可記錄里程的智能小車的設(shè)計(jì)與制作

1、可記錄里程的智能小車的設(shè)計(jì)與制作徐慶山 李海濤 魯 偉 哈爾濱工程大學(xué) 通信學(xué)院 07812班摘要隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車方面的研究也越來(lái)越受人關(guān)注，全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有這方面的題目，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)很重視該題目的研究。特別是在智能控制方面，小車進(jìn)行尋跡以及避障和計(jì)里程，在工廠里的智能控制方面非常重要。選擇程控小車這一題目，跟隨科技發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)可以學(xué)到許多關(guān)于電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，這對(duì)于我們將來(lái)工作提供了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)。我們主要研究如何讓小車走直線，并在此基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)里程記錄的功能。主要以自主設(shè)計(jì)的底盤為基礎(chǔ)，以直流減速電機(jī)及其控制電路為驅(qū)動(dòng)，以STC89C5

2、2單片機(jī)為控制核心，組成的智能小車在特定的程序下實(shí)現(xiàn)走直線的功能；基于阿克曼原理設(shè)計(jì)的平面等腰梯形連桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)小車的完美轉(zhuǎn)向；基于52單片機(jī)，光耦，L298，78L05的控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流減速電機(jī)與舵機(jī)的整體控制；最后利用旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)器輸出方波的個(gè)數(shù)算出小車行駛的路程，從而實(shí)現(xiàn)以上功能。通過(guò)多次的編程修改和調(diào)試最終實(shí)現(xiàn)了程控小車?yán)锍逃涗浀墓δ?。關(guān)鍵詞52單片機(jī) 智能小車 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 阿克曼原理 旋轉(zhuǎn)編碼器 方波計(jì)數(shù)引言可記錄里程的智能小車是集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制于一體的先進(jìn)機(jī)電設(shè)備，它很好的把機(jī)與電有機(jī)的結(jié)合到一起。智能小車屬于機(jī)器人系列，它在無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車、無(wú)人工廠、智能倉(cāng)庫(kù)

3、、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域有著比較廣泛的前景，可見(jiàn)其研究意義的重要性。我們主要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)智能小車，并能記錄其行駛里程。主要的工作內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：首先確定小車的基本外形和構(gòu)造，利用不同的板料和軸類料經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和加工實(shí)現(xiàn)小車的整體結(jié)構(gòu)；其后在小車上安裝基于AT89C52單片機(jī)的控制芯片，利用芯片程序使電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車配合舵機(jī)程序完成規(guī)定的行走路線；在此基礎(chǔ)之上，使用旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)小車行駛里程記錄的功能。電控基礎(chǔ)部分總體方案： 智能程控小車采用52單片機(jī)為控制核心部分，通過(guò)舵機(jī)控制前輪的轉(zhuǎn)向和L298N驅(qū)動(dòng)器控制電動(dòng)車的前后輪驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、前進(jìn)倒退和改變速度的功能。最終實(shí)現(xiàn)小車走出“8

4、”字。系統(tǒng)控制原理如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)控制原理圖設(shè)計(jì)方案：程控小車的系統(tǒng)電路如圖2所示。圖2 系統(tǒng)電路圖系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)1）單片機(jī)模塊單片機(jī)是系統(tǒng)電路的核心部分，該程控小車采用52單片機(jī)。單片機(jī)工作電壓為5V，其共有40個(gè)引腳。，此芯片負(fù)責(zé)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和后輪電機(jī)，同時(shí)完成對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向的時(shí)間和后輪電機(jī)的PWM調(diào)速任務(wù)。本設(shè)計(jì)中，調(diào)制PWM的定時(shí)器初值為0x30，定時(shí)工作方式為0，晶振的頻率為11.0592MHz。由此可以計(jì)算出約每隔100ps產(chǎn)生中斷，中斷頻率為001MHz。舵機(jī)的轉(zhuǎn)向信號(hào)和電機(jī)的進(jìn)退加減速度信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的P0OP06輸入，P00P03分別為兩電機(jī)的進(jìn)退使能端，P04P0

5、5分別對(duì)應(yīng)兩電機(jī)控制速度的使能端，P06為舵機(jī)的控制線接口。2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的主要元件。l片L298N能夠驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中6、11號(hào)引腳為2個(gè)使能端；5、7號(hào)引腳和lO、12號(hào)引腳分別控制2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。將上述6個(gè)引腳通過(guò)非門與單片機(jī)相連，便可實(shí)現(xiàn)2個(gè)電機(jī)的啟停。使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D，不僅可以大大簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路而且功率容量大有利于電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。L293D在電機(jī)控制中可以靈活的應(yīng)用如對(duì)電機(jī)輸出能力的擰制在單片機(jī)中可以進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。當(dāng)使能端為高電平，通過(guò)PWM信號(hào)輸入端In3和In4可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)(輸入端ln

6、l為PWM信號(hào)，輸入端In2為低電平，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端In2為PWM信號(hào)，輸入端Inl為低電平，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn))；當(dāng)它為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋路上的4個(gè)晶體管全部截止，使正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)自由停止。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。其具體原理如表格（1） 表格（1）使能端IN1 (IN3)IN2 (IN4) 電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) 1 1 0 正傳 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 殺停 1 0 0 停止 0 X X 停止3) 光耦模塊 光耦是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電光電轉(zhuǎn)換器件。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸

7、出端。在光耦輸入端加電信號(hào)使光源發(fā)光，此光照射在封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電光電的轉(zhuǎn)換。該程控小車的光耦由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。其工作原理:當(dāng)光耦的輸入端給予高電壓時(shí)，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，光敏三極管呈現(xiàn)高阻態(tài)（相當(dāng)于短路），光耦的輸出端為高電壓；當(dāng)光耦的輸入端給予低電壓時(shí)，放光二極管導(dǎo)通，光敏三極管呈現(xiàn)低阻態(tài)（相當(dāng)于短路），光耦的輸出端為低電壓。4）穩(wěn)壓器78L05模塊 以設(shè)計(jì)輸出電流的高穩(wěn)定線性穩(wěn)壓器為目標(biāo),利用工作在線性區(qū)的MOS管具有壓控電阻特性,構(gòu)造零點(diǎn)跟蹤電路以抵消隨輸出電流變化的極點(diǎn),并且采用了改進(jìn)型米勒補(bǔ)償方案使電路系統(tǒng)具

8、有60°的相位裕度,達(dá)到了大輸出電流下的高穩(wěn)定性要求.。在該項(xiàng)目中，穩(wěn)壓器為L(zhǎng)298提供穩(wěn)定的5V電壓。5）直流減速電機(jī)直流電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)模塊采用的是脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)，具有調(diào)速范圍寬、響應(yīng)速度快和耗損低等特點(diǎn)。其工作原理是通過(guò)單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM波形，經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，PWM將占空比不同的脈沖變成不同的電壓驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而得到不同的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)等功能。6)舵機(jī) 標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有三條引線，分別是電源線VCC，地線GND和控制信號(hào)線，如圖所示。 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩項(xiàng)任務(wù)；首先，產(chǎn)生基本的PWM周期的信

9、號(hào)，即產(chǎn)生20ms的周期信號(hào)；其次，調(diào)整脈寬，即單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，其脈沖寬度在0.52.5ms變化時(shí)，使舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角在0度180度之間變化。 單片機(jī)作為舵機(jī)的控制部分，能使PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微妙級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。7)定時(shí)器0 定時(shí)器工作在方式2被稱為8位初值自動(dòng)重裝的8位定時(shí)器，THX被作為常數(shù)緩沖器，TLX計(jì)數(shù)溢出時(shí)，在溢出標(biāo)志TFX置1的同時(shí)，還自動(dòng)將THX中的常數(shù)重新裝入TLX中，使TLX從初

10、值開(kāi)始重新計(jì)數(shù)，這樣就避免了人為軟件重裝初值帶來(lái)的時(shí)間誤差，從而提高了定時(shí)的精度。系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖3所示圖3 程序流程圖給定時(shí)器0初始化函賦初值;100US中斷一次。主函數(shù)main調(diào)用初始函數(shù)和drive函數(shù)，drive函數(shù)調(diào)用motor_run函數(shù)，motor_run函數(shù)和初始函數(shù)調(diào)用PMW函數(shù)，從而決定是否中斷程序繼續(xù)執(zhí)行。擴(kuò)展部分總體方案設(shè)計(jì)以st89c52單片機(jī)為核心，將旋轉(zhuǎn)編碼器與程控小車的驅(qū)動(dòng)輪相連，通過(guò)單片機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的方波計(jì)數(shù)，并根據(jù)已知數(shù)據(jù)算出小車所走的實(shí)際里程。系統(tǒng)控制原理如圖4所示圖4 程序流程圖方案論證及實(shí)現(xiàn)1.旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理：旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理如下

11、：型號(hào)：BMQ-S-80型。增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的光柵盤和光耦產(chǎn)生可識(shí)別方向的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。80P/R，DC+5V供電，最大機(jī)械轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分，響應(yīng)頻率：10KHZ，軸4×9mm，輸出電路為電壓輸出型，A、B兩種脈沖，編碼器尺寸：28×31mm。用于測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)速度、角度、加速度及長(zhǎng)度測(cè)量。適用于各種位移變化測(cè)量的智能控制、民用的測(cè)身高人體秤、大學(xué)生比賽用機(jī)器人等。具有體積小、重量輕，安裝方便，性價(jià)比極高的顯著優(yōu)點(diǎn)。時(shí)序圖： 圖5 旋轉(zhuǎn)編碼器輸出方波圖2程控小車功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程1）記錄旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的方波脈沖數(shù)N。首先將小車通電，旋轉(zhuǎn)編碼器會(huì)隨著小車的后輪

12、一同轉(zhuǎn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)編碼器的一個(gè)輸出端接入示波器，待波形穩(wěn)定后，記錄一個(gè)方波脈沖的時(shí)間即方波的周期，然后在小車后輪上做一個(gè)標(biāo)記，是小車后輪懸空正常旋轉(zhuǎn)，記錄小車后輪旋轉(zhuǎn)100圈所用的時(shí)間，進(jìn)行四次測(cè)量，最后算出小車旋轉(zhuǎn)一圈也就是旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間。最后用所測(cè)得的時(shí)間除以方波的周期便可以得到旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的方波數(shù)了。2）測(cè)量小車后輪的直徑從而算出器周長(zhǎng)C。3）記錄小車行駛5s內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的方波總數(shù)。主要應(yīng)用ST89C52單片機(jī)的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器5s內(nèi)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。具體流程圖見(jiàn)圖6 圖6 程序流程圖根據(jù)流程圖可以進(jìn)一步編寫程序。4）進(jìn)行

13、數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)電路的設(shè)計(jì)及制作，具體電路圖見(jiàn)圖2。5）進(jìn)行程序的運(yùn)行及調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)程控小車?yán)锍逃涗浀墓δ?。?shí)驗(yàn)效果及理論分析通過(guò)反復(fù)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，最后終于能實(shí)現(xiàn)小車走直線，和數(shù)碼管顯示完成了記錄里程程序的編寫部分。但由于我們?cè)谇皫滋焖褂玫膶?shí)驗(yàn)電路板總出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如光耦不正常工作，穩(wěn)壓器不正常工作等等，我們?cè)谡{(diào)試小車走直線過(guò)程中浪費(fèi)了大量的時(shí)間。最嚴(yán)重的是，我們使用的單片機(jī)經(jīng)常被燒毀，這不但耽誤了我們的時(shí)間，還影響我們的心情，這些都影響了我們的完成進(jìn)度，但我想我們的思路是正確的，如果再給我們一些時(shí)間，我們一定能完成的。機(jī)械部分小車的總體設(shè)計(jì)方案由圖7所示，直流減速機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)和

14、雙搖桿機(jī)構(gòu)的組合控制小車的轉(zhuǎn)向。圖7 總體設(shè)計(jì)圖小車的主體結(jié)構(gòu)包括底盤、車身、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。小車的裝配圖如圖8所示： 圖8 裝配圖其中的兩部分是我們重點(diǎn)設(shè)計(jì)和制作的，一部分是小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：等腰梯形四連桿機(jī)構(gòu)，一部分是小車后輪與旋轉(zhuǎn)編碼器相連的部分。下面將分別介紹這兩部分的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很重要的，只有嚴(yán)格按照阿克曼原理設(shè)計(jì)出合理的零件長(zhǎng)度才能使小車平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向，而不至于出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。由于方案采用的是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)而言是比較容易的。由于平面等腰梯形連桿機(jī)構(gòu)最常見(jiàn)且加工方便，所以設(shè)計(jì)采用平面等腰梯形連桿機(jī)構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。圖9 等腰梯形四連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向原理阿克曼

15、原理：轉(zhuǎn)彎時(shí)因輪距與軸距的關(guān)系，兩前輪轉(zhuǎn)角不同，內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向角比外側(cè)轉(zhuǎn)向角大，要使車輛轉(zhuǎn)向順利，車輪在地面純滾動(dòng)而不產(chǎn)生滑移，必須使所有車輪都繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心滾動(dòng)，兩前輪轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線與后輪輪軸延長(zhǎng)線交與一點(diǎn)，這是阿克曼原理。此時(shí)，轉(zhuǎn)向的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為 ：ctg-ctg=M/L。 M為兩前輪的間距，L為相鄰前后輪的間距。 圖 10 阿克曼原理另外一部分我們主要設(shè)計(jì)和加工制作的是旋轉(zhuǎn)編碼器與后車輪相連的部分。旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的方波會(huì)送入單片機(jī)，為了用旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生方波的數(shù)量測(cè)量小車行駛的距離，車輪與旋轉(zhuǎn)編碼器必須同步轉(zhuǎn)動(dòng)，我們需要將旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸與車輪的軸相連。開(kāi)始我們考慮用齒輪將它們連接起來(lái)

16、以保證它們同步轉(zhuǎn)動(dòng)但考慮到齒輪傳動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生一些故障及給驅(qū)動(dòng)帶來(lái)問(wèn)題，因此為了簡(jiǎn)便，我們選用軸套將車輪和編碼器連在一起。 圖11 軸套標(biāo)準(zhǔn)圖此外為了保證旋轉(zhuǎn)編碼器穩(wěn)定工作我們還涉及了一個(gè)支架將其固定，這樣我們就完成車輪與旋轉(zhuǎn)編碼器的同步轉(zhuǎn)動(dòng)了。 圖12 編碼器支架標(biāo)準(zhǔn)圖實(shí)驗(yàn)結(jié)論本課題最顯著的創(chuàng)新點(diǎn)便是在普通程控小車的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器，數(shù)碼管等電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小車?yán)锍逃涗浀墓δ堋＿@一課題一旦做成功，便可以用于工廠生產(chǎn)和實(shí)際生活中，能真正做到理論聯(lián)系實(shí)際。課題的技術(shù)關(guān)鍵和在于硬件的調(diào)試和軟件的編程，尤其是小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和記錄里程的程序編寫是比較繁瑣的。但一旦課題成功完成便具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，能廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，同時(shí)此課題的研究還為我們展開(kāi)深入的研究指明了方向，比如實(shí)現(xiàn)小車的測(cè)速功能，小車電耗量，小車功率等等。心得與體會(huì)經(jīng)過(guò)近10天的努力工作，終于吧程控小車的原理和制作的主要部分完成了，但由于時(shí)間的關(guān)系，我們還是沒(méi)能完成顯示小車?yán)锍痰墓δ?，但是我們清楚它的原理。制作和設(shè)計(jì)課題期間我們遇到了無(wú)數(shù)的障礙，在老師的細(xì)心指導(dǎo)下我們一次又一次的戰(zhàn)勝困難，期間我們氣餒過(guò)，但又一想這