電子大賽單片機(jī)循跡小車設(shè)計(jì)報(bào)告(共21頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電子大賽自動(dòng)循跡小車專心-專注-專業(yè)目錄摘要本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用小車專用電池為電源。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)通過紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)賽道（白面黑線）的軌道識(shí)別與小車位置的判定，并通過Risym 4路紅外尋跡避障傳感器模塊和驅(qū)動(dòng)L298N芯片與相應(yīng)程序，通過控制小車左右輪實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和循跡轉(zhuǎn)向功能。 關(guān)鍵詞：STC89C52 L298N 白面黑底軌道 循跡小車 紅外傳感器一 方案論證與比較1、單片機(jī)的論證與選擇方案一：采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為主控制器。AT89S52單片機(jī)價(jià)格便宜，控制簡(jiǎn)單，為我們平時(shí)實(shí)驗(yàn)所熟用；但其運(yùn)算速度較慢，片內(nèi)資源

2、很少，存儲(chǔ)器容量也很小，同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)傳感器時(shí)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。 方案二：采用TI公司的MSP430系列單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)具有低功耗、速度快、片上資源豐富、外部拓展能力強(qiáng)等特點(diǎn)。16位RISC指令集處理器，14個(gè)雙向I/O口，每個(gè)I/O口均可作為中斷源，但是工作電壓偏低（1.8V-3.6V）對(duì)于很多5V的系統(tǒng)來說接口電路頗為麻煩，I/O無保護(hù)，過壓過流會(huì)立即擊穿，。方案三：采用公司生產(chǎn)的STC89C52。89C52是的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片

3、機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(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、超有效的解決方案同時(shí)，具備很好的抗干擾能力。綜合對(duì)比以上三個(gè)方案，我們選擇方案三，采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片。2、 電機(jī)的論證選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、精度高、易于起停，易于正反轉(zhuǎn)及變速的優(yōu)點(diǎn)，可精確控制旋轉(zhuǎn)角度。但它以步進(jìn)式跟進(jìn)，角度小于一個(gè)步距角時(shí)是系統(tǒng)響應(yīng)盲區(qū)，且轉(zhuǎn)速較慢。方案二：采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)具有扭矩大，體積小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定強(qiáng)，負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且速度較快，能較好的滿足題目對(duì)小車行進(jìn)速度的要求

4、。結(jié)合PWM技術(shù)對(duì)其轉(zhuǎn)速的控制，利用小車兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎等功能。綜合比較以上兩種電機(jī)，結(jié)合題目的的要求，我們選擇直流減速電機(jī)用作小車的驅(qū)動(dòng)（L298N驅(qū)動(dòng)模塊）。二 理論分析與計(jì)算.1、小車循跡功能的實(shí)現(xiàn)本題的重點(diǎn)在于小車如何利用紅外傳感器通過黑色軌道的檢測(cè)來確定自身位置，以此執(zhí)行前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操作。小車的直行與轉(zhuǎn)彎功能可通過車身兩側(cè)電機(jī)的相對(duì)速度實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相等時(shí)，小車直行，當(dāng)右側(cè)電機(jī)速度大于左側(cè)電機(jī)速度，或是右側(cè)正轉(zhuǎn)，左側(cè)反轉(zhuǎn)時(shí)，小車左轉(zhuǎn)。為此我們將車身同一側(cè)兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)在一起，通過兩組PWM脈沖和兩個(gè)I/O口輸出高低電平實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向的控制，從而實(shí)現(xiàn)

5、小車的自由運(yùn)動(dòng)。設(shè)某一電機(jī)正極接有PWM脈沖控制信號(hào)，負(fù)極由IO口輸出高低電平控制。當(dāng)IO口輸出低電平時(shí)，電機(jī)負(fù)極接地，電機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由PWM脈沖高電平占空比決定。當(dāng)IO口輸出高電平時(shí)，電機(jī)負(fù)極接+12付，電機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由PWM脈沖低電平占空比決定。單片機(jī)通過L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了較好的實(shí)現(xiàn)小車對(duì)黑色軌道的檢測(cè)，我們?cè)谛≤嚨撞堪惭b了三個(gè)紅外燈，與89C52芯片相連。當(dāng)左側(cè)線圈感應(yīng)到黑色軌跡時(shí)，說明小車位置偏右，控制小車左移。當(dāng)右側(cè)線圈感應(yīng)到黑色軌跡時(shí)，說明小車位置偏左，控制小車右移。由此小車可根據(jù)黑色軌跡的位置自動(dòng)行駛直線或是轉(zhuǎn)彎的功能。循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板

6、對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)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(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限。小車供電后,紅外光電二極管發(fā)出紅外光，光線照在路面上反射回來被光電二極管接收，半導(dǎo)體二極管在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電勢(shì)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該智能小車在畫有黑線的白紙

7、 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”黑線。當(dāng)小車檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外線部分被黑線吸收，反射回的紅外線極少被光電二極管接收，轉(zhuǎn)換成比較弱的電信號(hào)；當(dāng)小車未檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外線大部分被反射，反射回的紅外線被光電二極管接收，轉(zhuǎn)換成比較強(qiáng)的電信號(hào)。最終，這些電信號(hào)經(jīng)過比較器處理后傳入單片機(jī)，再由單片機(jī)進(jìn)一步做信號(hào)處理。三 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方框圖與電路設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)總體框架圖整個(gè)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃橐韵?個(gè)模塊：控制器模塊（89C51)、紅外傳感器模塊（軌跡探測(cè)模塊）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊。系統(tǒng)總體框架如圖及構(gòu)造圖如下。2、單元電路設(shè)計(jì)（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)版以S

8、TC89C52單片機(jī)作為核心控制器，單片機(jī)的引腳如下所示，STC89C52是一個(gè)高速，低功耗，超強(qiáng)抗干擾的8位單片機(jī)，片內(nèi)含32k 空間的可反復(fù)擦寫100,000 次Flash 只讀存儲(chǔ)器，具有4K 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32 個(gè)I/O口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。時(shí)鐘電路和復(fù)位電路（與單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)）1）采用外部時(shí)鐘，晶振頻率為12MHZ。沒有晶振,就沒有時(shí)鐘周期,沒有時(shí)鐘周期,就無法執(zhí)行程序代碼,單片機(jī)就無法工作。 單片機(jī)工作時(shí),是一條一條地從RoM中取指令,然后一步一步地執(zhí)行。單片機(jī)訪問一次存儲(chǔ)器的時(shí)間,稱之為一個(gè)機(jī)器周

9、期,這是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期。如果一個(gè)單片機(jī)選擇了12MHz晶振,它的時(shí)鐘周期是1/12us,它的一個(gè)機(jī)器周期是12×(1/12)us,也就是1us。 MCS51單片機(jī)的所有指令中,有一些完成得比較快,只要一個(gè)機(jī)器周期就行了,有一些完成得比較饅,得要2個(gè)機(jī)器周期,還有兩條指令要4個(gè)機(jī)器周期才行。為了衡量指令執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短,又引入一個(gè)新的概念:指令周期。所謂指令周期就是指執(zhí)行一條指令的時(shí)間。 提供時(shí)序的頻率! 提供單片機(jī)工作的時(shí)序,其實(shí)就相當(dāng)電腦CPU主頻一個(gè)原理的。2）采用按鍵復(fù)位單片機(jī)的復(fù)位有上電復(fù)位和按鈕手動(dòng)復(fù)位兩種。上電復(fù)位是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的，即上電瞬

10、間RST端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。圖(a)中的R是施密特觸發(fā)器輸入端的一個(gè)10K下拉電阻，時(shí)間常數(shù)為10×10-6×10×103=100ms。只要VCC的上升時(shí)間不超過1ms，振蕩器建立時(shí)間不超過10ms，這個(gè)時(shí)間常數(shù)足以保證完成復(fù)位操作。上電復(fù)位所需的最短時(shí)間是振蕩周期建立時(shí)間加上2個(gè)機(jī)器周期時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)RST的電平應(yīng)維持高于施密特觸發(fā)器的下閾值。最小系統(tǒng)pcb時(shí)鐘電路和復(fù)位電路（2） Risym 4路紅外尋跡避障傳感器模塊最多可同時(shí)支持4通道的采集，原理圖如下,（3） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N原理圖如下四 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

11、程序采用匯編語言模塊化編程，結(jié)構(gòu)清晰易讀性強(qiáng)。程序在Windows環(huán)境下采用Keil uVision4軟件編寫，用STC-ISP燒寫。1、總體軟件流程圖 主程序流程圖循跡流程圖五 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案在白色地面上，用黑色膠帶布置一條軌道（含直線，曲線，一定角度的拐彎） ，將小車放置在地面上，觀察是否可以循跡前行。 2、測(cè)試結(jié)果我們對(duì)循跡小車進(jìn)行了多次測(cè)試，小車可以正常沿黑色軌跡行駛，軌道含直角彎，曲線彎和直線部分。在部分3、問題分析與總結(jié)首先是賽道與電感傳感器的問題。我們?cè)谇捌跍y(cè)試的時(shí)候，由于賽道本身有個(gè)別地方存在轉(zhuǎn)角過大，靜電累積的問題，傳感器感應(yīng)到此種情況時(shí)會(huì)造成無法識(shí)別的情況，

12、從而使小車沖出賽道或是傳感器的失靈等情況，只能通過單片機(jī)復(fù)位來解決。另外由于電感傳感器通過杜邦線與車身底部的線圈相連，偶爾會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況，對(duì)小車的正常行駛有很大的影響。盡管我們使用了熱膠槍對(duì)車身部件進(jìn)行了固定，但仍不能完全杜絕此種情況。其次，小車整體的穩(wěn)定性與電池供電電壓有著很大關(guān)系，電池電壓在11.5-12.5伏時(shí)系統(tǒng)最為穩(wěn)定。當(dāng)小車供電電壓過低時(shí)，可能會(huì)引起很多意想不到的情況，例如感應(yīng)不到金屬，小車轉(zhuǎn)向異常，系統(tǒng)卡死等。在我們起初遇到此情況時(shí)，以為是電感傳感器的問題，在多次調(diào)試無效后，換了個(gè)電池，才偶然發(fā)現(xiàn)問題的起因，為此耽誤了很多的時(shí)間。附錄一：參考文獻(xiàn)：1 宋健,姜軍生,趙文亮.

13、 基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)PWM 調(diào)速系統(tǒng)J . 農(nóng)機(jī)化研究,2006 , (1) :102 - 103.2 邊春元 李文濤 江杰 杜平等；C51單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用；機(jī)械工業(yè)出版社；2008.43 李華. MCS- 51 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)M.北京:航空航天大學(xué)出版社, 20034 樓然苗.51 單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例M.北京:航空航天大學(xué)出版社,2005.85 王晶,翁顯耀,梁業(yè)宗 自動(dòng)尋跡小車的傳感器模塊設(shè)計(jì).武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院湖北武漢6 劉迎春. 傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用M . 長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,1992.7msp430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用沈建華 等著，北京航空航天

14、大學(xué)出版社，2008年7月第一版。附錄二: 程序#include<reg52.h>sbit you1=P20;sbit you2=P21;sbit zuo1=P22;sbit zuo2=P23;sbit y=P30;sbit z=P31;sbit w=P32;sbit s=P33;void delay(int a) int i,j; for(i=a;i>0;i-) for(j=2;j>0;j-);void delayms(int ms) int a,b; for(a=ms;a>0;a-); for(b=110;b>0;b-);void qian() you1

15、=1; you2=0; zuo1=0; zuo2=1; delay(3); you1=0; you2=0; zuo1=0; zuo2=0; delay(5);void you() you1=1; you2=0; zuo1=0; zuo2=0; delay(5); you1=0; you2=0; zuo1=0; zuo2=0; delay(5);void zyou() you1=1; you2=0; zuo1=1; zuo2=0; delay(5); you1=0; you2=0; zuo1=0; zuo2=0; delay(5); void zou()/右轉(zhuǎn) you1=0; you2=0; z

16、uo1=0; zuo2=1; delay(5); you1=0; you2=0; zuo1=0; zuo2=0; delay(5); void zzou() you1=0; you2=1; zuo1=0; zuo2=1; delay(5); you1=0; you2=0; zuo1=0; zuo2=0; delay(5);void main() while(1) while(z=0)&&(w=0)&&(y=0)&&(s=0)/0是感應(yīng)燈亮 qian(); while(z=0)&&(w=1)/左邊有黑線向左轉(zhuǎn) you(); while(z=1)&&(w=0) zou(); while(y=1)&&(s=0)