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swritingandfinallycircuitwelding,thedebuggingprocess,finalresultsofthecompletedtotheintelligentrecognitionsystemdesignofthecartrafficlightsallprocesses.
ThisdesignUSEStheTCS230colorsensorsascolorrecognitionofthesensor,throughtothetrafficlightcolorchecktomakesurethecardrivingconditions.ThroughthesinglechipmicrocomputertothecolorofthesensorsignalSTC89C52collectionandprocessingcontrolthecardriveontheright.Inthispaperfirstlydescribestheintelligence
KEYWORDS:
colorsensors;
Intelligentcar;
STC89C52
绪论
1.1引言
1.1.1颜色识别系统的发展现状
颜色识别是新兴的测控技术,普通的工业应用如材料分拣,商标识别等已广泛应用。
但高精密的颜色识别技术仍掌握在少数发达国家如美国,日本手中。
我国在机器人视觉系统方面已取得了举世瞩目的成就,但在摄取数码影像,高分辨率的颜色识别方面仍缺乏自主研发的能力。
随着颜色传感器的广泛应用,颜色识别技术已成为仪器自动化,智能化的重要组成部分,发展前景十分广阔。
1.1.2颜色识别系统的背景及意义
颜色识别兴起的时间较晚,但在实时检测系统及自动控制方面具有重要意义,单片机及微机的引入提高了颜色识别的速度及智能化程度。
国内与国外尚存在较大差距,识别的精度,灵敏度,颜色范围,快速性成为颜色识别的主要问题。
深入研究传统颜色识别系统十分必要,同时对国外先进的颜色识别仪器进行了解,可以在某种程度上给我们以启示。
颜色识别在现代生产中的应用越来越广泛,无论是遥感技术,工业过程控制,材料分拣识别,图像处理,产品质检,机器人视觉系统,还是某些模糊的探测系统都需要对颜色进行探测,而颜色传感器的飞速发展,生产过程中长期由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被颜色传感器所替代。
为这上述应用的自动化实现提供了可能。
1.2颜色识别系统相关技术发展现状
1.3本文结构
本论文是在确定此次设计的功能和要实现的功能后,将具体工作分为了硬件部分和软件部分。
其中硬件部分又分为车道识别模块,数据处理模块,小车驱动模块,电源模块。
最后对这些功能模块的设计和实现、最终系统调试的说明。
论文分为七个大章:
第1章,绪论,对颜色识别系统的背景、发展等进行简单的描述;
第2章,介绍了本系统的硬件选择方案和一些器件的简单描述,最后着重介绍了颜色识别电路和小车的驱动电路;
第3章,从本系统的软件设计出发,描述了软件的设计流程及一些子函数;
第4章,从系统的调试方面简单介绍了在制作过程中进行的一些需要注意的问题及他们的调试方法、过程;
第5章,总结及感想;
第二章硬件系统设计
2.1硬件设计总体方案
小车部分采用STC89C52单片机作为主控制器,红绿灯识别电路使用集成的TCS230颜色传感器,主体由玩具电动车改装而成。
通过TCS230检测红绿灯状态,反馈回单片机,单片机处理返回数据后做出是否继续前行的指令
红绿灯设计:
该系统也是由STC89C52单片机作为主控制器,用LED发光二极管发出红色和绿色来模拟交通灯的状态。
小车识别红绿灯的流程如图2-1所示:
图2-1小车识别交通灯流程
2.2硬件模块设计及元件简介
2.2.1主控制器模块
凌阳系列单片机可以实现各种复杂的逻辑功能,模块大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减少了体积,提高了稳定性。
凌阳系列单片机提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。
凌阳系列单片机具有功能强、效率高的指令系统:
μ’nSPTM的指令系统的指令格式紧凑,执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。
低功耗、低电压:
μ’nSPTM家族采用CMOS制造工艺,同时增加了软件激发的弱振方式,空闲方式和掉电方式,极大地降低了其功耗,另外,μ’nSPTM家族的工作电压范围大,能在低电压供电时正常工作,且能用电池供电,这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz,6T/12T可选。
综上所述,凌阳单片机虽然性能更好,但价格比较昂贵,且本设计不需要很复杂的运算,所以本设计选用更便宜,更易用的STC89C52单片机。
图2-2STC89C52单片机引脚图
单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。
片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、PWM等模块。
(一)STC89C52主要功能、性能参数如下:
(1)内置标准51内核,机器周期:
增强型为6时钟,普通型为12时钟;
(2)工作频率范围:
0~40MHZ,相当于普通8051的0~80MHZ;
(3)STC89C52RC对应Flash空间:
4KB;
(4)内部存储器(RAM):
512B;
(5)定时器\计数器:
3个16位;
(6)通用异步通信口(UART)1个;
(7)中断源:
8个;
(8)有ISP(在系统可编程)\IAP(在应用可编程),无需专用编程器\仿真器;
(9)通用I\O口:
32\36个;
(10)工作电压:
3.8~5.5V;
(11)外形封装:
40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。
(二)STC89C52单片机的引脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式,即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据,而是把端口锁存器的内容读入到内部总线,经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。
这是由硬件自动完成的,不需要我们操心,1然后再实行读引脚操作,否则就可能读入出错,为什么看上面的图,如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1,该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1,也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。
若先执行置1操作,则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入,由于在输入操作时还必须附加一个准备动作,所以这类I/O口被称为准双向口。
89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。
接下来让我们再看另一个问题,从图中可以看出这四个端口还有一个差别,除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
(三)STC89C52单片机最小系统:
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件,能使单片机始终处于正常的运行状态。
电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件,可以将最小系统作为应用系统的核心部分,通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等,使单片机完成较复杂的功能。
STC89C52是片内有ROM/EPROM的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用STC89C52单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,结构如图2-3所示,由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
图2-3单片机最小系统原理框图
(1)时钟电路
STC89C52单片机的时钟信号通常有两种方式产生:
一是内部时钟方式,二是外部时钟方式。
内部时钟方式如图2-4所示。
在STC89C52单片机内部有一振荡电路,只要在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接石英晶体(简称晶振),就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。
图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振,电容值在5~30pF,典型值为30pF。
晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择,典型值为12MHz和6MHz。
图2-4STC89C52内部时钟电路
(2)复位电路
当在STC89C52单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时,单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平,单片机就处于循环复位状态)。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST(9)端与电源Vcc接通而实现的。
按键手动复位电路见图2-5。
时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF,R取10kΩ。
图2-5STC89C52复位电路
(四)STC89C52中断技术概述
中断技术主要用于实时监测与控制,要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求,并作出快速响应、及时处理。
这是由片内的中断系统来实现的。
当中断请求源发出中断请求时,如果中断请求被允许,单片机暂时中止当前正在执行的主程序,转到中断服务处理程序处理中断服务请求。
中断服务处理程序处理完中断服务请求后,再回到原来被中止的程序之处(断点),继续执行被中断的主程序。
图2-6为整个中断响应和处理过程。
图2-6中断响应和处理过程
如果单片机没有中断系统,单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。
采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象,大大地提高了单片机的工作效率和实时性。
(五)STC89C52中断系统结构
(1)中断系统结构图如图2-7所示。
图2-7STC89C52的中断系统结构示意图
中断系统有5个中断请求源(简称中断源),两个中断优先级,可实现两级中断服务程序嵌套。
每一中断源可用软件独立控制为允许中断或关中断状态,中断优先级均可用软件来设置。
由图2-7可见,STC89C52中断系统共有5个中断请求源:
①
——外部中断请求0,中断请求信号由
引脚输入,中断请求标志为IE0。
②
——外部中断请求1,中断请求信号由
引脚输入,中断请求标志为IE1。
③定时器/计数器T0计数溢出发出的中断请求,中断请求标志为TF0。
④定时器/计数器T1计数溢出发出的中断请求,中断请求标志为TF1。
⑤串行口中断请求,中断请求标志为发送中断TI或接收中断RI。
(2)中断请求标志寄存器
5个中断请求源的中断请求标志分别由TCON和SCON的相应位锁存。
(六)TCON寄存器
为定时器/计数器的控制寄存器,字节地址为88H,可位寻址。
特殊功能寄存器TCON的格式如表2-1所示。
表2-1特殊功能寄存器TCON的格式
TCON各标志位功能如下:
①TF1—定时器/计数器T1的溢出中断请求标志位。
当T1计数产生溢出时,由硬件使TF1置“1”,向CPU申请中断。
CPU响应TF1中断时,TF1标志由硬件自动清“0”,TF1也可由软件清“0”。
②TF0—定时器/计数器T0的溢出中断请求标志位,功能与TF1类似。
③IE1—外部中断请求1的中断请求标志位。
④IE0—外部中断请求0中断请求标志位,功能与IE1类似。
⑤IT1—选择外部中断请求1为跳沿触发还是电平触发。
IT1=0,电平触发方式,引脚上低电平有效,并把IE1置“1”。
转向中断服务程序时,由硬件自动把IE1清“0”。
⑥IT1=1,跳沿触发方式,加到引脚上的外部中断请求输入信号电平从高到低的负跳变有效,并把IE1置“1”。
⑦IT0—选择外部中断请求0为跳沿触发方式还是电平触发方式,其意义与IT1类似。
注:
STC89C52复位后,TCON被清“0”,5个中断源的中断请求标志均为0。
(七)SCON寄存器
串行口控制寄存器,字节地址为98H,可位寻址。
低二位锁存串行口的发送中断和接收中断的中断请求标志TI和RI,格式如表2-2所示。
表2-2SCON中的中断请求标志位
各标志位的功能:
①TI—串行口的发送中断请求标志位。
每发送完一帧串行数据后,TI自动置“1”。
TI标志必须由软件清“0”。
②RI—串行口接收中断请求标志位。
串行口接收完一个串行数据帧,硬件自动使RI中断请求标志置“1”。
必须在中断服务程序中用指令对RI清“0”。
(八)中断允许寄存器IE
STC89C52的对各中断源的开放或屏蔽,是由中断允许寄存器IE控制的。
IE字节地址为A8H,可位寻址,格式如表2-3所示。
表2-3中断允许寄存器IE的格式
IE对中断的开放和关闭实现两级控制。
有一个总的开关中断控制位EA(IE.7位),
EA=0时,所有的中断请求被屏蔽;
EA=1时,开放中断,但5个中断源的中断请求是否允许,还要由IE中的低5位所对应的5个中断请求允许控制位的状态来决定。
IE中各位功能如下:
①EA—中断允许总开关控制位。
EA=0,所有的中断请求被屏蔽。
EA=1,所有的中断请求被开放。
②ES——串行口中断允许位。
ES=0,禁止串行口中断。
ES=1,允许串行口中断。
③ET1——定时器/计数器T1的溢出中断允许位。
ET1=0,禁止T1溢出中断。
ET1=1,允许T1溢出中断。
④EX1——外部中断1中断允许位。
EX1=0,禁止外部中断1中断。
EX1=1,允许外部中断1中断。
⑤ET0——定时器/计数器T0的溢出中断允许位。
ET0=0,禁止T0溢出中断。
ET0=1,允许T0溢出中断。
⑥EX0——外部中断0中断允许位。
EX0=0,禁止外部中断0中断。
EX0=1,允许外部中断0中断。
2.2.2颜色识别模块
采用摄像头进行红绿灯颜色的识别,这种方案识别比较准确,但是摄像头成本较高,且操作、使用和程序控制过于复杂,暂不适合用于本设计。
TCS230是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的传感器。
该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点;
输出为数字量,可直接与微处理器连接。
因为其接口简单,控制容易,程序容易编写,所以本设计选用TCS230颜色传感器检测红绿灯状态。
(一)TCS230简介
随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展,生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。
例如:
图书馆使用颜色区分对文献进行分类,能够极大地提高排架管理和统计等工作;
在包装行业,产生包装利用不同的颜色和装潢来表示其不同的性质或用途。
目前的颜色传感器通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、蓝滤波片,然后对输出信号进行相应的处理,才能将颜色信号识别出来;
有的将两者集合起来,但是输出模拟信号,需要一个A/D电路进行采集,对该信号进一步处理,才能进行识别,增加了电路的复杂性,并且存在较大的识别误差,影响了识别的效果。
TAOS(TexasAdvancedOptoelectronicSolutions)公司最新推出的颜色传感器TCS230,不仅能够实现颜色的识别与检测,与以前的颜色传感器相比,还具有许多优良的新特性。
(二)TCS230的结构框图与特点
TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器,它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上,同时在
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