基于MCS-51的智能迷宮小車的設(shè)計與實現(xiàn)

1、 基于MCS-51的智能迷宮小車的設(shè)計與實現(xiàn)專業(yè)：自動化學(xué)生：陳震南指導(dǎo)教師：鄭恩輝摘要：隨著電子、信息技術(shù)的應(yīng)用與迅速普及，人們對電子技術(shù)的要求越來越高。迷宮小車的出現(xiàn)為今后能夠更好地使用機器人來代替人工活動墊定了扎實的基礎(chǔ)。經(jīng)過完善的迷宮小車將可以廣泛用于軍事排雷、火災(zāi)現(xiàn)場的救災(zāi)搶險、有害氣體中毒的搶救等活動中。然而，目前存在的一些迷宮車主要還是停留在人工遠(yuǎn)程控制階段，真正穩(wěn)定完備，并能實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的智能小車還有待繼續(xù)研發(fā)。本課題設(shè)計了一個基于單片機控制的迷宮小車系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STC89S52單片機為主控制核心，實現(xiàn)信號采集，路線判斷，以控制小車的運動；利用光電傳感器檢測迷宮黑線的走向，

2、結(jié)合L298N芯片驅(qū)動減速電機運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)小車走迷宮。該系統(tǒng)有單片機控制模塊和光電傳感器模塊兩個主要功能模塊。單片機控制模塊主要利用單片機接受到傳感器輸出的高低電平后再輸出信號去控制小車的運動；傳感器模塊則利用光電傳感器對黑線的感應(yīng)，然后輸出相應(yīng)高低電平并傳送給單片機。這樣就可以實時監(jiān)測小車在迷宮中所處的位置，并進(jìn)行相應(yīng)的運動，最終經(jīng)判斷讓小車停止在迷宮出口指定的位置上，并通過迷宮小車的自主學(xué)習(xí)功能對迷宮路線進(jìn)行最優(yōu)化處理并學(xué)習(xí)記憶，使其在二次走迷宮時，能以最優(yōu)路徑走到迷宮出口。關(guān)鍵詞：迷宮小車；單片機；傳感器引言：智能迷宮小車也可以稱為智能迷宮機器人，既然是智能機器人，那么就應(yīng)當(dāng)具備以下幾

3、個特征功能：識別，處理，執(zhí)行，學(xué)習(xí)。目前全世界各國所舉辦的大大小小關(guān)于機器人的比賽C數(shù)不勝數(shù)，其中的宗旨是一致的都是為了培養(yǎng)創(chuàng)新精神，激發(fā)思維想象力，并估計理論與實踐相結(jié)合。在我國高校的機器人比賽中，最為廣泛的是“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能車競賽，該比賽充分的利用學(xué)生的各方面知識，并要求將其運用至切實的實踐中，極好的詮釋了上述的機器人比賽宗旨。正因目前的機器人發(fā)展越來越迅速，越來越多智能機器人產(chǎn)品或已經(jīng)或正在投入到農(nóng)業(yè)、工業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中，代替人工勞圖1迷宮形狀示意圖作。同樣，在搶險救、軍事活動中，智能迷宮機器人也可以達(dá)到同樣的功效，該迷宮小車可以在復(fù)雜的迷宮中，在迷宮的入口處進(jìn)入迷宮，并對迷宮路口進(jìn)

4、行智能識別，選擇正確路徑，最后找到迷宮出口。該迷宮機器人為采用MCS-51單片機為控制核心，ST188為識別路線的傳感器，通過控制直流電機的正確運作，進(jìn)行一系列的信號采集、數(shù)據(jù)處理、電機控制實現(xiàn)走迷宮的功能。迷宮是以白板為底，寬度為18mm的黑線組成的線形迷宮，迷宮的大小不限，但是對于迷宮過的路線均為直線，拐角均為直角彎，如圖1所示。智能迷宮小車總體設(shè)計方案該智能迷宮車是由光電傳感器模塊、單片機控制模塊、電機模塊、液晶顯示模塊組成的。迷宮小車采用的是由一個萬向輪作為前輪，以及兩個直流電機驅(qū)動輪作為后輪的結(jié)構(gòu)形式組成的三輪車。該車的特點就是靈活，通過后側(cè)兩個驅(qū)動輪的差速轉(zhuǎn)動實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。兩電機

5、以相同速度同方向運轉(zhuǎn)時，小車為前進(jìn)；以相反方向運轉(zhuǎn)時，小車實現(xiàn)繞車體中心自轉(zhuǎn)，十分靈活。智能迷宮小車控制電路的設(shè)計小車傳感器對白底黑線的迷宮路線進(jìn)行檢測，并將其信息進(jìn)行具體的處理。該智能迷宮小車的整體控制流程是：由光電傳感器檢測路面信息，返回模擬信號；該信號通過比較器使其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；單片機對數(shù)字信號進(jìn)行處理，判斷道路目前情況；了解路面情況后，通過單片機對驅(qū)動電機進(jìn)行調(diào)整；然后再次通過傳感器檢測車體是否行走正確。其中各個核心元器件選用的是STC89C52的核心控制器，ST188的光電傳感器，L298N的電機驅(qū)動，以及采用LCD1602作為路徑的顯示器。具體控制框圖與流程圖如下圖2.1和圖2.

6、2所示：傳感器模塊圖2.1總體設(shè)計硬件圖電機模塊生控制電機驅(qū)動圖2.2系統(tǒng)控制流程圖傳感器的安裝與檢測方案對于不同的路面情況選用不同的傳感器，針對該智能迷宮小車的迷宮為白底黑線的情況，選用ST188光電傳感器則是較為合理。該傳感器是將路面的黑白情況反映成為一個05V的模擬信號，再通過以LM358的基礎(chǔ)的比較器，將其模擬信號轉(zhuǎn)換為可以讓單片機可以識別的數(shù)字信號0、1。傳感器的不同安裝方式，對于迷宮的檢測效果也是不同的。總的來講，按傳感器安裝的排數(shù)還是分為兩大類：一類是單排，一字型排開；另一類則是多排，而多排又是一兩排為主。3.1單排傳感器：單排一般以5個為適中，具體方式如圖3.1所示。這種排布方

7、式的主要優(yōu)點資源的節(jié)省，傳感器要求數(shù)量較少；而且理論上實現(xiàn)起來簡單，只需通過此時刻與之前想接近的某一時刻進(jìn)行對比（這兩個時刻可以設(shè)為時是間間隔一定），就可以得出目前小車所處迷宮的位置狀態(tài)，并可以判別出迷宮的路口情況。但是這個也只是存在于理論當(dāng)中，現(xiàn)實的實踐中往往是存在諸多干擾與不理想的情況，比如電機的轉(zhuǎn)速不完全一致，以及傳感器接受信號不完全同時等等。這個勢必會影響小車的判斷與運行，只要一個路口的判斷失誤，那車子的行走方向就有可能與正確路徑背道而馳。圖3.1單排傳感器示意圖雙排傳感器為了很好的克服以上的問題，采用雙排傳感器的配合使用較為合理。傳感器的排布如圖3.2所示，分為上下兩排，上面這一排為

8、輔助傳感器，作為與判斷終點線和路口路徑預(yù)判斷使用；而下排傳感器則作黑線中心判斷與路口再判斷使用。其中1號和3號為檢測終點用，2號為路況的預(yù)判斷使用，4號和7號為路口判別使用，5號和6號為黑線中心檢測使用，其中2號也常配合5、6號使用。這種傳感器的排布方式，可以令傳感器分工使用，有效的避免一些來自路面的干擾和反饋信號的沖突。圖3.2雙排傳感器排布是意圖信號檢測與處理4.1小車走迷宮的過程分析小車走線形迷宮時，整體的控制思路無非是以下幾個步驟：（1）、小車沿著當(dāng)前迷宮道走，并同時檢測前方是否存在岔路口（2）、當(dāng)檢測到岔路口時，判斷岔路口的類型；（3）、確定岔路口的類型后，控制小車朝著正確的方向運轉(zhuǎn)

9、；（4）、依次循環(huán)作用。其主要的流程圖如下圖4.1所示：執(zhí)行當(dāng)前操作嗨判斷是否為岔路口執(zhí)行轉(zhuǎn)向與判斷是否為終點結(jié)束圖4.1系統(tǒng)流程圖小車尋線方法（1）小車的尋黑線行走相對還是比較簡單的，在走直線的情況下，只需根據(jù)5、6號傳感器對路面黑線的偏離位置檢測，并通過電機對車體進(jìn)行左右微調(diào)即可達(dá)到車子回到黑線中心直線行駛。如下圖4.2所示，很明顯小車在走直線時有偏右的趨勢，5號傳感器在黑線內(nèi)，6號處在黑線外。那小車就要通過控制電機運轉(zhuǎn)，即左側(cè)電機不轉(zhuǎn)，右側(cè)電機前轉(zhuǎn)，這樣就可以使小車回到黑線中心，當(dāng)達(dá)到5、6號傳感器均在黑線上時，左右電機均保持前轉(zhuǎn)，即可達(dá)到調(diào)整的目的，回到圖5的狀態(tài)繼續(xù)直線行駛。圖4.2

10、小車偏右示意圖ri圖4.3左右轉(zhuǎn)路口示意圖（2）小車除了要走直線，走轉(zhuǎn)彎路口還是比較常見的。這里所謂的轉(zhuǎn)彎路口是指只有一條路徑選擇的拐彎處，具體如圖4.3所示。這種單純的左右轉(zhuǎn)彎，對于傳感器的檢測與判斷也是比較簡單。下面以小車右轉(zhuǎn)彎為例講述傳感器的檢測與判斷過程：我們已經(jīng)知道上傳感器1、3是用于終點檢測的，所以在這里面不作考慮；2號傳感器則是作為與判斷使用的，當(dāng)小車如圖9情況行走時，小車為處于直線狀態(tài)；當(dāng)從圖4.4變化到圖4.5的情況時，從視覺上看小車踏在了右轉(zhuǎn)彎的路口上，但是由于3號傳感器在這里不起作用，所以小車目前的狀態(tài)仍然是直線的；當(dāng)小車?yán)^續(xù)行走時，小車就會自然的到達(dá)圖4.6的狀態(tài)，這時

11、2號傳感器進(jìn)入了白地板，同時7號傳感器進(jìn)入了黑線而4號依然是沒有變化，此時單片機就可以判斷小車是進(jìn)入了右轉(zhuǎn)彎。圖4.4小車處于直線上圖4.5小車正處于右轉(zhuǎn)路口上圖4.6小車處于即將右轉(zhuǎn)狀態(tài)（3）當(dāng)小車所處的位置能夠面對兩種或兩種以上的路徑選擇，那么這個位置處的路口情況叫做岔路口，如圖4.7所示：圖4.7岔路口示意圖其路口則檢測與判定情況與上述的轉(zhuǎn)彎路口基本一致，原理相同，其關(guān)鍵仍是要處理好傳感器的變化關(guān)系。但對其信號的處理則不同，小車的行走方向則要根據(jù)單片機的處理與算法有直接關(guān)系，具體的選擇方式會在算法介紹中講述。（4）小車要行走順利還需要注意死胡同的情況。所謂的死胡同是小車所處的直線前方已沒

12、有道路。當(dāng)小車進(jìn)入死胡同，那勢必會經(jīng)過從圖4.8到圖4.9的過程。這時單片機應(yīng)該控制電機做掉頭，使小車返回。圖4.8小車駛向死胡同圖4.9小車處于正要掉頭的狀態(tài)5.小車控制算法小車要在迷宮入口處通過隨機選擇路徑的方式來尋找迷宮出口時比較困難的，所以通過使用一些法則來選擇行走方向仍是非常必要。迷宮小車一般會使用的控制算法有“左手法則”，“右手法則”和“靠前算法”。其中三者的區(qū)分方式是根據(jù)小車在遇到岔路口時的路徑優(yōu)先選擇方向。以左手法則為例，所謂左手就是當(dāng)小車在行經(jīng)中傳感器檢測到前方有多個方向的岔路口時，小車優(yōu)先選擇向左轉(zhuǎn)彎，如圖4.7中的第1、3、4幅圖所示；當(dāng)岔路口沒有左轉(zhuǎn)路口時，如圖4.7中

13、的第2副圖所示，此時就以順時針方向旋轉(zhuǎn)，在這個過程中遇到路徑則選為小車將要前進(jìn)的方向。具體流程如示意圖5.1所示。以左手法則行駛的小車不會走重復(fù)的路線，這樣的話只要小車不出現(xiàn)路線判斷錯誤，小車就一定會找到迷宮的出口。初始化掃描傳感器并將傳給單片機判斷是是否為岔路口否-是否有左路徑否繼續(xù)運行小車左轉(zhuǎn)小車直行(1結(jié)束丿圖5.1小車路徑選擇流程圖小車的學(xué)習(xí)功能智能迷宮小車在走迷宮的過程中，如果每一次都是以左手法則來走完全程，那時間效率是非常低的，所以這里介紹一下小車的自主學(xué)習(xí)功能，是小車能夠在二次行走迷宮格時，有效地避免與濾除無效路線，如死胡同。我們使用“左手法則”進(jìn)行穿越線迷宮，圖6.1中的藍(lán)色的

14、線，就是其穿越路徑?？梢钥闯隼@了很大的圈。機器人的自主學(xué)習(xí)功能就是機器人在經(jīng)過第一次穿越后，能夠發(fā)現(xiàn)并記住所經(jīng)過的無效線路，從而在第二次穿越時，自動繞過那些無效路口，實現(xiàn)最短距離穿越線迷宮，如圖6.2中綠線所示路徑。圖6.1智能車第一次走迷宮路線圖6.2智能車第二次走迷宮路線那上面的簡化到底是如何實現(xiàn)的呢？當(dāng)機器人穿越線迷宮時，每穿越一個“岔路口”，我們就讓機器人在存儲器中記錄一個字符：如果是直行就保存一個S”；如果是左轉(zhuǎn)就保存一個“L”；如果是右轉(zhuǎn)就保存一個“R”；如果是掉頭，就保存一個“U”。只要是岔路口，就要記錄一次。當(dāng)小車從起點出發(fā)經(jīng)過第一個岔路口時如圖6.3(a)所示，根據(jù)左手法則，小車將選擇向左轉(zhuǎn)彎進(jìn)入圖6.3(b)的狀態(tài)，并記錄下一個“L”；接下來小車遇到一個十字路口，繼續(xù)根據(jù)左手法則選擇左轉(zhuǎn)，如圖6.3(c)，并記錄為“LL”；然后又遇到三叉路口，小車左轉(zhuǎn)如圖6.3(d)，并記錄為“LLL”；然后是死胡同，小車必須轉(zhuǎn)頭如圖6.3(e)，記錄為“LLLU”；6)7)然后又是岔路口，根據(jù)左手法則的第二條，沒有左轉(zhuǎn)的路則要直走如