智能循跡小車(chē)報(bào)告[運(yùn)用學(xué)習(xí)]

1、電子信息專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課 程 電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)MCU部分實(shí)驗(yàn)題目 智能機(jī)器小車(chē)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)總分 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 地 點(diǎn) 分組 電子信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中心目錄一、摘要二、題目要求三、軟硬件設(shè)計(jì)方案四、各部分電路的作用及電路工作原理分析五、系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果七、拓展功能八、參考資料九、附錄一、摘要摘要:智能循跡小車(chē)主要由單片機(jī)模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊組成，小車(chē)具有自主尋跡的功能。本次設(shè)計(jì)我們采用STC89C52單片機(jī)作為控制芯片，傳感器模塊采用紅外光電對(duì)管和比較器實(shí)現(xiàn)，能夠識(shí)別黑白兩色路面，電機(jī)模塊由L293D芯片和兩

2、個(gè)減速直流電機(jī)構(gòu)成，組成了智能車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)，電源采用7.2V的直流電池，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)組裝，從而實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的自動(dòng)循跡的功能。 關(guān)鍵詞智能小車(chē)STC89C52單片機(jī)L293D芯片紅外光對(duì)管二、題目要求“智能尋跡機(jī)器小車(chē)設(shè)計(jì)”，要求采用MCS-51單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠識(shí)別并沿著以白底為道路色，寬度5mm左右的黑色膠帶制作的不規(guī)則的封閉曲線(xiàn)為引導(dǎo)軌跡行進(jìn)的智能尋跡機(jī)器小車(chē)。三、軟硬件設(shè)計(jì)方案1、硬件部分可分為四個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊。1.1、單片機(jī)模塊 單片機(jī)模塊為小車(chē)運(yùn)行的核心部件，起控制小車(chē)的所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。本次小車(chē)的設(shè)計(jì)我們小組采用的是ATMEL公司

3、的STC89C52RC單片機(jī)。STC89C52RC是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線(xiàn)可重復(fù)編程、快速擦除快速寫(xiě)入程序的存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫(xiě)入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。其程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是分開(kāi)的。STC89C52RC單片機(jī)介紹：上圖為STC89C52RC引腳圖。STC89C52RC引腳功能說(shuō)明：VCC（40引腳）：電源電壓VSS（20引腳）：接地P0端口（P0.0P0.7，3932引腳）：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載，對(duì)端口P0寫(xiě)入“1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也可以提供

4、低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線(xiàn)。此時(shí)，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在FlashROM編程時(shí)，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。P1端口（P1.0P1.7，18引腳）：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或者輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫(xiě)入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。P2端口（P2.0P2.7，2128引腳）：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式

5、）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫(xiě)入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。P2作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。P3端口（P3.0P3.7，1017引腳）：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫(xiě)入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P3做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸入一個(gè)電流。RST（9引腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效，用來(lái)完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作?？撮T(mén)狗計(jì)時(shí)完成后，

6、RST引腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無(wú)效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。30引腳：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時(shí)，此引腳也用作編程輸入脈沖。29引腳：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51RC從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。31引腳：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須接GND。XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端

7、。XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。1.2傳感器模塊 我們小組使用光電傳感器來(lái)采集路面信息。使用紅外光電對(duì)管，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，沒(méi)有復(fù)雜的圖像處理工作，因此反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間少。但也存在不足，它能獲取的信息是不完全的，容易受很多擾動(dòng)（如背景光源，高度等）的影響，抗干擾能力較差。但本次實(shí)驗(yàn)要求精度并不是太高，出于成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度方面考慮，我們決定采用紅外對(duì)管來(lái)完成傳感器模塊。 圖中僅以一對(duì)光電管示例1.3電機(jī)控制模塊 我們本次實(shí)驗(yàn)采用的是直流減速電機(jī)電機(jī)，其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確定位，可實(shí)現(xiàn)小車(chē)行進(jìn)過(guò)程的精確定位，驅(qū)動(dòng)部分我們則采用的是采用專(zhuān)用芯片L293D作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)

8、芯片其操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。一片L293D就可以分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)工作。1.4電源模塊 電源模塊的作用是給整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定供電以保持其正常工作，包括7.2V的電源以及轉(zhuǎn)5V部分，其中7.2V的是給步進(jìn)電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)供電，5V的用來(lái)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)及其他芯片。硬件各個(gè)部分的連接圖如下： 2、軟件部分 2.1程序流程圖本系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機(jī)，再根據(jù)硬件連接，通過(guò)相應(yīng)的軟件來(lái)完成對(duì)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的分析，再控制小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，以下為主程序流程圖：2.2程序設(shè)計(jì)思路2.2.1尋跡模塊程序通過(guò)傳感器獲得路面信息然后反饋給單片機(jī)，再通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序控制兩個(gè)

9、直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、停車(chē)等功能。4、 各部分電路的作用及電路工作原理分析 1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1.1、電機(jī)工作原理 本次我們的小車(chē)動(dòng)力部分采用的是直流減速電機(jī)，又叫齒輪減速電機(jī)，是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。這大大提高了，直流電機(jī)在自動(dòng)化行業(yè)中的使用率。減速電機(jī)是指減速機(jī)和電機(jī)（馬達(dá)）的集成體。這種集成體通常也可稱(chēng)為齒輪馬達(dá)或齒輪電機(jī)。通常由專(zhuān)業(yè)的減速機(jī)生產(chǎn)廠進(jìn)行集成組裝好后成套供貨。減速電機(jī)廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、機(jī)械行業(yè)等。使用減速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、節(jié)省空間。

10、 減速機(jī)部分： 主要有齒輪，軸承，蝸輪，蝸桿等。電機(jī)部分：定子：主磁極+換向極+機(jī)座+電刷裝置if轉(zhuǎn)子：電樞鐵心+電樞繞組+換向器+轉(zhuǎn)軸直流電機(jī)工作原理：直流電機(jī)是智能車(chē)行進(jìn)的動(dòng)力部件，它的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)給它加載直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，下面介紹它的工作原理。圖、電磁力方向左手定則判定圖直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和電刷組成。當(dāng)給電刷加一直流電壓，轉(zhuǎn)子上的繞組線(xiàn)圈中就有電流流過(guò)，由畢-薩電磁力定律可知：一個(gè)通電流的導(dǎo)體，在磁場(chǎng)中要受到力的作用，這個(gè)力叫電磁力。電磁力的大小由下式?jīng)Q定電磁力f=Bli電磁力方向由左手定則判定如圖4.1.1所示。根據(jù)畢-薩電磁力定律可知，當(dāng)磁密度和繞組線(xiàn)圈長(zhǎng)度一定時(shí)，電磁力的大小只和流

11、過(guò)繞組線(xiàn)圈的電流的大小有關(guān)圖4.1.2是直流電機(jī)分析物理模型圖，它表示了一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分（定子）由一對(duì)NS相對(duì)的永磁磁鐵和一對(duì)電刷組成，旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）則由電樞線(xiàn)圈繞組和一對(duì)相互隔離的圓弧形銅片做成的換向片組成，兩換向片分別接到電樞線(xiàn)圈繞組的A、B端，換向片與轉(zhuǎn)軸之間是互相絕緣的。定子與轉(zhuǎn)子之間要有一定的氣隙空間，流過(guò)轉(zhuǎn)子上電樞線(xiàn)圈繞組的電流由定子部分的電刷與換向片接觸導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電刷A與換向片A相接觸時(shí)如果我們通以正向電流，如圖4.2.2所示，電流從線(xiàn)圈繞組的A端流入，根據(jù)電磁力方 圖4.1.2向左手定則可知會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向左的切線(xiàn)方向的電磁力，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)

12、旋轉(zhuǎn)到90時(shí)，電刷A與換向片A脫離接觸而與換向片B接觸，同時(shí)電刷B也與換向片B脫離而與換向片A接觸，雖然電樞旋轉(zhuǎn)后電樞線(xiàn)圈繞組的位置發(fā)生了改變，但是由于換向片的作用，電流雖然是從電樞線(xiàn)圈繞組的B電流入，但是電流的方向沒(méi)有改變，根據(jù)電磁力方向左手定則，電磁力的方向依然是向左的切線(xiàn)方向，因此轉(zhuǎn)子在一直向左的電磁力的作用下就會(huì)不斷的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同理當(dāng)改變加載在換向片兩邊的電壓極性時(shí)，因?yàn)楦淖兞肆魅腚姍C(jī)繞組的電流方向，根據(jù)電磁力方向左手定則可知轉(zhuǎn)子會(huì)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如果加載在電機(jī)兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律流過(guò)電樞線(xiàn)圈繞組的電流就會(huì)增大，由畢-薩電磁力定律：電磁力f=Bli可知，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度一定

13、時(shí)，電磁力只和流過(guò)電樞線(xiàn)圈的電流有關(guān)，電流越大電磁力越大，那么電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快?，F(xiàn)在除了有刷電機(jī)外還有無(wú)刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)的原理和有刷的差不多，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是把把定子和轉(zhuǎn)子換了一個(gè)位置，轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，電刷由永磁體擔(dān)任，換向片由霍爾元件和換成了電子換向器組成。 1.2、驅(qū)動(dòng)部分原理及電路圖 L293D提供雙向驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)600毫安，電壓是從4.5V至36V的。兩個(gè)設(shè)備是專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)等感性負(fù)載繼電器，電磁閥，直流雙極步進(jìn)和馬達(dá)，也可以給其他高電流/高電壓提供電源負(fù)載。兼容所有的TTL輸入，每個(gè)輸出都是推拉式驅(qū)動(dòng)電路，與達(dá)林頓三極管和偽達(dá)林源。啟用1,2EN驅(qū)動(dòng)器和3,4EN驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)使能

14、輸入為高電平時(shí)，相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器被啟用和他們的輸出處于活動(dòng)狀態(tài)，并在其輸入端的同相。當(dāng)使能輸入為低，這些驅(qū)動(dòng)器被禁用其輸出關(guān)閉，在高阻抗?fàn)顟B(tài)。工作溫度是從0到70。L293D引腳和驅(qū)動(dòng)電路圖：L293D的輸入輸出部分原理圖如下：驅(qū)動(dòng)和電機(jī)相連接的電路圖如下(左邊引腳分別于單片機(jī)相應(yīng)引腳相連)。2、信號(hào)采集模塊智能小車(chē)在運(yùn)行之后是不需要人來(lái)操控的，因此信號(hào)采集模塊是非常重要的，本系統(tǒng)采用的是紅外對(duì)管來(lái)采集路面信息，紅外發(fā)射管會(huì)定時(shí)的發(fā)射紅外光，當(dāng)前面路面是黑色時(shí)，大部分的光被吸收，紅外接收管接收到微弱的發(fā)射信號(hào)，反饋給控制系統(tǒng)信號(hào)“1”，當(dāng)前面的路面是白色時(shí)，大部分的光被反射，紅外接收管接收到較強(qiáng)

15、的信號(hào)，反饋給控制系統(tǒng)信號(hào)”0”，這樣就通過(guò)傳感器系統(tǒng)收集到了路面信息，接下來(lái)由信號(hào)處理系統(tǒng)來(lái)分析處理,從而判斷小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況。傳感器部分電路原理圖如下所示：紅外發(fā)射接收管的電路連接裝配圖：LM393雙電壓比較器集成電路內(nèi)部原理圖： 3、信號(hào)處理模塊檢測(cè)到白色路面的紅外接收頭處理后送出的是低電平（“0”），而檢測(cè)到黑色路線(xiàn)的檢測(cè)頭送出的是高電平（“1”），由此可根據(jù)這2個(gè)紅外接收頭的高低電平判斷路線(xiàn)情況而調(diào)整小車(chē)前進(jìn)方向。具體情況有如下幾種：a檢測(cè)到 00 小車(chē)直走b檢測(cè)到 10 小車(chē)左轉(zhuǎn)c檢測(cè)到 01 小車(chē)右轉(zhuǎn) d檢測(cè)到 1 1 小車(chē)停止主芯片的電路：USB轉(zhuǎn)串口電路：MAX232芯片是美信

16、（MAXIM）公司專(zhuān)為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。MAX232內(nèi)部原理圖：Usb轉(zhuǎn)串口電路連接圖可以直接實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦相連接，進(jìn)行程序燒錄。 五、系統(tǒng)調(diào)試1、硬件部分焊接完成后，首先進(jìn)行的調(diào)試是用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)電路是否焊接正常，是否有虛焊漏焊等現(xiàn)象的出現(xiàn)，以及各個(gè)電容是否是正常的未被擊穿狀態(tài)、電阻的阻值是否與設(shè)計(jì)的原理圖上的一致。接通電源，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量當(dāng)有+5V的各引腳是否有+5V的電壓，測(cè)量電路中是否出現(xiàn)了不該有的短路現(xiàn)象。接入光電傳感器模塊，使各個(gè)光電檢測(cè)器的光電對(duì)管靠近白紙，觀察對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管是否發(fā)光，不發(fā)光表示正常。然后再使各個(gè)光電對(duì)

17、管靠近黑線(xiàn)，觀察對(duì)應(yīng)的發(fā)光二級(jí)管是否發(fā)光，發(fā)光表示正常。硬件部分的原理圖見(jiàn)附錄一。2、軟件部分首先我們先測(cè)試了小車(chē)的前進(jìn)，停止，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。組裝信號(hào)采集模塊后，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)循跡功能。軟件部分的程序代碼見(jiàn)附錄三。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1、主要功能測(cè)試：小車(chē)可以在黑色軌跡上完成循跡任務(wù)。并且在轉(zhuǎn)彎時(shí)，前面的定位發(fā)光二極管可以模擬汽車(chē)的轉(zhuǎn)向。 2、其他功能測(cè)試：二極管的動(dòng)態(tài)顯示，紅外遙控，防撞等功能將相應(yīng)程序燒入其中基本上都可以實(shí)現(xiàn)。七、拓展功能 防止掉落地面功能：當(dāng)小車(chē)行駛到懸空的地方時(shí)，前面的紅外對(duì)管檢測(cè)不到信號(hào)就會(huì)停止，防止小車(chē)掉落。八、參考資料 電子信息專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教程 四川大學(xué)出版社 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

18、與應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 電路理論基礎(chǔ) 科學(xué)出版社 模擬電子技術(shù) 清華大學(xué)出版社 數(shù)字電路設(shè)計(jì) 四川大學(xué)出版社九、附錄附錄一：總體電路原理圖：附錄二：主板和傳感器電路焊接裝配圖：附錄三：軟件部分程序代碼#include /包含51單片機(jī)相關(guān)的頭文件sbit LeftLed=P20; /定義前方左側(cè)指示燈端口sbit RightLed=P07; /定義前方右側(cè)指示燈端口sbit FontLled=P17;sbit LeftIR=P35; /定義前方左側(cè)紅外探頭端口sbit RightIR=P36; /定義前方右側(cè)紅外探頭端口sbit FontIR=P37; /定義前方正前方紅外探頭端口sbit M

19、1A=P00; /定義左側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)A端sbit M1B=P01; /定義左側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)B端sbit M2A=P02; /定義右側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)A端sbit M2B=P03; /定義右側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)B端sbit B1=P04; /定義語(yǔ)音識(shí)識(shí)別傳感器端口sbit SB1=P06; /定義蜂鳴器端口void tingzhi() M1A=0; /將M1電機(jī)A端初始化為0 M1B=0; /將M1電機(jī)B端初始化為0 M2A=0; /將M2電機(jī)A端初始化為0 M2B=0; /將M2電機(jī)B端初始化為0void qianjin() M1A=1; M1B=0; M2A=1; M2B=0;void houtui() M1A=

20、0; M1B=1; M2A=0; M2B=1;void zuozhuan() M1A=0; M1B=1; M2A=1; M2B=0;void youzhuan() M1A=1; M1B=0; M2A=0; M2B=1;void delay_nus(unsigned int i) /延時(shí):i=12 ,i的最小延時(shí)單12 us i=i/10; while(-i); void delay_nms(unsigned int n) /延時(shí)n ms n=n+1; while(-n) delay_nus(900); /延時(shí) 1ms,同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償 void ControlCar(unsigned char ConType) /定義電機(jī)控制子程序 tingzhi(); switch(ConType) /判斷用戶(hù)設(shè)定電機(jī)形式 case 1: /前進(jìn) /判斷用戶(hù)是否選擇形式1 qianjin();break; case 2: /后退 /判斷用戶(hù)是否選擇形式2 houtui(); /M2電機(jī)反轉(zhuǎn) break; case 3: /左轉(zhuǎn) /判斷用戶(hù)