智能尋軌小車

.PAGE..........專業(yè)..仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院基于STC89C52單片機(jī)的紅外尋跡小車設(shè)計(jì)學(xué)院：自動(dòng)化學(xué)院班級(jí)：自動(dòng)化111班姓名：武潔學(xué)號(hào)：4指導(dǎo)教師：唐宇成績：目錄關(guān)鍵詞：3一、系統(tǒng)簡述31、功能簡述32、小車尋跡原理33、控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4二、硬件設(shè)計(jì)41、尋跡傳感器模塊42、控制器模塊63、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊74、測速模塊設(shè)計(jì)8三、軟件設(shè)計(jì)91、PWM控制92、總體軟件流程圖103、小車尋跡流程圖124、中斷程序流程圖13四、設(shè)計(jì)總結(jié)14五、設(shè)計(jì)心得體會(huì)15附錄〔單片機(jī)程序〕161、尋跡程序162、速度測量18參考資料20摘要：本設(shè)計(jì)是一種基于STC89C52單片機(jī)控制的簡易自動(dòng)尋跡小車系統(tǒng)，包括小車系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件設(shè)計(jì)方法。小車以STC89C52單片機(jī)為控制核心,用單片機(jī)模擬產(chǎn)生PWM波控制小車速度，利用紅外光電傳感器對路面黑色軌跡進(jìn)展檢測,并將路面檢測信號(hào)反響給單片機(jī)。單片機(jī)對采集到的信號(hào)予以分析判斷,及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。關(guān)鍵詞：單片機(jī)STC89C52紅外光電傳感器直流電機(jī)PWM調(diào)速一、系統(tǒng)簡述1、功能簡述總體功能本設(shè)計(jì)是基于STC89C52單片機(jī)的智能尋跡小車設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于直流電機(jī)的自動(dòng)尋跡小車，使小車能夠自動(dòng)檢測地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛；此外系統(tǒng)還利用編碼盤對行駛的小車的速度進(jìn)展測量，并顯示在數(shù)碼管上，系統(tǒng)方案方框圖如圖1所示。檢測〔黑線〕檢測〔黑線〕驅(qū)動(dòng)電機(jī)軟件控制控制小車編碼盤檢測數(shù)碼管系統(tǒng)方案方框圖2、小車尋跡原理這里的尋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，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷"道路〞，采取的方法是紅外探測法。

紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體外表具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線那么紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。3、控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)自動(dòng)尋跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊等局部組成,控制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如圖2所示。控制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖數(shù)碼管顯示速度控制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖數(shù)碼管顯示速度主控芯片STC89C52LN298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)光電傳感器電壓比擬器主控制電路模塊：用STC89C52最小單片機(jī)系統(tǒng)、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，32路I/O口紅外檢測模塊：光電傳感器紅外雙管,比擬器LM339電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LN298N、兩個(gè)直流電機(jī)測速模塊：用74HC14反向器做信號(hào)處理二、硬件設(shè)計(jì)1、尋跡傳感器模塊尋跡模塊采用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，并使用LM339電壓比擬器〔參加遲滯電路〕，防止臨界輸出抖動(dòng)做為核心器件構(gòu)成中控電路。此系統(tǒng)具有的多種探測功能能極大的滿足在黑線檢測的測試中，假設(shè)檢測到黑色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到接收管，測量接收管的電壓為4．8V，假設(shè)檢測到白色區(qū)域，接收管承受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，光電管導(dǎo)通，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化，測的接收管的電壓為0．5V，測試根本滿足要求。判斷有無黑線我們用的一塊比擬器LM339芯片，LM339電壓比擬器芯片部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比擬器，各引腳如下列圖,比擬基準(zhǔn)電壓由10K的變阻器調(diào)節(jié)，各個(gè)接收管的參數(shù)都不一致，每個(gè)傳感器的比擬基準(zhǔn)電壓也不盡一樣，我們?yōu)槊總€(gè)傳感器配備了一個(gè)變阻器。整個(gè)探測模塊具體電路如下：通過紅外雙管檢測黑線，輸出信號(hào)給LM339芯片，接收電壓與比擬電壓比擬后，輸出信號(hào)變?yōu)樯舷码娖?，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測到黑線。

在小車具體的尋跡行走過程中，為了能準(zhǔn)確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測頭，在車前方橫排的設(shè)置四個(gè)探頭相對位置，黑線大小為兩個(gè)人探頭的大小。2、控制器模塊采用STC公司的STC89C52單片機(jī)作為主控制器，是一個(gè)低功耗，高性能的8位單片機(jī)，它具有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷構(gòu)造〔兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷構(gòu)造〕，全雙工串行口。另外STC89C時(shí)鐘電路和復(fù)位電路與單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)，如圖31〕采用外部時(shí)鐘，晶振頻率為12MHZ2〕采用按鍵復(fù)位STC89C52最小單片機(jī)系統(tǒng)3、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊A、直流電機(jī):電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速〔減速〕齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。B、電機(jī)驅(qū)動(dòng):驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，可以直接驅(qū)動(dòng)兩路3-30V直流電機(jī)，并提供5V輸出端口，直接供給5V單片機(jī)電路系統(tǒng)供電本設(shè)計(jì)采用兩驅(qū)驅(qū)動(dòng)芯片，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。以下為L298N的引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。該模塊提供4輸入或6輸入單片機(jī)信號(hào)，用跳線帽靈活選擇PWM調(diào)速，板載上拉電阻，完美解決51單片機(jī)IO口驅(qū)動(dòng)能力缺乏的問題。L298N外部引腳L298N輸入輸出關(guān)系IN1-IN4為單片機(jī)控制信號(hào)輸入，ENA、ENB可以作為PWM調(diào)速輸入信號(hào)端，通過單片機(jī)編程可實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速設(shè)計(jì)，可以用跳線帽直接接高電平為全速驅(qū)動(dòng)；OUT1-OUT4為輸出到電機(jī)，其中OUT12控制電機(jī)1，OUT34控制電機(jī)2，VCC、GND為電池盒電源供給。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3-10所示：L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4、測速模塊設(shè)計(jì)測速是利用編碼盤的原理，使用一休化對射紅外發(fā)射接收管WYCH206，并使用74HC14〔帶施密特觸發(fā)器反向器〕，防止臨界輸出抖動(dòng)做為核心器件構(gòu)成中控電路。該裝置留有安裝孔易于安裝，使用非常簡便，靈敏度高，反響非常迅速。由紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外管，在編碼盤柵格遮擋下，對邊的接收管沒有承受到紅外光，那么表現(xiàn)為高電平輸出，沒有遮擋時(shí)有承受到紅外光，那么為低電平輸出。經(jīng)過對射紅外發(fā)射接收管在編碼盤的影響下，把傳輸信號(hào)經(jīng)過74HC14芯片處理輸出到單片機(jī)的P3.5口，利用T1計(jì)數(shù)器對下降沿信號(hào)的計(jì)數(shù)，通過在1S的計(jì)數(shù)脈沖來求得小車速度。小車車輪直徑為6.5ＣＭ。通過脈沖計(jì)數(shù)，在1S脈沖數(shù)C，那么速度V=〔2*3.14*6.5〕/20*C，單位為CM/S當(dāng)光電傳感器開場承受信號(hào)，通過比擬器將信號(hào)傳入單片機(jī)中。小車進(jìn)入尋跡模式，即開場不停地掃描與探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。與此同時(shí)，速度檢測紅外對管也對編碼盤進(jìn)展測測速，并時(shí)時(shí)刻刻顯示在數(shù)碼管上。單片機(jī)采用T0定時(shí)1ms，通過產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并計(jì)時(shí)100ms測速周期，T1計(jì)數(shù)器，對下降沿進(jìn)展計(jì)數(shù)，計(jì)算小車速度。三、軟件設(shè)計(jì)1、PWM控制本系統(tǒng)采用PWM來調(diào)節(jié)直流電機(jī)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)載兩端的電壓,進(jìn)而到達(dá)控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面,如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中,按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期"接通〞和"斷開〞時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,PWM又被稱為"開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置〞。在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時(shí),速度增加；電機(jī)斷電時(shí),速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律,改變通、斷電的時(shí)間,即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。本系統(tǒng)過控制52單片機(jī)的定時(shí)器T0的初值，從而可以實(shí)現(xiàn)ＥＮＡ和ＥＮＢ輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時(shí)器周期中斷一次,就使ＥＮＡ和ＥＮＢ產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。將直流電機(jī)的速度分為100個(gè)等級(jí),因此一個(gè)周期就有個(gè)100脈沖,周期為100個(gè)脈沖的時(shí)間。速度等級(jí)對應(yīng)一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù)。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù)占一個(gè)周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個(gè)周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大,加在電機(jī)兩端的電壓越大,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時(shí),就可以得到不同的電機(jī)平均速度,從而到達(dá)調(diào)速的目的。準(zhǔn)確地講,平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系,在一般的應(yīng)用中,可以將其近似地看成線性關(guān)系。2、總體軟件流程圖小車進(jìn)入尋跡模式后，即開場不停地掃描與探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)或把速度測量信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，但單片機(jī)計(jì)算速度并顯示在數(shù)碼管上。軟件的主程序流程圖如下圖：主程序流程圖系統(tǒng)初始化主程序流程圖系統(tǒng)初始化任務(wù)定時(shí)、計(jì)數(shù)器歸零是否完成全部任務(wù)？尋跡、測速子函數(shù)是否完本錢次任務(wù)？完畢開場NYNY3、小車尋跡流程圖紅外傳感器為１、２、３、４，虛線為黑線，小車進(jìn)入尋跡模式后，即開場不停地掃描與探測器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測器中的哪一個(gè)探測到了黑線，如果中間２個(gè)傳感器探測到黑線，即小車中部壓到黑線，小車向前前進(jìn)；如果１、２或１級(jí)傳感器探測到黑線，小車車身右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車左轉(zhuǎn)；如果是３、４或４傳感器探測到了黑線，，小車向左偏出了軌跡，那么應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)；如果小車４個(gè)傳感器都沒有檢測到黑線，可能是應(yīng)為慣性，小車沖過頭了，此時(shí)使是小車向后退，回到剛剛有黑線的地方重新檢測，在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動(dòng)作。尋跡流程圖如下圖啟動(dòng)尋跡模式探測黑線啟動(dòng)尋跡模式探測黑線是否檢測到黑線判斷處理程序向左轉(zhuǎn)left后退ｂａｃｋ向右轉(zhuǎn)right前進(jìn)run繼續(xù)前進(jìn)NY尋跡流程圖尋跡流程圖4、中斷程序流程圖這里利用的是52單片機(jī)的T0定時(shí)器，從而讓單片機(jī)P0口的P2.4和P2.5引腳輸出占空比不同的方波,然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后控制直流電機(jī)。定時(shí)器定時(shí)1ms中斷一次,就使P2.4或P2.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。中斷程序流程圖如下圖定時(shí)器定時(shí)器初始化開啟定時(shí)器、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值N1<占空比？P2.4和P2.5輸出高電平P2.4和P2.5輸出低電平計(jì)數(shù)變量N1加1開場完畢YN中斷程序流程圖四、設(shè)計(jì)總結(jié)中斷程序流程圖本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)了智能循跡和速度實(shí)時(shí)測量和顯示在數(shù)碼管的功能。設(shè)計(jì)介紹了該設(shè)計(jì)的總體思想和一些用到的根本的原理及系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將本文主要工作總結(jié)如下：〔1〕本設(shè)計(jì)使用模塊化的設(shè)計(jì)方法。各個(gè)功能在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上都實(shí)現(xiàn)了模塊化?！?〕系統(tǒng)經(jīng)過測試，雖然存在著一定的問題，但能夠?qū)崿F(xiàn)小車的循跡功能、尋光功能，根本上能實(shí)現(xiàn)小車的路徑規(guī)劃功能?！?〕小車在彎道方面還存在穩(wěn)定性問題，基于STC89C52單片機(jī)處理速度緩慢和硬件資源比擬少，所以該設(shè)計(jì)最終還是集成了兩塊單片機(jī)，使編程方面能夠很好融合硬件資源。該小車系統(tǒng)還存在一些不完善和需要改良的地方，可以有以下幾處需要改良和完善：〔1〕需找較高端的單片機(jī)，像STC12系列的單片機(jī)，其部硬件資源豐富，能夠彌補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)過于繁冗而導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)的問題，使得尋跡和測速數(shù)碼管顯示由一塊單片機(jī)就可以完全實(shí)現(xiàn)；〔2〕小車在一些比擬小角度的彎道行駛時(shí)還是有點(diǎn)不穩(wěn)定，可以通過不斷測試相應(yīng)的電機(jī)速度來不斷選擇最正確的適應(yīng)某彎道的速度，使小車行駛的時(shí)候更順暢，更表達(dá)智能性；〔3〕可以在該智能循跡小車中添加更多的有趣的功能。在小車系統(tǒng)中加上光電傳感器讓小車可以實(shí)現(xiàn)避障功能，還可以在小車上安裝喇叭讓小車播放音樂等，這樣小車更具有智能的特點(diǎn)，而且有更多的娛樂和學(xué)習(xí)的特性?！?〕該智能循跡小車系統(tǒng)具有循線、追光和路徑判斷的功能。但這些功能都是用單獨(dú)的程序?qū)崿F(xiàn)的，每運(yùn)行一個(gè)功能就需要重新下載程序。對于這個(gè)問題，可以用多路開關(guān)與單片機(jī)的I/O口相連，通過檢測開關(guān)信號(hào)進(jìn)展智能循跡小車功能的選擇。五、設(shè)計(jì)心得體會(huì)這次循跡小車課程設(shè)計(jì)不得不說是個(gè)大工程，讓我們從中學(xué)會(huì)了許多東西，特別是分工與合作。從最開場的買元器件，到焊接、調(diào)試循跡板，再到控C語言程序的編寫，都不簡單。我們的循跡板在第一次焊接完畢，經(jīng)過調(diào)試后，能正常工作。但是，當(dāng)我們把它裝在小車上讓它去跑時(shí)，問題就來了，有個(gè)燈就不亮了。后來經(jīng)過檢測后，終于又弄好了。然后在寫C語言時(shí)，主要就是調(diào)節(jié)小車的速度和轉(zhuǎn)彎時(shí)的角度。而最難的是小車在過彎道時(shí)的穩(wěn)定性能，真的很復(fù)雜，花了我們很多時(shí)間才把它寫好。而速度測量程序的編寫，由于89系列單片機(jī)硬件資源有限，所以我們一直都不能實(shí)現(xiàn)速度實(shí)時(shí)測量顯示，最后只有有2片89系列的單片機(jī)把他們獨(dú)立出來，才顯示成功，這是我們最大的遺憾，后期基于興趣我們可以用12系列的單片機(jī)來彌補(bǔ)這一缺陷，實(shí)現(xiàn)1片單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)所有功能。由于這次課程設(shè)計(jì)的工作量很大，所以我們組這次的分工非常明確。有的人負(fù)責(zé)硬件搭建，有的人負(fù)責(zé)寫C語言程序，有的人負(fù)責(zé)循跡板的焊接與調(diào)試，還有負(fù)責(zé)資料的收集和報(bào)告的書寫。最后，經(jīng)過我們組的分工協(xié)作，終于把循跡小車的制作完成了。這次課程設(shè)計(jì)，收獲最大的，還是告訴了我們要主動(dòng)去學(xué)習(xí)新的知識(shí)。附錄〔單片機(jī)程序〕1、尋跡程序#include<reg52.h> #defineuintunsignedint #defineucharunsignedchar sbitIN1=P0^0; sbitIN2=P0^1; sbitIN3=P0^2; sbitIN4=P0^3; sbitLed1=P0^4; sbitLed2=P0^5; sbitLed3=P0^6; sbitLed4=P0^7; sbitPWM_ENA=P2^4; sbitPWM_ENB=P2^5; uinta=0,b=0; ucharN1=0; voidPWM(); voidrun(); voidback(); voidleft(); voidright(); voidmain(){ TMOD=0x01; TH0=0xff;TL0=0xf6; EA=1;ET0=1;TR0=1;while(1) { if(Led2==1&&Led3==1) run(); else { if((Led3==1&&Led4==1)||Led4==1||Led3==1) { left(); } if((Led1==1&&Led2==1)||Led1==1||Led2==1) { right(); } if(Led1==0&&Led2==0&&Led3==0&&Led4==0) { back(); } } }}voidrun(){ a=40; b=40; IN1=1,IN2=0,IN3=1,IN4=0; PWM();}voidback(){ a=40; b=40; IN1=0,IN2=1,IN3=0,IN4=1; PWM();}voidleft(){ a=40; b=30; IN1=1,IN2=0,IN3=0,IN4=0; PWM(); }voidright(){ a=30; b=40;IN1=0,IN2=0,IN3=1,IN4=0; PWM();}voidT0_time()interrupt1{TH0=0xff;TL0=0xf6; N1++; if(N1==100)N1=0; }voidPWM(){ if(N1<a) PWM_ENA=1;else PWM_ENA=0;if(N1<b) PWM_ENB=1;else PWM_ENB=0;}2、速度測量 #include<reg52.h> #defineuintunsignedint #defineucharunsignedchar sbitdula=P2^6; sbitwela=P2^7; ucharcodetable[]={ 0x03,0xf3,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f, 0x01}; unsigne dcodedis[]={0x40,0x20,0x10,0x0f}; unsignedchardisbuff[5]={0}; unsignedchartime=0; unsignedchari=0; unsignedintcount1=0; unsignedintV=0; voiddelayms(uintkms){ uintx,y; for(x=kms;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);} voidDisplay_SMG(void){if(++i>=4)i=0; wela=1; P1=table[disbuff[i]]; wela=0; P1=0xff; dula=1; P1=dis[i]; dula=0; delayms(5);} voidtime_0()interrupt1using2{TH0=(65536-2000)/256; TL0=(65536-2000)%256; time++; Display_SMG(); if(time>=250) { time=0; V=count1*2; count1