基于51单片机的智能物体追踪和遥控车的设计报告
智能物体追踪/遥控车的设计报告（团队制作-雷帅、王威、裴夏青、陈如峰）烟台大学自动化专业生产实习智能物体追踪/遥控车设计报告姓名：雷帅班级：计082-1学号：200825502103其他队员：裴夏青、王威、陈如峰指导老师：郭卫平日期：2011.7.13目录一、 前言-二、 小车功能-三、 元器件选择-四、 I/O分配及硬件连接简图-五、 相关模块、算法-六、 系统框图-七、 调试过程-八、 小车图片资料-九、 讲座所感-十、 实习总结-一、 前言感谢生产实习能给我们这次实现自己想法的机会，虽然实验条件异常简陋、资金投入非常有限，但是我们总算是克服了种种困难让我们的小车闪亮登场了，实现了既定的目标，享受了发现问题和解决问题的乐趣。顺利结题的主要原因是队友们都很给力啊,我感觉我是抱到大腿了-王威，夏青、峰哥，团队气氛非常好，大家一起讨论，一起分工研究模块，最后一起解决问题调试程序，而且是不同的组合在不同阶段解决了不同的问题，大家精诚合作，各显身手，在奋战中给大三学年画上了圆满的句号。之前我们本来商量是不是可以拿往年电子设计大赛的题目过来做，如果难度太大就算只实现一部分功能也算是成功完成了，结果研究一天后发现电子设计大赛的题目需要很长时间的知识积累啊，基本上都是准备一个月以上然后开工的，后来王威提议要不我们做个小车吧，超声波测距实现自动物体追踪，控制核心采用单片机，传感器采用广泛用于避障和测距的超声波传感器，前进和后退用普通伺服电机和电机驱动模块实现。在网上选购单片机最小系统的时候，发现有一家商铺的最小系统上集成了红外模块，就想着不要浪费了，就萌生了做遥控车的想法，这样系统可以实现两个功能一个是类似于“光影魔术手”一样的物体追踪功能，一个是遥控运行功能。组队之后，我们一起讨论，从原理上进行可行性分析，最后一致讨论通过，然后就分组从网上搜集相关的资料，最后周一在淘宝上确定并购买了相关的器件，周三上午收到元器件，下午我们从零开始熟悉开发环境keil uvision3、翻看器件的技术文档、搞懂模块原理及使用方法、模块的编程调试、系统功能编程调试、系统程序整合、装车、系统功能优化。这是一个发现问题和解决问题的过程，乐趣也正在于此，我们相信一切问题皆有解决的方法，我们队员四个克服种种困难最终实现了既定的系统的功能，并且在找到带有舵机新车后添加了转弯功能，实在是意外之喜。二、 小车具体功能1、小车系统功能简述接通电源后，按下开机键，小车进入模式选择状态，按左三角键进入（超声波）物体追踪模式，小车可以和物体始终保持设定的距离，实现和手（或其它物体）同步运动，即小车随物体一起前进后退、加速减速，同时显示当下距离值。按右三角键进入红外遥控模式，可以遥控小车前进、后退、左转、右转、剎停。在两个模式下按关机键，可以终止当前模式，重新选择功能，终止当前模式后按关机键，彻底关机，必须按开机键系统才能重新工作。控制系统方框图：(1) 超声波测距追踪：设定距离PID电驱电机超声波传感器测量距离 (2) 红外遥控开环控制：红外发射红外接收单片机电驱电机/舵机三、元器件选择我们做的小车所用到的器件模块除了7805芯片稳压和一些基本的开关电路，主要的模块如单片机最小系统（含红外、数码管、LED电路）、超声波模块、电机驱动模块均是从网上购买。主要原因是我们电路设计能力还不足，现在还不是拥有设计电路能力的那个人，那如果是找到别人设计好的电路图然后自己买元件焊接，那么硬件电路其实就是一个体力活，失去了创新的意义。尽管硬件的焊接、调试其实也是一个比较有意思的过程，但是围着一个已经验证过功能电路团团转没有太大价值，而且我们这次生产实习的时间只有一个周多些，而且实验条件太有限，没有固定的实验室，甚至连示波器、直流电源、万用表、焊枪、螺丝刀等基本的实验条件都不能保证。我们要在短时间内实现更高的功能，就必须向硬件电路“借力”，把主要的经历放在软件调试上，硬件是“死”的，而可以把更多的想法诸如到软件中让单片机执行，以实现我们所要的功能，享受其中的乐趣。从经济方面考虑，最后算起来反而是购买比较便宜，量产的PCB电路有时是相当实惠的。如果单买单片机、面包板、LED、数码管、和一些诸如RS232 电平转换芯片、红外发射器、接收管等等。在按照电路图焊接的过程中相当费时费力费神，购置上述器件的花费也在30块钱以上，有些器件如电阻电容很便宜，不能单个购买，但是买多了又很浪费。而网购的最小系统板花费40元（虽然我们原来只想要最简单的有下载口的最小系统，发现了这个之后觉得划算就买了），上面已经将单片机（可插拔）、LED、数码管、红外模块集成，而且做好了USB下载口，并赠送了开发环境和相关例程、下载线。电机驱动模块更给力。我们本打算用两片7960芯片自己焊接驱动模块，然后用2576给单片机和超声波模块做稳压电源，这样的花费是相当大的，一片7960就要15块钱，2576的价格也在5元左右，这样整个下来就得50块钱左右，我们在网上发现了这个用L298N制作的电机驱动模块，它不但可以同时驱动两个伺服电机，还拥有一个5v稳压输出，还有PWM和全整流两种工作模式，价格是35元，所以我们果断买下了。超声波模块就没有疑问了，就算知道硬件电路图，买了器件其实在缺少相关设备的情况下调试起来也是非常困难的，我们经过货比三家，选了一个实用又比较实惠的模块。这样硬件电路置备妥当购置完备了，最小系统板、超声波模块、电机驱动模块、7805稳压芯片、4节干电池盒、由于资金限制，我们向智能汽车实验室借用了一个废旧电池（7v左右，和干电池串联使用）、电子设计留下的废旧车底盘。最小系统板可以兼容MCS-51系列单片机里的多种型号，我们没用自带的52RC而是采用了其中比较高端的STC12C5A60S2，（其实也就10块钱）它的指令执行周期更短，有AD、PCA模块（可以工作在PWM方式）、而且定时器、中断等和传统的8051基本兼容，非常容易掌握，也很适合小车的实时控制。小车本来我们想用三楼智能小车实验室废弃的小车底座，就是一个小车底座加上电机，只能简单的实现车的直线前进后退。后来偶然在创新实验室发现了另外一个小车，一试之下，发现这个小车底盘非常好用，本来我们都没打算在遥控的时候能实现转弯功能，因为用PWM控制的舵机太贵了，后来车上竟然发现了小的转向电机，我们眼前一亮，正好电机驱动可以驱动两路电机，就把ENB输入和5v短路，在用两个I/0直接控制这个简陋的“舵机”，阴差阳错的实现了遥控模式下的转弯功能。但是由于电机驱动要求输入电压在7.2v-12v之间，我们的旧电池很明显力不从心，导致出现了很多意外问题，耽误了不少进度，后来用旧电池和干电池串联供电，单片机采用7805单独稳压供电，虽然问题有点缓解，还是显得不够给力，新电池又比较贵，我们及将就着用了，这也是系统设计的一大遗憾。另一个遗憾就是没有实现物体的全方位追踪，只能实现前后方向的直线追踪，因为要实现转弯，超声波传感器就要求有多个，而且要求有能精确控制角度的PWM舵机，所借的小车转向角度不能控制，如果购置躲个超声波传感器和一个PWM舵机，花费就在300以上，所以我们考虑了一下就放弃了。四、I/O分配及硬件连接简图1、 I/O分配如下：IO功能头文件定义IO功能头文件定义P11超声波发送使能端口TXP00电机正反转控制In1P12超声波接收检测端口RXP01电机正反转控制In2P13PWM输出无P02转向控制In3P10正转标志位zhengP03转向控制In4P17反转标志位FanP14剎停标志位TingP0数码管数据端口无P15左右转向标志位、系统开关标志位无P20-3数码管驱动无P16同上无（注：最小系统板上P1口连接了LED）2、系统硬件连接简图：五、相关模块、算法 1.单片机最小系统：型号STC12C5A60S2，选用此型号的重要原因是它自带PWM功能，不同占空比的方波给L298N驱动芯片后能对电机实现调速。本系统使用的STC12C5A60S2功能模块有：定时器0红外解码用定时器1超声波测距用PWM电机调速用P0口数码管数据位P2_0 P2_1 P2_2 P2_3数码管使能P1口连接LED ，显示小车的不同状态外部中断1红外解码用2、PCA模块及其在系统中的使用STC12C5A60S2内部集成了两路可编程计数器阵列（PCA），每个模块均有软件定时器、外部脉冲捕捉、高速脉冲输出和PWM模块，也就是说这款单片机有两路PWM输出，分别在P1.3和P1.4。（我们只用了一路，P13）.3、定时器模块及其在系统当中的使用STC12C5A60S2拥有4个定时器模块，其中定时器0和1和传统的8051完全兼容（意思就是不光用法，连相关寄存器的地址也一样，这样开发环境中的52RC的头文件还是可以使用的），每个模块均可工作在定时器和计数器模式（通过P34,P35输入脉冲），定时器有四种工作方式：16位定时计数、13位定时计数、8位自动重装、两个8位计数。和之相关的特殊功能寄存器有：控制寄存器TCON（其中比较重要的是TF和TR分别是中断标志和计数开关，很奇怪的外部中断的设置IE IT也在该寄存器中）。工作模式设置寄存器TMOD（可以设置定时器还是计数器，工作于哪个方式？）TL,TH中装着当前计数值，非常重要。AUXR可以设置定时器方式下计数频率是等于系统时钟还是等于1/12系统时钟。系统中用到了定时器0和1，定时器0用于红外模块，通过外部中断测定信号周期（TL0/TH0）以确定其携带的信息是0还是1。定时器1用于超声波模块，测定从发出超声波到超声波返回之间经过的时间，乘以声速除以2来得到距离值。4、中断模块及其在系统中的使用中断是CPU处理外界紧急事件的机制，STC12C5A60S2拥有10个中断源，它们有规定好的优先级，有中断嵌套机制，可以对中断进行允许和屏蔽。中断采用两级控制模式，有总开关EA和寄存器中IE单独的开关(默认是0，即禁止)。10个中断中常用的是：定时器0、1；两个外部中断（P32/P33）、AD中断、串口中断，他们都有规定好的中断向量地址，使用那个中断就将总开关打开，在IE中将专用开关打开，对应中断号interr
