基于單片機(jī)的尋光、尋跡小車

1、 智能化傳感測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的尋光、尋跡小車作者學(xué)號(hào)摘要本尋光、尋跡小車可對(duì)未定路線(移動(dòng)紅外光源提供)和以定路線(黑色膠帶提供)進(jìn)行追蹤，兩種工作方式之間用無(wú)線電遙控進(jìn)行轉(zhuǎn)換。尋光方面主要要用紅外接收管，尋跡方面主要采用紅外放松接收對(duì)管，另在車輛行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向上，采用PWM脈沖寬度調(diào)制的方法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，控制芯片選用LM298。小車選用的處理器是AT89C51關(guān)鍵詞：AT89C51紅外PWM信號(hào)處理LM298AbstractThisminicarcanfollowboththecertain(givenbytheblackadhesivestape)anduncertai

2、n(givenbytheinfraredray)trace.Thetwomodescanbetransferredbyawirelessremotecontrol.Whenitslookingfortheinfraredray,weusetheinfraredreceiver,andwhenitslookingfortheblackadhesivestape,weusetheinfraredtransmitter-receiver.WechoosePWMandLM298tocontroltheelectromotor,andchooseAT89C51forthecpu.Keywords:AT8

3、9C51InfraredRayPWMSignalProcessLM298目錄摘要.2Abstract2第一章緒論4題目的選擇第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì).52-1方案分析與論證2-1-1.AT89C51單片機(jī)2-1-2.尋紅外光方法2-1-3.尋黑膠帶方法2-1-4.電機(jī)的選擇和控制2-1-5.遙控方式2-2系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理2-3系統(tǒng)框圖第三章硬件電路設(shè)計(jì).83-1紅外接收頭的接收方式和信號(hào)處理3-2反射式紅外發(fā)送接收對(duì)管的使用3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).111方向的判別程序4-2PWM脈沖寬度調(diào)制的實(shí)現(xiàn)4-3程序流程圖第一章緒論題目的選擇目前，智能車領(lǐng)域的研究已經(jīng)能夠在具有一定標(biāo)記的道路上為司機(jī)提供

4、輔助駕駛系統(tǒng)甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。這些智能車的設(shè)計(jì)通常依靠特定道路標(biāo)記完成識(shí)別，通過(guò)推理判斷模仿人工駕駛進(jìn)行操作。這次介紹了車輛跟隨紅外光和黑色膠帶的方法，如此一來(lái)可完成車輛沿以定路線（黑膠帶提供）和未定路線（可移動(dòng)的紅外光源提供）的自動(dòng)追蹤和行駛，從而實(shí)現(xiàn)車輛的無(wú)人化和智能化。在以往的學(xué)習(xí)中，我也參與了一些項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，其中包括小車的尋跡（2007全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽）和尋光（SRTP共享項(xiàng)目），所以本文所提到的方法都是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可行的成熟方法，這次由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)關(guān)系雖然沒(méi)有做成最終的實(shí)物，但就其方案可行性來(lái)講，是絕對(duì)沒(méi)有問(wèn)題的。第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)2-1方案分析與論證2-1-1.AT89C51單

5、片機(jī)設(shè)計(jì)中采用了一款十分常用51系列單片機(jī)作為處理器，特點(diǎn)是價(jià)格低廉、使用方便，且可與其他處理器進(jìn)行通訊。系統(tǒng)時(shí)鐘：晶振頻率/12，本設(shè)計(jì)采用12M晶振，因此系統(tǒng)時(shí)鐘為1us。I/O口資源：4個(gè)通用8位準(zhǔn)雙向I/O口（P0、P1、P2、P3,其中P3為特殊功能口）。通訊：一對(duì)全雙工串行通訊口（P3.0、P3.1），可與其他單片機(jī)或上位機(jī)進(jìn)行通訊。中斷：2個(gè)外部中斷（/INT0、/INT1），2個(gè)定時(shí)器中斷（T0、T1），1個(gè)串行通訊中斷，共5個(gè)中斷資源并有2級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)可供配置。ROM：該單片機(jī)提供4K的ROM供用戶編寫程序。2-1-2.尋紅外光方法方案一、采用最簡(jiǎn)單的紅外接收探頭。優(yōu)點(diǎn)是，價(jià)

6、格十分便宜，編程較為簡(jiǎn)單，可以接收包括編碼和非編碼等各種形式的紅外光。缺點(diǎn)是，抗干擾能力差且信號(hào)處理困難。方案二、采用紅外專用編解碼芯片（如BA5104和BA5204）。優(yōu)點(diǎn)是，采用編解碼的方法，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是，對(duì)光源有依賴，實(shí)用性不是很強(qiáng)，而且我跑了幾趟,BA5204比較難買到。經(jīng)過(guò)比較選擇方案一。2-1-3.尋黑膠帶方法方案一、可見(jiàn)光發(fā)光二級(jí)管組成的發(fā)射-接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判；雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。反射式紅外發(fā)射-接收器。由于采用紅外管代替普通

7、可見(jiàn)光管，可以降低環(huán)境光源干擾大大減小了誤判和漏判的可能性。經(jīng)過(guò)比較選擇方案二。2-1-4.電機(jī)的選擇和控制方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻元件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻比較小，但電流比較大；分壓不僅降低了效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短、可靠性不高。采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精準(zhǔn)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

8、這種電路由于工作在管子的飽和截至狀態(tài)下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也較之繼電器高的多，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。經(jīng)過(guò)比較選擇方案三。2-1-5.遙控方式用紅外遙控會(huì)對(duì)小車的尋跡尋光造成很強(qiáng)的干擾，故選用了一款無(wú)線電遙控器。10/11/12/13/GND/17/VCCANT10/11/12/13/GND/17/VCCL主要技術(shù)指標(biāo)1.工作電壓：DC5V0.5V2.靜態(tài)電流：W3.5mA3.工作電流：1525mA4.工作頻率:315MHz5.接收機(jī)靈敏度：-105dbm6.傳輸速率：WIOKbps7.解碼器類型：互鎖（L）/非鎖（M）/自鎖

9、（D）&輸出信號(hào)接口：TTL電平9.接口:7PIN（間距2.54mm）10.外型尺寸:48x20 x8mm11.工作溫度：-10C+50C2-2系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理該小車通過(guò)上述無(wú)線電遙控器對(duì)尋光、尋跡兩種模式進(jìn)行切換。在尋跡模式下：車前部下端安裝五個(gè)紅外發(fā)送接收對(duì)管，將五路輸出（路面黑色時(shí)輸出1,路面為淺色時(shí)輸出0）信號(hào)分別接至單片機(jī)I/O口，通過(guò)判斷信號(hào)的情況，決定是前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎還是后退（其中轉(zhuǎn)彎又可分為一級(jí)轉(zhuǎn)彎和二級(jí)轉(zhuǎn)彎）。在尋紅外光模式下：車前部朝著正前方稍偏上安裝五個(gè)紅外接收頭及相關(guān)信號(hào)處理電路，將五路輸出（沒(méi)有接收到紅外光時(shí)輸出1,接收到紅外光時(shí)輸出200ms的低電平）信號(hào)分別接至單片機(jī)

10、I/O口，通過(guò)判斷信號(hào)的情況，決定是前進(jìn)還是轉(zhuǎn)彎（其中轉(zhuǎn)彎又可分為一級(jí)轉(zhuǎn)彎和二級(jí)轉(zhuǎn)彎），在五個(gè)探頭都接收不到時(shí)，小車原地打轉(zhuǎn)，以尋找紅外光源。小車采用雙直流電機(jī)，用LM298的達(dá)林頓管H型電路進(jìn)行PWM控制。2-3系統(tǒng)框圖第三章硬件電路設(shè)計(jì)3-1紅外接收頭的接收方式和信號(hào)處理由于采用非編解碼紅外接收方案，因此需要進(jìn)行信號(hào)的識(shí)別與處理，在其間選擇上我們采用Sony公司的CX20106A紅外接收專用放大器。其原理圖如下：咖何CX20106A12345678imm設(shè)計(jì)方案如下：最后制成的紅外接收頭及其外部電路每接收到一次紅外光，向外輸出200ms的低電平。如下圖：3-2反射式紅外發(fā)送接收對(duì)管的使用光

11、電傳感器GK-SB5由發(fā)射管和接收管組成，其工作方式為反射式，屬于紅外傳感器基本電路如附圖2所示。該電路能夠很好的適應(yīng)不同寬度的引導(dǎo)線。各傳感器緊密排列，工作性能相同，根據(jù)引導(dǎo)線的寬窄控制傳感器的間距，使得單片機(jī)能夠利用這些信號(hào)控制電機(jī)讓小車循線。路徑識(shí)別傳感器參數(shù)的計(jì)算發(fā)光管工作電流為3mA-20mA,工作時(shí)壓降為1.5V，外接直流電壓為5V。故串接電阻為(Rl)max=(5V-1.5V)/3mA=1.16KQ(R1)min=(5V-1.5V)/20mA=0.175KQ接收管導(dǎo)通電流約為0.3mA，外接直流電壓為5V,為使接收管導(dǎo)通時(shí)集電極輸出端電壓為2.5V左右。故發(fā)射極串接電阻為R2=(

12、5V-2.5V)/0.3mA=8.33KQ根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中采用lk，10kQ的電位器代替上述的Rl、R2,并進(jìn)行調(diào)節(jié)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)效果。最終確定Rl，R2分別選用0.2kQ,10kQ的電阻器。對(duì)于輸出電壓，采用單電源比較器LM311進(jìn)行放大以滿足單片機(jī)接口電平要求。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器的阻值，可以調(diào)節(jié)小車隊(duì)路面顏色識(shí)別的靈敏度。3-3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路U1U2VS3ML)4signalofsensor1signalofsensor2signalofsensor32|1716P10/TP00P11/TP01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17P07INT1P20INT0P21P2

13、2T1P23T0P24P25EA/VPP26P27X1X2RESETRXDTXDRDALE/P31915IT393837363534333213121918212223242526272810IT30PSENWRAT89C52J14331415L298vs一ClC2470uC31IVSSC4470u5D7MR小車驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。小車為四輪驅(qū)動(dòng)，工作電壓為5V,兩個(gè)主動(dòng)輪，兩個(gè)從動(dòng)輪。為了使小車靈活運(yùn)動(dòng)，要求小車在速度和方向上能夠大范圍調(diào)整。為此我們選擇了控制可靠、便于單片機(jī)控制的脈寬調(diào)制專用集成電路L298,片L298可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，芯片外圍只需幾個(gè)電容和二極管，電路很簡(jiǎn)潔，克服

14、了分立元件存在的不足。L298為Multiwattl5封裝，工作電壓最高為50V,通過(guò)電流達(dá)5A。既可以與整個(gè)系統(tǒng)使用同一電源，又有足夠的輸出電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。我們?cè)谑褂脮r(shí)加接了散熱片，可以使小車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。我們用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。A、B連接小車的左電機(jī)，C、D連接小車的右電機(jī)。左右電機(jī)速度相同時(shí)可實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)或后退；速度不同時(shí)可實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎；當(dāng)兩個(gè)電機(jī)反向等速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，小車可原地轉(zhuǎn)圈。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4-1方向的判別程序在尋黑膠帶模式下：車前從左至右安裝5個(gè)紅外發(fā)送接收對(duì)管。（白色輸出0，黑色輸出1）ABCDE小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)00100直線行走01100一級(jí)左轉(zhuǎn)11000二級(jí)左轉(zhuǎn)10000原地左轉(zhuǎn)00110一級(jí)右轉(zhuǎn)00011二級(jí)右轉(zhuǎn)00001原地右轉(zhuǎn)00000后退其他情況不動(dòng)在尋紅外光模式下：車前從左至右安裝5個(gè)紅外發(fā)送接收對(duì)管。（白色輸出0，黑色輸出1）ABCDE小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)00100直線行走01100一級(jí)左轉(zhuǎn)11000二級(jí)左轉(zhuǎn)10