基于51單單片機的自動循跡小車畢業(yè)論文

1、基于51單單片機的自動循跡小車畢業(yè)論文目錄摘要1ABSTRACT21緒論31. 1研究背景31.2 自動循跡小車的國外研究現(xiàn)狀31.3 本課題設(shè)計的主要工作及結(jié)構(gòu)安排42自動循跡小車系統(tǒng)方案設(shè)計 52. 1自動循跡小車基本原理52.2總體方案設(shè)計52. 2.1系統(tǒng)總體方案的設(shè)計53. 2.2方案選擇與論證53系統(tǒng)硬件設(shè)計84. 1自動循跡小車硬件設(shè)計84.2 單片機控制器模塊設(shè)計84.3 穩(wěn)壓電路模塊104.4 電動機驅(qū)動模塊124.5 循跡電路設(shè)計134系統(tǒng)軟件設(shè)計155. 1系統(tǒng)軟件流程圖154.2程序設(shè)計164. 2.1計時程序設(shè)計164.2.2主程序設(shè)計165系統(tǒng)擴展18word版木.

2、5. 1避障功能擴展185.2遙控功能擴展196系統(tǒng)調(diào)試21結(jié)束語23參考文獻24附錄A總電路圖25附錄B仿真電路圖26附錄C小車實物圖27附錄D循跡避障遙控源程序281緒論1.1 研究背景目前，智能車輛以及在智能車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運輸、柔性生產(chǎn)組織等系 統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，當生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣時，人工不能完成的任務(wù)如物料運輸和裝卸等，可采用智能循跡小 車完成相應(yīng)的任務(wù)。世界上許多國家都在積極進行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計。移動機器人是機器人學 中的一個重要分支，出現(xiàn)于20世紀06年代。當時斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilsscn和Charles Rosen 等人，在196

3、6年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移動機器人，目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù) 雜環(huán)境下，完成機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動機器人從無到有，數(shù)量不斷增多，智 能車輛作為移動機器人的一個重要分支也得到越來越多的關(guān)注。智能小車，以輪子作為移動機構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行J帙的機器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機 器人，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳 感、信息、通信'導(dǎo)航及白動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。在工業(yè)生產(chǎn)中，可以代替人類完 成惡劣環(huán)境下的貨物搬運、設(shè)備檢測等任務(wù)；在軍事上，可以在危險地帶代替人類完成偵

4、查、排雷等任 務(wù)；在民用上，可以作為導(dǎo)盲車為后人提供幫助；在科學研究方面，可以代替人類完成外星球勘探或者 礦藏勘探等。因此對智能小車的研究具有非常大的意義。1.2 自動循跡小車的國外研究現(xiàn)狀國外智能小車始于上世紀50年代，它的發(fā)展歷程大致可以分為以下三個階段：第一階段：1954年 美國Barrett Electronic公司研究開發(fā)出了世界上第一臺自主引導(dǎo)車系統(tǒng)，該系統(tǒng)只是一個運行在固 ,參考資料.定路線上的拖車式運貨平臺，但它卻具有了智能車輛最基本的特征無人駕服。第二階段：從80年代中 后期，在歐洲，普羅米修斯項目于1986年開始了在這個領(lǐng)域的探索，在美洲，美國于1995年成立了國 家自動高

5、速公路系統(tǒng)聯(lián)盟，其目標之一就是研究發(fā)展智能車輛的可行性，并促進智能車輛技術(shù)進入實用 化，在亞洲，日本于1996年成立了高速公路先進巡航/輔助駕服演劇協(xié)會，主要目的是研制自動車輛導(dǎo) 航的方法，促進日本智能車輛的整體進步。進入80年代中期，設(shè)計和制造智能車輛的浪潮席卷了全世 界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺。第三階段：從90年代開始，智能車輛進入了深入、 系統(tǒng) '大規(guī)模的研究階段。最為突出的是，美國卡基-梅隴大學機器人研究所完成了 Navlab系列的自主 車的研究，取得了顯著的成就。相比于國外，我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究開始于20世紀80年代，而且大多數(shù)研究尚處于針 對某個

6、單項技術(shù)研究的階段。雖然我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達國家，但是我國也 取得了一系列的成果，主要有：中國第一汽車集團公司和國防科技大學于2003年研制成功了我國第一 輛自主駕駛轎車；交通大學應(yīng)用現(xiàn)代控制理論設(shè)計出了一種自動駕駛汽車模型，該模型在汽車系統(tǒng)的動 力學建模的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了自動駕駛的專項系統(tǒng)，它能根據(jù)彎道的彎曲變化程度實時的計算出車輛的 轉(zhuǎn)向盤角度，控制車輛按照預(yù)設(shè)道路行駛；清華大學計算機系智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室自1988 年開始研制的THMR系列移動機器人取得了很大的成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前 已經(jīng)能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下，進行道路跟蹤

7、和避障自主行駛；工業(yè)大學于1996年研制成功 的導(dǎo)游機器人等。1.3 本課題設(shè)計的主要工作及結(jié)構(gòu)安排本設(shè)計的循跡小車具有自動循跡功能，另外擴展了避障和遙控功能，整體設(shè)計可以分為如下幾個模 塊，控制核心采用STC89C52單片機，循跡避障是通過傳感器實現(xiàn)的，利用RPR220型光電對管對軌跡信 息進行檢測，利用紅外避障傳感器檢測道路上的障礙，用PT2272、PT2262組成無線遙控模塊。整個系 統(tǒng)具有自動循跡蹩障和遙控避障等功能。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性能高，實驗測試結(jié)果滿足 要求。本論文分為以下幾個方面進行闡述所設(shè)計的自動循跡小車系統(tǒng)：第I章 緒論。主要概述自動循跡小車的研究背景和意義；

8、第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計。主要敘述了自動循跡小車的基本原理和總體設(shè)計方案；第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計。對系統(tǒng)的硬件電路進行分塊設(shè)計；第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計。對系統(tǒng)的軟件進行了設(shè)計與分析；第5章系統(tǒng)擴展。對系統(tǒng)的擴展電路進行了軟硬件設(shè)計分析；第6章 系統(tǒng)調(diào)試。主要概述了系統(tǒng)部分模塊的調(diào)試方法。,參考資料.2自動循跡小車系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 自動循跡小車基本原理循跡就是能夠沿著給定的軌跡運行一般給定的斷跡為在白色地面上黑色軌跡。為了實現(xiàn)這一目的， 就需要軌跡檢測模塊，這相當于小車的眼睛，需要將路面信息返回到大腦中，這大腦就需要有信息欠理 功能的微父理器來構(gòu)成，公理的信息需要執(zhí)行機構(gòu)來執(zhí)行，這就需要電機強動模塊

9、，來實現(xiàn)小車的行走 功能，而一個完整的系統(tǒng)，遷需要有電源模塊來提供能量。簡言之，系統(tǒng)的基本原理就是：循跡模塊將檢測到的路面信息傳送給微火理器來火理，然后將父理 結(jié)果送到電機驅(qū)動模塊執(zhí)行，達到循跡的目的。1.2 總體方案設(shè)計2. 2.1系統(tǒng)總體方案的設(shè)計根據(jù)論文的要求，系統(tǒng)設(shè)計方案如下：本自動循跡小車以STC89C52單片機作為微控制器，采用 RPR220型紅外對管組成循跡模塊，采用L298電機驅(qū)動芯片和兩個直流減速電機構(gòu)成包機驅(qū)動模塊，以 7805穩(wěn)壓管構(gòu)成電源電路。自動循跡小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2. 1所示。圖2.1自動循跡小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2. 2.2方案選擇與論證(1)控制器的選擇方案一 ：

10、STC89c52單片機作為系統(tǒng)的控制器oSTC89c52是一種低功耗、高性能CM0S8位微控制器， 具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash使得STC89c52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，stc系列的單片機可以在線編程、調(diào)試， 方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試，并且價格便宜。方案二：采用FPGA作為系統(tǒng)的主控制器oFPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高， 體積小，穩(wěn)定性好* 10 口資源豐富*易于進行功能擴展，父理速度快，常用于大規(guī)模實時性要求較高 的系統(tǒng)，但價格高，編程實現(xiàn)難度大。本系統(tǒng)邏輯功能簡單，僅

11、僅需要接收傳感器的信號和控制電機，對控制器的數(shù)據(jù)欠理能力要求不高， 從性價比方面考慮選擇方案一。(2)電源模塊方案一：電腦USB串口供電。能直接為單片機提供穩(wěn)定的+5V直流電壓。USB串口線又容易得到。 但需要很長的線，這樣導(dǎo)致無法在室外工作。方案二：用7.2V充電電池組作為小車供電電源。經(jīng)7805穩(wěn)壓后給單片機供電，而7.2V'電壓可直 接接在L298驅(qū)動芯片上作為兩個直流電機的他動電壓。在不超過單片機工作電壓困的情況下，又能胸 動直流電機。這個電源結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，容易得到，而且能夠重復(fù)使用。方案三：采用4節(jié)普通5號電池作為小車的供電電源。剛買的5號電池測得電壓為1.7V，4節(jié)就

12、是 6.8V，單片機需要5v電源，因此用7805穩(wěn)壓到5V后供電，但是其放電電流不大，導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速很 慢，而且在使用過程中，其電壓會明顯降低，普通5號電池會降到L4V以下，這樣導(dǎo)致經(jīng)過7805穩(wěn)壓 后電壓小于5V 完全無法帶動整個系統(tǒng)正常工作，因此放棄該方案。綜上所述，選擇方案二作為小車電源模塊，經(jīng)濟實惠。(3)電動機的選擇方案一：采用直流電機。直流電機轉(zhuǎn)動力矩大，響應(yīng)快速，體積小，重量輕，直流電動機具有優(yōu) 良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整國廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級 快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，能滿足各種不同的特殊運行要求，價格便宜。方案二：采用步進電機。步進電機是

13、一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行原件。 控制方便，體積小，靈活性和可靠性高，具有瞬時啟動和急速停止的優(yōu)越性，比較適合本系統(tǒng)控制精度 高的特點。但步進電機的抖動比較大，揄出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高薪速時會急劇下 降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，價格還比較昂貴，所以這里不采用此方案。由于直流電機價格便宜、控制簡單，因此本設(shè)計用方案一。(4)電動機驅(qū)動模塊的選擇方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實 現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴，且可能存在干擾。更主要的問題在于一般電動機的電 阻比較小，但電

14、流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。,參考資料.方案二：采用繼電器對電動機的開與關(guān)進行控制，通過控制開關(guān)的切換速度實現(xiàn)對小車的速度進行 調(diào)整。這個電路的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間長，易損壞，壽命較短，可靠性不高。方案三：采用專用電機驅(qū)動芯片L298作為電機驅(qū)動芯片。1298中有兩套H橋電路，剛好可以控制 兩個電機。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路 需要。L298的驅(qū)動功率較大，在646V.的電壓下，可以提供2A的額定電流，并且具有過熱自動關(guān)斷和 電流反饋檢測功能，安全可靠?；谝陨系姆治?，建議電動機驅(qū)動電路選擇方案三。(5

15、)循跡傳感器的選擇方案一：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟陋周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光 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：用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個碑化錢 紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR220其具有如下特點：塑料透鏡 可以提高靈敏度。置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當發(fā)光二極管發(fā)

16、出的光反 射回來時，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。綜上所述，循跡傳感器選用RPR220光電對管，經(jīng)濟實惠，使用方便，精確度高。3系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 自動循跡小車硬件設(shè)計自動循跡小車的硬件電路主要由穩(wěn)壓電路模塊、電機驅(qū)動模塊、循跡模塊，控制模塊等組成，循,參考資料.跡小車硬件電路圖如圖3.1所示。: 力X力>>力wKU Hint.匕3匚 2電機驅(qū)動模塊圖3.1循跡小車硬件電路圖穩(wěn)壓模塊將7.2V電壓降到5v給單片機、循跡模塊以及L298芯片供電，而7.2V電壓則作為電機的 驅(qū)動電壓，時鐘電路采用12Mhz晶振，提供單片機各種微操作的時間基準，復(fù)位電路用于

17、使單片機的片 電路初始化，循跡電路由4組RPR220型光電對管和LM393電壓比較器構(gòu)成，檢測到黑線時輸出高電平 給單片機，在白線上時則輸出低電平信號，單片機根據(jù)檢測到這個信號相應(yīng)的控制2個電動機正反轉(zhuǎn)或 加減速等等。2.2 單片機控制器模塊設(shè)計STC89C52是一種低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片 上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash。具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM * 32 位I/O 口，看門狗定時器，置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口

18、。另外STC89c52可降至0Hz杼態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電 模式。空閑模式下，CPl停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉也保護方式下， RAM容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率 35Mhz，61712T 可選。為了使系統(tǒng)設(shè)計簡單，本系統(tǒng)只需要復(fù)位電路和晶振電路就能滿足控制要求，其中更位操作完成單 片機片電路的初始化，使單片機從一確定的狀態(tài)開始運行，當單片機的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)51ns以上高電 平時單片機就完成了復(fù)位操作；時鐘電路就是在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器構(gòu)成部振蕩方式， 部振蕩方式所得的

19、時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。單片機模塊如圖3.2所示。UIvocXT.AL1pa. adXTAL1P02ADCKL3ADXP04.UXPO f AD!W.5AD5PCTAITR5T瑟飛PPPLOT：P5INPUT2EXALEPUP13PJ.OlxDPI,PllTxDPLSPLTpjjnrrTP5-4T0P29.SP3_6 dKlAldP"KDP23-A11P2.+ A12KJ A15PLS Al 4-V3SP2.7A15陽5 3bil 10K40圖3.2單片機模塊51單片機部有P0、Pl、P2、P3等4個8位雙向I/O 口，因此外設(shè)可直接連接于這幾個口線上，而 無需另加接口

20、芯片oP0-P3的每個端口可以按字節(jié)輸入和輸出，也可以按位進行揄入輸出，用于位控制 十分方便。P0 : P0 口為三態(tài)雙向口，能帶8個TTL電路，對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪 問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0 口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有部上拉電 ,參考資料.阻，需要外接上拉電阻。P1 ： P1 口是一個具有部上拉電阻的8位雙向I/O 口，PI輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。 對P1端口寫“1”時，部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部 拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，PLO和PL 1分別作定

21、時器/計數(shù)器2的外 部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（PL 1/T2EX）。在flash編程和校驗時，P1 口 接收低8位地址字節(jié)。P2 ： P2 口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2 口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低， 將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存 取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲 器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的容

22、。P2 口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和 控制信號。P3 口 ：P3 口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3 口寫入“1” 后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將揄出電流（ILL） 這是由于上拉的緣故。STC89C52主要功能如表3.1所示。表3.1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個雙向I/O 口256x8bit 部 RAM3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷時鐘頻率0-24MHZ2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2

23、個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能2.3 穩(wěn)壓電路模塊穩(wěn)壓電路由L7805和電容組成，其特點如下：最大輸入電壓可達35V'，最大輸出電流為L5A，輸出 電壓為5V 熱過載保護，短路保護等。由于其輸出電壓為5V *因此作為單片機的穩(wěn)壓電路芯片非常合 適，而且價格便宜，其輸出可直接給單片機供電。輸入用7. 2V充電電池組，小車供電電池如圖3.3所 示，7805芯片如圖3.4所示，穩(wěn)壓電路模塊如圖3.5所示。3. 4電動機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動選用雙全橋電機專用驅(qū)動芯片L298，L298N是SGS-THOMSON Microelectronics所出產(chǎn) 的雙全橋電機

24、專用驅(qū)動芯片(Dual Full-Bridge Driver )，部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，可同時驅(qū)動 2個直流減速電機，含二個H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯準位信號， 可驅(qū)動46V、2A以下的電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的I/O端口 來提供模擬時序信號，L298N電機驅(qū)動芯片如圖3.6所示。Pinl和Pinl5電流偵測端，可用電阻連接 來控制負載的電路，不用時接地OUT1 OUT2和OUT3 OUT4之間分別接2個直流減速電機；inputlinput4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)；Enable則控制電機停轉(zhuǎn)。圖3.6 L

25、298N電機驅(qū)動芯片電機調(diào)速通常用的是PWM調(diào)速，即脈寬調(diào)制方式驅(qū)動，通過改變占空比來改變電動機轉(zhuǎn)速。具體控 制方式如下：inputlinput4接單片機，控制電動機轉(zhuǎn)向，若單片機一 I/O 口輸出PWM信號到使能端 Enable A，當Enable A為高電平時電動機則轉(zhuǎn)動，若為低電平則不轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比可 以改變Enable A的高低電平時間從而可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。L298的邏輯功能如表3.2所示。表3.2 L298邏輯功能IN1IN2ENA電機狀態(tài)010停止011逆時針轉(zhuǎn)100停止10I順時針轉(zhuǎn)L298的驅(qū)動功率較大，在646V的電壓下，可以提供2A的額定電流，并且具有過

26、熱自動關(guān)斷和電 流反饋檢測功能，安全可靠；為了保證L298正常工作，在OUT1、OUT2、OUT3、OUT4上都加上續(xù)流二 極管。電機驅(qū)動電路如圖3.7所示。L圖3.7電機驅(qū)動電路3.5循跡電路設(shè)計循跡小車在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色，可以直接將絕緣膠布粘在白 色地面上或白紙上作為小車循跡軌跡。由于黑紙和白色路面對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收的反 射光的強弱來判斷道路一一黑色軌跡。本設(shè)計循跡傳感器采用RPR220反射型光電對管，通過紅外敏感端對不同顏色的感光能力的不同， 可以很容易的辨別白紙上的黑色軌跡。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線照射到黑帶時，光線被黑帶吸收，紅外 接收

27、管無法接受到紅外線，不導(dǎo)通。當紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射到地面時發(fā)生漫反射，光反射回來被紅 外接收管吸收，紅外接收管導(dǎo)通。RPR220型光電對管如圖3.8所示，循跡檢測電路如圖3. 9所示，本 設(shè)計用4組該槍測電路達到精確循跡的目的。O Cathode J（3） Anode. Collector Emitter,參考資料.圖3.8 RPR220型光電對管RPR220圖3.9循跡檢測電路將該傳感器4個一組放置在小車前方，傳感器布局如圖3. 10所示，中間兩個傳感器之間的距離最 好為軌跡寬度，左邊第一個和第二個之間的距離可適當較近一些，具體位置可在測試中調(diào)整，這樣放置 的目的是能夠很好的反應(yīng)小車的循跡

28、狀態(tài)，例如當左邊第一個在黑線上時，就表明小車偏離軌道太遠需 要進行粗調(diào)，應(yīng)當向左大轉(zhuǎn)彎了。當傳感器在黑線上時接收管不導(dǎo)通，LM393的3腳電壓就為VCC，而 2腳電壓可以由電位器進行調(diào)節(jié)，只要電位器不是在最上端，則2腳電壓就小于VCC，這樣正向端的電 壓大于反向端電壓，那么經(jīng)過電壓比較器比較后，輸出高電平，當傳感器在白線上時，紅外接收管導(dǎo)通， 則3腳可視為接地，則正向端電壓小于反向段電壓，那么經(jīng)比較器比較后揄出低電平。圖3. 10傳感器布局這里循跡模塊電壓比較器選用的是LM393，LM393是由兩個獨立的、高精度電壓比較器組成的集成 電路，失調(diào)電壓低，最大為2.0研。它專為荻得寬電壓圍、單電源

29、供電而設(shè)計，也可以以雙電源供電； 而且無論電源電壓大小，電源消耗的電流都很低。它還有一個特性：即使是單電源供電，比較器的共模 輸入電壓困接近地電平。主要應(yīng)用于限幅器、簡單的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、脈沖發(fā)生器、延時發(fā)生器、寬頻壓 控振蕩器、MOS時鐘計時器、多頻振蕩器和高電平數(shù)字邏輯門電路。393被設(shè)計成能直接連接TTL和 CMOS；當用雙電源供電時，它能兼容MOS邏輯電路一一這是低功耗的393相較于標準比較器的獨特優(yōu)勢。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件流程圖自動循跡小車系統(tǒng)程序要求對4個光電對管的信號進行檢測，然后單片機根據(jù)檢測到得信號做出相 應(yīng)的控制反應(yīng)，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，達到自動循跡的目的。具

30、體程序流程圖如圖4. 1所示。圖4. 1程序流程圖4.2程序設(shè)計4.2. 1計時程序設(shè)計為了更方便的控制小車速度，采用PWM調(diào)速方式，而該中斷計時程序的作用是產(chǎn)生一個基準的時間， 調(diào)用該程序讓某一 I/O 口保持高電平，然后再調(diào)用一次將該I/O 口取反就形成了 PWM信號，從而控制電 機的轉(zhuǎn)速，非常方便，改變t的值來改變占空比。void timer (unsigned int t) 中斷計時(unsigned int i;for(i=0;i<t;i+) /*計數(shù) t*50*/(TMOD=0X10;TH0=0x3C;TL0=0xB0;TR1=1;while(!TFl);TR1=O;4. 2

31、.2主程序設(shè)計主程序的容包括初始化程序，讀取傳感器信息，以及根據(jù)相應(yīng)的電機控制程序等。其中傳感器信號 可能邏輯狀態(tài)如表4.1所示，根據(jù)這些狀態(tài)結(jié)合實際就跡情況對電機進行相應(yīng)控制，不同的軌跡在相同 狀態(tài)下電機的控制也會不同。例如小車偏左狀態(tài)如圖4.2所示，當小車處于這種狀態(tài)時，小車向左轉(zhuǎn)彎 才能讓黑線在小車正下方，這時應(yīng)該控制左輪電機速度不變，右輪電機加速才能比較平穩(wěn)的讓小車恢復(fù) 最佳循跡狀態(tài)，當小車右邊兩個傳感器都在黑線上時，表明小車需要轉(zhuǎn)過90,彎，這時應(yīng)該左輪電機正 傳，右輪電機反轉(zhuǎn)才能平穩(wěn)的沿著黑線轉(zhuǎn)彎。圖4.2小車偏左狀態(tài)表4.1傳感器信號可能邏輯狀態(tài)RPR3RPR1RPR2RPR40

32、000前進0001左輪大轉(zhuǎn)彎向右轉(zhuǎn)0010左輪轉(zhuǎn)彎向右轉(zhuǎn)0011左轉(zhuǎn)彎90°0100右輪轉(zhuǎn)彎向左轉(zhuǎn)0101左轉(zhuǎn)彎大于90°向左轉(zhuǎn)0110前進0111左輪轉(zhuǎn)90,向右轉(zhuǎn)1000右輪大轉(zhuǎn)彎向左轉(zhuǎn)基于上述傳感器可能出現(xiàn)的邏輯狀態(tài)循跡程序如下：mainO IN1=O,IN2=1,IN3=0, IN4=1;while(l)if(RPR4=0&&RPR3=0&&RPRl=0&&RPR2=0)|(RPRl=l&&RPR2=l&&RPR3=l&&RPR4=l)/ 未 檢測到黑線，小車繼續(xù)前進 I

33、NK IN2=l,IN3=0, IN4=1;PWM1=1; PWM2=1;timer(lOO); 2. 2msPWM1=O;PWM2=0;timcr(400); /8. 8msif(RPR4=0&&RPR3= 1 &&RPR 1 =0&&RPR2=0) 左輪最外圍檜測到黑線 左輪大轉(zhuǎn)彎 IN1=O, IN2=l,IN3=0,IN4=l;PWM1=1;PWM2=1;timer(50);PWM1=O;PWM2=1;timer(50);PWM1=O;PWM2=0;timer(400); 5系統(tǒng)擴展5.1 避障功能擴展利用紅外避障傳感器進行小車的避障擴展

34、，紅外避障傳感器如圖5. 1所示，該傳感器測量圍為 3-80CM，可利用其背面的距離調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)距離。圖5.1紅外避障傳或器避障硬件電路如圖5.2所示，避障原理是檢測到障礙物則輸出低電平，背面燈亮，未檢測到障礙物 則輸出高電平，背面燈滅，由于這種傳感器比較貴，因此在保證能正常避障的情況下，使用該傳感器兩 個來達到避障的目的。避障思路是：在小車正前方放置一個避障傳感器，用于對正前方的障礙物進行檢 測，在小車左輪附近放置一個傳感器用于在小車轉(zhuǎn)彎時對左邊的障礙物進行檢測，當前方的傳感器檢測 到障礙物時，小車右轉(zhuǎn)彎，具體行駛是小車左輪正傳右輪反轉(zhuǎn)向右原地轉(zhuǎn)一個角度，然后右輪加速行刑， 左輪正常行駛

35、，繞過障礙物，直到回到黑線上繼續(xù)循跡，在轉(zhuǎn)彎過程中，若左側(cè)傳感器檢測到信號則表 明小車應(yīng)繼續(xù)向右轉(zhuǎn)彎，否則會撞到障礙物上。具體小車轉(zhuǎn)的角度和速度要在時間測試中逐漸進行改善。圖5.2避障硬件電路,參考資料.避障軟件流程圖如圖5.3所示，檢測到障礙物后繞過障礙物到循跡線上接著循跡。開始循跡轉(zhuǎn)彎繞過障礙物到黑線上圖5.6遙控軟件流程圖,參考資料.圖5.3避障軟件流程圖5.2 遙控功能擴展小車的遙控模塊，選用PT2262/PT2272組成的無線遙控模塊，PT2262/PT2272是普城公司生產(chǎn)的 一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼芯片，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù) 據(jù)碼、

36、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后， VT腳才揄出高也平，與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，由于該電路自己焊接比較復(fù)雜，因此從各 方面綜合考慮，選擇在淘寶上買這種遙控的成品模塊進行控制，價格也很便宜。無線遙控模塊硬件電路 如圖5. 4所示。SZN515n J 4 u Ahv ? CF*這種成品電路有三種工作方式：非鎖、自鎖、互鎖。非鎖型揄出又稱點動輸出，數(shù)據(jù)腳輸出的電平 是瞬時的而且和發(fā)射端是否發(fā)射相對應(yīng)，可以用于類似點動的控制，有遙控信號時數(shù)據(jù)腳是高電平，遙 控信號消失時數(shù)據(jù)腳立即恢復(fù)為低電平；自鎖型輸出的數(shù)據(jù)腳能實現(xiàn)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)工作邏輯，數(shù)據(jù)

37、只要成功 接收就能一直保持對應(yīng)的電平狀態(tài)，直到下次遙控數(shù)據(jù)發(fā)生變化時改變咱鎖型四路相互獨立互不影響， 可同時遙控四路；互鎖型輸出就是任意一路收到信號則該路就能一直保持對應(yīng)的高電平狀態(tài)，接收到任 意其它路的數(shù)據(jù)則恢復(fù)到原始狀態(tài)，四路互鎖只能有一路接通。我選擇的是非鎖型，有ABCD四個鍵， 按下相應(yīng)鍵，則與該鍵相對應(yīng)的管腳輸出高電平，松開按鍵，電平變低，如按下A鍵，則DO變?yōu)楦唠?平，松開后DO變低電平，可直接與單片機相連，非常方便。遙控模塊與單片機接口電路如圖5.5所示。遙控模塊圖5.5遙控模塊與單片機接口電路具體控制思路是：接通電源，小車開始循跡避障工作模式，按下A鍵后小車變換為遙控避障工作模

38、 式，按下B鍵不放，小車前進，按下C鍵不放，小車左轉(zhuǎn)彎，按下D鍵不放，小車右轉(zhuǎn)彎，按下A鍵， 小車又重新恢復(fù)循跡避障模式，實現(xiàn)兩種工作模式的切換。遙控軟件流程圖如圖5.6所示。6系統(tǒng)調(diào)試（1）調(diào)試過程先設(shè)計好電路圖，利用keilC51軟件和Proteus軟件進行模擬仿真，仿真成功后到淘寶上買了元器 件，然后開始自己的焊接組裝調(diào)試過程，首先將4節(jié)干電池直接接在電動機的兩端，試驗電動機是否能 轉(zhuǎn)動，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速很慢，然后查看焊接好的電機驅(qū)動電路是否工作正常，然后開始焊接循跡模塊，先接一 個RPR220型光電對管，測其在黑線和白線上的輸出電壓，實驗發(fā)現(xiàn)確實在黑線上輸出高電平，在白線 上輸出低電平，然后與

39、單片機相連，將編譯好的程序下載到單片機中，在用黑色絕緣膠布和寢室白色地 板構(gòu)成的軌跡上進行實踐測試，經(jīng)過反復(fù)的實踐和更正程序，終于循跡小車做成功了，可以非常準確的 沿著黑線循跡，能夠非常流暢的轉(zhuǎn)90。彎和正確的經(jīng)過十字路口，也能走圓瓠型軌跡和轉(zhuǎn)大于90°的彎。在循跡小車工作正常的基礎(chǔ)上，又擴展了避障功能和遙控功能，能夠讓小車在遙控避障和循跡避障 兩種功能間進行切換。主要測試的容有：電機驅(qū)動模塊工作是否正常；循跡模塊是否工作正常；擴展功能是否達到要求等 等。小車實際運行情況如圖6. 1所示。圖6. 1小車運行圖循跡小車在proteus中的軟件仿真圖如圖6.2所示，在圖中為小車在左邊第一

40、個傳感器檢測到黑線 上時的仿真圖，此時小車的運行狀態(tài)向左轉(zhuǎn)彎，右輪的速度大于左輪速度。,參考資料.廣區(qū)避障2圖6.2小車仿真圖(2)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題與解決方法在測試上述三項容過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過一些問題：1)剛開始買的4節(jié)干電池由于使用時間過長而造成電壓變低，經(jīng)過7805穩(wěn)壓后電壓低于5V，帶 不動整個系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。從性價比角度考慮，買了一個7. 2V充電電池組代替4節(jié)干電 池。2)在對循跡模塊進行測試時由于對于RPR220型管腳沒弄清楚，導(dǎo)致燒毀了一個RPR220型光電對 管。本來買了 5個進行循跡的，燒了一個就用4個將就著用了，結(jié)果發(fā)現(xiàn)循跡效果依然很不錯。不過在 對RPR220

41、型光電對管的測試經(jīng)驗告訴我即使是長腳也可能是接地的。3)在進行電機的PWM調(diào)試測試過程中，不小心將電機驅(qū)動模塊的電壓VCC和地短接了，結(jié)果就是 7805穩(wěn)壓管發(fā)燙，非常燙，還好發(fā)現(xiàn)的早以及7805穩(wěn)壓管質(zhì)量非常不錯，沒有燒掉。4)在軟件編寫過程中，發(fā)現(xiàn)計時程序調(diào)用時應(yīng)為t*50ms，那么調(diào)用tin】cr(2)后其時間應(yīng)為0. 1s， 但實際測得結(jié)果比這個結(jié)果小很多，后來經(jīng)過實驗將其結(jié)果改為timer (100)測得時間為2.2ms。,參考資料.結(jié)束語本論文從整體的角度，對自動循跡小車系統(tǒng)進行分析和研究，同時做到重點的突出。論文循跡小車 整體系統(tǒng)入手，著重介紹了由L298電機驅(qū)動芯片組成的電機驅(qū)

42、動模塊以及由RPR220型光電對管組成的 循跡模塊。該自動循跡小車能夠沿著任意的軌跡行駛。該自動循跡小車具有自動循跡、遙控、避障等功 能。再設(shè)計這個系統(tǒng)時也遇到了許多問題和困難，例如電源問題，在干電池帶不動以后我專門去了電子 元器件市場去買個經(jīng)濟實惠的電源，最終遷是在網(wǎng)上買了個充電電池組，再設(shè)計的過程中肯定會出現(xiàn)意 想不到的事情，有時一個小小的問題，都要花費大量的時間和精力，需要不斷地試驗，才能達到最好的 效果。該系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)完成，實際測試證明系統(tǒng)已能達到設(shè)計要求。本文所做的主要工作如下：(1)闌述了自動循跡小車的基礎(chǔ)知識，以及國外研究的現(xiàn)狀；(2)深入分析了自動循跡小車的基本原理。對總體方案

43、和元器件的選擇進行了分析與論證；(3)設(shè)計了自動循跡小車的硬件框圖。對各個模塊進行了詳細的敘述，并設(shè)計了各個模塊的硬件電 路圖。其中包括：循跡模塊，電機驅(qū)動模塊以及穩(wěn)壓電路等；(4)介紹了自動循跡小車的程序流程，并對程序進行了設(shè)計；(5)系統(tǒng)調(diào)試中主要概述了系統(tǒng)部分模塊的調(diào)試方法以及對循跡小車的擴展。雖然本論文達到了循跡小車的基本要求，而且進行擴展變成循跡避障遙控小車，但是現(xiàn)在的成果來 說還有許多的不足，例如：在小車底盤選取的時候，不是自己設(shè)計的小車底盤，由于諸多因素的考慮最 終還是選擇買一個小車底盤，導(dǎo)致設(shè)計的不是很漂亮；還有小車沒有進行裝飾等，導(dǎo)致整個小車系統(tǒng)看 起來不是很美觀；在設(shè)計循跡

44、模塊時，由于對黑色軌跡寬度等因素的考慮沒有選擇將RPR220光電對管 焊接在電路板上，而是選擇接在杜邦線上粘在小車前面，導(dǎo)致光電對管容易松動而造成RPR220容易變 換方位，導(dǎo)致循跡有時候出錯。通過對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和調(diào)試過程，積累了不少實際經(jīng)驗，開拓了 了思維，為今后在這方面的工 作打下了較為堅實的基礎(chǔ)。本文還有很多不足之父，懇請各位專家和老師批評指正。參考文獻1全利.單片機原理及接口技術(shù).：高等教育，20082何希才.傳感器及其應(yīng)用電路.電子工業(yè)，2001年3玉峰，霓虹霞.CS-51系列單片機原理與接口技術(shù)M.人民郵電，2004.4呂惠智.紅外技術(shù).工程大學，1998年5王麗敏.電路仿真與

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47、參考資料.rc c-d n， 二a. 口-CL目石幺£總巖巖與 g eee ssjeteErg .mwff 已昌? ogE ss sown nj 12 專H 二 NW 0再工 z& 皆c-屆 2n號 二登附錄C小車實物圖,參考資料.附錄D循跡避障遙控源程序#include<rcg52. h>#dcfine uchar unsigned char#definc uint unsigned int* 第一部 分 Start*9/>9/>9/1/>i/TXsbitINl=PrO; /以下是點擊驅(qū)動芯片L 2 9 8管腳位聲明sbitpwMi=pri；s

48、bitIN2=P2;sbitIN3二 P3;sbitPWM2=Pr4;sbitIN4=P5;sbitsbitRPR4=P7;sbitRPR1=P2.0;sbitRPR2=P21;sbitbzl=P0-0;sbitbz2=P0-l;sbitA = P32sbitBJ=P(T3;sbitOP(T4;sbitD=P(T5;sbitled=P0-7;RPR3二P6; 此父是傳感器RPR220管腳位int n=l;* 第一部分End*/* 第二部分子函數(shù)定義Start*>1/ >1/>1/*米米*米米米*延時函數(shù) *米*米*米*米*米*/void delay(uint k)(uint

49、x, y;for(x=0;x<k;x+)for(y=0;y<2000;y+);void timer (unsigned int t) 中斷計時,參考資料.unsigned int i;for(i=0; i<t;i+) /*延時 t*50ms*/(TMOD=0X10;TH0=0x3C;TLO=OxBO;TR1=1;while(!TFi);TR1=O;intOOinterrupt 0(n=n+l;默認遙控功能即flag=l時為遙控功能if(n%2=0)(lcd=0;)else lcd=l;EA=1;EXO=1;ITO=1 ；)main()(EA=1;EXO=1;ITO=1;whi

50、le(l)while(n%2=l)(if(A=l) break;if(A=O&&BJ=l&&bzl=l)IN1=O, IN2=1, IN3=0,IN4=1;PWM1=1;PWM2=1;timcr(lOO); /ISPWM1=O;PWM2=0;timcr(IO); /ISif(A=O&&C=l&&bzl=l)IN1=O, IN2=l,IN3=0, IN4=1;PWM1=O;PWM2=1;timcr(50); /O.5SPWM1=O;PWM2=1;timcr(50); /ISPWM1=O;PWM2=0;timcr(lO); /O.5S

51、Iif(A=O&&D=l&&bzl=l)INl=0,IN2=l,IN3=0, IN4=1;PWM1=1;PWM2=0;timer(50); /O. 5SPWM1=1;PWM2=0;timer(50); /ISPWM1=O;PWM2=0;timcr(lO); /O. 5Sif(A=O&&bzl=O)unsigned nit k=0;IN1=O, IN2=1JN3=1,IN4=O;for(k=0;k<=30;k+)PWMI=1;PWM2=1;timer(25);PWMI=O;PWM2=0;timer(25); while(n%2=0)(if(A

52、=l) break;i f(A=0&&bzl=l&&(RPR4=0&&RPR3=0&&RPRl=0&&RPR2=0)I(RPR1=1&&RPR2=1&&RPR3=1&&RPR4=1) I (RPR 1 = 1 &&RPR2= 1 &&RPR3=0&&RPR4=0)/ 未 檢 測 到黑 線，小車繼 續(xù)前進(IN1=O, IN2=1, IN3=0, IN4=1;PWM1=1;PWM2=1;timcr(lOO); /ISPWM1=O;PWM2=0;timcr(400); /IS)if(A=0&&bzl=l&&RPRl=l&&RPR2=0&&RPR3=0&&RPR4=0) / 僅 左 輪 檢 測 到黑 線,小彎 轉(zhuǎn) 左 向 車IN1=O, 1N2=1, IN3=0, I