智能循跡小車(chē)

目錄Q.摘 要： 錯(cuò)誤!未定義書(shū)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(chē)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23.1.2 比較器 LM324K介33.1.3 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(chē)總體設(shè)計(jì) 7.3.5.1 總體電路圖錯(cuò)誤!未定義書(shū)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(chē)循跡流程圖8.4.4 中斷程序流程圖 1.04.5 單片機(jī)測(cè)序1.15 .參考資料1.1智能循跡小車(chē)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(chē)，使小車(chē)能夠自動(dòng)檢測(cè)地面黑色軌跡，并沿著黑色車(chē)軌跡行駛。系統(tǒng)方案方框圖如圖1-1所示。檢測(cè)（黑線(xiàn)）一軟件控制 f驅(qū)動(dòng)電機(jī)*控制小車(chē)圖1-1系統(tǒng)方案方框圖2 .系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1 小車(chē)循跡原理這里的循跡是指小車(chē)在白色地板上循黑線(xiàn)行走， 由于黑線(xiàn)和白色地板對(duì)光線(xiàn) 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(xiàn)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(chē)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(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線(xiàn)則紅外光被吸 收，小車(chē)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(xiàn)的位置和小車(chē)的行走路線(xiàn)。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(chē)控制系統(tǒng)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LM3243、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(lèi)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(xiàn)檢測(cè)的測(cè)試中，若檢測(cè)到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線(xiàn)沒(méi)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(xiàn)，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(mǎn)足要求。判斷有無(wú)黑線(xiàn)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L(zhǎng)M32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 330V, 或正負(fù)雙電源± 1. 5V±15VU乍。在黑線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)。圖3-5 傳感器模塊電路圖3.1.4 傳感器安裝在小車(chē)具體的循跡行走過(guò)程中，將紅外傳感器放置在車(chē)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(chē)前方循跡傳感器全部在一條直線(xiàn)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)方向控制傳感器， 并且黑線(xiàn)同一邊的兩個(gè)傳感 器之間的寬度不得大于黑線(xiàn)的寬度。 小車(chē)前進(jìn)時(shí)，始終保持軌跡黑線(xiàn)在中間兩個(gè) 第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車(chē)偏離黑線(xiàn)時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線(xiàn)，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(chē)軌跡予以糾正。 若小 車(chē)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(chē)會(huì)繼續(xù)行走；若小車(chē)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(chē)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(chē)循跡的可靠性。3.2 控制器模塊采用Atmel公司的AT89C51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(xiě)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(xiàn)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12MHZ2）采用按鍵復(fù)位XTAL2RSTNE E-SMAIEA01-4567 11 ,fl fl fl fl rfj 1 .1 p p p p p p p pPii AT'fl PO VAD1 P0二華口管PO 4iy>D4 PO *'AL'5 PO 5/AD6 PO.HADTP2 0/ASPS 1/A& P2 2/A10P2 >A nP2 1/A12 P2 HAi3 P2 的 14 P2 了伊 FP3C.-RXD P3 1HXD P3.2flNrrr P-.i'iNTlP3 4ZT0PS5TT17 G/V7PP3 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(chē)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，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(chē) 輪直徑為6cm,則小車(chē)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(mǎn)足系統(tǒng)的要求。3.4.2 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊采用專(zhuān)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。ENA111510+ VSSSENSFASENSEB1N1IN2IN40UT2OUT4GXDENAIN2電機(jī)運(yùn)行情況HHL臊H1H反轉(zhuǎn)HNM快研止LXX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(chē)總體設(shè)計(jì)3.5.1 系統(tǒng)總體說(shuō)明當(dāng)光電傳感器開(kāi)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(chē)進(jìn)入尋 跡模式，即開(kāi)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(chē) 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(kāi)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(kāi)電源，并根據(jù) 需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”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(chēng)為“開(kāi)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(xiàn)性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線(xiàn)性關(guān)系。4.2 總體軟件流程圖小車(chē)進(jìn)入尋跡模式后，即開(kāi)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)的信號(hào)發(fā)送 給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車(chē)的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖 4-1所示：4.3 小車(chē)循跡流程圖小車(chē)進(jìn)入循跡模式后，即開(kāi)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(xiàn)，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(xiàn)，即小車(chē)左半部分壓到黑線(xiàn)，車(chē)身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車(chē)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(xiàn)，即車(chē)身右半部壓住黑線(xiàn)，小車(chē)向左 偏出了軌跡，則應(yīng)使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車(chē)再繼續(xù)向前行走， 并繼續(xù)探測(cè)黑線(xiàn)重復(fù)上述動(dòng)作。循跡流程圖如圖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(chē)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(chē)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<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*電機(jī)控制端口 */ sbit in1=P2A7;sbit in2=P2A6; /* 左電機(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) */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)%256;EA=1;/總中斷開(kāi)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=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(200);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;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*500usenb=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，2009.22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;2010.33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