智能循跡小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能循跡小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本文介紹的是基于單片機(jī)STC89C52控制智能循跡小車的設(shè)計(jì)。利用紅外對(duì)光管檢測(cè)黑線與障礙物，并以STC89C52單片機(jī)為控制芯片控制電動(dòng)小汽車的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障的功能。其中小車的電機(jī)由LG9110驅(qū)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。關(guān)鍵詞STC89C52LG9110紅外對(duì)光管循跡小車ThemanufactureofintelligenttrackingcarAbstractThisarticaleintroducesthedesignofintelligenttrackingcarbasedontheSTC89C52singlechipcomputer.Basedinfrareddetectionofblacklinesandtheroadobstacles,anduseaSTC89C52MCUasthecontrollingcoreforthemovement.Aelectronicdrived,whichcanautomatictrackandavoidobstacle,wasdesignedandfabricated.Inwhich,theelectricmachineryofcarisdrivedbytheLG9110.Theelectriccircuitstuctionofwholesystemissimple,andthefunctionisdependable.KeywordsSTC89C52LG9110InfraredemittingdiodeTrackingcar第1章引言隨著微電子技術(shù)的不斷開(kāi)展，微處理器芯片的集成程度越來(lái)越高，單片機(jī)已可以在一塊芯片上同時(shí)集成CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器等多種電路，這就很容易將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合，組成智能化測(cè)量控制系統(tǒng)。這種技術(shù)促使機(jī)器人技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的開(kāi)展。單片機(jī)技術(shù)作為自動(dòng)控制技術(shù)的核心之一，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器、機(jī)電產(chǎn)品、家用電器等領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)的迅速開(kāi)展，單片機(jī)功能也越來(lái)越強(qiáng)大，本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)在智能尋跡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以STC89C52為核心，用LG9110驅(qū)動(dòng)兩個(gè)減速電機(jī)，當(dāng)產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)時(shí)，是通過(guò)尋跡模塊里的傳感器管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號(hào)通過(guò)傳感器再返回到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)計(jì)的要求作出相應(yīng)的判斷送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，讓小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等根本功能，尋白線時(shí)，外部環(huán)境光線的強(qiáng)弱對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，基于此原因，本實(shí)驗(yàn)中的尋跡是指在白色地板上尋黑線。1.1設(shè)計(jì)目的1、了解機(jī)械部件結(jié)構(gòu)與機(jī)械安裝過(guò)程；2、掌握電動(dòng)機(jī)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及減速原理；3、了解電子元器件的根本形狀及焊接過(guò)程；4、掌握電子元器件的焊接步驟與檢測(cè)過(guò)程；5、了解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與程序編制方法；6、了解LED燈驅(qū)動(dòng)方法，全面掌握流水燈/跑馬燈編程技術(shù)；7、了解數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握數(shù)碼顯示技術(shù)；8、了解鍵盤結(jié)構(gòu)原理，掌握中斷查詢技術(shù)；9、了解話筒電路結(jié)構(gòu)，掌握話筒輸入技術(shù)；10、了解蜂鳴器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，全面表達(dá)音樂(lè)報(bào)警功能；11、了解光敏電阻結(jié)構(gòu)原理，充分表達(dá)夜間自動(dòng)照明功能；12、了解紅外發(fā)射與接收技術(shù)，有力表達(dá)防撞檢測(cè)與智能尋跡功能13、了解直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理，掌握電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)；14、認(rèn)識(shí)紅外檢測(cè)傳感器，全面掌握紅外遙控編碼解碼技術(shù)；15、了解R232通信協(xié)議，掌握串口通信技術(shù)。16、通過(guò)本機(jī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，全面掌握智能自動(dòng)尋跡機(jī)器人的控制方法。1.2設(shè)計(jì)要求當(dāng)前的電動(dòng)小汽車根本上采取的是基于純硬件電路的一種開(kāi)環(huán)控制方法，或者是直線行使，或者是在遙控下作出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停車等根本功能。但是它們不能實(shí)現(xiàn)在某些特殊的場(chǎng)合下，我們需要能夠自動(dòng)控制的小型設(shè)備先采集到一些有用的信息的功能。本文正是在這種需要之下開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一種智能的電動(dòng)小車的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它以單片機(jī)STC89C51為控制核心，附以外圍電路，在畫有黑線的白紙“路面”上行使,由于黑線和白線對(duì)光線的反射系數(shù)不同,可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”——黑線。判斷信號(hào)可通過(guò)單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊修正前進(jìn)方向，以使其保持沿著黑線行進(jìn)。軌跡探測(cè)模塊用2對(duì)紅外發(fā)射管。2對(duì)各置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時(shí)，外面任意一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到重新回到軌道。第2章總體方案設(shè)計(jì)2.1總體方案的設(shè)計(jì)思路該簡(jiǎn)易智能小車在畫有黑線的白紙“路面”上行使,不斷地向地面發(fā)射紅外光，利用紅外線在不同顏色的物理外表具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)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，那么小車上的接收管接收不到信號(hào)。當(dāng)紅外接收探頭接收到信號(hào)后，再將信號(hào)送到單片機(jī)由單片機(jī)內(nèi)部程序來(lái)控制電機(jī)，由電機(jī)完成小車的前進(jìn)，轉(zhuǎn)向。因此，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”——黑線。2.2總體方案設(shè)計(jì)整個(gè)路系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，把檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送給單片機(jī)進(jìn)行處理，然后單片機(jī)輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)方案方框圖如下圖：控制小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)軟件控制檢測(cè)〔黑線〕圖2-2智能小車尋跡系統(tǒng)框控制小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)軟件控制檢測(cè)〔黑線〕2.2方案一：采用FPGA〔現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列〕作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分表達(dá)，并且由于其集成度高，使其本錢偏高，同時(shí)其芯片引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。因此排除該方案。方案一：采用89C51作為控制核心。針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)—多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量得單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)的小體積單片機(jī)，A/D,D/A功能也不必選用，據(jù)此，我們選用STC89C51單片機(jī),另外，該單片機(jī)價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單。綜上所述，我們選用方案二。2.2方案一：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)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)速度慢，易損壞，壽命短，可靠性不高。方案二：市面上有專門的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LG9110，經(jīng)測(cè)試性能可以滿足小車的電機(jī)控制要求，而且外圍電路比擬簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能夠很好的保證兩電機(jī)的同步。因此，采用方案二。2.2方案一：采用攝像頭或探測(cè)頭收集畫板上信息。用這種方法，對(duì)板面信息處理準(zhǔn)確，但是本錢過(guò)高，對(duì)硬、軟件的要求都非常高，短時(shí)間內(nèi)難做出實(shí)物來(lái)。方案二：使用可見(jiàn)光發(fā)光二級(jí)管和光敏二級(jí)管組成的發(fā)射-接受模塊。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二級(jí)管工作產(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；如采用高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但會(huì)增加額外的功率損耗。方案三：使用反射式紅外二級(jí)管和接收管組合發(fā)射-接收器。由于紅外光波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，因此受可見(jiàn)光的影響比擬小，同時(shí)，紅外對(duì)管還具有以下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，靈敏度高，線性好，接口電路比擬簡(jiǎn)單，安裝方便，對(duì)于本系統(tǒng)中近距離的檢測(cè)，用它作為傳感器將是最理想的。因此，本系統(tǒng)采用方案三2.2方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)使用方便，價(jià)格廉價(jià)，有優(yōu)良調(diào)速特性，實(shí)現(xiàn)方便平滑調(diào)速，調(diào)整范圍廣，有較強(qiáng)過(guò)載能力，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可頻繁無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)，制動(dòng)，反轉(zhuǎn)。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度很高，由其組成的位置控制系統(tǒng)定位準(zhǔn)確，穩(wěn)定時(shí)間短，一般可采用開(kāi)環(huán)控制。但控制系統(tǒng)必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)電路等組成方可使用，控制相對(duì)復(fù)雜。綜上所述，直流電機(jī)的電路相對(duì)簡(jiǎn)單，功能合題意，使用方便，價(jià)格廉價(jià)，本系統(tǒng)采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的硬件組成硬件設(shè)計(jì)總體上以STC89C52為核心，輔以必要的外圍電路，完成紅外傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的檢測(cè)，信號(hào)的處理，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)等功能。系統(tǒng)總框圖如下：3.2單片機(jī)模塊此局部是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。這里選擇了ATMEL公司的STC89C52作為控制核心部件。該單片機(jī)要想正常工作，還需有復(fù)位電路和晶振電路，此單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖如下：圖3-23.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊LG9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件本錢降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò)750～800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5～2.0A；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降與靜態(tài)電流；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開(kāi)關(guān)功率管的使用上平安可靠。9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁門鎖驅(qū)動(dòng)等電路上。該驅(qū)動(dòng)芯片LG9110的IA,IB口接單片機(jī)，輸出口OA,OB接電機(jī)。O口為低電平時(shí)，電機(jī)正傳。O口為高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)如下列圖3-3：圖3-33.4紅外檢測(cè)模塊本單元模塊中，白色管作為發(fā)色管，黑色管作為接管，當(dāng)白色管發(fā)射一束光，遇到黑線或白色物體反射，黑色管接收到反射光，然后把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電路原理圖如下：圖3-43.5聲控模塊話筒的阻值隨接收到聲音信號(hào)強(qiáng)度的變化而變化，在電容正端產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)，經(jīng)電容C5耦合和根本共射極三極管V3的電壓反向存在，通過(guò)單片機(jī)P0.4引腳采集和處理可實(shí)現(xiàn)小車的聲控功能，正常情況下P0.4管腳采集到的是高電平信號(hào)，當(dāng)話筒收到強(qiáng)度足夠的聲音后，三極管導(dǎo)通后P0.4管腳變?yōu)榈碗娖?。原理圖如圖3-5：圖3-53.6報(bào)警模塊單片機(jī)上電后各管腳默認(rèn)為高電平，三極管不導(dǎo)通。當(dāng)需要執(zhí)行報(bào)警時(shí)，單片機(jī)P0.6管腳出現(xiàn)低電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。如圖3-6圖3-63.7串口通信模塊此模塊用于單片機(jī)和電腦進(jìn)行串口通信，但由于計(jì)算機(jī)串口為RS232電平，高電平為—12V，低電平為+12V，而單片機(jī)為TTL電平，高電平為+5V，低電平為0V，因此，計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間通訊時(shí)需要加電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232.原理圖如下圖3-7第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的軟件程序采用模塊結(jié)構(gòu)，由C語(yǔ)言編寫完成，主要由初始化程序，偏道調(diào)整程序、聲光指示程序，讀紅外對(duì)光管狀態(tài)，顯示程序等模塊組成?？偟脑O(shè)計(jì)流程圖如下：循跡流程圖：循跡程序：#include<at89x51.h>//包含51單片機(jī)相關(guān)的頭文件sbitLeftLed=P2^0;//定義前方左側(cè)指示燈端口sbitRightLed=P0^7;//定義前方右側(cè)指示燈端口sbitLeftIR=P3^5;//定義前方左側(cè)紅外探頭端口sbitRightIR=P3^6;//定義前方右側(cè)紅外探頭端口sbitFontIR=P3^7;//定義前方正前方紅外探頭端口sbitM1A=P0^0;//定義左側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)A端sbitM1B=P0^1;//定義左側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)B端sbitM2A=P0^2;//定義右側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)A端sbitM2B=P0^3;//定義右側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)B端sbitB1=P0^4;//定義語(yǔ)音識(shí)識(shí)別傳感器端口sbitSB1=P0^6;//定義蜂鳴器端口#defineRunShowP1//定義數(shù)據(jù)顯示端口voidDelay()//定義機(jī)器人調(diào)轉(zhuǎn)子時(shí)間子程序{unsignedintDelayTime=50000;//定義機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)間變量while(DelayTime--);//機(jī)器人轉(zhuǎn)彎循環(huán)SB1=!SB1;//蜂鳴器閃響return;}voidControlCar(unsignedcharConType)//定義電機(jī)控制子程序{M1A=0;//將M1電機(jī)A端初始化為0M1B=0;//將M1電機(jī)B端初始化為0M2A=0;//將M2電機(jī)A端初始化為0M2B=0;//將M2電機(jī)B端初始化為0switch(ConType)//判斷用戶設(shè)定電機(jī)形式{case1://前進(jìn)//判斷用戶是否選擇形式1{M1A=1;//M1電機(jī)正轉(zhuǎn)M2A=1;//M2電機(jī)正轉(zhuǎn)break;}case2://后退//判斷用戶是否選擇形式2{M1B=1;//M1電機(jī)反轉(zhuǎn)M2B=1;//M2電機(jī)反轉(zhuǎn)break;}case3://左轉(zhuǎn)//判斷用戶是否選擇形式3{M2A=1;//M2電機(jī)正轉(zhuǎn) 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