基于52單片機的智能循跡小車的設(shè)計及制作

.z基于52單片機的智能循跡小車的設(shè)計與制作譚世偉07081201*云07081223**工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院070812班摘要：以自主設(shè)計的底盤為根底，以直流減速電機及其控制電路為驅(qū)動，以AT89S52單片機為控制核心，以紅外對管為探測系統(tǒng)，加以外圍電路組成的智能小車在特定的程序下實現(xiàn)走“8〞字及循跡的功能；基于阿克曼原理設(shè)計的平面等腰梯形連桿機構(gòu)及差速器能夠?qū)崿F(xiàn)小車的完美轉(zhuǎn)向；基于52單片機、光耦、L298、穩(wěn)壓器7805的控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)對直流減速電機與舵機的整體控制；電路局部與機械局部的有機結(jié)合在特定程序下經(jīng)過屢次調(diào)試便能實現(xiàn)上述功能。關(guān)鍵詞：AT89S52；L298；直流電機；平面等腰梯形連桿機構(gòu)；紅外放射式原理引言：隨著控制技術(shù)及計算機技術(shù)的開展，智能車系統(tǒng)將在未來工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演重要的角色，是以后的開展方向。智能小車的巡線功能在生產(chǎn)生活中都有著廣泛的用途。例如：可以用在大的生產(chǎn)車間的物流系統(tǒng)中，按照預(yù)先設(shè)定的路線來傳輸貨物；可以用在賽車比賽中能夠按照軌道行駛，從而更加平安；還可以用在導(dǎo)航系統(tǒng)中等等。國內(nèi)高校間年年舉辦的機器人大賽大多項選擇擇以小車為載體來實現(xiàn)特定功能，小車這種簡單而又常見的玩具得到了越來越多的。隨著大學(xué)期間知識的積累，所學(xué)的東西完全可以在程控小車這個工程上得到實現(xiàn)。本次設(shè)計的簡易智能小車采用AT89S52單片機為小車的檢測和控制核心，輔以L298、光耦、7805等器件構(gòu)成的外圍電路能夠?qū)崿F(xiàn)對直流減速電機與舵機的控制。隨著編程語言的導(dǎo)入，及屢次的調(diào)試，小車便能實現(xiàn)走“8〞字的功能。在此根底上安裝紅外對管組成的探測系統(tǒng)，可以把反應(yīng)的信號送入單片機，使單片機按照預(yù)定的工作模式控制小車沿著設(shè)置的黑線行駛，便完成了循跡的功能。本設(shè)計構(gòu)造簡單，較容易實現(xiàn)，但具有高度的智能化、人性化，一定程度上表達了智能化。1.設(shè)計任務(wù)要求：用已有器件設(shè)計一個簡易智能小車，其行駛路線滿足要求。2.總體設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求及擴展功能，智能小車是以AT89S52單片機為檢測和控制核心，由軌跡探測模塊、后輪驅(qū)動模塊和前輪導(dǎo)向模塊及電源模塊等四大模塊組成。設(shè)計如圖1所示：圖1智能小車系統(tǒng)構(gòu)造模塊2.1軌跡探測模塊該模塊采用紅外對管GP2A25來檢測信號送給單片機，其原理圖接線如圖2所示：圖2紅外對管引腳接線紅外對管構(gòu)成的探測系統(tǒng)原理如圖3所示：圖3探測系統(tǒng)電路圖2.2前輪驅(qū)動模塊該模塊是以平面等腰梯形連桿機構(gòu)為機械機構(gòu)，由舵機進展控制驅(qū)動。連桿轉(zhuǎn)向機構(gòu)及驅(qū)動體系的工作的原理框圖如圖4所示：圖4連桿轉(zhuǎn)向機構(gòu)2.3后輪驅(qū)動模塊該模塊以差速器為機械根底，由電機來驅(qū)動。差速器構(gòu)造圖5所示：圖5差速器構(gòu)造圖2.4整體裝配圖：有了驅(qū)動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，加上其它小車零件，就可以的到如圖6所示的程控小車裝配圖。圖6整體裝配圖3.程序框圖：3.1走8字型程序流程圖如圖7所示：圖7程序流程圖其中子函數(shù)drive決定舵機的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角和電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向；子函數(shù)init0_time是定時器0初始化函數(shù)，在設(shè)計中使定時器0每100Us中斷一次；子函數(shù)motor_run決定電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；子函數(shù)time0_pwm為定時器0中斷效勞程序，包括舵機局部、直流電機PWM調(diào)速部和較準確延時局部。2．循跡程序流程圖如圖8所示：圖84.方案的論證與實現(xiàn)4.1軌跡探測模塊該智能小車在畫有黑線的白紙“路面〞上行駛由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路〞——黑線．判斷信號可通過單片機控制驅(qū)動模塊修正前進方向，以使其保持沿著黑線行進。所用的黑線寬度大約為1cm，判斷黑線的方案采用紅外反對管作為傳感器，三個紅外對管并排放置于小車的前部進展線路跟蹤——正常行駛時，中間一個紅外對管都應(yīng)位于黑線之內(nèi)，而左右兩個紅外對管應(yīng)位于白色軌道上。電開關(guān)脫離軌道時，等待外面任意一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線(即回到軌道)再恢復(fù)正向行駛。4.2后輪驅(qū)動模塊小車的主體構(gòu)造包括底盤、車身、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等，對于小車而言，轉(zhuǎn)向機構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計是很重要的，只有嚴格按照阿克曼原理設(shè)計出合理的零件長度才能使小車平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向，而不至于出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。由于平面等腰梯形連桿機構(gòu)最常見且加工方便，所以設(shè)計采用平面等腰梯形連桿機構(gòu)小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)所采用的原理——阿克曼原理阿克曼原理：沿著彎道轉(zhuǎn)彎時，利用四連桿的相等曲柄使內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)向角比外側(cè)輪大大約2~4度，使四個輪子路徑的圓心大致上交會于后軸的延長線上瞬時轉(zhuǎn)向中心，讓車輛可以順暢的轉(zhuǎn)彎。公式：cotβ-cotδ=M/L;β：外輪軸線與后輪軸線之間的夾角；δ：內(nèi)輪軸線與后輪軸線之間的夾角；M：前車輪之間的距離；L:前軸與后軸之間的距離；其具體的參數(shù)如圖9所示：當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時,內(nèi)輪軸心與后輪軸線之間的夾角δ大于外輪軸心與后輪軸線之間的夾角β時,就能保證車輪與地面之間為純滾動,汽車便能夠平穩(wěn)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖9按照阿克曼原理設(shè)計出連桿、連架桿的具體長度之后，選取適宜的板料即可加工出轉(zhuǎn)向機構(gòu)所需的全部零件。4.3后輪驅(qū)動模塊該模塊以差速器機械機構(gòu)為根底，由直流電機驅(qū)動。普通差速器由行星齒輪、行星齒輪架、半軸齒輪等部件組成。發(fā)動機的動力經(jīng)傳動軸進入差速器，直接驅(qū)動行星輪架，再由行星輪帶動左、右兩條半軸，分別驅(qū)動左、右車輪。差速器的設(shè)計要求滿足：〔左半軸轉(zhuǎn)速〕+〔右半軸轉(zhuǎn)速〕=2〔行星輪架轉(zhuǎn)速〕。后輪支座設(shè)計時應(yīng)該注意的細節(jié)：后輪支座由于內(nèi)部要安裝軸承，軸承與后輪支座之間采用的是過盈配合，所以設(shè)計加工時應(yīng)該特別注意。后輪支座的零件圖如圖10所示：圖10具體加工的時候選取52×52×10的鋁板作為材料，選取銑床位加工機床，按照圖示的規(guī)格進展銑削加工即可得到支座的外形，然后用鉆孔工具按照要求鉆孔即可得到所需的零件。其它容易加工的零件，按照設(shè)計圖紙進展加工，并將所需的標準件及庫存零件列表，到庫房領(lǐng)取即可。所有的機械零件都有后，按照整體的裝配圖進展裝配即可。4.4電控局部總體方案智能小車采用AT89S52單片機作為控制器，通過控制電路控制舵機轉(zhuǎn)向和直流減速電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向，使小車能夠按照預(yù)設(shè)定的路徑行駛。系統(tǒng)控制框圖如圖11所示：圖11系統(tǒng)控制框智能小車電控局部電路圖如圖12所示，現(xiàn)介紹能夠?qū)崿F(xiàn)小車按照預(yù)設(shè)定路徑行駛所用的關(guān)鍵器件的作用：圖12電路圖單片機：單片機是此電路的核心局部。設(shè)計采用的52單片機，其工作電壓為5V〔20引腳接5V，40引腳接地〕。單片機根據(jù)程序輸出邏輯電壓從而完成控制作用。本設(shè)計使用單片機的P0.0到P0.6引腳，其中P0.2和P0.3,P0.0和P0.1為直流減速電機的控制線接口，分別控制左右電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和剎停；P0.4和P0.5為電機的使能端接口，分別控制左右電機的轉(zhuǎn)速；P0.6為舵機的控制線接口，控制舵機的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角大小。光耦：光耦的作用是隔離數(shù)字電路和模擬電路。設(shè)計采用的光耦是TLP521-4，它主要由發(fā)光二極管和光敏三極組成。其工作原理如下：當(dāng)光耦的輸入端〔如IN1〕接收到高電壓時，發(fā)光二極管沒有導(dǎo)通不發(fā)光，光敏三極管呈高阻態(tài)〔可以認為其為斷路〕，此時輸出端〔如OUT1〕輸出高電壓；當(dāng)光耦的輸入端接收到低電壓時，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通呈低阻態(tài)〔可以認為其短路〕，此時輸出端輸出低電壓。由此可以看出通過光耦可以順利地將數(shù)字電路的邏輯電壓信號轉(zhuǎn)換到模擬電路中。7805：7805是一種固定電壓(5V)三端集成穩(wěn)壓器，其適用于很多應(yīng)用場合。其卓越的內(nèi)部電流限制和熱關(guān)斷特性使之特別適用于過載的情況。在此電路中78L05的作用是保證提供應(yīng)L298的電壓是穩(wěn)定5V以使L298正常工作。L298：L298是雙H高電壓大電流功率集成電路．直接采用TTL邏輯電平控制．可以驅(qū)動繼電器、直流電動機、步迸電動機等電感性負載。在此電路中L298連接保護電路根據(jù)單片機提供的邏輯電壓對電機進展驅(qū)動。具體驅(qū)動方式如下：當(dāng)使能端為高電平時．輸人端1N1(IN3)為高電平信號，IN2(IN4)為低電平信號時，電機正轉(zhuǎn)；輸人端IN1〔IN3)為低電平信號，IN2(IN4)為高電平信號時，電機反轉(zhuǎn)；IN1(IN3)與IN2〔IN4)一樣時，電機快速停頓。當(dāng)使能端為低電平時．電動機停頓轉(zhuǎn)動。將上述原理總結(jié)如表1所示〔其中1代表高電平，0代表低電平〕：表1L298驅(qū)動方式使能端IN1〔IN3〕IN2〔IN4〕電機轉(zhuǎn)動方式110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100剎停0ⅹⅹ停頓直流減速電機：直流減速電機是智能小車的動力來源，可以通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值〔占空比)來控制電機的轉(zhuǎn)速。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制即PWM控制。電動機電樞得到的電壓波形如圖6所示。電壓平均值描述為〔1〕——通電時間；T——周期；——占空比，；由〔1〕式可知。當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞端電壓取決于占空比的大?。淖兙涂梢愿淖兌穗妷旱钠骄担畯亩竭_調(diào)速的目的。圖6PWM控制波形圍舵機：舵機是智能小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的動力來源。舵機根據(jù)單片機提供邏輯電壓的占空比通過比擬電路進展比擬，從而確定其轉(zhuǎn)角，這樣舵機就能做出左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和居中，小車也在舵機帶動下完成相應(yīng)動作。紅外對管采用的是型號為GP2A25，紅外對管是由發(fā)射器、接收器和檢測電路三局部組成。其發(fā)射出紅外線經(jīng)反射將探測的信號送入單片機。5．檢測調(diào)試結(jié)合電路圖將電路板焊接完成之后，連接各所需電壓，進展檢測。先檢測單片機各引腳電壓，符合要求；再檢測光耦左右各引腳與L298各引腳，也符合理論要求。在調(diào)試的過程中，開場由于用的是7805的5V電壓給舵機供電，導(dǎo)致小車前輪只往一個方向偏，最后經(jīng)查閱應(yīng)用單片機5V供電。最后燒入程序，小車可以走8字型。結(jié)論：本智能小車通過機電局部的有機結(jié)合使小車最終能夠走出“8〞字。在設(shè)計和制作中小車的轉(zhuǎn)向局部和電路的調(diào)試是難點，也是決定最終結(jié)果的重要因素，必須認真做好。在對電路的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)如果把原電路中TLP521-2改為TLP521-4，并將P0.6引腳與此光耦輸入端連接，相應(yīng)的輸出端作為舵機控制線接口，不僅可以有效防止程序“跑飛〞，還能保護單片機不被燒壞。以此小車為根底外加紅外線傳感器或聲納系統(tǒng)可使小車進展壁障或測距，進一步開發(fā)小車的實用價值。參考文獻：【1】郭天翔.51單片機C語言教程——入門提高開發(fā)拓展全攻略.電子工業(yè)，2009【2】譚浩強.C語言設(shè)計.清華大學(xué)，1991【3】周彬.基于Proteus的單片機PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.**職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007(7).【4】王建飛．基于單片機控制的自動往返小汽車的新設(shè)計.現(xiàn)代與電子技術(shù)2006，234(19)：127—129．一個看似相對容易的工程，卻包含了機械、電路、軟件等多方面的內(nèi)容，雖然有些東西學(xué)過，但是那些都是根底，對于這個工程而言，許多東西還需要重新開場學(xué)習(xí)，同時學(xué)習(xí)的過程中又可以對以前學(xué)習(xí)