自動循跡機(jī)器人(附有程序)

1、 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽自動循跡小車摘要摘要：本設(shè)計(jì)主要包括信號檢測模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊。信號檢測模塊采用LCD1314 電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通過IIC 總線與從機(jī)通信從而實(shí)現(xiàn)循跡和檢測硬幣。主控電路采用MC9S12SX128單片機(jī)為控制芯片。電機(jī)驅(qū)動模塊采用L298N 專 用 電 機(jī) 驅(qū) 動 芯 片 。 信 號 檢 測 模 塊 將 采 集 到 的 路 況 信 號 發(fā) 送 給MC9S12SX128 單片機(jī)， 經(jīng)單片機(jī)處理過后對L298N 發(fā)出指令進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。單片機(jī)通過輸出PWM 波和對 LDC1314采集的信息進(jìn)行處理， 來控制小車的速度及轉(zhuǎn)向并實(shí)現(xiàn)自動循跡的功能。關(guān)鍵詞 ：智能小車，

2、MC9S12SX128， L298N IIC 總線 ldc1314 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 一、系統(tǒng)方案論證 41 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 42方案論證比較 4(1)微控制器模塊 4(2)電機(jī)模塊 4(3)電機(jī)驅(qū)動模塊 4顯示模塊 5電源模塊 5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 二、測控方法分析 51 控制算法分析 52運(yùn)動控制分析 6三、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 71 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 72電路設(shè)計(jì) 7四、系統(tǒng)測試與分析 81 測試方案 82測試條件與儀器 83.測試結(jié)果 8基本一測試 8基

3、本二測試 8基本三測試 8 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 五、測試分析與結(jié)論 9 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 參考文獻(xiàn) 9 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 附錄 1：部分源程序 10C 題)【本科組】一、系統(tǒng)方案論證1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以 MC9S12XS128單片機(jī)為主控器，以5110顯示屏、L298N 驅(qū)動模塊、直流電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、時間、距離顯示、驅(qū)動等功能。使用C 語言編寫程序，通過速度編碼器檢測并讀出車輪的轉(zhuǎn)速，并通過觸摸按鍵選擇

4、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速模式，實(shí)現(xiàn)不同速度的調(diào)節(jié)。2方案論證比較(1)微控制器模塊方案一：MC9S12XS128 單片機(jī)飛思卡爾官方函數(shù)庫應(yīng)用簡便，開發(fā)周期短，速度和功耗方面優(yōu)勢明顯。方案二：51 單片機(jī)指令集簡便，超低功耗，熟練使用開發(fā)周期長。綜合以上兩種方案，選擇方案一。(2)電機(jī)模塊方案一：采用納英特直流電機(jī)。納英特直流電機(jī)摩擦力大，有利于小車的抓地性，轉(zhuǎn)速大，扭矩大，速度控制準(zhǔn)確，適應(yīng)于長距離的比賽路程。方案二：直流齒輪電機(jī)(TT 電機(jī)) 。轉(zhuǎn)速快，轉(zhuǎn)矩小，易于控制，電機(jī)使能端易于接線。綜合以上兩種方案，選擇方案一。(3)電機(jī)驅(qū)動模塊方案一：使用L298N 電流電機(jī)驅(qū)動模塊。L298N 電機(jī)驅(qū)動芯片

5、工作電壓高，輸出瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流 2A， 額定工作頻率25W。 內(nèi)含兩個H 橋的高電壓電流全橋式驅(qū)動器可以很好的控制本系統(tǒng)中的直流伺服電機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制，控制直流電機(jī)更加簡單容易。方案二： 采用 TI 公司 DRV8313PWPR電機(jī)驅(qū)動芯片。DRV8313PWPR芯片內(nèi)部集成了細(xì)分、電流調(diào)節(jié)、CMOS 功率放大等電路，配合簡單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動電路。綜合以上兩種方案，本設(shè)計(jì)采用方案二。顯示模塊方案一： 采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示信息量小且不能顯示漢字信息，占用較多的單片機(jī)IO 口外圍電路也比較復(fù)雜。不能夠形象直觀的提示信息。方案二：使

6、用TFT 彩色液晶模塊,亮度好，對比度高，層次感強(qiáng)，顏色鮮艷，性價比高?？梢詫?shí)現(xiàn)人機(jī)交換，從而把反饋信息給單片機(jī)，但是程序控制不易實(shí)現(xiàn)。方案三：使用5110諾基亞顯示屏，5110程序控制原理簡單易懂，而且平時常用，故本設(shè)計(jì)采用方案三。電源模塊本系統(tǒng)功率較大，由12v30A 開關(guān)電源提供動力，然而單片機(jī)和傳感器的供電為 5v 和 3.3v。因此需要轉(zhuǎn)壓芯片把電壓轉(zhuǎn)到合適范圍，系統(tǒng)才能正常運(yùn)作。我們采用L7805 芯片穩(wěn)壓到5v，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。穩(wěn)壓到3.3v 我們采用AMS117 芯片。AMS1117 片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到1.5%的

7、誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。二、測控方法分析1控制算法分析自動循跡小車是一個復(fù)雜的快速、非線性、多變量、自然不穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)。 本系統(tǒng)不易獲得精確數(shù)學(xué)模型，具有滯后性，模糊算法使得系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。由于 LDC1314 電感傳感器是4通道傳感器。首先，把4個采集的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成為適于程序運(yùn)算的數(shù)字量，然后將這些量在控制程序上中加以運(yùn)算, 最后再將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為精確量, 以便對各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制。根據(jù)實(shí)時采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出pwm 信號，對輸出不斷的修正，使偏差越來越小，最終確定

8、電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)。計(jì)算pwm 信號時，需要根據(jù)AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出對應(yīng)電壓給定值A(chǔ)D 量化控制規(guī)則速度判斷AD 量化控制規(guī)則速度判斷PWM 占空比 輸出圖 1 系統(tǒng)流程圖當(dāng)對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時，還要用到PID 算法， PID 控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I 和微分單元D 組成。 PID 控制器由比例單元（ P） 、 積分單元 （ I） 和微分單元（ D）組成。其輸入e （t）與輸出u （t）的關(guān)系為2運(yùn)動控制分析采集偏差的實(shí)現(xiàn)：給電機(jī)一個初速度，使直流電機(jī)來回校正，通過 PID 算法進(jìn)行線性校正。速度控制的實(shí)現(xiàn)：由于轉(zhuǎn)速大小可調(diào)，我

9、們在觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)速度設(shè)置通過PID 算法，實(shí)現(xiàn)不同的pwm 輸出，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速。巡線的實(shí)現(xiàn)：通過ldc1314電感傳感器在檢測路線時，檢測到鐵絲與檢測不到鐵絲時返回的電壓值不同，取兩者中間值，從而判斷出是否偏離鐵絲，從而進(jìn)行有效的調(diào)整。檢測硬幣的實(shí)現(xiàn)：通過ldc1314電感傳感器在檢測路線時，檢測到硬幣與檢測不到硬幣時返回的電壓值不同，判斷出是否有硬幣，若有硬幣，則蜂鳴器置高電平，發(fā)出聲音提示。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)以MC9S12XS128為控制器，通過 LDC1314 模塊檢測細(xì)鐵絲和硬幣，控制小車的運(yùn)行，以此完成小車的循5110 液晶時暗示其上進(jìn)行實(shí)時的顯示。系統(tǒng)的總體框圖如下。2電路設(shè)計(jì)2電

10、路設(shè)計(jì)圖 3 L298N 驅(qū)動電路圖用于暫時鎖存單片機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，含有電容模用于濾波。內(nèi)核有四個輸入端IN1、 IN2、 IN3、 IN4， 四個輸出端OUT、 OUT2、OUT3、 OUT4，電源，地，外加兩路使能端EN1、 EN2。圖 4 LDC1314 電路圖該芯片含有四路共八個輸入端IN0A、 IN0B、 IN1A、 IN1B、 IN2A、 IN2B、 IN3A、IN3B，一個數(shù)據(jù)輸出端為單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，外部時鐘輸入端，SDA、 SCL 時鐘、數(shù)據(jù)發(fā)送端，一個數(shù)據(jù)輸出。1測試方案 通過秒表和米尺對小車運(yùn)行的時間和距離進(jìn)行測量，判斷是否達(dá)符合要求。2測試條件與儀器測試條件：與同伴檢查

11、多次，硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊，小車尺寸未超過比賽規(guī)定。測試儀器：米尺、秒表、5110 液晶顯示器等。3.測試結(jié)果（1）基本一測試圈數(shù)（圈）時間（S）越出次數(shù)第一次23310第二次23350第三次23290（2）基本二測試圈數(shù)（圈）運(yùn)行距離（cm）誤差（cm）運(yùn)行時間（S）第一次2154121331第二次2151010328第三次2153313330（3） 基本三測試圈數(shù)（圈）硬幣個數(shù)（個）實(shí)際檢測（個）誤差2880287128712880五、測試分析與結(jié)論測速傳感器20 個脈沖為一個周期，將小測輪子輪子的周長分成20 份。通過記錄一個周期的時間和測量輪子

12、的周長，利用v=s/t 既可以測的小車的速度。MC9S12XS128 的 16位定時器的時鐘由2個可選的微時間基準(zhǔn)提供，通過公式：時間=( PITMTLD+1 ) *(PITLD+1)/f便可以得到小車的運(yùn)行時間。通過程序的編寫就可以將小車的運(yùn)行時間、速度、距離等數(shù)據(jù)展示出來。利用LDC1314 模塊可以實(shí)現(xiàn)小車的循跡以及對硬幣的檢測。參考文獻(xiàn).宏晶科技， STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊， 2011 年 9 月 8 號更新版本.求是科技，單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航(第 2 版) ， 人民郵電出版社，2008年 7 月出版.李全利，單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)，高等教育出版社，2009

13、年 1 月出版.丁明亮， 51 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真-基于keil C 與Proteus ,北京航空航天大學(xué)出版社，2009 年 2 月出版.張鑫,單片機(jī)原理及應(yīng)用(第2 版) ，電子工業(yè)出版社，2010 年出版.張毅剛,單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2008 年出版.何立民,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社， 2001 年出版1 ：部分源程序void pwm_init(void)1 ：部分源程序void pwm_init(void)PWME=0 x00;PWMCLK=0 xff;源/ 周期脈沖開始時輸出高電平/波形為左對齊/禁止PWM 輸出/SA作為 01

14、,45通道時鐘源SB 作為23,67通道時鐘PWMPOL=0 xff;PWMCAE=0 x00;PWMCTL_CON01=1;/01 級聯(lián)PWMCTL_CON23=1;/23 級聯(lián)PWMCTL_CON45=1;/45級聯(lián)PWMCTL_CON67=1;/67 級聯(lián)PWMPRCLK=0 x43;/ A 為 8 分頻 B 為 16 分頻PWMSCLA=3;PWMSCLA=3;PWMSCLB=15;/SB 的分頻因子為15SB=B/(2*SCLB)=1000000PWMPER01=102;PWMPER45=100;PWMDTY01=0;PWMDTY23=0;PWMDTY45=0;PWMDTY67=0;PWMCNT01=0;PWMCNT23=0;PWMCNT45=0;PWMCNT67=0;PWME=0 xff;void motor(int left,int right)if(left=0)/前進(jìn)/通道01 10KHz/通道 45 10kHz/大