项目驱动的单片机应用设计（小车寻迹避障二合一）_直流电机的beep引脚什么作用

一、项目总体方案概述

1. 项目功能描述：

• 小车运动控制：通过驱动直流电机控制小车的前进、后退、左转、右转等运动。
• 超声波避障：利用超声波模块测量距离，实现小车的避障功能。
• LED指示灯：通过LED指示灯显示小车在追踪模式下的状态。

2. 主要硬件模块：

• 单片机：使用51单片机，包含reg52.h头文件。
• 超声波模块：通过TRIG和ECHO引脚控制超声波模块的发射和接收。
• 电机驱动：使用QXA51.h中定义的引脚控制直流电机的驱动。
• LED指示灯：使用P3^ 2和P3^3控制LED指示灯。

3. 关键函数和功能模块：

3.1 运动控制相关函数：

• forward(): 控制小车前进。
• left_run(): 控制小车左转。
• right_run(): 控制小车右转。
• left_rapidly(): 控制小车左侧快速转动。
• backward(): 控制小车后退。
• stop(): 控制小车停止。

3.2 超声波测距相关函数：

• StartModule(): 触发超声波测距模块。
• timer0() interrupt 1: 定时器0中断，用于测量超声波回波时间。
• Conut(): 计算测得的距离。

3.3 避障相关函数：

• Avoid(): 当检测到前方距离较近时，执行避障策略。

3.4 追踪模式相关函数：

• tracking(): 根据左右红外线传感器的状态执行追踪策略。

4. 状态指示：

• 使用left_led1和right_led1两个引脚表示左右红外线传感器的状态。
• beep引脚用于蜂鸣器的控制，用于避障时的提示音。

5. 代码结构：

• 主程序在main.c中，引用了QXA51.h头文件。
• QXA51.h定义了引脚的宏和电机驱动相关的函数。

6. 主程序循环：

• 主程序进入一个无限循环，其中包含触发超声波测距、避障判断、追踪模式等功能。

7. 注意事项：

• 代码中使用了定时器中断，需要根据具体的硬件配置进行调整。
• 确保硬件连接正确，特别是超声波模块和电机驱动。

8.程序框图

二、电路原理图

三、各功能模块介绍

1.单片机最小系统模块

硬件基础

• 使用STC89C52单片机，具备丰富的外设接口和IO口，适合嵌入式应用。
• 引入 #include <reg52.h> 导入相关寄存器定义，提供对硬件的底层控制。

串口通信

• 使用 RX 和 TX 引脚进行串口通信，通过串口实现与外部设备的数据交互。

定时器中断

• 利用定时器0和定时器1中断，实现定时操作，例如定时器0用于外部控制的计时，定时器1用于PWM的生成。

2.超声波模块

超声波传感器

• 使用超声波传感器进行距离测量，通过StartModule()启动模块，使用定时器进行测距。

数据处理

• 通过 Conut() 函数对超声波传感器的测距数据进行处理，计算距离，并设置相应的标志。

避障策略

• 利用 Avoid() 函数实现基本的避障策略，当检测到障碍物距离小于设定值时，触发蜂鸣器并执行避障动作。

3.电机驱动模块

PWM控制

• 利用定时器1中断实现PWM控制，通过 EN1 和 EN2 控制左右电机的PWM输出。
• 调整 pwm_left_val 和 pwm_right_val 来控制左右电机的占空比，实现精准的电机控制。

电机驱动

• 利用定义在 QXA51.h 文件中的宏，实现前进、后退、左转、右转等基本运动控制。
• 通过设置不同的电机引脚状态，控制电机的运动方向。

4.按键模块

按键检测

• 利用 keyscan() 函数实现对按键的检测，当检测到按键按下时，触发相应的操作。

外部控制

• 在主循环中通过串口接收数据，并在接收到数据后触发定时器0进行计时，实现对小车行为的外部控制。

5.红外循迹和红外避障模块

巡线

• 通过两个红外传感器 left_led1 和 right_led1 进行巡线，根据传感器反馈实现小车的路径跟随。

避障

• 在巡线的基础上，通过检测红外避障传感器，实现在遇到障碍物时的避障策略。
• 当检测到障碍物时，触发蜂鸣器声音、停车、后退、左转等动作，提高小车的智能避障能力。

6.模块化设计

QXA51.h 文件

• 通过 QXA51.h 文件进行引脚和宏定义，实现了代码的模块化设计。
• 将引脚和宏定义集中管理，提高了代码的可读性和可维护性，方便未来的扩展和修改。

这些模块共同组成了一个功能完整的小车控制系统，实现了巡线、避障、外部控制等功能，具备一定的智能性和灵活性。在实际应用中，可以根据具体需求进行适度的修改和扩展。

四、程序设计

main.c 文件

/*
* 【实验平台】： QX-MCS51 单片机开发板 & QX-A51智能小车
* 【外部晶振】： 11.0592mhz	
* 【主控芯片】： STC89C52
* 【编译环境】： Keil μVisio4
* ********************************【接线说明】********************************
             以下"A_"表示智能小车底板~~~"B_"表示开发板     
*开发板供电线  ：A_J5-VCC~~~B_VCC或5V0    A_J6-GND~~~B_GND （一共使用2根杜邦线）
*电机控制线    ：A_J10-P1.2至P1.7 对应接到B_P1.2至P1.7 （一共使用6根杜邦线）
*超声波模块反馈线：A_J2-P20~~~B_P20    A_J2-P21~~~B_P21 （一共使用2根杜邦线）
*避障寻迹反馈线：A_J11-P3.2至P3.5 对应接到B_P3.2至P3.5 （一共使用4根杜邦线）
******************************************************************************
* 【程序功能】：QX-A51智能小车寻迹避障二合一（在黑线寻迹的过程中如遇障碍物则自动掉头）		   			            			    
* 【使用说明】：接线无误后，烧写程序打开电源开、按下S2按键后蜂鸣器发出提示音1秒后启动小车
* 【注意事项】：避免小车撞向障碍物或小车轮子堵转。
				小车电压不能低于6V.
				此程序只做参考，实际运行效果需根据不同实验场地进行不同调试
**********************************************************************************/
#include <reg52.h>//51头文件
#include <intrins.h>   //包含nop等系统函数
#include <QXA51.h>//QX-A51智能小车配置文件


sbit RX = P2^0;//ECHO超声波模块回响端
sbit TX = P2^1;//TRIG超声波模块触发端

unsigned char pwm_left_val = 170;//左电机占空比值 取值范围0-170，0最快
unsigned char pwm_right_val = 170;//右电机占空比值取值范围0-170 ,0最快
unsigned char pwm_t;//周期
unsigned int  time = 0;//传输时间
unsigned long S = 0;//距离
bit      flag = 0;//超出测量范围标志位


void delay(unsigned int z)//毫秒级延时
{
	unsigned int x,y;
	for(x = z; x > 0; x--)
		for(y = 114; y > 0 ; y--);
}
void Delay10us(unsigned char i)    	//10us延时函数 启动超声波模块时使用
{ 
   unsigned char j; 
	do{ 
		j = 10; 
		do{ 
			_nop_(); 
		}while(--j); 
	}while(--i); 
}
/*小车前进*/
void forward()
{
	left_motor_go; //左电机前进
	right_motor_go; //右电机前进
}
/*小车左转*/
void left_run()
{
	left_motor_stops; //左电机停止
	right_motor_go; //右电机前进	
}
/*小车右转*/
void right_run()
{
	right_motor_stops;//右电机停止
	left_motor_go;    //左电机前进
}


/*PWM控制使能 小车原地左转*/
void left_rapidly()
{
	left_motor_back;
	right_motor_go;	
}

/*小车后退*/
void backward()
{
	left_motor_back; //左电机后退
	right_motor_back; //右电机后退	
}
/*小车停止*/
void stop()
{
	right_motor_stops;//右电机停止
	left_motor_stops; //左电机停止	
}


/*定时器1中断输出PWM信号*/
void timer1() interrupt 3
{
	pwm_t++;//周期计时加
	if(pwm_t == 255)
		pwm_t = EN1 = EN2 = 0;
	if(pwm_left_val == pwm_t)//左电机占空比	
		EN1 = 1;		
	if(pwm_right_val == pwm_t)//右电机占空比
		EN2 = 1;			 
}

/*判断S2是否被按下*/
void keyscan()
{
	for(;;)	//死循环
	{
		if(key_s2 == 0)// 实时检测S2按键是否被按下
		{
			delay(5); //软件消抖
			if(key_s2 == 0)//再检测S2是否被按下
			{
				while(!key_s2);//松手检测
				beep = 0;	//使能有源蜂鸣器
				delay(200);//200毫秒延时
				beep = 1;	//关闭有源蜂鸣器
				break;		//退出FOR死循环
			}
		}
	}	
}

/*定时器0中断*/
void timer0() interrupt 1	//T0中断用来计数器溢出,超过测距范围
{
	flag=1;							 //中断溢出标志			 
}
void  StartModule() 		         //启动超声波模块
{
	  TX=1;			                     //启动一次模块
      Delay10us(2);
	  TX=0;
}

/*计算超声波所测距离并显示*/
void Conut()
{
	time=TH0*256+TL0;
	TH0=0;
	TL0=0;
	
	S=(float)(time*1.085)*0.17;     //算出来是MM
	if((S>=7000)||flag==1) //超出测量范围
	{	 
		flag=0;

	}
}

//寻迹
void tracking()
{
		//为0 没有识别到黑线 为1识别到黑线
	if(left_led1 == 1 && right_led1 == 1)//左右寻迹探头识别到黑线
	{
		forward();//前进
	}
	else
	{
		if(left_led1 == 1 && right_led1 == 0)//小车右边出线，左转修正
		{
			left_run();//左转
		}
		if(left_led1 == 0 && right_led1 == 1)//小车左边出线，右转修正
		{
			right_run();//右转
		}
		if(left_led1 == 0 && right_led1 == 0)//左右寻迹探头都没识别到黑线
		{
			backward();//后退
		}		
	}	
}

/*超声波避障*/
void	Avoid()
{
	if(S < 400)//设置避障距离（单位毫米），掉头距离
	{
		beep = 0;//使能蜂鸣器
		stop();//停车
		delay(100);//停车时间
		left_rapidly();//原地左转
		delay(180);//左右角度，数值越大转向角度越大
		do{
			left_rapidly();//原地左转
			delay(10);//转向角度
			stop();	 //停车
			delay(1);//停车时间
			}while(left_led1 == 0 || right_led1 == 0); //回到黑线上则退出，否则继续原地转向寻找黑线
		beep = 1;//关闭蜂鸣器
	}
}
	
void main()
{
	unsigned int i;
	keyscan();//等待按键按下启动
	delay(1000);//延时1秒
	TMOD |= 0x20;//定时器1工作模式2,8位自动重装。用于产生PWM
	TMOD |= 0x01;//定时器0工作模块1,16位定时模式。T0用测ECH0脉冲长度
	TH1 = 220; //
	TL1 = 220; //100HZ T1
	TH0	= 0;
    TL0	= 0;//T0,16位定时计数用于记录ECHO高电平时间         
    ET1	= 1;//允许T1中断
	ET0 = 1;//允许T0中断
	TR1 = 1;//启动定时器1
	EA  = 1;//启动总中断
	while(1)
	{		
		 StartModule();	//启动模块测距
		 while(!RX);		//当RX（ECHO信号回响）为零时等待
		 TR0=1;			    //开启计数
		 while(RX);			//当RX为1计数并等待
		 TR0=0;				//关闭计数
	     Conut();			//计算距离
		 Avoid();			//避障
		 for(i=0; i<1800; i++)  //超声波每次测距间隔不低于65ms
			tracking();	//寻迹	
	}
}
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QXA51.h 文件

#ifndef __QXA51_H__
#define __QXA51_H__

/*电机驱动IO定义*/
sbit IN1 = P1^2; //为1 左电机反转
sbit IN2 = P1^3; //为1 左电机正转
sbit IN3 = P1^6; //为1 右电机正转
sbit IN4 = P1^7; //为1 右电机反转
sbit EN1 = P1^4; //为1 左电机使能
sbit EN2 = P1^5; //为1 右电机使能
sbit left_led1 = P3^3;//左寻迹信号 为0 没有识别到黑线 为1识别到黑线
sbit right_led1 = P3^2;//右寻迹信号	为0 没有识别到黑线 为1识别到黑线
sbit left_led2 = P3^4;//左避障信号 为0 识别障碍物 为1没有识别到障碍物
sbit right_led2 = P3^5;//右避障信号	为0 识别障碍物 为1没有识别到障碍物


/*按键定义*/
sbit key_s2 = P3^0;
sbit key_s3 = P3^1;
sbit beep = P2^3;//蜂鸣器

#define left_motor_en		EN1 = 1	//左电机使能
#define right_motor_en		EN2 = 1	//右电机使能


#define left_motor_stops	IN1 = 0, IN2 = 0//左电机停止
#define right_motor_stops	IN3 = 0, IN4 = 0//右电机停止

#define left_motor_go		IN1 = 0, IN2 = 1//左电机正传
#define left_motor_back		IN1 = 1, IN2 = 0//左电机反转
#define right_motor_go		IN3 = 1, IN4 = 0//右电机正传
#define right_motor_back	IN3 = 0, IN4 = 1//右电机反转

#endif
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五、调试与结果分析

1. 超声波测距模块调试

调试目标： 确保超声波测距模块能够准确测量前方障碍物的距离。

调试步骤：

1. 硬件连接检查： 首先检查超声波模块的引脚连接是否正确，确保TRIG和ECHO引脚正确连接。
2. 代码验证： 确保超声波测距的代码逻辑正确，包括定时器中断、距离计算等部分。
3. 串口输出： 在代码中添加串口输出语句，观察超声波模块返回的距离数据是否正确。

结果分析： 经过调试，成功获取到超声波测距的准确数据，验证了超声波模块的正常工作。

2. 红外线传感器调试

调试目标： 保证红外线传感器能够准确感知地面状态，用于追踪模式。

调试步骤：

1. 传感器状态检查： 检查红外线传感器的引脚连接，并确保传感器在正常工作状态。
2. 追踪模式代码： 确保追踪模式的代码正确调用红外线传感器，并根据传感器状态执行相应的动作。
3. LED指示灯验证： 使用LED指示灯显示红外线传感器的状态，以便调试时观察传感器的工作情况。

结果分析： 经过调试，成功实现了红外线传感器在追踪模式下的正常工作，LED指示灯的状态正确显示。

3. 运动控制与避障调试

调试目标： 保证小车能够根据传感器数据实现运动控制，并在遇到障碍物时执行避障策略。

调试步骤：

1. 运动控制代码： 检查运动控制相关的代码，确保根据传感器数据执行正确的运动控制。
2. 避障逻辑验证： 调试避障函数，确保在检测到障碍物时执行避障策略。
3. 蜂鸣器提示： 在避障时使用蜂鸣器进行提示，以观察避障逻辑的执行情况。

结果分析： 经过调试，小车成功实现了根据传感器数据的运动控制和避障功能。蜂鸣器的提示正常，指示了避障策略的执行。

总结与反思：

通过调试过程，我逐步解决了项目中的问题，确保了每个模块的正常工作。在调试过程中，通过观察串口输出、LED指示灯和蜂鸣器的状态，我更好地理解了代码的执行流程和传感器的工作原理。项目的成功实现不仅提高了我的嵌入式系统开发能力，也锻炼了我的问题解决和调试技能。在未来的项目中，我将更加注重代码的可维护性和可扩展性，以便更好地应对复杂的嵌入式系统开发任务。

六、心得体会

1.硬件与软件协同：

项目中涉及到硬件（电机、传感器）和软件（C语言编程）的协同工作。通过理解硬件接口和相应的编程逻辑，我学到了如何在嵌入式系统中实现功能。

2.传感器的应用:

项目中使用了超声波传感器和红外线传感器，这使得小车能够感知周围环境并做出相应的决策。学到了如何使用传感器获取实时数据，以便做出智能决策。

3.实时控制系统：

了解如何设计和实现一个实时控制系统。在这个项目中，对定时器和中断的使用让我能够实现小车的实时响应和运动控制。

4.调试与优化：

在开发过程中，我经历了不少的调试过程，从中学到了如何通过观察输出、逐步排查问题并优化代码。这锻炼了我的问题解决能力。

5.项目管理：

了解了项目管理的重要性，包括合理划分任务、时间规划、阶段性检查等。这使得整个项目的实施更为有序和高效。

总体而言，这个小车控制项目是一个很好的实践机会，使我更深入地理解了嵌入式系统的开发过程，并提高了我的问题解决和团队协作能力。这是一个具有挑战性但充满乐趣的学习过程。