 2）共模范圍非常大，為0v到電源電壓減1.5v； 　　3）他對比較信號源的內(nèi)阻限制很寬； 　　4）LM339 vcc電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V-18V； 　　5）輸出端電位可靈活方便地選用。 6）差動輸入電壓范圍很大，甚至能等于vcc； 圖3-6 LM339功能框圖 3.4.

34、2 尋跡電路設計 循跡電路采用紅外對管與LM339進行搭配使用。電路圖如圖3-7： 至單片機 圖3-7 尋跡電路 3.5 溫度傳感器DS18B20簡介 本設計系統(tǒng)中的溫度采集器采用DS18B20芯片。 （1）DS18B20的性能特點 DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式

35、。DS18B20的性能特點如下： ●獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； ●多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； ●無須外部器件； ●可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0～5.5V； ●零待機功耗； ●溫度以9或12位數(shù)字； ●用戶可定義報警設置； ●報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； ●負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 （2）DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20采用３腳PR－35封裝或8腳SOIC封裝。64位ROM的結(jié)構(gòu)開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共

36、有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。 （3）DS18B20測溫原理 如圖所示，器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。 斜率累加器 計數(shù)比較器 預置 低溫度系數(shù)振蕩器 高溫度系數(shù)振蕩器 減法計數(shù)器1 減法計數(shù)器2 減到0 減到0 預置 溫度寄存器 斜率累加器 計數(shù)比較器 預置 圖 DS18B20測溫

37、原理 第四章 程序設計 軟件與硬件是密不可分的，系統(tǒng)能否完成所有的指示，都是需要靠軟件來對硬件進行控制，使其發(fā)揮出各自的功能。軟件設計是與硬件同等重要的部分，兩者缺一不可。 4.1 整體系統(tǒng)程序流程 4.1.1 尋跡控溫智能小車的程序流程圖 圖4 系統(tǒng)程序流程圖 4.2 系統(tǒng)程序的設計 4.2.1 匯編語言程序設計步驟 51單片機所能執(zhí)行的指令的集合就是它的指令系統(tǒng)，指令常以其英文名稱或縮寫形式來作為助記符形式表示的指令是匯編語言。此系統(tǒng)軟件采用51

38、匯編語言，匯編語言是單片機提供給用戶的最快、最有效的語言，也是能利用單片機所有硬件特性并能直接控制硬件的編程語言。 用匯編語言編寫的程序效率高，占用的存儲空間小，運行速度快，因此用匯編語言能編寫出最優(yōu)化的程序。匯編語言程序設計的步驟主要分為以下幾個步： （1）分析問題，確定算法 首先對需要解決的問題進行具體的分析。本次設計就要考慮解決問題的任務是什么？工作過程是什么？小汽車在行駛過程中對速度方面的要求是什么？找出合理的方法去解決這些問題。 （2）根據(jù)算法，畫出程序流程圖 畫程序流程圖可以把算法和解決問題的步驟逐步具體化。通過程序流程圖，把程序中具有一定功能的各部分有機地聯(lián)系起來，從而

39、使人們能夠抓住程序的基本線索，對全局有完整的了解。 （3）編寫程序 根據(jù)程序流程圖所表示的算法和步驟，選擇適當?shù)闹噶钆帕衅饋?，?gòu)成一個有機的整體，即程序。我們在編寫程序時應注意所編程序的可讀性和正確性，養(yǎng)成在程序的適當位置加上注釋的好習慣。 （4）上機調(diào)試 上機調(diào)試可以驗證程序的正確性。任何程序編寫完后總難免有缺點和錯誤，只有上機調(diào)試和運行才能比較容易發(fā)現(xiàn)和糾正它們。 第5章 硬件的組裝與系統(tǒng)調(diào)試 整機焊接完畢，首先要對硬件進行檢查，檢查連線是否有誤，再逐步對各單元進行調(diào)試，首先燒入電機控制小程序，控制電機正反轉(zhuǎn)，停止均正常。說明電機及驅(qū)動電路無誤

40、。 5.1 元件的檢測與辨別方法 5.1.1 發(fā)光二級管的簡易測量 1.判別管腳正、負級 將紅黑表筆分別接兩管腳，燈亮的那次黑表筆對應為正極（原因：萬用表內(nèi)電源與發(fā)光二極管構(gòu)成回路使發(fā)光二極管發(fā)光）。另外，新發(fā)光二極管可根據(jù)長正負短原則判定。 2.判別發(fā)光二極管好壞：用黑表筆接發(fā)光二極管的正極，紅表筆接負極，若發(fā)光說明是好的。 5.1.2 電阻的檢測 1．看電阻的引線有無折斷或外殼燒焦等現(xiàn)象。 2．選擇合適的量程，用萬用表的歐姆檔，使指針在表盤的中間位置。在路測量，當測量值遠大于標稱值，則可判斷電阻已損壞；若小于標稱值，則斷路檢測，若測量值基本等于標稱

41、值，該電阻正常；若接近于零，電阻短路；若遠小于標稱值，電阻損壞；若遠大于標稱值，電阻斷路。 5.1.3 電容的檢測 5100pf以上的電容用萬用表的最高電阻檔判別。5100pf以下的電容可以借助一個NPN型的三極管的放大作用測量或用電容萬用表來測。將萬用表的兩表筆分別接在電容的兩個引腳上，這時指針有一個擺動的過程；然后將兩表筆對換，在進行一次測量，此時表針有一個較大的擺動過程，這是電容的充放電過程。若出現(xiàn)萬用表的指針不擺動，電容開路；若指針向右擺動后指針不再復原，說明電容被擊穿；若指針向右擺動后只有少量左回擺，說明電容漏電。 5.2 整機調(diào)試 5.2.1 電路的調(diào)試

42、 電路的調(diào)試成功，主要取決于我們能否把以前所學的理論知識和實踐相結(jié)合起來，也是對我們所學使用儀器儀表知識的檢驗。本次設計調(diào)試步驟如下： 1．調(diào)試電源電路。也是先把電源部分用面包板搭接后，接通輸入的12V電壓，然后用萬用表的電壓檔測量三端集成穩(wěn)壓器7805的輸出端，看是否為5V，如果為5V則說明該電路良好，能夠為整機電路提供工作電壓。 2．把整機電路全部搭接好后，用萬用表測量各個集成塊的電壓供電端是否為5V。 3．調(diào)試單片機的晶振電路和復位電路，在調(diào)試晶振電路時，要用到示波器。來檢測該電路是否為單片機提供時鐘控制信號。復位電路的檢測用萬用表的紅表筆接到單片機的復位引腳上，黑表筆接地，然后

43、按下復位開關(guān)，看萬用表指示的電壓是否為5V。 5.2.2 尋跡電路的調(diào)試 路面循跡，主要是靠紅外對管的工作，小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，靠黑線是否接受到反射的紅外光來判定。設計是尋白帶，當檢測到白帶時，輸出電平為低電平，當在綠地毯上正常行駛時，則輸出高電平。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定白帶的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。因此，就要求對其要有很好的靈敏度，靈敏度的好壞可以直接調(diào)循跡模塊上的滑動電位器，通過調(diào)整它的阻值使循跡模塊擁有最好的工作狀態(tài)。

44、 結(jié) 論 畢業(yè)論文是一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會通過這次畢業(yè)設計我擺脫了單純的理論指示學習狀態(tài)，和實際設計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際電路問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，地局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富。 本次畢業(yè)設計在硬件采用了很多不同方面的電路，主要集中在小車上，采用了多個傳感器來確定小車的狀態(tài)和位置；應用了現(xiàn)今較為普遍，并且性能穩(wěn)定的傳輸模塊。所有模塊都由單片機AT89S51進行控制，電路雖然復雜，但都實現(xiàn)

45、了功能，達到了設計上所要求的所有指標。 雖然畢業(yè)設計內(nèi)容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種設備的選用標準，我都是隨著設計的不斷深入而不斷熟悉并學會應用的。 通過畢業(yè)設計，讓我了解專業(yè)很多以前不曾注意的知識，受益良多，我會把這些都牢牢記在腦中，為以后參加工作積累經(jīng)驗，更好的將所學知識發(fā)揮出來。 致 謝 本設計是在賀新明老師的指導下完成的，賀新民老師的講課的嚴謹態(tài)度、寬以待人的工作作風讓我深受感動。在兩期的培訓期間，我跟著賀老師學到了很多的知識，使我在單片機領(lǐng)域著實

46、得到很大的提高。在畢業(yè)設計中，自己遇到了好幾個弄不明白的問題，通過賀老師的指導，使問題都得以很好的解決。對于老師的幫助和指導，我表示衷心的感謝，沒有老師的幫助，我是不會獲得這么多的收獲。同時，還感謝王玉芝老師對我們?nèi)w學員的無微不至的關(guān)懷。 參考文獻 [1] 黃智偉.凌陽單片機課程設計指導.北京：航空航天大學出版社 [2] 黃正謹，田良.電子設計競賽賽題解析.東南大學出版社 [3] 沈任元，吳勇.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).機械工業(yè)出版社 [4] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京高等教育出版社 [5] 高峰編，單片微型計算機原理與接口技術(shù).北京科學出版社

47、 [6] 21IC中國電子網(wǎng) [7] 謝自美.電子線路設計.測試（第二版）華中科技大學出版社 [8] 新勢力論壇.bbs [9] 萬方數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一服務系統(tǒng) [10] 王艷芬，馮偉.通信電子電路實驗指導.清華大學出版社 附錄1 譯文 微控制器是一種功能的計算機上系統(tǒng)芯片。它包含一個處理器核心，內(nèi)存和可編程輸入/輸出外設。 微控制器包括一個集成的CPU內(nèi)存和外設，能夠輸入和輸出， 它強調(diào)高集成度，相反，一個微處理器只包含一個CPU，除了通常的算術(shù)和邏輯要素一般用途的微處理器，微控制器集成了更多的要素，如讀寫存儲器

48、的數(shù)據(jù)存儲，只讀存儲器存儲程序，快閃記憶體的永久數(shù)據(jù)存儲，外設和輸入/輸出接口，時鐘頻率只有32KHz, 微處理器微操作往往以非常低的速度相比，這是足夠的典型應用。他們消耗功率相對較小，一般將有能力保持功能，同時等待一個事件，如一個按鈕，按下或中斷，電力消耗，從而使它們適合用于低功耗和長期持久的電池應用。 微控制器用于自動控制產(chǎn)品及設備，如汽車引擎控制系統(tǒng)，遠程控制，辦公室機器，家電，電動工具和玩具。通過降低尺寸，成本和能耗的設計相比，使用一個單獨的微處理器，內(nèi)存，和輸入/輸出設備，微控制電子控制多進程。 嵌入式設計 大多數(shù)的計算機系統(tǒng)使用的是內(nèi)嵌在其他機器，如汽車，電話，電器，和周邊的

49、計算機系統(tǒng)。這些都是所謂的嵌入式系統(tǒng)。雖然一些嵌入式系統(tǒng)是非常復雜的，很多人起碼的要求，內(nèi)存和程序長度，沒有操作系統(tǒng)，軟件的復雜性和低。典型的輸入和輸出設備包括開關(guān)，繼電器，螺線管， LED的，小的或自定義LCD顯示器，射頻器件，傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，如溫度，濕度，光水平等嵌入式系統(tǒng)通常有沒有鍵盤，屏幕，硬盤，打印機，或其他公認的I / O設備的個人電腦，并且可能缺乏人際交往的任何種類的設備中斷 這是強制性的微控制器提供實時響應的事件是嵌入式系統(tǒng)的控制。當某些事件發(fā)生時，中斷系統(tǒng)的信號處理器可以暫停處理目前的指令序列，并開始一個中斷服務例程（偵察） 。的ISR將需要執(zhí)行任何處理的基礎(chǔ)上的

50、來源中斷，然后再返回原來的指令序列?？赡苁窃O備中斷源依賴，并往往包括活動，如內(nèi)部定時器溢出，完成模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換，一個邏輯電平變化對投入，如從一個按鈕被按下，和收到的數(shù)據(jù)的通信鏈路。凡能耗是重要的，因為在電池供電設備，中斷也可能會喚醒一個微控制器由一個低功耗休眠狀態(tài)的處理器是必須停止，直到做了周邊活動程序單片機程序必須符合現(xiàn)有的片上程序存儲器，因為這將是代價高昂的提供與外部系統(tǒng)，可擴展，記憶體。編譯器和匯編語言的使用將高級語言程序到一個緊湊機器代碼存儲在微控制器的記憶。根據(jù)不同的設備，程式記憶體可能是永久性的，只讀存儲器，只能通過編程在工廠，或程序存儲器可外地變Flash或可擦除只讀存儲器。

51、 其他微控制器的功能 由于嵌入式處理器通常是用來控制裝置，他們有時需要接受輸入的設備，他們是控制。這是目的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于處理器內(nèi)置解釋和處理的數(shù)字數(shù)據(jù)，即1和0 ，它們將無法做任何事的模擬信號可以被發(fā)送到它的設備。因此，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器是用于轉(zhuǎn)換傳入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種形式的處理器可以識別。還有一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，使處理器將數(shù)據(jù)發(fā)送到該設備是控制。 此外，轉(zhuǎn)換器，許多嵌入式微處理器包括各種定時器以及。其中最常見的計時器是可編程間隔定時器，或進站短。一個坑只是倒計時從一定的價值為零。一旦達到零，它發(fā)送一個中斷的處理器，這表明它已經(jīng)完成計票。這是非常有用的設備，如恒溫器，定期測試他們周圍的溫度，以了

52、解他們是否需要打開空調(diào)后，取暖爐等。 時間處理單元或聚氨酯短?；旧现皇且粋€計時器，但更復雜。除了倒計時，該聚氨酯可以檢測輸入事件，產(chǎn)生的輸出活動，和其他有用的行動。 專用的脈沖寬度調(diào)制（ PWM ）模塊可讓CPU在控制功率轉(zhuǎn)換器，電阻負載，電動機等，不使用大量的CPU資源，嚴格的定時器循環(huán)。 通用異步接收/發(fā)送器（ UART接口）模塊，可以接收和傳輸數(shù)據(jù)通過串行線很小的CPU負載。 對于那些想以太網(wǎng)可以使用一個外部晶體半導體芯片CS8900A一樣，瑞昱RTL8019 ，或Microchip的電子海圖28J60 。所有這些方便的接口，低引腳數(shù)。 高集成度 相反，通用處理器，微控制器

53、可能無法執(zhí)行一個外部地址或數(shù)據(jù)總線，因為它們整合RAM和非易失性存儲器在同一個芯片上的CPU 。使用較少的引腳，該芯片可以放置在一個更小，更便宜的軟件包。 集成的內(nèi)存和其他外圍設備在一個芯片上，并測試它們作為一個單位的成本增加，芯片，但結(jié)果往往減少凈成本的嵌入式系統(tǒng)作為一個整體。即使成本的CPU已經(jīng)集成外設略高于成本的CPU +外部的外設，具有較少的芯片通常允許一個較小的和更便宜的電路板，并降低了勞動力需要組裝和測試的電路板。 微控制器是一個單一的積體電路，一般具有以下特點： 1) 中央處理單元-從小型，簡單的4位處理器的復雜32 -或64位處理器 2) 離散輸入和輸出的比特率，使控制

54、或檢測邏輯狀態(tài)的個人封裝引腳 3) 串行輸入/輸出，如串行端口（UART） 4) 其它串行通信接口的I2C ，串行外設接口和控制器局域網(wǎng)的系統(tǒng)互連 5) 外圍設備，如定時器，事件計數(shù)器， PWM產(chǎn)生器和看門狗 6) 瞬間記憶體（ RAM ）的數(shù)據(jù)存儲 7) 光盤存儲器， EEPROM或快閃記憶體的程序和操作參數(shù)的存儲 8) 時鐘發(fā)生器-通常是一個石英振蕩器時間晶體，諧振器或RC電路 9) 許多包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 10) 在電路編程和調(diào)試支持 附錄2 英文參考資料 A microcontroller (also MCU or C) is a function

55、al computer system-on-a-chip. It contains a processor core, memory, and programmable input/output peripherals. Microcontrollers include an integrated CPU, memory (a small amount of RAM, program memory, or both) and peripherals capable of input and output. It emphasizes high integration, in contras

56、t to a microprocessor which only contains a CPU (the kind used in a PC). In addition to the usual arithmetic and logic elements of a general purpose microprocessor, the microcontroller integrates additional elements such as read-write memory for data storage, read-only memory for program storage, Fl

57、ash memory for permanent data storage, peripherals, and input/output interfaces. At clock speeds of as little as 32KHz, microcontrollers often operate at very low speed compared to microprocessors, but this is adequate for typical applications. They consume relatively little power (milliwatts or eve

58、n microwatts), and will generally have the ability to retain functionality while waiting for an event such as a button press or interrupt. Power consumption while sleeping (CPU clock and peripherals disabled) may be just nanowatts, making them ideal for low power and long lasting battery application

59、s. Microcontrollers are used in automatically controlled products and devices, such as automobile engine control systems, remote controls, office machines, appliances, power tools, and toys. By reducing the size, cost, and power consumption compared to a design using a separate microprocessor, memo

60、ry, and input/output devices, microcontrollers make it economical to electronically control many more Embedded design The majority of computer systems in use today are embedded in other machinery, such as automobiles, telephones, appliances, and peripherals for computer systems. These are called

61、embedded systems. While some embedded systems are very sophisticated, many have minimal requirements for memory and program length, with no operating system, and low software complexity. Typical input and output devices include switches, relays, solenoids, LEDs, small or custom LCD displays, radio f

62、requency devices, and sensors for data such as temperature, humidity, light level etc. Embedded systems usually have no keyboard, screen, disks, printers, or other recognizable I/O devices of a personal computer, and may lack human interaction devices of any kind. Interrupts It is mandatory that m

63、icrocontrollers provide real time response to events in the embedded system they are controlling. When certain events occur, an interrupt system can signal the processor to suspend processing the current instruction sequence and to begin an interrupt service routine (ISR). The ISR will perform any p

64、rocessing required based on the source of the interrupt before returning to the original instruction sequence. Possible interrupt sources are device dependent, and often include events such as an internal timer overflow, completing an analog to digital conversion, a logic level change on an input su

65、ch as from a button being pressed, and data received on a communication link. Where power consumption is important as in battery operated devices, interrupts may also wake a microcontroller from a low power sleep state where the processor is halted until required to do something by a peripheral even

66、t. Programs Microcontroller programs must fit in the available on-chip program memory, since it would be costly to provide a system with external, expandable, memory. Compilers and assembly language are used to turn high-level language programs into a compact machine code for storage in the microcontrollers memory. Depending on the device, the program memory may be permanent, read-only memory that can only be programmed at the factor