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基于51单片机的物体追踪和遥控车的实现(王威)

烟台大学自动化专业生产实习

基于51单片机的物体追踪/遥控车

设

计

报

告

姓名：王威

班级：082-1

其他队员：裴夏青、雷帅、陈如峰

日期：2011.7.11

一、前言-----------------------------------------------------------

二、系统功能及器件选择--------------------------------------

三、图片资料-----------------------------------------------------

四、I/O分配硬件及连接示意图-------------------------------

五、相关模块的功能简介及其在系统中具体使用--------

六、功能实现示意图----------------------------------------------

七、调试中发现的一些问题及解决方法--------------------

八、讲座有感

九、结束语

一、前言

系统的灵感来源于我在网上看的一个叫“光影魔术手”的设计作品，它可以实现与手的同步前进和后退，看着相当炫，当时仔细想想其中的原理，觉得自己也可以设计作品实现同样的功能，恰好生产实习给了我这样一次机会。在想通原理之后，硬件的选用其实已经比较清晰了，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，在与队员一起讨论，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，最后确定并购买了相关的器件，我们从零开始熟悉开发环境、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，为此次生产实习画上一个圆满的句号。

二、系统功能及器件选择

1、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，小车可以与物体始终保持设定的距离，实现与手（或其它物体）同步运动，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。

2、器件选择

首先回答这个问题：为什么功能模块采用网购而不是自己焊接电路？

作品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，有人说买的就怎么怎么样，其实我觉得不然：

⑴因为我们现在还不是拥有设计电路能力的那个人，那如果是粘了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。

⑵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我觉得没有太大价值，而且本次设计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。

⑶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。

⑷从经济方面考虑，其实并没有想象中经济性那么差，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，与干电池串联使用）、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、中断等与传统的8051基本兼容，非常容易掌握，也很适合小车的实时控制。

后来证明，这个借来的底盘很好用，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输入与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7.2-12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，后来用旧电池与干电池串联供电，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，光这两样花费就在300以上，所以我们考虑了一下就放弃了。

三、图片资料

整车图片

整车侧面图片

单片机最小系统板图片

超声波模块图片

红外接收管图片

电机驱动模块图片

四、 I/O 分配及硬件连接示意图

1、 I/O 分配如下：

IO 功能头文件定义

P1^1 超声波发送

使能端口 TX P0^0 电机正反转控制 In1 P1^2 超声波接收检测端口 RX P0^1 电机正反转控制 In2 P1^3 PWM 输出无 P0^2 转向控制 In3 P1^0 正转标志位 zheng P0^3 转向控制 In4 P1^7 反转标志位 Fan P1^4 剎停标志位 Ting P0

数码管数据端口无 P1^5

左右转向标志位、系统开关标志位

无

P2^0-3 数码管驱动

无

P1^6 同上

无

（注：最小系统板上P1口连接了LED ）

2、系统硬件连接图如下：

五、相关模块的功能简介及其在系统中的具体应用。

1、PCA模块及其在系统中的应用

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，P1^3）.

PWM就是脉宽调制，就是可以通过设置参数，输出任意占空比的方波，这些高电平时间不一的方波经过电机驱动电路（双桥整流）可以输出大小的不同的电流，用于电机调速。

PCA模块的时钟源可以选择是来自于系统时钟的几分频还是来源于定时器，系统中采用了1/12的系统时钟源频率。因为PWM是8位的，所以PWM输出的波形频率是PCA时钟/256。

PWM的占空比调节是比较器的作用，当计数值CL小于设定值CCAPnL时（单片机的计数与定时器均是加计数）输出为低电平，当计数值超过时，输出高电平，所以我们可以通过设置CCAPnL来改变占空比。（因为每次溢出均需要重新赋值，所以同时给CCPAnH赋相同的值）。

与之相关的特殊功能寄存器寄存器有CCON、COMD、CCAPM0、CCAP0L、CCAP0H.。

系统中用pwminit();对该模块进行初始化，程序中改变占空比用pwm_set()给CCAP0H和CCAP0L赋不同值，用于驱动电机。

PWM模块的工作原理图如下。

2、定时器模块及其在系统当中的应用

STC12C5A60S2拥有4个定时器模块，其中定时器0和1与传统的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P3^4,P3^5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。

与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。

3、中断模块及其在系统中的应用

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（P3^2/P3^3）、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interrupt x编写中断服务子程序（不用声明）。

系统中红外模块用到了外部中断INT0（下降沿触发），其原理是红外发射器将按键码按0和1调制成不同周期长度的红外波形，红外接收头将这些波形接收后调制成不同周期长度的方波，每个每个下降沿都将触发外部中断，中断服务子程序中取一个计数值以确定其周

期长度，进而知道它是0是1。

4、IO模块及其在系统中的应用。

STC12C5A60S2比传统的8051增添了P4和P5两个端口，系统中均未对IO口进行初始化，即工作在默认的双向模式。2v以上为高电平，0.8v一下为低电平，每个口的驱动能力都在20mA以上，但要求总体不超过120mA.因为P1口接了LED所以被当作标志位用的较多。P0口是数码管的数据端口，P20-3是数码管数据端口，详细内容参见上文中的I/O分配图。(数码管的使用是先用P0口发送8位译码数据，然后用P2口发送4位控制信号，点亮四个数码管中的一个，LED与P1口直接连接，低电平的时候点亮LED，而且具有自保持功能)。

5、超声波模块、电机驱动模块、红外模块的使用

超声波模块有TX,RX,VCC,两个GND共计5个端口，使用5V 电压供电，系统中使用最小系统板上的5v电压输出。工作时：当TX 端口收到一个持续时间在10us以上的脉冲，超声波模块将发射一组特定超声波，并RX置1超声波遇到障碍物反射回来，当接收装置收到反射回来的信号，将RX置0。系统设计中我们将TX与RX分别与I0口连接，用I0口发送10us以上脉冲，同时将定时器打开，并开始检测RX，当RX为0时停止计数，取出计数值并计算距离。

电机驱动模块输入为7.2-12v电压，同时IN1和IN2可以控制out1和Out2所接电机的正反转，IN3和IN4可以控制out3和ou4所接电机的正反转。10为正转，01为反转，00停止，11剎停。其中ena 和enb可以控制输出的电流大小，若用短路帽与+5v短接，则是全整流，若与PWM线连接则使用占空比整流。系统中，IN1和IN2控制电机，并用PWM（P1^3）控制电流以调速。IN3和IN4控制转向电机，使用ENB和5v短接。

红外发射器将按键码按0和1调制成不同周期长度的红外波形，红外接收头将这些波形接收后调制成不同周期长度的方波，每个每个下降沿都将触发外部中断，中断服务子程序中取一个计数值以确定其周期长度，进而知道它是0是1。发送的信息中包括前导码、识别码、用户码、用户反码（用于校验），其中信息接收完毕且正确后（IROK=1），32位信息均存储在IM数组中，我们需要的码值在IM 【2】中，取出来判断要进行的操作即可。其中我们用到的键码有：

按键功能键码按键功能键码

开机系统开0x09 右箭头右转0x1e

声音开关系统关0x03 Ok键舵机摆正0x05

上箭头前进0x0e 左三角红外模式0x0c

下箭头后退0x1a 右三角物体追踪0x02

左箭头左转0x0a Pause键剎停0x54

六、系统功能实现示意图

七、调试中发现的一些问题及解决的方法。

首先在调试的过程当中在一些小错误中学到了不少零碎的知识，如：复用引脚第二功能优先、LED自保持、IO口不如不初始化直接工作在双向模式、在各个模块连接的时候一定要共地，在开发环境下中断服务子程序的写法、单片机头文件的写法等。一些小问题的解决比如头文件缺少、复杂，PWM赋值函数适应PID，超声波由于IO端

口问题问题不能数码管显示距离（P2口换到P1口）、舵机在超声波模式剧烈震动（在每次判断误差时让IN3/IN4归零）、在PID运算中加入微分之后，震荡更加厉害（数组求差值求反了），当然有时也犯诸如线忘了插、键值写错的很低级的错误，但是经过一步步排查总能找出来，遇到比较大的问题有：

1、单片机在工作的过程当中总是死机？必须重启才能工作，而

且死机愈加频繁…

在超声波模块调试过程中我们发现了这个问题，我们首先从程序中查找错误，用了之前已经调试通过的简单程序，工作一段时间后还是会死机，我们把注意力转移到硬件上，在反复排查后，我们把问题锁定在了单片机电压上，经过测试，我们发现电机工作一段时间后，由电机驱动输送给单片机的电压降到了3.5V以下，单片机复位，停止工作。我们的解决方法是用了三节干电池串联主电池。问题暂时得到解决。当我们加上红外遥控，两个电机一起工作的时候，同样的问题再次出现，我们决定串联四节干电池，并且给单片机用7805稳压（直接接电池电压），问题得到基本解决。因为7805要求电压在5v 以上，所以在系统长时间工作的情况下单片机还是会复位。

2、系统不能进行功能切换，而且在一个模式下工作极不稳定？

在开始进行两个模块的程序整合的时候，总是不能相互切换，而且在红外模式下工作很不稳定，按关机键一次就可以彻底关机，经过排查，我们发现红外取值有效的标志位IROK=1之后，判断并执行完一步之后，没有清零，导致程序中一直读取IM【2】中的数据（乱

码），而且关机键之后在IROK=1的情况下，数组中的0x03可以直接让系统停止工作。在每次键值判断之后都给IROK清零之后，问题得到了圆满的解决。

八、讲座有感

第一个讲座东方电子的刘总给我们介绍了物联网的应用和他的广阔前景，在IBM大力倡导建设“智慧的地球”的前提下，中国的物联网事业也快速起步，山东也规划了物联网发展的计划，但是我国目前主要的芯片还是不能自己生产，主要是做后期设计和系统集成，讲座上刘总主要介绍了RFID电子标签的应用，这也是东方电子的强项。RFID电子标签在仓储管理、物流追踪、零售业、交通管理、机场应用、智能图书馆、医院婴儿防盗、身份证、防伪、动物识别、敌我识别方面有着广泛的应用，通过东方电子在烟台港等几个地方的实际项目，我们深切的体会到物联网已经走到了我们生活中的各个角落。最后刘总定义了什么是物联网：人与人，物与物、物与人之间，永远在相互感知，信息实时互动，分享随时发生，它就是信息化的深度应用。

第二个讲座数学院的吴老师，给我的第一印象就是他相当的诚恳，特别是最后一个同学问问题，他不了解的内容就一句都不多说，话语间透着谦逊和语重心长。他所讲解的主要内容是控制科学领域的大家和他们的成长历程、所获的成就，这对于我们中立志在自动化领域做出杰出贡献，要成为大家的同学具有很好的指导意义，同时也很励志。维纳、钱学森、陈翰馥、郭雷、彭实戈、朱位秋等大家的成长

历程告诉我们：控制科学是横断学科，不光要精通控制理论，而且要博学，特别是数学好有很大的优势，郭老师说的好，计算机往上走，跟数学是一家子。我们还晓得了，中国科学院院士要比中国工程院的院士值钱的多，真正搞工程厉害的不在中科院自动化研究所，在系统所，要成为IEEEE FELLOW很不容易。最后吴老师给我们讲了一下他的成长历程，我觉得很励志，三次高考失败、读专科、回本村教书、七年后考取研究生、博士，看起来比实际年龄要大很多很多。最后，一句很实在的话：人无远虑，必有近忧。很受用。

九、结束语

首先感谢老师的指导和支持，给我们这次实现自己想法的机会，并给我们提供了实验室和必要的实验条件。小帅帅、夏青、峰哥，合作愉快，你们真的很给力。

附：系统程序：

//******************************系统功能说明************************************************

/*接通电源后，按下开机键，单片机进入模式选择状态，按左三角键进入（超声波）物体追踪模式，小车可以与

物体始终保持设定的距离，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，此时按关机键，直接关机，必须按开机键才能重新选择*/

//1111**************************IO分配详细说明**********************************************

//系统IO分配

//p1_1、p1-2，超声波模块发送和接受信号线tx rx

//p1_3，pwm输出线

//p1_0、p1_7，电机正反转的标志位zheng fan