智能循跡小車報(bào)告綜述

1、西京學(xué)院 自動(dòng)化 1002 班概要本尋跡小車是以萬(wàn)能板為車架， STC12C5A60S2 單片機(jī)為控制核心，將各傳 感器的信號(hào)傳至單片機(jī)分析處理，從而控制 L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制小車，速度由 單片機(jī)提供的 PWM 波控制。 利用紅外傳感器檢測(cè)黑線，紅外對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡功 能，利用超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)避障。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。 根據(jù)小車各部分功能，模塊化硬件電路，并調(diào)試電路。將調(diào)試成功的各個(gè)模塊逐 個(gè)地 “融合” 成整體，再進(jìn)行軟件編程調(diào)試，直到完成。關(guān)鍵詞： STC12C5A60S2 直流電機(jī) 紅外對(duì)管傳感器 尋跡小車 L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)、循跡小車的系統(tǒng)的要求和總體方案設(shè)計(jì)

2、1.1 設(shè)計(jì)要求1.1.1 基本要求利用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板， 并制作一定的外圍電路， 編寫程序設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能循跡壁 障的小車，具體要求如下：（1）具有啟動(dòng)、停止功能；（2）能夠完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)單獨(dú)動(dòng)作和復(fù)合動(dòng)作；（3）能按照規(guī)定路線循跡行駛；1.1.2 發(fā)揮要求利用超聲波或紅外等方式實(shí)現(xiàn)避障功能1.2 智能循跡小車的工作原理我們知道小車的循跡原理是根據(jù)實(shí)現(xiàn)電位的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)前進(jìn)方向的控制的。 在 這里我們?cè)O(shè)定了白色和黑色的通道界面來(lái)行駛， 而根據(jù)我們所學(xué)的知識(shí)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

3、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。 通過(guò)查資料我們知道紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限， 一般最大不應(yīng)超 過(guò) 3cm 。1.2.1恒壓恒流橋式驅(qū)動(dòng)芯片 L293D 驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理本 L293D 驅(qū)動(dòng)模塊，采用 ST 公司原裝全新的 L293D 芯片，采用 SMT 工藝 穩(wěn)定性高，采用高質(zhì)量鋁電解電容， 使電路穩(wěn)定工作。 可以直接驅(qū)動(dòng) 4路 3-16V 直流 電機(jī)，并提供了 5V 輸出接口（輸入最低只要 6V ），可以

4、給 5V 單片機(jī)電路系統(tǒng)供電 （低紋波系數(shù)） ,支持 3.3V MCUARM 控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向， 也可以控制 2相步進(jìn)電機(jī)，5線 4相步進(jìn)電機(jī)，是智能小車必備利器。 本模塊可以 51， AVR，PIC，ARM 等控制器連接，下圖 MCU_GNDMCU_+5V 是指可以用驅(qū)動(dòng)輸出 +5V 的電源給控制系統(tǒng)供電。當(dāng)然，也可以不用，當(dāng)不用的時(shí)候懸空。但它們一定要 共地。即 MCU_GND 要與驅(qū)動(dòng)模塊 GND 相連（這點(diǎn)至關(guān)重要） 。IO 是指 MCU 的 普通的輸入輸出接口。 這里特別指出的是 EN1 EN2 這里我們已經(jīng)用跳線帽直接插到 5V 了，直接使能，如果有 PWM

5、調(diào)速可以去掉跳線帽直接從這里輸入 PWM 信號(hào)， 調(diào)節(jié)電機(jī)速度。從左至右接口定義為：+5 GND IN1 IN2 IN3 IN4 EN1 EN2 EN1 EN2 為電機(jī) 1 電機(jī) 2 使能端 +5 GND IN5 IN6 IN7 IN8 EN1 EN2 EN1 EN2 為電機(jī) 3 電機(jī) 4 使能端 如下圖 1、圖 2 所示：圖 1 L293D 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖以下舉例：控制緊邏輯。這里一路其它的，其它三路類推圖 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)使能端子1. 3 模塊方案比較與論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由主控模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、直流電機(jī) 及其驅(qū)動(dòng)模塊、電壓比較模塊等模塊構(gòu)成。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我

6、們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。1.3.1 主控制器模塊采用凌陽(yáng)公司的 16 位單片機(jī)，它是 16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集 成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度 高，尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片機(jī)應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí)， 由于其占用的 CPU 資源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降 低。本系統(tǒng)主要是進(jìn)行尋跡運(yùn)行的檢測(cè)以及電機(jī)的控制。如果單純的使用凌陽(yáng)單片 機(jī)，在語(yǔ)音播報(bào)的同時(shí)小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的 簡(jiǎn)潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽(yáng)單片機(jī)而考慮其它的方案。采用宏晶科技生產(chǎn)的

7、 STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控制器。 STC12C5A60S2是 單時(shí)鐘/機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 8-12倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 ,2路 PWM,8 路高速 10位 A/D 轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。由于 STC12C5A60S2 單片機(jī)的資源已經(jīng)可以滿足設(shè)計(jì)需要，且此單片機(jī)價(jià)格上 有優(yōu)勢(shì)。從方便實(shí)用不浪費(fèi)資源的角度考慮，我們選擇了方案二。1.3.2 尋跡傳感器模塊采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)， 但實(shí)際效果并不理想， 對(duì)行駛過(guò)程中的 穩(wěn)定性

8、要求很高， 且誤測(cè)幾率較大， 易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。 在使用過(guò)程極易 出現(xiàn)問(wèn)題，而且容易因?yàn)樵摬考斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。采用兩只 st188 紅外對(duì)管，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開(kāi)關(guān) 接受到白線與黑線的情況來(lái)控制小車轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車向， 測(cè)試表明， 只要合理安裝好兩 只光電開(kāi)關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。采用五只 st188 紅外對(duì)管，一只置于軌道中間，其他四只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車 脫離軌道時(shí)， 即當(dāng)置于中間的一只光電開(kāi)關(guān)脫離軌道時(shí)， 等待外面任一只檢測(cè)到黑線 后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開(kāi)關(guān)重新檢測(cè)到黑線(即回到軌道)再恢 復(fù)正向行駛?，F(xiàn)

9、場(chǎng)實(shí)測(cè)表明， 小車在尋跡過(guò)程中有一定的左右搖擺不定， 但是不影響 小車的整體行駛效果。通過(guò)比較，我們選取第三種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡。1.3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一： 橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片 L293D 可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有 控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。采用專用芯片 L293D 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D 是一個(gè)具有高電壓大電流的全結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。 由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。因此，我們選用了方案一 。1.4 小車總體設(shè)計(jì)的最終方案經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，我們最終

10、確定了如下方案：（1）車體用原有的小車（ 2）采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控制器。（3）采用 12V 直流電池為直流電機(jī)供電。（ 4）用 st188 型光電對(duì)管進(jìn)行尋跡。（ 5） L293D 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示：電壓比較器直流電機(jī)循跡或避障光電對(duì)管組圖 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框二、小車硬件實(shí)現(xiàn)及模塊電路的設(shè)計(jì)2.1 、主控制器模塊的設(shè)計(jì)采用宏晶科技生產(chǎn)的 STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控制器，不用燒寫器而只用 USB 串口下載線就可以往單片機(jī)中下載程序。我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中使用開(kāi)發(fā)版， 方便程序的調(diào)試和整機(jī)的測(cè)試， 待系統(tǒng)調(diào)試完成 后，將單片機(jī)從開(kāi)發(fā)

11、板安裝在小車底座板上方便及時(shí)調(diào)試。圖 4 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖單片機(jī)最小系統(tǒng)的應(yīng)用（ 1） 時(shí)鐘電路系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式， 即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。 AT89 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分 別是此放大器的輸入端和輸出端。 這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起 構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在 放大器的反饋回路中。 對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求， 但電容的大小會(huì)影響震 蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電 路的晶體振蕩器的值為

12、12MHz ，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 22F。 更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。（2）復(fù)位電路復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST通過(guò)一個(gè)斯密 特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連， 斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲， 它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式， 此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路，如圖所示。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用6MHz時(shí)， C取 22F，Rs約為 200，Rk 約為 1K。2.2 尋跡傳感器模塊傳感用 st188 型光電對(duì)管， st188 是一種一體化反射型光電探測(cè)器， 其發(fā)射器是 一個(gè)砷化鎵紅

13、外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管 當(dāng)發(fā)光圖 5 光電對(duì)管檢測(cè)電路 1圖 5 光電對(duì)管檢測(cè)電路 2 而且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。 因此我們選擇此電路作為我們 的傳感器檢測(cè)與調(diào)節(jié)電路。2.3 、尋光模塊采用光敏二極管作為光源探測(cè)模塊的傳感器， 由于光敏二極管感光后， 內(nèi)阻有較 大的變化，通過(guò)一定的電路轉(zhuǎn)化為電壓的變化。采用 LM358 比較器對(duì) 5 個(gè)二極管 的輸出電壓進(jìn)行比較，光敏二極管引起的電壓變化送到比較器的反相端與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較， 將結(jié)果輸入到 單片機(jī)執(zhí)行判斷?；?LM358 的尋光電壓比較電路： LM358 的二號(hào)管腳為基準(zhǔn)電 壓輸入端， 將需要

14、進(jìn)行比較的電壓輸入到三號(hào)管腳， 如果比基電壓的值大， 則一號(hào)管 腳輸出為高電平，反之為低電平。2.4 、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2.4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片 L293D 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片， L293D 是一個(gè)具有高電壓 大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片 L293D 可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)， 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖L293D 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 PWM 調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)控制。圖6 L298 驅(qū)動(dòng)原理圖三、小車軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 主程序流程圖小車進(jìn)入尋跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī) I/O 口，

15、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)。四、小車系統(tǒng)功能測(cè)試和調(diào)試見(jiàn)實(shí)物五、結(jié)束語(yǔ)基于 STC 型單片機(jī)的自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠， 抗干擾能力強(qiáng)， 我們的尋跡小車在完成設(shè)計(jì)要求的前提下， 充分考慮到了外觀、 成本等問(wèn)題， 在性能 和價(jià)格之間作了比較好的平衡。 由于設(shè)計(jì)要求并不復(fù)雜， 我們沒(méi)有在電路中增加冗余 的功能，但是我們保留了各種硬件接口和軟件子程序接口， 方便以后的擴(kuò)展和進(jìn)一步 的開(kāi)發(fā)。六、設(shè)計(jì)心得通過(guò)這幾天的項(xiàng)目設(shè)計(jì)， 我們對(duì)一些專業(yè)知識(shí)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更深的 了解，同時(shí)也嘗試著去應(yīng)用自己的所掌握

16、的知識(shí)。 本次電子大賽主要是對(duì)已學(xué)習(xí)的單 片機(jī)應(yīng)用技術(shù)， 單片機(jī)程序流程圖的綜合應(yīng)用， 同時(shí)加上電路等知識(shí)， 設(shè)計(jì)完成了利 用軟件的檢測(cè)程序運(yùn)行調(diào)試。經(jīng)過(guò)幾天的奮戰(zhàn) ,我們感受很深 .我們?nèi)齻€(gè)人分工合作，設(shè)計(jì)過(guò)程中深感自己在培養(yǎng)動(dòng)手能力這方面欠缺很大。同 時(shí)，這次我們積極的通過(guò)上網(wǎng)查資料， 查閱單片機(jī)方面書(shū)籍等資源。 在我們共同努力 下，我們圓滿完成了從項(xiàng)目設(shè)計(jì)，電路焊接，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì) 作為一次鍛煉，培養(yǎng)了我們或多或少善于動(dòng)手，樂(lè)于動(dòng)手的習(xí)慣。單片機(jī)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)不僅給我們提供了一個(gè)很好的展現(xiàn)自己所學(xué)知識(shí)的平臺(tái) , 又是對(duì)自己所學(xué)知識(shí)的一次考核、檢驗(yàn)。 我們運(yùn)用各自在各方面的優(yōu)勢(shì)，化腐朽為 神奇，形成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)。 通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作的力量 ,使設(shè)計(jì)得以順利完成。 可以說(shuō), 我們?nèi)?個(gè)人是一個(gè)不可或缺的整體 , 少了任何一個(gè)人都是無(wú)法把任務(wù)完美的完成。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們也不可避免的遇到了很多的問(wèn)題。尤其是在調(diào)試過(guò)程中 ,