智能循跡小車

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1、目錄 Q.. 摘 要： 錯(cuò)誤!未定義書簽。 1 .任務(wù)及要求 1.. 1.1 任務(wù) 1.. 2 .系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 1.. 2.1 小車循跡原理 1.. 2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2. 3 .系統(tǒng)方案 2.. 3.1 尋跡傳感器模塊 2. 3.1.1 紅外傳感器ST188簡(jiǎn)介 2 3.1.2 比較器 LM324K介 3 3.1.3 具體電路 3. 3.1.4 傳感器安裝 4. 3.2 控制器模塊 4. 3.3 電源模塊 5. 3.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 5. 3.4.1 電機(jī) 5. 3.4.2 驅(qū)動(dòng) 6. 3.5 自動(dòng)循跡小車總體設(shè)計(jì) 7. 3.5.1 總體

2、電路圖 錯(cuò)誤!未定義書簽。 3.5.2 系統(tǒng)總體說(shuō)明 7. 4 .軟件設(shè)計(jì) 7.. 4.1 PWM 控制 7.. 4.2 總體軟件流程圖 8. 4.3 小車循跡流程圖 8. 4.4 中斷程序流程圖 1.0 4.5 單片機(jī)測(cè)序 1.1 5 .參考資料 1.1 智能循跡小車 小組成員：韋韜，林紹輝，吳尚平 1 .任務(wù)及要求 1.1 任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)基于直流電機(jī)的自動(dòng)尋跡小車，使小車能夠自動(dòng)檢測(cè)地面黑色軌跡，并沿著黑 色車軌跡行駛。系統(tǒng)方案方框圖如圖 1-1所示。 檢測(cè)（黑線）一軟件控制 f 驅(qū)動(dòng)電機(jī) *控制小車 圖1-1系統(tǒng)方案方框圖 2 .系統(tǒng)

3、設(shè)計(jì)方案 2.1 小車循跡原理 這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走， 由于黑線和白色地板對(duì)光線 的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路” 。通常采取的 方法是紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的 特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光， 當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板 時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸 收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依 據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限， 2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)

4、由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。 世圖 1、主控制電路模塊：用 AT89C51I片機(jī)、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路 2、紅外檢測(cè)模塊：光電傳感器 ST188,比較器LM324 3、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊：電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N兩個(gè)直流電機(jī) 4、電源模塊：9V干電池。 3 .系統(tǒng)方案 3.1 尋跡傳感器模塊 STS列反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。這個(gè)系列的傳感器種類齊 全、價(jià)格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。 我們采用ST188乍為紅外檢測(cè)傳感器。 在黑線檢測(cè)的測(cè)試中，若檢測(cè)到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射

5、的紅外線沒有反射到 接收管，測(cè)量接收管的電壓為4. 8V ,若檢測(cè)到黑色區(qū)域，接收管接受到發(fā)射管 發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化， 測(cè)的接收管的 電壓為0. 5V,測(cè)試基本滿足要求。 判斷有無(wú)黑線我們用的一塊比較器LM324 比較基準(zhǔn)電壓由30K勺變阻器調(diào) 節(jié)，各個(gè)接收管的參數(shù)都不一致，每個(gè)傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡相同， 我們 為每個(gè)傳感器配備了 一個(gè)變阻器。 3.1.1 紅外傳感器ST188簡(jiǎn)介 含一個(gè)反射模塊（發(fā)光二極管）和一個(gè)接收模塊（光敏三極管）。通過(guò)發(fā)射 紅外信號(hào)，看接收信號(hào)變化判斷檢測(cè)物體狀態(tài)的變化。 A、K之間接發(fā)光二極管, G E之間接光

6、敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻） 圖3-1 ST188實(shí)物圖 ? 國(guó)怎口 ? ?早甲軍 口口匚口"：川媼 底視圖 1；部電路 圖3-2 ST188管腳圖及內(nèi)部電路 3.1.2 比較器LM324簡(jiǎn)介 LM32妁四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放 大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源 3?30V, 或正負(fù)雙電源± 1. 5V?±15VU乍。 在黑線檢測(cè)電路中用來(lái)確定紅外接收信號(hào)電平的高低， 以電平高低判定黑線 圖3-3 LM324內(nèi)部電路 C反相輸入端） （同相輸入端】0 圖3-4 集成運(yùn)放的管腳圖

7、 有無(wú)。在電路中，LM324勺一個(gè)輸入端需接滑動(dòng)變阻器，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的 阻值來(lái)提供合適的比較電壓。 3.1.3 具體電路 通過(guò)ST188僉測(cè)黑線，輸出接收到的信號(hào)給LM324,接收電壓與比較電壓比 較后，輸出信號(hào)變?yōu)楦叩碗娖?，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測(cè)到黑線。 圖3-5 傳感器模塊電路圖 3.1.4 傳感器安裝 在小車具體的循跡行走過(guò)程中，將紅外傳感器放置在車頭前方，提前對(duì)路 況采集信息，再由單片機(jī)控制兩輪轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制， 提高其循跡的 可靠性。 小車前方循跡傳感器全部在一條直線上。其中中間連個(gè)傳感器為第一級(jí)方 向控制傳感器，旁邊兩個(gè)為第二級(jí)方向控

8、制傳感器， 并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感 器之間的寬度不得大于黑線的寬度。 小車前進(jìn)時(shí)，始終保持軌跡黑線在中間兩個(gè) 第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè) 的信號(hào)送單片機(jī)處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。 若小 車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由 于慣性過(guò)大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)探 測(cè)器動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去。可以看出，第 二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。 3.2 控制器模塊 采用Atmel公司的AT89C51

9、單片機(jī)作為主控制器。它是一個(gè)低功耗，高性 能的8位單片機(jī)，片內(nèi)含32k空間的可反復(fù)擦寫100,000次Flash只讀存儲(chǔ)器，具有4K的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM ）, 32個(gè)I/O 口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì) 數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 如圖3-7 （與單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)） 1）采用外部時(shí)鐘，晶振頻率為12MHZ 2）采用按鍵復(fù)位 XTAL2 RST N E E-S MAIEA 01-^^4567 11 ,fl— fl— fl— fl— rfj 1 .1— p p p p p p p p Pii ^AT'fl PO VA

10、D1 P0二華口管 PO 4iy>D4 PO *'AL'5 PO 5/AD6 PO.HADT P2 0/AS PS 1/A& P2 2/A10 P2 >A n P2 1/A12 P2 HAi3 P2 的 14 P2 了伊 F P3C.-RXD P3 1HXD P3.2flNrrr P-.i'iNTl P3 4ZT0 PS5TT1 7 G/V7P P3 7/RD 圖3-7時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 3.3 電源模塊 采用6節(jié)1.5V南孚電池供電?？梢怨┙o小車正常行駛。 3.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 3.4.1 電機(jī) 電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，

11、裝 配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速） 齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。 可選用減速比為1: 74的直流電機(jī)，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 100r/min 。若車 輪直徑為6cm,則小車的最大速度可以達(dá)到 V=2 < v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s 能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。 3.4.2 驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片 L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N是一個(gè)具有高電 壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，具響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電 機(jī)。以下為L(zhǎng)298N的引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。 ENA 11 15 10 + V

12、SS SENSFA SENSEB 1N1 IN2 IN4 0UT2 OUT4 GXD ENA IN2 電機(jī)運(yùn)行情況 H H L 臊 H 1 H 反轉(zhuǎn) H N M 快研止 L X X 停止 圖3-9 L298N外部引腳 表2 L298N輸入輸出關(guān)系 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3-10所示: 圖3-10 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 L298N的5、7、10、12四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就 可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM0速控制。 3.5 自動(dòng)循跡小車總體設(shè)計(jì) 3.5.1 系統(tǒng)總體說(shuō)明 當(dāng)光電傳感器

13、開始接受信號(hào)，通過(guò)比較器將信號(hào)傳如單片機(jī)中。小車進(jìn)入尋 跡模式，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片 I/O 口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O 口 有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車 的狀態(tài)。單片機(jī)采用T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，通過(guò)來(lái)產(chǎn)生PW峽,控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 4 .軟件設(shè)計(jì) 4.1 PWM控制 本系統(tǒng)采用PWM調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度。PWM通過(guò)控制固定電壓的直流電源 開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。 PWM以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。 在PWM動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開電源，并根據(jù) 需要改

14、變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上 電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,PWIMC 被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 在脈沖彳^用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要 按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。 本系統(tǒng)中通過(guò)控制51單片機(jī)的定時(shí)器T0的初值，從而可以實(shí)現(xiàn)P0.4和P0.5 輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如 0.1ms）中斷一 次，就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。 將直流電機(jī)的速度分為100 個(gè)等級(jí)，因此一個(gè)周期就有個(gè)100脈沖，周期為100個(gè)脈沖

15、的時(shí)間。速度等級(jí)對(duì) 應(yīng)一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù)。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù)占一個(gè)周期總脈沖個(gè) 數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個(gè)周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。 占空比越 大，加在電機(jī)兩端的電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占 空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時(shí)，就可以得到不同的電 機(jī)平均速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。精確地講，平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的 線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。 4.2 總體軟件流程圖 小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片 I/O 口, 且檢測(cè)到某個(gè)I/O 口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)

16、的信號(hào)發(fā)送 給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖 4-1所示： 4.3 小車循跡流程圖 小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī) I/O 口, 且檢測(cè)到某個(gè)I/O 口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一 個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線， 即 小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一 級(jí)傳感器或右面第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左 偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走， 并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。循跡流程圖如圖

17、 4-2所示 由于第二級(jí)方向控制為第一級(jí)的后備，則兩個(gè)等級(jí)間的轉(zhuǎn)向力度必須相互 配合。第二級(jí)通常是在超出第一級(jí)的控制范圍的情況下發(fā)生作用， 它也是最后一 層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來(lái)， 則通常使第二級(jí)轉(zhuǎn)向力度大 于第一級(jí)， 即 Turn_left2 > Turn_left1,Turn_right2 > Turn_right1 （ 其中 Turn_left2 , Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1 為小車轉(zhuǎn)向力度，其大 小通過(guò)改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來(lái)改變），具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。 4.4 中斷程序流程圖 這里

18、利用的是51單片機(jī)的T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，從而讓單片機(jī) P0 口的P0.4和 P0.5引腳輸出占空比不同的方波，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后控制直流電機(jī)。定時(shí) 計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如0.1ms）比如中斷一次,就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電 平或低電平。中斷程序流程圖如圖 4-3所小 4.5 單片機(jī)測(cè)序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int //*********** 電機(jī)控制端口 ************// sbit in1=P2A7; sbit in2=P2A6; //*** 左電

19、機(jī) **7/ sbit ena=P2A1； sbit in3=P2A5; sbit in4=P2A4; //*** 右電機(jī) ***// sbit enb=P2AQ; //******* 傳感器檢測(cè)端 口 ***********// sbit L_1=P1A0; 〃左內(nèi)傳感器〃 sbit L_2=P1A1； // 左外傳感器 // sbit R_1=PW2; 〃右內(nèi)傳感器〃 sbit R_2=PW3; 〃右外傳感器〃 uchar i,j; uint w0,w1; uint p1; //uint k=0; //**********1 毫秒延時(shí)函數(shù) *************//

20、 void delay(uint z) //延時(shí)一毫秒 uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); //*********** 定時(shí)器初始化函數(shù) ************// void chuhua (void) TMOD=0x11; TH0=(65535-100)/256; TL0=(65535-100)%256; TH1=(65535-100)/256; TL1=(65535-100)%

21、256; EA=1; //總中斷開 ET0=1; //定時(shí)器T0中斷 TR0=1; //允許T0中斷 ET1=1; //定時(shí)器T1中斷 TR1=1; ena=1; enb=1; //允許T1中斷 //******* 主函數(shù) *******// void main(void) chuhua(); in1=1; in2=0; in3=1; in4=0; while(1) p1=P1|0xf0; // if(p1==0xf0) // k++; switch(pl) ( case 0xff: //未檢測(cè)到黑帶直行 ( w0=11; w1=

22、11; ) break; case 0xfe: //左大拐彎 ( w0=1; w1=12; ) break; case 0xf7: //右大拐彎 ( w0=12; w1=1; ) break; case 0xfd: //左小拐彎 ( w0=4; w1=9; ) break; case 0xfb: //右小拐彎 ( w0=9; w1=4; ) break; /* case 0xf0: //加減速帶 ( if(k==1) w0=25; w1=18; delay(2

23、00); w0=7; w1=7; delay(200); w0=11; w1=11; ) break; */ ) ) ) //********** 定時(shí)器T0中斷服務(wù)函數(shù)**********// void t0(void) interrupt 1 〃定時(shí)器T0用來(lái)對(duì)左電機(jī)的調(diào)節(jié) ( TH0=(65535-500)/256; //定時(shí)器重裝初值 TL0=(65535-500)%256;

24、 i++； if(i==w0) //PWM 波的占空比 W0/21*100% ( ena=0; } else if(i==21) //PWM 波的周期為 21*500us ( ena=1; i=0; //* ******** 定時(shí)器T1中斷服務(wù)函數(shù)***************// void t1(void) interrupt 3 〃定時(shí)器T1用來(lái)對(duì)左電機(jī)的調(diào)節(jié) ( TH1=(65535-500)/256; //定時(shí)器重裝初值 TL1=(65535-500)%256; j++; if(j==w1) //PWM 波的占空比 W1/21*100% ( enb=0; ) else if(j==21) //PWM 波的周期為 21*500us enb=1; j=0; ) }5.參考資料 [1]徐煜名，C51單片機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社，2009.2 [2]金建設(shè) 于曉海；C51單片機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用試驗(yàn)教程；北京郵電大學(xué)出版社; 2010.3 [3]單成祥 牛彥文 張春.傳感器原理與應(yīng)用.國(guó)防工業(yè)出版社2006.9