尋線智能小車系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

1、本科畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)綜述尋線智能小車系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試學(xué)生：章兵偉學(xué) 號：11號專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化班 級：A0811班指導(dǎo)教師：張為機械與材料工程學(xué)院二O年十月文獻(xiàn)綜述前言在傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)正在飛速進(jìn)展時期，機械、電氣和電子信息已 經(jīng)再也不明顯分家，自動控制在工業(yè)領(lǐng)域中的地位已經(jīng)愈來愈重要，“智能”那 個詞也已經(jīng)成了熱點辭匯。此刻國外的自動控制和傳感器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的 水平，專門是日本，比如日本本田制作的Asmara機械人，其仿人雙足行走已經(jīng) 做得十分傳神，而且具有必然的學(xué)習(xí)能力，還聽說其智商已達(dá)到6歲兒童的水平。作為機械行業(yè)的代表產(chǎn)品一汽車，其與電子信息產(chǎn)業(yè)的融合速度也顯著提

2、高，呈現(xiàn)出兩個明顯的特點：一是電子裝置占汽車整車(專門是轎車)的價值量 比例慢慢提高，汽車將由以機械產(chǎn)品為主向高級的機電一體化方向進(jìn)展，汽車電 子產(chǎn)業(yè)也很有可能成為依托整車制造業(yè)和用車提升配置而快速成為新的增加點； 二是汽車開始向電子化、多媒體化和智能化方向進(jìn)展，使其不僅作為一種代步工 具、同時能具有交通、娛樂、辦公和通信等多種功能。無容置疑，機電一體化人材的培育不論是在國外仍是國內(nèi)，都開始重視起來， 主要表此刻大學(xué)生的各類大型的創(chuàng)新比賽，比如：亞洲廣播電視聯(lián)盟亞太地域機 械人大賽(ABU ROBCON)、全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽等眾多重要 競賽都能專門好的培育大學(xué)生實踐能力。但很

3、現(xiàn)實的狀況是，國內(nèi)不論是在機械 仍是電氣領(lǐng)域，與國外的差距仍是很明顯的，所以作為機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生，必需加倍盡力，為慢慢趕上國外先進(jìn)水平并超過之而盡力。為了適應(yīng)機電一體化的進(jìn)展在汽車智能化方向的進(jìn)展要求，提出簡易智能小 車的構(gòu)思，目的在于：通過獨立設(shè)計并制作一輛具有簡單智能化的簡易小車，取 得項目整體設(shè)計的能力，并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方式。所以立“尋 線智能小車系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試”一題作為畢業(yè)設(shè)計來鍛煉自己鞏固自身知識修養(yǎng)。正文任務(wù)及要求任務(wù)設(shè)計一個基于直流電機的自動尋跡小車，使小車能夠自動檢測地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛。系統(tǒng)方案方框圖如圖1-1所示。檢測（黑線）T

4、軟件控制 一驅(qū)動電機 一控制小車圖1-1系統(tǒng)方案方框圖系統(tǒng)設(shè)計方案小車循跡原理這里的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對光線 的反射系數(shù)不同，能夠按照接收到的反射光的強弱來判斷“道路”。通常采取的 方式是紅外探測法。紅外探測法，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，在小車行駛進(jìn)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光碰到白色紙質(zhì)地板 時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；若是碰到黑線則紅外光被吸 收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是不是收到反射回來的紅外光為 依據(jù)來肯定黑線的位置和小車的行走線路。紅外探測器探測距離有限，控制系統(tǒng)整體設(shè)計自動

5、循跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測模塊、 電機及驅(qū)動模塊等部份組成，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。1、主控制電路模塊：用AT89C51單片機、復(fù)位電路，時鐘電路2、紅外檢測模塊：光電傳感器ST188，比較器LM3243、電機及驅(qū)動模塊：電機驅(qū)動芯片L298N、兩個直流電機4、電源模塊：雙路開關(guān)電源3.系統(tǒng)方案尋跡傳感器模塊ST系列反射式光電傳感器是常常利用的傳感器。那個系列的傳感器種類齊 全、價錢廉價、體積小、利用方便、質(zhì)量靠得住、用途普遍。咱們采用ST188作為紅外檢測傳感器。在黑線檢測的測試中，若檢測到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到 接收管，測量接收管的電

6、壓為4.8V，若檢測到黑色區(qū)域，接收管同意到發(fā)射管 發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生轉(zhuǎn)變，所分得的電壓也就隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變，測的接收管的 電壓為0. 5V，測試大體知足要求。判斷有無黑線咱們用的一塊比較器LM324，比較基準(zhǔn)電壓由30K的變阻器調(diào) 節(jié)，各個接收管的參數(shù)都不一致，每一個傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡相同，咱 們?yōu)槊恳粋€傳感器配備了一個變阻器。3.1.1紅別傳感器ST188簡介含一個反射模塊（發(fā)光二極管）和一個接收模塊（光敏三極管）。通過發(fā)射 紅外信號，看接收信號轉(zhuǎn)變判斷檢測物體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。A、K之間接發(fā)光二極管， C、E之間接光敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯(lián)必然阻值的電阻）口口口 w：網(wǎng)b

7、 5I2 5i底視圖 泠部電路圖3-1 ST188實物圖圖3-2 ST188管腳圖及內(nèi)部電路3.1.2比較器LM324簡介LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運算放 大器，有相位補償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源330V, 或正負(fù)雙電源1. 5V15V工作。在黑線檢測電路頂用來肯定紅外接收信號電平的高低，以電平高低判定黑線 有無。在電路中，LM324的一個輸入端需接滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的 阻值來提供適合的比較電壓。圖3-3 LM324內(nèi)部電路1 2 3 4 5 G 7圖3-4集成運放的管腳圖3.1.3具體電路通過ST188檢測黑線，輸出接

8、收到的信號給LM324，接收電壓與比較電壓比 較后，輸出信號變成高低電平，再輸入到單片機中，用以判定是不是檢測到黑 線。圖3-5傳感器模塊電路圖3.1.4傳感器安裝在小車具體的循跡行走進(jìn)程中，為了能精準(zhǔn)測定黑線位置并肯定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設(shè)4個紅外探測頭，進(jìn)行兩級方向糾正控制，提高其 循跡的靠得住性。這4個紅外探頭的具體位置如圖3-6所示。圖3-6傳感器安裝圖圖中循跡傳感器全數(shù)在一條直線上。其中X1與Y1為第一級方向控制傳感器， X2與Y2為第二級方向控制傳感器，而且黑線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得 大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時，始終維持（如圖3-6中所示的行走軌跡黑線）在X1

9、 和Y1這兩個第一級傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時，第一級傳感器就可以檢測到 黑線，把檢測的信號送給小車的處置、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡 予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續(xù) 行走;若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級探測器動作，再次對小車的運動進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去。 能夠看出，第二級方向探測器實際是第一級的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的 靠得住性。控制器模塊采用Atmel公司的AT89C51單片機作為主控制器。它是一個低功耗，高性 能的8位單片機，片內(nèi)含32k空間的可反復(fù)擦寫100,000次Flas

10、h只讀存儲器， 具有4K的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個I/O 口，2個8位可編程按時計 數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。時鐘電路和復(fù)位電路 如圖3-7 （與單片機組成最小系統(tǒng)）1）采用外部時鐘，晶振頻率為12MHZ2）采用按鍵復(fù)位U1A : _F1 - Z 3 4 S 6 7S SKXTAL1PU )/ADUPO 1/AD1PO :2/AD2PO 部AD3PO 4/AD4P0.5/AD5PO G/ADRRSTP0.7/AD7P2 O/ASP2 1/A9P2 2/A10PSENP? 3侶11ALEP2 4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A

11、15PI 0O/RXDP1.1P3.irr.xDPI.2P3.2/IFTT0PI.3P3.IFTT1Pl.4PS.4/T0P1.5PS STIP1 6P?P1.7P3.7/RD39豆T-二二 圖3-7時鐘電路和復(fù)位電路電源模塊電源采用雙路開關(guān)電源。明偉牌D-30W雙路開關(guān)電源。輸出（5V、12V）。實物圖如圖3-8所示。圖3-8雙路開關(guān)電源該開關(guān)電源尺寸為129X98X38mm,交流輸入轉(zhuǎn)換由開關(guān)選擇，具有過流短路 保護(hù)功能，能自冷散熱。低價位、高靠得住。輸入電壓范圍85132VAC/175264VAC, 4763Hz開關(guān)選擇；沖擊電流冷起動電流15A/115V 30A/230V；直流電壓可調(diào)

12、范圍額定輸出電壓的10%；啟動、上升、維持時刻200ms, 100ms,30ms；耐壓性輸入輸出間；輸入與外殼，輸出與外殼，歷時一分鐘；工作溫度、濕度10C+60C，20%90%RH；安全標(biāo)準(zhǔn) 符合CE標(biāo)準(zhǔn)；EMC標(biāo)準(zhǔn)符合CE標(biāo)準(zhǔn)；連接方式7位9.5mm接線端子；質(zhì)量/包裝0.41Kg,45PCS19.5Kg-30A4.04A1.0A16cm %314? 3.4.2F3.4：_3L3.5.1】2 3 3SENSA,OLT4SENSE GbJD角OQB+AO3.5.2件設(shè)計?伽控制本系統(tǒng)采用PWM來調(diào)節(jié)直流電機的速度PWM是通過控制固定電壓的直流電源 開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩頭的電壓，進(jìn)而達(dá)到控

13、制要求的一種電壓調(diào)整方式。 PWM能夠應(yīng)用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源,并按照 需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時刻的長短。通過改變直流電機電樞上 電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此,PWM又 被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機通電時，速度增加；電機斷電時,速度逐漸減少。只要 按必然規(guī)律,改變通、斷電的時刻，即可讓電機轉(zhuǎn)速取得控制。本系統(tǒng)中通過控制51單片機的按時器T0的初值，從而能夠?qū)崿F(xiàn)和輸出口輸 出不同占空比的脈沖波形。按時計數(shù)器若干時刻（比如）中斷一次，就使或產(chǎn)生

14、一個高電平或低電平。將直流電機的速度分為100個品級，因此一個周期就有 個100脈沖，周期為100個脈沖的時刻。速度品級對應(yīng)一個周期的高電平脈沖的 個數(shù)。占空比為高電平脈沖個數(shù)占一個周期總脈沖個數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個周期加在 電機兩頭的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大，加在電機兩頭的電壓越 大，電機轉(zhuǎn)動越快。電機的平均速度等于在必然的占空比下電機的最大速度乘以 占空比。當(dāng)咱們改變占空比時，就可以夠取得不同的電機平均速度，從而達(dá)到調(diào) 速的目的。精準(zhǔn)地講，平均速度與占空比并非是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用 中，能夠?qū)⑵浣频乜闯删€性關(guān)系。整體軟件流程圖小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不斷地掃描與探測器連

15、接的單片I/O 口，一 旦檢測到某個I/O 口有信號轉(zhuǎn)變，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖4-1所示:小車循跡流程圖小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不斷地掃描與探測器連接的單片機I/O 口，一 旦檢測到某個I/O 口有信號，即進(jìn)入判斷處置程序，先肯定4個探測器中的哪個 探測到了黑線，若是左面第一級傳感器或左面第二級傳感器探測到黑線，即小車 左半部份壓到黑線，車身向右偏出，現(xiàn)在應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；若是是右面第一級傳 感器或右面第二級傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出 了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在通過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走

16、，并繼 續(xù)探測黑線重復(fù)上述動作。循跡流程圖如圖4-2所示由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個品級間的轉(zhuǎn)向力度必需彼此 配合。第二級一般是在超出第一級的控制范圍的情形下發(fā)生作用，它也是最后一 層保護(hù)，所以它必需要保證小車回到正確軌跡上來，則通常使第二級轉(zhuǎn)向力度大 于第一級，即 Turn_left2 Turn_left1,Turn_right2 Turn_right1 （其中 Turn_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1為小車轉(zhuǎn)向力度，其大 小通過改變單片機輸出的占空比的大小來改變），具體數(shù)值在實地實驗中取得。中斷程序流程圖這里利用的是51單

17、片機的T0按時計數(shù)器，從而讓單片機P0 口的和引腳輸 出占空比不同的方波，然后經(jīng)驅(qū)動芯片放大后控制直流電機。按時計數(shù)器若干時 刻（比如）比如中斷一次，就使或產(chǎn)生一個高電平或低電平。中斷程序流程圖如 圖4-3所示參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)章政,吳懷宇，程磊.大學(xué)生智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)與實踐.電子工業(yè)出社2008,7張建民，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（第三版），高等教育出版社2007,7熊和金.智能汽車系統(tǒng)研究的若干問題.交通運輸工程學(xué)報，2001,2:3740漆漢宏.PLC電氣控制技術(shù).機械工業(yè)出版社.2010,3黃開勝,金華民,蔣狄南.韓國智能模型車技術(shù)方案分析.電子產(chǎn)品世界,2006,5:150152唐一平,機械工程專業(yè)英語，電子工業(yè)出版社,2009,10楊路明，郭浩志C言語程序設(shè)計教程.北京郵電大學(xué)出版社,2005,5郁有文,常建,程繼紅.傳感器原理及工