濟(jì)南大學(xué)-微型計算機(jī)控制技術(shù)大作業(yè)

1、 智能循跡小車微型計算機(jī)控制技術(shù)考查作業(yè) 自動化與電氣工程學(xué)院 隨著現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，自動化越來越普及，對傳感器的應(yīng)用越來越多，要求精度越來越搞高，本設(shè)計面向機(jī)械自動化發(fā)展，采用了AT89S52單片機(jī)作為控制核心，利用紅外對管傳感器檢測黑線達(dá)到循跡目的，以及自動停車，自動尋跡，整體系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。采用技術(shù)主要有：（1） AT89S52單片機(jī)應(yīng)用；（2） L298電機(jī)驅(qū)動及PWN電機(jī)調(diào)速；（3） 傳感器的有效應(yīng)用；（4） 程序算法的應(yīng)用。1、 系統(tǒng)方案的選擇1.1 智能循跡小車的主控芯片的選擇 方案一：采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為智能小車的主控芯片， AT89S5

2、2 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，工作電壓為5V，32個I/O口，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。該芯片價格便宜，應(yīng)用廣泛，操作簡單，硬件與軟件設(shè)計相對簡單。大學(xué)生廣泛用于單片機(jī)學(xué)習(xí)與創(chuàng)作。資源足夠用于智能小車的設(shè)計。因此，本設(shè)計選擇了此芯片。方案二：采用德州儀器公司生產(chǎn)的F系列單片機(jī)MSP430F1611作為智能小車的主控芯片，MSP430F1611是一款超低功耗單片機(jī)，工作電壓范圍為1.8V-3.6V,48 位I/O 口線，16-Bit RISC 架構(gòu)，但相應(yīng)硬件復(fù)雜，軟件編寫相對難度大，而且價格昂貴，用于智能小車資源過剩，造成浪費。經(jīng)過討論，我們放棄了此方案。1.

3、2智能循跡小車電源模塊的選擇方案一：直接用直流電源供電。采用LM7812和LM7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生12V和5V的直流電壓，供給系統(tǒng)各個模塊用。雖然直接用直流電源供電，功率大，但由于有電源供電線的限制，這樣就會對小車的行動造成諸多不便，為了能使小車能夠簡便地行駛，只能放棄這一方案。方案二:采用容量為9000mA的鋰電池供電，鋰電池質(zhì)量輕，容量大，能為小車較長時間地供電，更重要的是它體積小安裝方便，因此，本設(shè)計選擇了這一方案。1.3 智能循跡小車電機(jī)驅(qū)動電路的選擇 方案一：采用分立元件制作而成的H橋驅(qū)動電路作為電機(jī)的驅(qū)動電路。由分立元件制作的H橋驅(qū)動電路雖然可以驅(qū)動電機(jī)，成本也低廉，但是由于各個元件

4、的參數(shù)不一樣，穩(wěn)定性難以保證，因此本設(shè)計放棄了這一方案。方案二：采用專門的電機(jī)驅(qū)動芯片L298N驅(qū)動電機(jī)，性能穩(wěn)定，經(jīng)過不斷試驗，L298N能夠很穩(wěn)定地驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動，也易于控制，所以，本設(shè)計采用了這一方案。 1.4 智能小車循跡模塊的選擇方案一：采用紅外對管進(jìn)行黑線檢測。紅外對管的工作原理是：由紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，紅外線遇到黑線后反射回來，再被紅外接收管接收，再經(jīng)過電壓比較器輸出高低電平給單片機(jī)識別。該方案受外界影響小，使用簡單。方案二：采用交流調(diào)制紅外避障電路。其工作原理是，使音頻鎖相環(huán)芯片LM567發(fā)出調(diào)制脈沖驅(qū)動紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，然后再給紅外接收管接收信號，再經(jīng)過信號放大，輸入到

5、音頻鎖相環(huán)芯片LM567，如果LM567接收到的信號的頻率和它本身產(chǎn)生的頻率相同，則LM567輸出一個低電平，否則，輸出高電平。然后再給單片機(jī)識別。但是，示波器檢測一直有低電平跳變，電路在受到外界紅外線的干擾。因此，這一方案不可靠。綜上考慮，根據(jù)小車的需要，本設(shè)計選擇了紅外對管進(jìn)行黑線檢測。1.5電機(jī)測速模設(shè)計1、 設(shè)計內(nèi)容及設(shè)計要求（1）電磁檢驗測轉(zhuǎn)速模塊方案一：可選擇透射式光電傳感器或反射式光電傳感器。這樣需在車輪上作比較大的機(jī)械加工（打孔或粘貼黑白反光板），而且市場上能買到的可用的光電傳感器體積較大，不易安裝，反映慢誤差比較大。方案二：霍爾傳感器，它利用在閉合回路中金屬切割磁力線產(chǎn)生的感

6、應(yīng)電流來產(chǎn)生脈沖信號至單片機(jī)。通過檢測車輪轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)乘上車輪的時間來計算轉(zhuǎn)速，霍爾元件就是一種很好的可用于車輪轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)的元件。在普通轉(zhuǎn)盤計數(shù)的儀表中加裝霍爾元件和磁鐵，即可構(gòu)成基于磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)的傳感器。霍爾元件固定安裝在計數(shù)轉(zhuǎn)盤附近，永磁鐵安裝在計數(shù)盤位上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，永磁鐵經(jīng)過霍爾元件一次即在信號端產(chǎn)生一個計量脈沖。 經(jīng)過論證方案二計劃方案 1.6 溫度測量模塊該方案采用溫度傳感器DH11AS 18B20測量溫度，DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、可靠性強(qiáng)，適用電壓寬、經(jīng)濟(jì)靈活的特點。本設(shè)計選擇了18B20進(jìn)行測量溫度。最終方案的選擇。經(jīng)過反復(fù)的比較論證，

7、本設(shè)計最終確定了以下方案：（1） 采用AT89S52作為主控芯片。（2） 采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動模塊的主芯片。（3） 采用紅外對管制作黑線檢測模塊。 （4） 采用容量為9000mA的鋰電池作為小車的供電電源。（5） 采用霍爾元件測轉(zhuǎn)數(shù)（6） 采用溫度傳感器DH11AS 18B2測量溫度1.7方案設(shè)計總體方框圖 2 硬件的設(shè)計與實現(xiàn)2.1 主控芯片AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路本智能小車采用的單片機(jī)最小系統(tǒng)板是自己制做的AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)板，它具有體積小，質(zhì)量輕，使用方便等優(yōu)點，能夠很好的放置在智能小車中。原理圖如表1。 表1 2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊電路電機(jī)驅(qū)動模塊采用專用驅(qū)動芯

8、片L298N作為電機(jī)的驅(qū)動芯片。L298N是一種具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它的響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流減速電機(jī)，而且還帶有控制使能端，用它作為驅(qū)動芯片，操作方便，穩(wěn)定，性能優(yōu)良。L298N的5、7引腳為一個電機(jī)的控制信號輸入端，10、12引腳為另一個電機(jī)的控制信號輸入端，2、3引腳為一個電機(jī)的控制信號輸出端，13、14引腳為另一個電機(jī)的控制信號輸出端，通過單片機(jī)對L298N的輸入端進(jìn)行指令控制，就能實現(xiàn)直流減速電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而控制小車前進(jìn)和后退。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖表1。 電機(jī)驅(qū)動電路原理圖 L298N2.3 紅外對管制作黑線檢測模塊電路 采用紅外對管制作循跡電

9、路，當(dāng)檢測到黑線時，紅外接受管導(dǎo)通，否則紅外對管截止，通過比較器LM393電壓比較，把電平狀態(tài)送給單片機(jī)進(jìn)而單片機(jī)處理。原理圖附表1。 紅外對管電路2.4 電機(jī)測速模設(shè)計霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m 級）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作

10、溫度范圍寬，可達(dá)55150。按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。計量路程示意圖2.5 溫度傳感模塊設(shè)計DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、適用電壓寬、經(jīng)濟(jì)靈活的特點

11、。它內(nèi)部使用了onboard專利技術(shù)，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一個形如三極管的集成電路內(nèi)。DS18B20有電源線、地線及數(shù)據(jù)線3根引腳線，工作電壓范圍為35.5 V，支持單總線接口。準(zhǔn)確的溫度測量是很多嵌入式系統(tǒng)中重要的一點。在Linux操作系統(tǒng)下使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，不僅可以得到高精度的溫度測量值，而且硬件簡單可靠。DS18B20的結(jié)構(gòu)和工作原理2.1DS18B20的內(nèi)外結(jié)構(gòu)DS18B20的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，VDD為電源輸入端，DQ為數(shù)字信號輸入輸出端，GND為電源地。 3 單片機(jī)控制的智能小車的PID C語言程序#include<reg52.h>#def

12、ine sense P1 /*宏定義光電傳感器端口*/#define input1 P0 /*左電機(jī)的IN1,IN2定義在P0口*/#define input2 P2 /*右電機(jī)的IN3,IN4及ENA,ENB定義在P2口*/宏定義電機(jī)的具體端口sbit MOTO1_INT1=P00;sbit MOTO1_INT2=P01;sbit MOTO1_ENA=P20;sbit MOTO2_INT3=P25;sbit MOTO2_INT4=P24;sbit MOTO2_ENB=P22;/宏定義傳感器的具體端口sbit sense_L=P13;sbit sense_R=P16;/宏定義金屬傳感器端口sb

13、it METAL=P11;/宏定義DELAY函數(shù)中的一些變量int Dtime1=20000;int Dtime2=2000;int i=0;unsigned char SIGNAL(void); /傳感器信號分析函數(shù)void DELAY(void); /延時函數(shù)void main() int a; MOTO1_INT1=1; /使車開始時運動 MOTO1_INT2=0; MOTO1_ENA=1; MOTO2_INT3=1; MOTO2_INT4=0; MOTO2_ENB=1; while(1) if(METAL=1) /有金屬時車停止 DELAY(); else a=SIGNAL(); switch(a) case 1:input2=0x25;break; /前進(jìn) case 2:input2=0x24;break; /左轉(zhuǎn) case 3:input2=0x21;break; /右轉(zhuǎn) default:break; void DELAY() /延時函數(shù) input2=0x20; /使驅(qū)動芯片的兩個使能端為0， 使兩個電機(jī)停轉(zhuǎn) for(i=0;i<Dtime1;i ); /實現(xiàn)延時，用DTIME控制