單片機(jī)的智能循跡小車設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . *參賽學(xué)校：*參賽隊(duì)號(hào)：*參賽題目：（A題）智能小車控制參賽學(xué)生：*指導(dǎo)教師：*參賽日期： 2011.7.182011.7.22 智能小車控制摘要智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等用途。我們通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)它的行進(jìn)、繞障、停止的精確控制以與遇障次數(shù)的顯示，并再次尋找到原來(lái)的軌道。一、功能說(shuō)明1、基本功能：小車能夠在設(shè)計(jì)的線路上完成尋跡功能；2、拓展功能：在循跡線路上設(shè)置障礙物，小車遇到障礙物能夠自動(dòng)繞道行駛，完成避障功能；二、方案論證方案一：以AT89S51單片機(jī)為核心的控制電路，采用模塊

2、化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用傳感器檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)小車在行駛中自動(dòng)尋跡、躲避障礙物的功能。并將循跡過(guò)程中遇障次數(shù)等數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的智能化控制。方案二：采用各類數(shù)字電路來(lái)組成電動(dòng)小車的控制系統(tǒng)。采用數(shù)字電路對(duì)外圍探測(cè)軌跡信號(hào)，避障信號(hào)進(jìn)行處理。但對(duì)輸入輸出都是模擬量的小裝置，如果采用數(shù)字化方案，則要先用A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換。這樣必然帶來(lái)高成本、電路復(fù)雜等缺點(diǎn)。因此，本方案靈活性不高，效率低，不利于電動(dòng)小車智能化的擴(kuò)展。同時(shí)，對(duì)各路信號(hào)處理也比較困難。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案一簡(jiǎn)潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此

3、本設(shè)計(jì)采用方案一來(lái)實(shí)現(xiàn)。三、各模塊設(shè)計(jì)電路分為電源模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、尋跡模塊、避障模塊。智能小車運(yùn)行基本原理框圖見(jiàn)圖1。顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 AT89S51單片機(jī)避障模塊探測(cè)軌跡模塊電源模塊圖11、電源模塊首先我們想到的是穩(wěn)壓電源供電，穩(wěn)壓電源供電穩(wěn)定方便調(diào)試，但是穩(wěn)壓電源體積大，只適合調(diào)試階段的使用。其次就是干電池供電，相對(duì)于穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō)體積小，電壓也比較穩(wěn)定，方便小車移動(dòng)，所以我們采用4節(jié)1.5V干電池供電，電壓達(dá)到6V左右給直流電機(jī)供電，然后用7805降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)供電。2、單片機(jī)系統(tǒng)模塊本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過(guò)程中

4、不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，來(lái)控制小車行走，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)送顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示。單片機(jī)是把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以與輸入輸出適配器都集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表部，且單片機(jī)部有可以多次重復(fù)編程的閃爍ROM,并且閃爍ROM可以直接用編程器來(lái)擦寫，使用起來(lái)比較方便。在本系統(tǒng)中，AT89S51單片機(jī)的P0口用于數(shù)碼顯示，P2.4P2.5 P2.6 P2.7口用于電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)控制，P1.0 P1.1 P1.2口用于探測(cè)軌跡，P3.2 P3.3口用于探測(cè)障礙物， P2.1

5、P2.2 P2.3用于LED提示，P2.0用于倒車顯示和蜂鳴器報(bào)警。3、探測(cè)軌跡模塊為了保證小車沿黑線行駛，采用了兩個(gè)檢測(cè)器并行排列，左右方向都可以進(jìn)行控制，控制精度得以提高。在小車行走過(guò)程中，結(jié)合查詢方式，通過(guò)程序控制小車行走軌跡。如果左方向偏離黑線，則右側(cè)的探頭就會(huì)檢測(cè)到黑線，把信號(hào)傳送到單片機(jī)，進(jìn)行處理校正?？刂破湎蛴肄D(zhuǎn)；如果右方向偏離黑線，則左側(cè)的探頭就會(huì)檢測(cè)到黑線，把信號(hào)傳送到單片機(jī)，進(jìn)行處理校正?？刂破湎蜃筠D(zhuǎn)。從而保證小車沿黑線行駛。方案一、采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。由于光敏二極管受可見(jiàn)光的影響較大，穩(wěn)定性差，所以放棄該方案。方案二、利用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻

6、的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)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)定的工作方案三、采用TK-20黑白線檢測(cè)傳感器在本設(shè)計(jì)中，要求電動(dòng)小車沿著路面的黑色軌道行駛。其探測(cè)路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對(duì)光的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判斷是否是黑線。利用這個(gè)原理，可以控制電動(dòng)小車行走的路跡。根據(jù)黑色和白色路面對(duì)光的反射程度不同，白色反射程度強(qiáng)，而黑色反射程度弱。我們采用TK-20

7、黑白線檢測(cè)傳感器，其有效探測(cè)距離達(dá)5cm。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10cm，受可見(jiàn)光干擾小，輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，使用非常方便。使用注意注意事項(xiàng)：（1）該傳感器為開(kāi)關(guān)量傳感器，輸出為TTL電平，可以直接和單片機(jī)連接，但需要在輸出端加上拉電阻。（如不加上拉電阻會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則電平輸出）。（2）一定不要把線接錯(cuò)，否則容易燒掉傳感器4、避障模塊考慮到在測(cè)障過(guò)程中小車車速與反應(yīng)調(diào)向速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物一定圍做出反應(yīng)，這樣在順利繞過(guò)障礙物后，可尋找到最佳的位置和方向。否則，如果圍太大，則可能產(chǎn)生對(duì)障礙物的判斷失誤；圍過(guò)小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過(guò)障礙物卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想定向。根據(jù)上

8、述要求，提出以下方案。我們想到采用激光傳感器探測(cè)障礙物。該傳感器能非常準(zhǔn)確地測(cè)出障礙物的存在，但價(jià)格高，處理復(fù)雜，不符合該設(shè)計(jì)的要求。在本設(shè)計(jì)中，要求電動(dòng)小車沿著路面的黑色軌道行駛。其探測(cè)路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對(duì)光的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判斷是否是黑線。利用這個(gè)原理，可以控制電動(dòng)小車行走的路跡。此次設(shè)計(jì)我們采用光電傳感器探測(cè)障礙物。光電傳感器安裝于小車前端，在規(guī)定的檢測(cè)距離，當(dāng)探測(cè)到障礙物時(shí)，光電傳感器給出信號(hào)至單片機(jī)，單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)后，調(diào)整小車的方向，以控制小車準(zhǔn)確地繞過(guò)障礙物，而且避免因小車自然轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致的盲目方向控制，能避免電路的

9、復(fù)雜性。在系統(tǒng)中要進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示遇障次數(shù)。一種方法是采用LCD1602液晶顯示器。另一種方法是采用數(shù)碼管顯示。LCD具有功耗低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。不緊可以顯示數(shù)字、字符，而且可以顯示漢字和圖形，但由于顯示容不多，與數(shù)碼管相比LCD在大小和形狀不夠靈活，而且LED數(shù)碼顯示價(jià)格便宜，使用壽命長(zhǎng)。因此，本設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管顯示。5、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一、采用繼電器控制電機(jī)。采用繼電器對(duì)電機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制。通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高方案二、采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，

10、使用方便。由于其部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。采用左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的方案。左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本一樣的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車體尾部裝一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速一樣時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車不同角度的轉(zhuǎn)彎。為了電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298，其驅(qū)動(dòng)電流大，瞬時(shí)電流最高可達(dá)2A，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)專門設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定可靠。L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是15腳Multiwatt封裝的L298，部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298可接

11、受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)25 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)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)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。 根據(jù)直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方程式： UCeNRaIa其中:為電機(jī)每極磁通量；Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)； N為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；Ia為電樞電流；Ra電樞回路電阻。電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)N為0，電

12、機(jī)的電流急劇增加，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將會(huì)使電機(jī)燒壞。但電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電機(jī)中線圈中的電流也急劇變大，因此我們必須把這兩種狀態(tài)分開(kāi)。長(zhǎng)延時(shí)電路可把這兩種狀態(tài)區(qū)分出來(lái)。長(zhǎng)延時(shí)電路工作原理：當(dāng)Rs1過(guò)流U5A產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖經(jīng)過(guò)微分后，脈沖觸發(fā)555的2腳，電路置位，3腳輸出高電平，由于放電端7腳開(kāi)路，C1，R5與U6A組成積分器開(kāi)始積分，電容C1上的充電電壓線性上升，延時(shí)運(yùn)放積分常數(shù)為100R5C1。當(dāng)C1上充電電壓，即6腳電壓超過(guò)23 VCC，555電路復(fù)位，輸出低電平。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間一般小于08 s，C1充電時(shí)間一般為081 s。U5A輸出電平與555的3腳輸出電平經(jīng)U7相或，如果U5A輸出低電平大于C1充電時(shí)

13、間，U7在C1充電后輸出低電平由與門U8輸入到L298的6腳ENA端使電機(jī)停止。如果U5A的輸出電平小于C1充電時(shí)間，6腳不動(dòng)作電機(jī)的正常啟動(dòng)。長(zhǎng)延時(shí)電路吸收電機(jī)啟動(dòng)過(guò)流電壓波形，從而使電機(jī)正常啟動(dòng)。L298部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。圖2是其引腳圖：圖21、15腳是輸出電流反饋引腳，在通常使用中這兩個(gè)引腳也可以直接接地。圖3是其與51單片機(jī)和直流電機(jī)連接的電路圖。圖3 四、電路原理圖與硬件調(diào)試在安裝時(shí)我們保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸，當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與后萬(wàn)向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)后輪過(guò)低而使左右兩驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力不夠的情況。為了防止小車重心

14、的偏移，后萬(wàn)向輪起支撐作用。1、原理圖的繪制和注意事項(xiàng)（1）蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路一般都包含以下幾個(gè)部分：一個(gè)三極管、一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)續(xù)流二極管。蜂鳴器本質(zhì)上是一個(gè)感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個(gè)續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會(huì)產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動(dòng)三極管，并干擾整個(gè)電路系統(tǒng)的其它部分。（2）在設(shè)計(jì)原理圖時(shí)注意上拉電阻，下拉電阻的使用，在必要時(shí)要加阻值合適的電阻，是電路更加完善。1、 電路原理圖：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)原理圖（圖4）圖4蜂鳴器與倒車顯示原理圖（圖5）圖5數(shù)碼管顯示原理圖（圖6）圖6L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖（圖7）圖7電路PCB圖（圖8）圖83、PCB的設(shè)計(jì)和注意事項(xiàng)（

15、1）在原理圖定義元件封裝的時(shí)候，要根據(jù)元器件實(shí)際大小進(jìn)行定義，如果庫(kù)里沒(méi)有的話自己再繪制一個(gè)。（2）在放置元器件時(shí)，一定要考慮元器件的實(shí)際尺寸大?。ㄋ济娣e和高度）、元器件之間的相對(duì)位置，以保證電路板的電氣性能和生產(chǎn)安裝的可行性和便利性同時(shí)，應(yīng)該在保證上面原則能夠體現(xiàn)的前提下，適當(dāng)修改器件的擺放，使之整齊美觀，如同樣的器件要擺放整齊、方向一致。這個(gè)步驟關(guān)系到板子整體形象和下一步布線的難易程度，所以一定要花大力氣去考慮。PCB布線時(shí)要設(shè)定好焊盤的尺寸大小與實(shí)際器件相一致，信號(hào)線、電源線和地線的寬度要合適。五、軟件程序與調(diào)試軟件調(diào)試的任務(wù)是利用ISIS開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行在線仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)和糾正程序錯(cuò)誤，

16、同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果故障。程序的調(diào)試應(yīng)一個(gè)模塊一個(gè)模塊地進(jìn)行，我們首先單獨(dú)調(diào)試各功能子程序，檢驗(yàn)程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，接口電路的控制是否正常等；最后逐步將各子程序連接起來(lái)總調(diào)。聯(lián)調(diào)需要注意的是，各程序模塊間能否正確傳遞參數(shù)，特別要注意各子程序的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與恢復(fù)。仿真圖單片機(jī)系統(tǒng)需要接收路徑識(shí)別電路的信號(hào)，采用某種路徑搜索算法進(jìn)行尋線判斷，進(jìn)而控制舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作。小車系統(tǒng)的軟件使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。小車行走狀態(tài)主體控制框架圖（圖9）：模型車采用的控制方法是根據(jù)傳感器采集到的路況信息，通過(guò)計(jì)算得到具體的方向偏移量和速度，控制小車的行走狀態(tài)。其控制表格見(jiàn)表1.路況信息數(shù)據(jù)處理偏轉(zhuǎn)方向車 速圖

17、9軟件見(jiàn)附件表1傳感器對(duì)應(yīng)單片機(jī)I/O口 小車狀態(tài)小車控制方向P1.2P1.1P1.0001小車大右偏大左轉(zhuǎn)010循跡居中前進(jìn)011小車偏右小左轉(zhuǎn)100小車大右偏大右轉(zhuǎn)101其他倒車110小車偏左小右轉(zhuǎn)111到達(dá)終點(diǎn)停止六、功能檢測(cè)與調(diào)試對(duì)小車的整體來(lái)說(shuō)其測(cè)試按照模塊來(lái)進(jìn)行，分為以下幾個(gè)步驟：首先測(cè)試電源的工作情況，各個(gè)模塊能否得到良好供電。光電管安裝完成后根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)電位器選擇合適的參考電壓。檢查單片機(jī)能否正常的燒寫程序和工作。測(cè)試后輪電機(jī)的工作情況，并試驗(yàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。編寫測(cè)試程序讓小車初步循跡運(yùn)行。反復(fù)測(cè)試各參數(shù)變化對(duì)小車的影響，找出最有效的配置。對(duì)小車運(yùn)行過(guò)程中各種可能出現(xiàn)的情況

18、測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找出解決方法。整理數(shù)據(jù)，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，本系統(tǒng)能夠基本滿足設(shè)計(jì)要求，能夠較快較平穩(wěn)的沿黑色路面行駛。七、總結(jié)在硬件設(shè)計(jì)中，開(kāi)始一個(gè)模塊設(shè)計(jì)之前和完成一個(gè)模塊設(shè)計(jì)之后都要進(jìn)行測(cè)試。在動(dòng)手之前務(wù)必查清楚所用元件資料，在稍微復(fù)雜一點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)之前可以先搭建其中的一部分電路，測(cè)試一下是否正常，然后再進(jìn)行總的電路設(shè)計(jì)。這樣循序漸進(jìn)的進(jìn)行設(shè)計(jì)可以節(jié)省時(shí)間保證電路的正確性。同樣，程序方面的設(shè)計(jì)也是如此。從最簡(jiǎn)單的程序開(kāi)始，慢慢的調(diào)試和擴(kuò)充。電路設(shè)計(jì)之后的測(cè)試也同樣重要，特別是和程序有關(guān)的外圍檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)等模塊，如果不排除硬件故障在調(diào)試的時(shí)候很難分清到底是硬件還是軟件的問(wèn)題，因此硬件

19、設(shè)計(jì)完成之后首先需要測(cè)試硬件能夠正常工作，這樣在遇到問(wèn)題時(shí)才能夠排除硬件的干擾找出問(wèn)題的所在。在基本功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之上調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的性能。基本功能實(shí)現(xiàn)后再去嘗試在原有的基礎(chǔ)之上去擴(kuò)展并提高性能，最后根據(jù)前一階段的測(cè)試結(jié)果有針對(duì)性的重新設(shè)計(jì)電路板，最終將智能小車設(shè)計(jì)圓滿完成。參考文獻(xiàn)1郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程.：電子工業(yè)， 20092毅剛.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).：人民郵電，20063譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).：清華大學(xué)，19914周志德.單片機(jī)原理與應(yīng)用.：高等教育，20015熊建云.Protel 99 SE.：機(jī)械工業(yè)，20076朱運(yùn)利.EDA技術(shù)應(yīng)用M.：高等教育，2004附件#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned charuchar IN,OUT;uchar su;sbit L=P32;/左障礙檢測(cè)開(kāi)關(guān)sbit R=P33;/右障礙檢測(cè)開(kāi)關(guān)/延時(shí)子函數(shù)/void delay(uint z)uchar i,j;for(i=z;i>0;i-)for(j=110;j>0