基于單片機(jī)的自動(dòng)循跡智能小車的設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課題名稱基于單片機(jī)的自動(dòng)循跡智能小車的設(shè)計(jì)姓 名譚志平學(xué) 號 081250133院 系物理與電信工程系專 業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師肖衛(wèi)初副教授2011年 6月10日 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求： 本課程設(shè)計(jì)以ATmega16為核心，用L298N驅(qū)動(dòng)兩個(gè)減速電機(jī)，當(dāng)產(chǎn)生信號驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)時(shí)，是通過循跡模塊里的紅外對管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號通過LM324再返回到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)計(jì)的要求做出相應(yīng)的判斷送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，讓小車來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等基本功能。本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的模塊主要有：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、傳感器循跡模塊、L298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)模塊、LCD12864液晶顯示

2、模塊、電源模塊等。 指導(dǎo)教師簽名： 2011年 04 月 22日 二、指導(dǎo)教師評語：指導(dǎo)教師簽名： 2011年 6 月 16 日 三、成績驗(yàn)收蓋章 2011年6 月 16日 基于單片機(jī)的自動(dòng)循跡智能小車的設(shè)計(jì)譚志平（湖南城市學(xué)院物理與電信工程系電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè),益陽,413000）1設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一智能循跡小車，通過設(shè)計(jì)把所學(xué)的知識運(yùn)用到實(shí)踐中，通過本次設(shè)計(jì)更好的掌握單片機(jī)的控制原理以及傳感器的知識。真正的做到學(xué)以致用。2設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求 當(dāng)前的電動(dòng)小汽車基本上采取的是基于純硬件電路的一種開環(huán)控制方

3、法，或者是直線行使，或者是在遙控下作出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停車等基本功能。但是它們不能實(shí)現(xiàn)在某些特殊的場合下，我們需要能夠自動(dòng)控制的小型設(shè)備先采集到一些有用的信息的功能。本設(shè)計(jì)正是在這種需要之下設(shè)計(jì)的一種智能的電動(dòng)小車的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是以單片機(jī)ATmega16為控制核心，附以外圍電路，在畫有黑線的白紙“路面”上行使,由于黑線和白線對光線的反射系數(shù)不同,可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”黑線。判斷信號可通過單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊修正前進(jìn)方向，以使其保持沿著黑線行進(jìn)。軌跡探測模塊用5只光電開關(guān)。通過檢測5只光電開關(guān)的電平狀態(tài)，來判斷小車的運(yùn)行狀況，當(dāng)小車有偏轉(zhuǎn)時(shí)，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光

4、電開關(guān)重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛等智能控制系統(tǒng)。3 整體設(shè)計(jì)方案經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定了如下整體設(shè)計(jì)方案：（1）車體用現(xiàn)成的玩具小車改裝，前輪驅(qū)動(dòng)，后輪為萬向輪。（2）采用ATmega16單片機(jī)作為主控制器。（3）L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。（4）用TCRT5000型光電對管進(jìn)行循跡。（5）用LCD12864液晶顯示小車的運(yùn)行時(shí)間。（6）用自制的直流穩(wěn)壓電源給單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片L298等供電，穩(wěn)壓電源可以輸出12V和5V。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方框圖如下圖所示：圖3.1 系統(tǒng)總體方框圖系統(tǒng)總體方框圖如圖3.1所示所示，整個(gè)電路系統(tǒng)分為TCRT5000循跡模塊、STC89C51控制模

5、塊、L298驅(qū)動(dòng)模塊、LCD12864顯示模塊、電源模塊等五個(gè)模塊。工作原理為：首先利用光電對管對路面信號進(jìn)行檢測，經(jīng)過比較器LM324處理之后，送給軟件控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，當(dāng)任意一個(gè)光電對管檢測黑線后，小車進(jìn)入尋線環(huán)節(jié)，光電對管繼續(xù)對路面信號進(jìn)行檢測，同時(shí)根據(jù)檢測的結(jié)果小車輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。方案一 選用51單片機(jī)，該控制器具有性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，I/O端口分布簡單，便于接口電路的設(shè)計(jì)，易于控制和操作，執(zhí)行程序速度和功耗可以滿足一般系統(tǒng)的要求，是實(shí)現(xiàn)階段比較常用的微處理器。方案二 采用ATMEL公司的ATmage16單片機(jī)，該控制器屬于增強(qiáng)型內(nèi)置F

6、lash的RISC精簡指令集高速8位單片機(jī)，有多種頻率的內(nèi)部RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，使得電路設(shè)計(jì)變得非常簡單，并且內(nèi)部資源豐富，一般都集成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、SPI、PWM、USART、TWI通信口和豐富的中斷源等。小車控制時(shí)需要控制小車的速度，ATmage16單片機(jī)的定時(shí)器可以直接輸出PWM，方便速度的控制。綜合考慮采用方案二。4.2控制電機(jī)選擇的比較與論證 方案一 利用步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定長步進(jìn)性能方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準(zhǔn)確的測量速度、路程以及時(shí)間，簡化編程和硬件連接的工作量。但是步進(jìn)電機(jī)在與機(jī)械配合的小車改裝上難度極大，非短時(shí)間所能完成。該方案實(shí)現(xiàn)較困難。方案二

7、 用小車上自帶的雙直流電機(jī)分別負(fù)責(zé)小車的驅(qū)動(dòng)的功能，依據(jù)外圍紅外反射傳感器所采集到的信息可以補(bǔ)足直流電機(jī)定位不準(zhǔn)的缺點(diǎn)，同時(shí)紅外反射傳感器的使用還能實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的尋跡行駛，用較好的控制算法及特色硬件來提高小車的整體性能，可具有很高的性能/價(jià)格比。電機(jī)驅(qū)動(dòng)可采用PWM調(diào)速方案可以很方便地在程序中實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速，減少硬件電路。經(jīng)比較驗(yàn)證，顯然方案一的機(jī)械結(jié)構(gòu)也短時(shí)間內(nèi)難以滿足題目的要求，而方案二本身是與小車相兼容的，性能也比較好，采用方案二。方案一 采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點(diǎn)：易受到外界光源的干擾，有時(shí)甚至檢測不到黑線，主要是因?yàn)榭梢姽獾姆瓷湫Ч乇淼钠教钩潭取⒌乇聿牧系姆瓷淝闆r均對

8、檢測效果產(chǎn)生直接影響。克服此缺點(diǎn)的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會(huì)增加檢測系統(tǒng)的功耗。方案二 脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界的干擾；此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如果采用占空比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流很大（50100mA），則大大提高了信噪比。此種測試方案反應(yīng)速度大約在 5us。方案三 采用多路陣列式光敏電阻組成的光電探測器。 根據(jù)以上分析我們采用方案2，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)的反射式紅外發(fā)射接收器眾多，我選擇了市場比較多見的TCRT5000作為檢測黑線的傳感器。方案一：采用LED數(shù)碼管顯示小車

9、行駛的時(shí)間，在本系統(tǒng)中用到LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示即可達(dá)到要求。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，壽命長；缺點(diǎn)是只能顯示09的數(shù)字和一些簡單的字符，且數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路以為段選、位選電路設(shè)計(jì)繁鎖，且占用空間。方案二：采用LCD12864液晶顯示，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示更多的字符、漢字，工作電流比LED小，故其功耗低，硬件電路設(shè)計(jì)簡單，且可以有良好的人機(jī)界面，直觀，顯示效果漂亮，體積小。綜合考慮選擇此方案。 方案一 采用4節(jié)1.5V干電池供電，電壓達(dá)到6V，經(jīng)7805穩(wěn)壓后給單片機(jī)、電機(jī)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，放棄了這種方案。方案二 采用自制的穩(wěn)壓電源，該自制的穩(wěn)

10、壓電源可以輸出12V、9V、5V。5V供給ATmega16單片機(jī)、L298的TTL邏輯電平信號VSS電壓(VSS可接457 V)和LM324芯片等，9V作為L298電壓VS ( VS電壓范圍VIH為2546 V)。綜上考慮，選擇了方案二。5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)5.1 ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)ATmega單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括復(fù)位電路和時(shí)鐘晶振電路。復(fù)位電路采用的是低電平復(fù)位，晶振電路中晶振頻率為12Mhz。ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖所示：圖5.1 STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘信號用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部

11、振蕩和外部振蕩。ATmega16單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時(shí)，電路簡單，所得的時(shí)鐘信號比較穩(wěn)定，實(shí)際使用中常采用這種方式，如圖3.2所示在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 圖5.1中外接晶體以及電容C2和C1構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30P左右，晶振頻率選12MHz。復(fù)位電路 為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)

12、位的方式，復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要RST引腳上低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈寬時(shí)即觸發(fā)復(fù)位過程，此時(shí)沒有時(shí)鐘信號在運(yùn)行，當(dāng)外加信號達(dá)到復(fù)位門限電壓時(shí)，復(fù)位延時(shí)開始，延時(shí)結(jié)束后單片機(jī)開始工作。ATmega16采用的是低電平復(fù)位。 圖5.1中R和C組成復(fù)位電路，其值R取為10K, C取為10uF。5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298配合8個(gè)二極管1N4148的過流保護(hù)作用作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如下圖所示：圖5.2 L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含

13、4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298的邏輯功能如下表所示：表5.1 L298的邏輯功能ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX停止下圖是L298的引腳封裝圖：圖5.3 L298芯片封裝圖L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，

14、ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。L298N的5、7、10、12四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過對單片機(jī)的編程就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能。5.3 循跡模塊設(shè)計(jì) 本循跡模塊采用的是紅外反射對管TCRT5000，TCRT5000的實(shí)物和引腳圖如下圖所示：圖5.4 TCRT5000實(shí)物、引腳圖紅外反射對管TCRT5000循跡的原理圖如下圖所示：圖5.5 TCRT5000循跡模塊原理圖循跡原理分析：紅外反射對管TCRT5000的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中

15、光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平，指示二極管點(diǎn)亮；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，指示二極管熄滅。從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測到的信號為低電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。通過裝在小車上的五個(gè)指示二極管可以判斷小車的狀態(tài)。5.4 顯示模塊設(shè)計(jì)本模塊采用不帶字庫的LCD12864液晶顯示小車的運(yùn)行時(shí)間。LCD12864液晶顯示模塊引腳說明如下：u 第1腳：VSS為電源地。u 第2腳：

16、VDD接+5V電源。u 第3腳：對比度調(diào)整，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度。u 第4腳：RS為寄存器選擇：RS=H,選擇數(shù)據(jù)寄存器，RS=L，選擇指令寄存器。u 第5腳：RW為讀寫選擇信號線。u 第6腳：EN為使能端，當(dāng)EN由高電平跳變到低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。u 第7-14腳：DB0-DB7為8位雙向數(shù)據(jù)線。u 第15腳：CS1,選擇左屏。u 第16腳：CS2，選擇右屏。u 第17腳：RST,復(fù)位u 第18腳：VOUT,LED驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓。u 第19腳：背光電源正極，接+5V。u 第20腳：背光電源地。 LCD12864液晶模塊與單片機(jī)的接法如下圖所示：圖5.6 LCD12864液晶原理圖5.5 電源模塊設(shè)計(jì)由于小車功耗比較大，干電池難以滿足要求，故設(shè)計(jì)一直流穩(wěn)壓電源，可以同時(shí)輸出5V和12V。市電AC220V/50HZ經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后可以輸出穩(wěn)定的5V和12V。穩(wěn)壓芯片采用的是LM7805和LM7812。電源電路原理圖如下圖所示：圖5.7 TCRT5000循跡模塊原理圖6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)