基于51單片機循跡智能小車

1、小車走翹翹板摘 要本次設(shè)計的簡易智能電動車采用簡單的人工智能技術(shù)，使用AT89C52作為小車的檢測和控制核心。根據(jù)題目設(shè)定的行進及具體要求，分別采用紅外傳感器進行尋跡行駛、黑帶采集及變速行駛，采用霍爾元件對小車行駛過程中的速度進行測量，并在終點進行行駛路程的測量，采用直流減速電機對小車實行較精確定位，由LCD顯示出各項功能知識。由數(shù)碼管進行行駛時間顯示，由蜂鳴器及LED構(gòu)成聲光提示電路。最后，小車的運行過程中的各種自動化過程由單片機通過編程實現(xiàn)。關(guān)鍵詞： AT89C52 紅外傳感器 減速電機 光電管 霍爾元件一、方案比較1軌跡探測模塊設(shè)計與比較方案一：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可

2、以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。方案二：紅外探測法，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，在小車行駛過程中不斷紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。單片機就是通過接收到的高低電平為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。對于發(fā)射

3、和接收紅外線的紅外探頭，可以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。經(jīng)測試，此種方法簡單可靠。經(jīng)反復(fù)對比后，采用方案二。1、控制電機方案比較方案一 ：利用步進電機的準(zhǔn)確定長步進性能方便的實現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準(zhǔn)確的測量速度、路程以及時間，簡化編程和硬件連接的工作量。但是步進電機在與機械配合的小車改裝上難度極大，非短時間所能完成。該方案實現(xiàn)較困難。方案二 ：用玩具小車上自帶的雙直流電機，只需對后輪電機進行簡單改造，加上一個齒輪減速裝置即可，兩電機分別負(fù)責(zé)小汽車的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的功能，依據(jù)外圍紅外反射傳感器所采集到的信息可以補足直流電機定位不準(zhǔn)的缺點，同時紅外反射傳感器的使用還能實現(xiàn)比較準(zhǔn)確的尋跡行駛，

4、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/價格比。經(jīng)比較驗證，顯然方案一的機械結(jié)構(gòu)也短時間內(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。2、電機驅(qū)動方案的比較方案一：采用傳統(tǒng)的功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案三：采用專用芯片L298N作

5、為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。且由L298N結(jié)合單片機可實現(xiàn)對小車速度的精確控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此決定采用L298N控制直流電機。4、顯示存儲信息和全程時間部分的方案比較方案一 ：用普通的數(shù)碼管來實現(xiàn)顯示功能。這種方法簡單易行，并且適合于硬件操作，但是數(shù)碼管消耗電流特別大，對電源的容量要求很高，而且不能顯示漢字因而難

6、以適應(yīng)電池供電系統(tǒng)的節(jié)能運行要求。方案二 ：使用液晶顯示板來完成顯示的功能。液晶顯示板的操作需要一定的難度和技巧，而且很容易損壞，所以其硬件需要謹(jǐn)慎使用，但是它解決了數(shù)碼管存在的各種問題，如消耗電能特別小、能顯示多行漢字等。經(jīng)驗證比較，方案二不但能節(jié)省電能，而且能實現(xiàn)普通數(shù)碼管無法實現(xiàn)的漢字顯示功能。采用方案二。5、動態(tài)平衡點檢測的方案比較方案一：采用“液體擺”式慣性器件 液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖2所示。當(dāng)殼體水平時，電極插入導(dǎo)電液的深度 相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根

7、電極之間的液體相當(dāng)于兩個電阻RI和RIII。若液體擺水平時，則RI RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時，電極間的導(dǎo)電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示，左邊電極浸入深 度小，則導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電阻RI增大，相對極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加，而使電阻RIII 減少，即RIRIII。反之，若傾斜方向相反，則RIRIII。在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起應(yīng)變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時氣泡會運動使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。但由于小車在行

8、駛中振動較使得小車在未到達平衡點時由于振動的原因使上面所述的RI RIII，從而是的小車檢測到假平衡點而發(fā)生誤操作，因此這種方案不可取。我們決定采用方案二方案二：采用三個集成光電耦合器件，利用小車爬坡時系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個光電管在任意時刻至少有一或兩個導(dǎo)通，利用軟件編程實現(xiàn)對整個系統(tǒng)平衡的控制。方案三：像尋跡電路那樣采用紅外對管，將3個紅外對管排成一排，在做一個裝有紅外發(fā)射管的單擺，在水平狀況下，使發(fā)射管正對于中間的接收管，當(dāng)小車爬坡時，單擺與接收管不再垂直，而產(chǎn)生一定傾角，中間的接收管不再接收，基于這種原理，理論上是可行的，但是由于紅外對管受可見光的影響很大，測試結(jié)果與理論相差甚遠(yuǎn)。綜

9、上所述，我們采用方案二二、系統(tǒng)整體方案設(shè)計與論證對于本系統(tǒng)來說，要實現(xiàn)的基本目的是能夠在規(guī)定時間內(nèi)使小車分別完成在水平和傾斜兩種狀態(tài)下的從A至B停5秒后再從B退向A端，并分別顯示前進和倒退的時間完成以上任務(wù)后，又要使得小車在兩分鐘內(nèi)從有配重物體的蹺蹺板的起始端前進到達板平衡位置處停留5秒以上，并以聲光提示，并顯示所用時間，且配重物體可在板上任意調(diào)節(jié)?；谝陨弦蟛⒔Y(jié)合我們所掌握的資料 ，我們共設(shè)計了以下幾種方案。方案一：題目的要求決定了小車在任何時候都必須“直來直往”,即要求小車是直向行駛的，可以通過做一個絕對標(biāo)準(zhǔn)的蹺蹺板和采用一個性能極其優(yōu)良的電動車，使小車在任何時候僅依靠其物理結(jié)構(gòu)保證在板

10、上是直向行駛的，但受客觀條件的限制，這種方案很難能夠真正的實現(xiàn)。方案二：采用智能控制方法，使小車在非直線行駛時自動的校正行駛方向，以保證小車在總體上的行駛是直向行駛的，基于此原理我們決定采用尋跡行駛的方案，即在車前下方加上垂直于地面的紅外對管，使之正對于板上的一條黑色軌跡線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，在小車行駛過程中不斷紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。就是通過單片機接收到的高低電平為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。 關(guān)于

11、平衡點的檢測，要用到傾角傳感器，這里我們總結(jié)了兩種方案方案一：采用“液體擺”式慣性器件    液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖2所示。當(dāng)殼體水平時，電極插入導(dǎo)電液的深度 相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個電阻RI和RIII。若液體擺水平時，則RI RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時，電極間的導(dǎo)電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示，左邊電極浸入深 度小，則導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電

12、阻RI增大，相對極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加，而使電阻RIII 減少，即RIRIII。反之，若傾斜方向相反，則RIRIII。在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起應(yīng)變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時氣泡會運動使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。但由于小車在行駛中振動較使得小車在未到達平衡點時由于振動的原因使上面所述的RI RIII，從而是的小車檢測到假平衡點而發(fā)生誤操作，因此這種方案不可取。我們決定采用方案二采用三個集成光電耦合器件，利用小車爬坡時系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個光電管在任意時刻至少有一或兩個導(dǎo)

13、通，利用軟件編程實現(xiàn)對整個系統(tǒng)平衡的控制。采用三個集成光電耦合器件，利用小車爬坡時系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個光電管在任意時刻至少有一或兩個導(dǎo)通，利用軟件編程實現(xiàn)對整個系統(tǒng)平衡的控制采用三個集成光電耦合器件，利用小車爬坡時系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個光電管在任意時刻至少有一或兩個導(dǎo)通，利用軟件編程實現(xiàn)對整個系統(tǒng)平衡的控制三、系統(tǒng)組成、原理和電路圖系統(tǒng)總體組成框圖如下所示聲光報警電路前輪電機后輪電機紅外對管尋跡電路電機驅(qū)動電 路光電管平衡檢測電路AT8952霍爾測速及 路程電路LCD及數(shù)碼管顯示電路本系統(tǒng)采用AT89S52作為核心控制部件，通過對小車前下端的左中右三對紅外對管組成的尋跡帶你路電路所采

14、集的信號進行分析使小車在行駛偏離正常軌道時及時進行分析校正，以保證其直向行駛；用單片機控制電機專用驅(qū)動芯片驅(qū)動前后兩個電機是后輪做勻速行駛，前輪作為左右轉(zhuǎn)向輪；在后輪上加裝磁鐵，車聲固定霍爾元件使得車輪沒轉(zhuǎn)過一周磁鐵正好正對霍爾元件，使得有霍爾元件組成的地暖露電路輸出高電平，通過單片機對霍爾元件輸出電平的變化進行計數(shù)操作，由此便可得出車速和行程的數(shù)據(jù)；類似于小車尋跡的方式，當(dāng)小車的三對紅外對管都沒有檢測到黑帶時，說明此時小車運行到了蹺蹺板的兩端，單片機執(zhí)行相應(yīng)的停止操作，并執(zhí)行 相應(yīng)的時間等數(shù)據(jù)的顯示操作。尋跡電路如圖3.0.2所示 圖3.0.2當(dāng)小車的三個管子都處于黑帶上時，即小車直向行駛時

15、，三個發(fā)射管發(fā)射的紅外線被黑線所吸收，接收管并沒有接收到紅外線，此時處于截至狀態(tài)，此時運放的U+>U-，UO>0,，即輸出為高電平此時INT1為高電平，單片機不響應(yīng)中斷，當(dāng)某一個或兩個管子處于黑線外部時，即小車 走偏時，對應(yīng)的接收管導(dǎo)通其對應(yīng)的運放的U+<U-,所以Uo<0，即輸出為低電平，INT1端此時為低電平，單片機執(zhí)行此中斷，并進一步判斷導(dǎo)通的接收管，以確定向那個方向轉(zhuǎn)向。電機驅(qū)動電路如圖3.0.3所示L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好

16、，性能優(yōu)良。且由L298N結(jié)合單片機可實現(xiàn)對小車速度的精確控制。，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。只需在57或10、12輸入端加上高低反向電平，4、9端接通電源，9端接+5V電壓，4端視電機所需功率加適當(dāng)?shù)碾妷旱氃?-40V之間選擇，再在2、3或13、14輸出端接上電機，再在相應(yīng)的6或11使能端加脈沖電壓，調(diào)節(jié)次脈沖電壓的占空比通過單片機便可便可對其實較行精準(zhǔn)控制本小車后輪由于使用的是直流減速電機，其勻速行駛就可滿足此設(shè)計要求因此通過單片機的I/O口線在5、7端加上相反的電平，在6端加上高或低電平，編程操作便可對其進行運轉(zhuǎn)停止和正反轉(zhuǎn)的操作，前輪轉(zhuǎn)向電機與此類似。 圖3.0.3 圖3.0.4圖3.0.4為由霍爾元件、三極管及電阻組成的測速電路，AH44E位數(shù)字集成霍爾元件輸出為數(shù)字信號，輸出信號無需濾波整形，只需對其進行一級放大即可，因此其外圍電路相當(dāng)簡單，當(dāng)有磁鐵靠近霍爾元件時（注意磁鐵極性），霍爾元件的3端輸出的信號經(jīng)三極管放大后輸出為高電平，拿掉磁鐵即恢復(fù)為低電平，因此可將磁鐵固定于車輪上，將測速電路放置于車上的適當(dāng)位置使得車輪每轉(zhuǎn)過一周測速