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程电子信息系统综合设计实验 MCU 部分实验总分智能机器小车实验总分张达冯权成冯权成袁林 0842051098 学号 0842051098 0842051049 学号 0842051049 学号 0842051134

实验题目学生姓名学生姓名学生姓名

实验时间周五第二大节地点基 B511 分组

电子信息学院专业实验中心

智能机器小车设计

摘要：智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个环境里摘要：自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能电动车就是其中的一个体现。本次设计的简易智能电动车具有寻迹功能（按路面的黑色轨道行驶）。作品以两电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元 AT89C52 单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制；电机驱动电路采用四相反应式驱动电流芯片 ULN2803A；黑带检测采用光电传感器完成，从而把反馈到的信号送单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车在各区域按预定的速度行驶。本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能。关键字：循迹小车 AT89C52 单片机光电传感器关键字 Abstract：The Intelligence Technology as a modern invention is the future direction bstract： of development. It can operate automatically in a pre-set mode environment without artificial management and can be applied to the use of scientific exploration, and so on. The intelligent car is one of the examples. The simple intelligent car designed by this experiment includes track finding function（travel along the black track）. The production mainly drove by electromotor collects information through kinds of sensors to the AT89C52 SCM, it can control itself after dealing with the data; Motor drive circuit adopts the ULN2803A SCM; The detection of black track adopts photoelectric sensor which sends the information into SCM so that the intelligent car can travel in the light of scheduled mode. The structure of the intelligent car is so simple that it can be carried out easily, but also it can embody intelligence to some extent. Keywords: Keywords track finding car, AT89C52 SCM, Photoelectric sensor

一.题目要求 ........................................................................................................................................... 4 1.1 实验要求 ................................................................................................................... 4 1.2 实验内容: .................................................................................................................. 4 二. 软硬件设计方案.......................................................................................................

....................... 5 2.1 硬件部分 ................................................................................................................... 5 2.2 软件部分 ................................................................................................................... 5 三. 硬件各部分电路的用途和具体的电路工作原理分析 .................................................................. 7 3.1 传感器电路 ................................................................................................................ 7 3.2 步进电机工作原理 .................................................................................................... 7 3.3 驱动电路 .................................................................................................................... 9 3.4 晶振电路和复位电路 ................................................................................................ 9 3.5 电源电路 .................................................................................. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.6 软件程序 .................................................................................. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。四. 实验结果 ....................................................................................................................................... 13 4.1 调试: ........................................................................................................................ 13 4.2 误差分析 ................................................................................................................. 14 4.3 实验结果 ................................................................................................................. 14 附录 1----电路原理图 .......................................................................................................................... 15 附录 2----印刷电路板布局图 .............................................................................................................. 16 附录 3----电路板实物图 ...................................................................................................................... 16 附录 4----小车实物图 .......................................................................................................................... 17

一、题目要求

1.1 实验要求

要求采用 MCS-51 单片机为控制芯片，设计出一个能够识别并沿着以白底为道路色，宽度 10mm 左右的黑色胶带制作的不规则的封闭曲线为引导轨迹行进的智能寻迹机器小车。

(1). 基本要求: 机器车沿地面黑线非接触寻迹行走。 (2). 扩展功能: 自由发挥。

用于基本功能测试的任意封闭曲线

1.2 实验内容

硬件部分：（在硬件设计制作过程中所需要做的事情及先后步骤） 1.根据实验要

求设计各个模块 2.画出各个模块及其连接的电路设计图 3.制作 PCB 板子（使用 DXP 软件）以及根据需求采购元器件 4.对硬件电路的焊接 5.与软件结合的调试软件部分：（在软件设计编制过程中所需要做的事情及先后步骤） 1.了解硬件电路的基本结构和功能 2.根据所要实现的功能列出软件编写的基本模块与思路 3.编写程序 4.调试

二、软硬件设计方案

2.1 硬件部分

根据题目要求要实现基本功能循迹，需要如下模块：电源模块，主控芯片模块，电机及其驱动模块，检测轨迹模块。电源模块：给整个系统稳定供电以保持其正常工作，包括 12V 的电源以及转 5V 部分，其中 12V 的是给电机和其驱动供电，5V 的用来驱动单片机及其他芯片。主控芯片模块：本实验的主控芯片采用 89C51 单片机，在此芯片的基础上扩展周围电路以实现识别控制循迹及其他扩展功能。电机及驱动模块：本实验采用 2 个 4 相 12V 步进电机，加以驱动以完成控制小车运行功能。此外，也可再通过软件实现其加速减速等功能。轨道检测模块：使用红外光电对管，发出的红外光遇到白色发生漫反射，反射回来的光被红外对管接收，输出信号，而当红外光遇到黑带时，红外光被完全吸收，不能产生反射输出信号。根据具体实验效果为保持稳定还可以加一个电压比较器。以上模块基本可以完成循迹功能。各模块连接机构如下：

2.2 软件部分

根据硬件电路的构成及题目要求用文字和框图的形式说明控制程序的组成及各子程序的作用。此系统采用 89C51 单片机，再根据硬件连接，通过相应的软件来完成对信号的采集和数据

的分析，再控制小车的运行状态，以下为主程序流程图：

三、硬件各部分电路的用途和具体的电路工作原理分析

3.1 传感器电路

P3 接光电对管，P12 接运放集成芯片，P6 接 20K 的滑动变阻器。四号管和三号管脚之间是光电发射管，一号和二号管脚之间是光电接受管。其中 R3 起限流作用，当有光反射回来时，光电接受管导通，电阻 R6 的下端变为低电平，经 LM324 比较器后输出高电平，约为 4.6V。当检测到黑线时光电发射管的光被黑线吸收因此接受管接受不到光线，下端变为高电平， LM324 比较器后输出 R6 经低电平，约为 0.6V。AT89S52 单片机通过查询与光电检测器相连接的端口，若该端口是为低电平就是检测到黑线，否则为白线，通过软件编程，AT89S52 单片机进一步对步进电机做出控制。通过改变 P6 的电阻的阻值可以方便的调整比较器的参考电压，从而调整光电检测器的检测范围。

3.2 步进电机工作原理

直流电机虽然有转动力矩大，体积小，速度快，价

格低，具有很好的调速特性，过载能力强等优点，但其精度不高，不能精确定位。而步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。其显著特点是具有快速启动和停止能力。本实验采用四相八拍反应式步进电机，其典型结构图如图所示。它共有 5 个接线端，其中 1 个为 12V 电源输入端，其它 4 个为控制端，接线方式如

图所示。其工作原理为：当 A 绕组接通脉冲电流时，在磁力作用下使 A 相的定、转子对齐，相邻的 B 相和 D 相的定、转子小齿错开。若换成 B 相通电，则磁力使 B 相定、转子小齿对齐，而与 B 相相邻的 A、C 相的定、转子小齿又错开，从而使得步进电机转过一个步距角。若按 A→B→C→D→A……规律循环通电，则步进电机按一定的方向转动。若通电顺序改为 A→D→C→B→A……，则电机反向转动。在实现上，只需要按一定的时钟周期（不小于 1.25ms，对应频率不高于 800Hz）往这 4 个控制端循环输出一组固定的控制字即可。当反转控制字输出顺序或改变接线顺序，即可使转动反向。当输出一个固定的控制字时，步进电机将停止转动。

反应式步进机结构图

步进电机接线图

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2.a、b、c 所示

a. 单四拍 b. 双四拍 c 八拍

步进电机需要一个驱动电路，可以采用 ULN2803 作为控制器与步进电机的接口，并由之提供步进电机的驱动。ULN2803 的内部原理图和应用电路图如下两图所示。

RD0 RD1 RD2 RD3 RD4 RD5 RD6 RD7 GND

1 2 3 4 5 6 7 8 9

IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 IN8 GND ULN2803

OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 OUT6 OUT7 OUT8 VCC

18 17 16 15 14 13 12 11 10

OUTPUTA1 OUTPUTA2 OUTPUTA3 OUTPUTA4 OUTPUTB1 OUTPUTB2 OUTPUTB3 OUTPUTB4 +12V C17 104

+12V

ULN2803 内部原理图

ULN2803 应用电路图

3.3 驱动电路

步进电机驱动芯片采取的是 ULN2803 提高了 CPU 以及相应系统 I/O 口流量，从而增加了单片机的驱动能力，在其输出口加 10K 上拉电阻提高电压，输入端口与 AT89S52 单片机 P0 口相接。P22， P23 插针分别接左右步进电机。

3.4 晶振电路和复位电路

AT89C52 单片机的复位是有外部复位电路来实现的。本系统的复位电路可同时实现上电自动复位和按键手动复位。上电瞬间电容 C4 导通完成对 AT89C52 的自动复位，在程序运行过程中如需复位则通过按

下按键 S1 即可实现手动加电复位。单片机的时钟信号用来提供单片机内各种操作的时间基准。AT89C52 单片机的时钟信号可以用两种方式得到，即外部振荡方式和内部振荡方式。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，于是本实验我们采用内部时钟振荡方式，其时钟电路如下图：

电容器 C1、C2 起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般为 10～40pF（本实验我们采用的是 30pF）。晶振 Y1 频率采用的是 11.0592MHz。单片机以晶体振荡器的振荡周期为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。振荡频率 2 分频后形成状态周期或 s 周期，所以，1 个状态周期包含有 2 个机器周期。振荡频率（f）分频后形成机器周期 MC。 12 所以，个机器周期包含 6 个状态周期或 12 个振荡周期。 1 AT89S52 单片机中，各条指令都在 1 个到 4 个机器周期之内完成。对于本实验，单片机外接晶振频率为 11.0592MHz，则振荡周期＝1/f＝0.090422 µ s ，一个机器周期为 1.085069 µ s 。

3．5 电源电路

电源电路采用 7805 来进行稳压，把电压从 12 伏变为 5 伏。 AT89C52 以及光电检测电路使用。供 C7，C9 用于滤波，滤除电路中的高频分量，使得频率得到稳定。12 伏直接用于步进电机和电机驱动供电，5V 用于其他模块的供电

3、6 软件程序

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar code str[]={0xe7,0xc3,0xdb,0x99,0xbd,0x3c,0x7e,0x66};//初始化数组初始化数组 uchar code right[]={0xe0,0xc0,0xd0,0x90,0xb0,0x30,0x70,0x60}; uchar code left[]={0x07,0x03,0x0b,0x09,0x0d,0x0c,0x0e,0x06}; uchar t; uint i; void delay(uint z) { /**延时 1.25ms **/ 延时 uint j,x; for(x=z;x>0;x--) for(j=0;j

/***左转 ***/ 左转 void left(){ i=0; while(i

} /***右转 ***/ 右转 void right(){ i=0; while(i

实验结果四. 实验结果

4.1 调试

（1）硬件部分焊接完成后，首先进行的调试是用数字万用表测量各个电路是否焊接正

常，是否有虚焊漏焊等现象的出现，以及各个电容是否是正常的未被击穿状态、电阻的阻值是否与设计的原理图上的一致。接通+12V 电源，用数字万用表测量当有+5V 的各引脚是否有+5V 的电压，测量电路中是否出现了不该有的短路现象。接入 3 个寻迹的光电检测器，使各个光电检测器的光电对管靠近白纸，观察对应的发光二极管是否发光，发光表示正常，否则有硬件问题在具体的调试过程中，在接上 12V 电源后 ULN2803 总是发热过快，并且烫得很。我们就先断开所有模块，只测试电源模块并测量电压，结果表明电压输入输出都稳定，并且 ULN2803 无异常工作状态。通过替代法，发现就是 ULN2803 烧毁了，更换后问题得以解决。（2）软件部分软件部分参照了其他 51 单片机的一些程序，结合自身硬件电路的特点进行编程，没有遇到太

大的问题。

4.2 误差分析 4.2 误差分析

此实验中存在着一定的误差，对误差的分析有以下几方面: (1)寻迹方面的误差我们所用的小车 3 个用于寻迹的光电检测器中左和中、中和右这两者之间的间隔不相等，且固定不是非常牢固。而且外界光源如太阳光会对实验结果照成比较大的影响（小车在太阳光下完全不听使唤，其光噪声影响过大）。 (2)时钟误差在延时过程中,由于我们采用的是 C 语言编程,忽略了语句执行所耗的时钟周期.但由于这些误差只是在 us 级别,并且延时的误差对于整个循迹过程影响不大,所以可以不考虑该误差。

4.3 实验结果

实验结果如符合实验要求，小车按照黑胶布轨迹前进，其完全如此段代码所示 case 0x18: right();break; case 0x0C: left();break; case 0x10: right();break; case 0x04: left();break; case 0x14: straight(); //左转 00011000 //右转 00001100 //右转 00010000 //左转 00000100 //直走 00010100

当右端光电对管接收到黑线，其他为白线时，小车左拐；左端光电对管接收到白线，其他为黑线时，小车左拐；右端为白线，其他为黑线时，小车右拐；左端为白线，其他为黑线时，小车左拐；中间位黑线，其他为白线时，小车直走前进。从而就可以完成对黑胶布的循迹功能。

四、附录

4．1 电路原理图

4.2 印刷电路板布局图

4.3 电路板实物图

4.4 小车实物图

电