智能循跡小車設計報告

單片機工程綜合設計(2)實訓報告系所：電子工程系專業(yè)：嵌入式系統(tǒng)工程學生姓名：學生學號：指導教師：2015年11月16日目錄TOC\o"1-3"\u第1章工程簡介1工程研究背景及意義1工程研究目的1工程主要內(nèi)容1第2章工程方案分析2系統(tǒng)分析22.1.1原理介紹22.1.2系統(tǒng)框圖2方案論證32.2.1主控模塊選擇32.2.2采樣模塊選擇32.2.3驅動模塊選擇42.2.4電源模塊選擇42.2.5避障模塊選擇4第3章工程硬件設計6工程硬件框圖，如下圖6工程硬件電路設計63.2.1單片機主控電路設計63.2.2驅動電路設計73.2.3電源電路設計83.2.4采樣電路設計93.2.5避障電路設計9第4章工程軟件設計11程序流程圖114.1.1循跡局部，如下圖114.1.2倒車入庫出庫局部，如下圖124.1.3避障局部，如下圖12主要程序代碼12循跡局部124.2.2避障局部13第5章工程調試14實際焊接145.1.1焊接步驟145.1.2焊接過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法14模塊調試145.2.1調試步驟145.2.2調試過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法16模塊連接165.3.1連接步驟16連接過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法16代碼編寫165.4.1代碼編寫步驟165.4.2代碼編寫過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法16程序燒寫165.5.1燒寫步驟165.5.2燒寫過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法17軟硬件調試步驟17軟硬件調試17賽道調試17賽道調試步驟175.7.2賽道調試過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法17第6章結論18作品總結18考前須知18學習收獲18成果物19硬件成果物19軟件成果物19第1章工程簡介智能化作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的開展方向，它可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要到達的或是更高的目標。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控制轉向、啟停和進退，比擬先進的遙控車還能控制其速度，而智能小車，那么可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、前進停止以及速度的控制，無需人工干預，是一個環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能結合于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。智能車輛作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，以及在智能車輛根底上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關鍵設備，智能小車的研究和開發(fā)正成為廣泛關注的焦點。智能化車輛是未來人們生活出行的重要工具，將會給我們的生活生產(chǎn)帶來很大的便利。所以，有必要對智能車輛進行研究本設計是一種基于單片機控制的簡易自動尋跡小車系統(tǒng)，系統(tǒng)的設計主要分為總體方案設計、硬件和軟件設計，其中每一局部均采用模塊化設計原那么，使得設計易讀、易修改、易擴充。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應用機電等相關學科的理論知識，聯(lián)系實際電路設計的具體實現(xiàn)方法，到達理論與實踐的統(tǒng)一。設計完成以由紅外線對管的自動尋跡組成的硬件模塊結合軟件設計組成能智循跡能小車，共同實現(xiàn)小車的前進倒退、轉向行駛等設計目標。本次設計的系統(tǒng)是利用主控芯片AT89C51來控制電機，通過相關傳感器對路面的軌跡信息進行檢測，并將檢測信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應的處理，實現(xiàn)小車的尋跡前行、轉彎和停止。第2章工程方案分析系統(tǒng)分析原理介紹以單片機STM32為核心，利用黑白線傳感器判斷小車行駛的軌跡；利用TCRT5000傳感器判斷軌跡中放置的障礙物；由單片機對小車狀態(tài)做出實時反響，并輸出相應的控制指令。該系統(tǒng)通過調節(jié)PWM輸出可控制小車的前進、后退、轉向、加速、減速等動作；可精準地完成小車沿黑色引導線的尋跡(斷開引導線亦可)該設計功耗小，本錢低，精度較高。系統(tǒng)框圖硬件系統(tǒng)框圖，所示圖2.1硬件系統(tǒng)框圖軟件系統(tǒng)框圖，所示圖2.2軟件系統(tǒng)框圖主控模塊選擇方案1：采用FPGA作為系統(tǒng)的主控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大集成度高，體積小穩(wěn)定性好，I/O口豐富，易于進行功能擴展，處理速度快，但是適用于大規(guī)模實時性要求較高的系統(tǒng)，價格高，編程實現(xiàn)難度大。本系統(tǒng)只需要完成信號檢測和電機驅動的控制，邏輯功能簡單，對控制器的數(shù)據(jù)處理能力要求不高，所以不選擇此方案。方案2：采用嵌入式系統(tǒng)作為主控制器。嵌入式系統(tǒng)工作頻率較高，速度較快，控制能力很強，也有較強的數(shù)據(jù)處理能力。但價格較高，編程實現(xiàn)難度大。方案3：采用AT89C51單片機作為主控制器。AT89C51是一款低功耗，高性能的8位單片機，片內(nèi)含有8KB的Flash片內(nèi)程序存儲器，256Bytes的RAM，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷等。價格廉價，使用方便。編程實現(xiàn)難度低，適合用來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。綜上分析，本設計使用方案三。.2采樣模塊選擇方案1：采用攝像頭，然后用CCD處理技術，對采集的信號進行分析。方案2：使用光敏傳感器，能夠采集回來黑與白兩種信號，然后進行處理與分析。由于采用攝像頭進行CCD處理所用的硬件搭接較為繁瑣，并且處理起來還比擬麻煩，而光敏傳感器TCRT5000可以雖然智能識別黑與白兩種顏色由于現(xiàn)場條件，并不能對其造成干擾，而且其反響速度快，響應時間短，故此，我們選用光敏傳感器TCRT5000。驅動模塊選擇方案1：在直流電機中，可用功率和構成驅動電路來驅動電機，如GTR集電極輸出型驅動電路。其性能可靠，具有自動保護功能，但是它們都屬于不可逆變速控制，其電流不能反向，無制動能力，也不能反向驅動，電機只能單方向旋轉，因此這種驅動電路受到了很大的限制。方案2：采用集成芯片L298N驅動直流電機。L298N是一種高電壓、大電流電機驅動芯片。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率5W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路局部在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反響給控制電路。使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。綜上分析，本設計選擇方案二。電源模塊選擇方案1：利用電池組構成5V電源，直接給系統(tǒng)各部件供電，此電路結構簡單本錢低，但穩(wěn)定性不好，電機工作時易產(chǎn)生較大干擾電流竄入控制系統(tǒng)影響系統(tǒng)正常運行。方案2：用電池串聯(lián)6--8V電壓，接后續(xù)穩(wěn)壓電路，單片機與大電流器件分開供電，防止大電流器件對單片機造成干擾。在不超過單片機工作電壓范圍的情況下，又能驅動直流電機。且這個電源結構簡單，價格廉價，容易得到。綜上所述，本設計選擇方案二。避障模塊選擇采用E18-D80NK感器，其產(chǎn)品參數(shù)如下：外形20mm*70mm〔直徑*高〕可用于智能小車機器人循跡、避障等。紅色：VCC+；黑色：GND—；黃色：OUT信號輸出。工作電壓：5VDC工作電流：10-15mA驅動電流：100mA感應距離：3-80CM直徑:18MM長度:45MM引線長度:25CM第3章工程硬件設計3.1工程硬件框圖，所示主控局部主控局部電源局部驅動局部采樣局部工程硬件電路設計單片機主控電路設計AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其電路圖如圖3.2所示。AT89C51電路圖其主要特點如下：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程FLASH存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保存時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級程序存儲器鎖定128×8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模片內(nèi)振蕩器和時鐘電路驅動電路設計L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路局部在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反響給控制電路。使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。其芯片L298N電路圖如圖3.3所示。圖3.3L298N電路圖L298N特點如下：具有信號指示。抗干擾能力強具有過電壓和過電流保護可單獨控制兩臺直流電機可單獨控制一臺步進電機PWM脈寬平滑調速可實現(xiàn)正反轉3.2.3電源電路設計電源是整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，因此必須有一個合理的電源設計，對于小車來說電源設計注意兩點：1、與一般的穩(wěn)壓電源不同，小車的電池電壓一般在6-8V左右，還要考慮在電池損耗的情況下電壓的降低，因此常用的78系列穩(wěn)壓芯片不再能夠滿足要求，因此必須采用低壓差的穩(wěn)壓芯片。2、單片機必須與大電流器件分開供電，防止大電流器件對單片機造成干擾，影響單片機的穩(wěn)定運行。電源電路圖如3.4所示。圖3.4電源電路圖采樣電路設計TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000紅外光電傳感器設計的一款紅外反射式光電開關。傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，穩(wěn)定可靠。紅外光電管由于感應的是紅外光，常見光對它的干擾較小，是在小車、機器人等制作中廣泛采用的一種方式。紅外光電管檢測黑線的原理為，由于黑色吸光，當紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射在上面后反射的局部就較小，接收管接收到的紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻比擬大，通過外接的電路就可以讀出檢測的狀態(tài)，同理當照射在白色外表時發(fā)射的紅外線就比擬多，表現(xiàn)為接收管的電阻就比擬小。TCRT5000局部電路圖。圖3.5TCRT5000局部電路圖3.2.5避障電路設計E18-D80NK紅外避障光電傳感器輸出方式：NPN三線常開檢測距離：3-80CM電源電壓：5VDC輸出電流：300mA可檢測物體：所有物體光電開關定義:光電開關又稱光電傳感器，傳感器分1/：漫反射型2/：反響反射型3/：對射型。傳感器可與PLC可編程控制器單片機非門電路電子計數(shù)器小型繼電器等產(chǎn)品配套使用。發(fā)射器對準檢測到的目標不間斷的發(fā)射紅外線光束，接收器把檢測物返射回來的光束〔光能量〕轉換為電流傳輸給后面的集成電路，經(jīng)集成電路處理后再經(jīng)放大器放大后輸出。第4章工程軟件設計4.1.1循跡局部，黑白跑道檢測黑白跑道檢測檢測到跑道左側檢測到跑道右側檢測到跑道沒有檢測到跑道檢測到全黑直走左轉右轉執(zhí)行上一狀態(tài)停車圖4.1循跡局部流程4.1.2倒車入庫出庫局部，黑白跑道檢測黑白跑道檢測LED燈全亮控制小車左轉小車倒行左轉檢測到第二次LED燈全亮停車4.1.3避障局部，檢測障礙物檢測障礙物直走大角度右轉彎后退，小角度右轉后退，小角度左轉有障礙物兩端都檢測到左端檢查到右端檢測到圖4.3避障局部流程圖主要程序代碼4.2.1循跡局部if((IN1==0)&&(IN2==0)&&(IN4==1)&&(IN5==1)) {delay_ms(4); if((IN1==0)&&(IN2==0)&&(IN4==1)&&(IN5==1)) {right_angle(90,0);delay_ms(50);} } if((IN1==1)&&(IN2==1)&&(IN4==0)&&(IN5==0)) {delay_ms(4); if((IN1==1)&&(IN2==1)&&(IN4==0)&&(IN5==0)) {right_angle(90,1);delay_ms(50);} } if((IN1==1)&&(IN2==1)&&(IN3==0)&&(IN4==1)&&(IN5==1)) run(98); if((IN1==1)&&(IN2==1)&&(IN3==1)&&(IN4==0)&&(IN5==1)) right_run(50,50); if((IN1==1)&&(IN2==0)&&(IN3==1)&&(IN4==1)&&(IN5==1)) left_run(50,50); if((IN1==1)&&(IN2==1)&&(IN3==1)&&(IN4==1)&&(IN5==0)) right_angle(60,1); if((IN1==0)&&(IN2==1)&&(IN3==1)&&(IN4==1)&&(IN5==1)) right_angle(60,0);避障局部Intbizhang1，bizhang2；voidbizhang1() { right_run(40,50);}voidbizhang2(){run(50);delayms(30);left_run(50,50);}工程調試焊接步驟1．準備施焊準備好焊錫絲和烙鐵。此時特別強調的施烙鐵頭部要保持干凈，即可以沾上焊錫〔俗稱吃錫〕。2．加熱焊件將烙鐵接觸焊接點，注意首先要保持烙鐵加熱焊件各局部，例如印制板上引線和焊盤都使之受熱，其次要注意讓烙鐵頭的扁平局部〔較大局部〕接觸熱容量較大的焊件，烙鐵頭的側面或邊緣局部接觸熱容量較小的焊件，以保持焊件均勻受熱。3．熔化焊料當焊件加熱到能熔化焊料的溫度后將焊絲置于焊點，焊料開始熔化并潤濕焊點。4．移開焊錫當熔化一定量的焊錫后將焊錫絲移開。5．移開烙鐵當焊錫完全潤濕焊點后移開烙鐵，注意移開烙鐵的方向應該是大致45的方向。焊接過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法1．焊盤因為過熱而脫落解決方法：電烙鐵與焊盤接觸時間不宜過長。解決方法：焊接時應該注意看元件的正負極。調試步驟1．檢查電路任何組裝好的電子電路，在通電調試之前，必須認真檢查電路連線是否有錯誤。對照電路圖，按一定的順序逐級對應檢查。特別要注意檢查電源是否接錯，電源與地是否有短路，二極管方向和電解電容的極性是否接反，集成電路和晶體管的引腳是否接錯，輕輕拔一拔元器件，觀察焊點是否牢固，等等。2．通電觀察一定要調試好所需要的電源電壓數(shù)值，并確定電路板電源端無短路現(xiàn)象后，才能給電路接通電源。電源一經(jīng)接通，不要急于用儀器觀測波形和數(shù)據(jù)，而是要觀察是否有異?，F(xiàn)象，如冒煙、異常氣味、放電的聲光、元器件發(fā)燙等。如果有，不要驚慌失措，而應立即關斷電源，待排除故障前方可重新接通電源。然后，再測量每個集成塊的電源引腳電壓是否正常，以確信集成電路是否已通電工作。3．靜態(tài)調試先不加輸入信號，測量各級直流工作電壓和電流是否正常。直流電壓的測試非常方便，可直接測量。而電流的測量就不太方便，通常采用兩種方法來測量。假設電路在印制電路板上留有測試用的中斷點，可串連入電流表直接測量出電流的數(shù)值，然后再用焊錫連接好。假設沒有測試孔，那么可測量直流電壓，再根據(jù)電阻值大小計算出直流電流。一般對晶體管和集成電路進行靜態(tài)工作點調試。4．動態(tài)調試加上輸入信號，觀測電路輸出信號是否符合要求。也就是調整電路的交流通路元件，如電容、電感等，使電路相關點的交流信號的波形、幅度、頻率等參數(shù)到達設計要求。假設輸入信號為周期性的變化信號，可用示波器觀測輸出信號。當采用分塊調試時，除輸入級采用外加輸入信號外，其他各級的輸入信號應采用前輸出信號。對于模擬電路，觀測輸出波形是否符合要求。對于數(shù)字電路，觀測輸出信號波形、幅值、脈沖寬度、相位及動態(tài)邏輯關系是否符合要求。在數(shù)字電路調試中，常常希望讓電路狀態(tài)發(fā)生一次性變化，而不是周期性的變化。因此，輸入信號應為開關信號，用以觀察電路狀態(tài)變化的邏輯關系。5．指標測試電子電路經(jīng)靜態(tài)和動態(tài)調試正常之后，便可對課題要求的技術指標進行測量。測試并記錄測試數(shù)據(jù)，對測試數(shù)據(jù)進行分析，最后做出測試結論，以確定電路的技術指標是否符合設計要求。如有不符，那么應仔細檢查問題所在，一般是對某些元件參數(shù)加以調整和改變。假設仍達不到要求，那么應對某局部電路進行修改，甚至要對整個電路重新加以修改。因此，要求在設計的全過程中，要認真、細致，考慮問題要更周全。盡管如此，出現(xiàn)局部返工也是難免的。調試過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法有時候采樣燈常亮或者不亮解決方法：調節(jié)控制光電管的探測距離。連接步驟先連接主控板〔核心板〕，再一次連接外設，驅動，電源等模塊。注意不能把GND和VCC接反解決方法：把GND和VCC看好接口再接代碼編寫步驟首先是對智能小車的采樣模塊進行代碼編寫，然后是驅動模塊進行代碼編寫，對小車控速，再對智能小車的避障模塊進行代碼編寫，最后編寫遙控局部的代碼。確定主要功能然后畫功能的流程圖，利用功能的流程圖來編程程序，利用stm32的庫函數(shù)的簡單行來進行編寫，插入自己想要的功能的先關文件，在main.c文件中，對每個驅動程序進行初始化，在主函數(shù)中進行編寫相關功能程序。代碼編寫過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法顯示或者無法調用相關功能函數(shù)文件解決方法：不要忘記設置相關文件的路徑否者會無法顯示或者無法調用相關功能函數(shù)文件燒寫步驟在kile中進行程序的編譯檢查程序是否有錯誤，沒有的話開始生成HEX文件，翻開下載軟件，找到已生成的HEX文件，下載到核心板中。燒寫過程中出現(xiàn)的問題及解決的方法程序編譯不正確解決方法：從新檢查錯誤調試編譯，找到正確的he