智能循跡小車報(bào)告

1、西京學(xué)院自動(dòng)化1002班概要本尋跡小車是以萬能板為車架，STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，將各傳感器的信號(hào)傳至單片機(jī)分析處理，從而控制L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制小車，速度由單片機(jī)提供的PWM波控制。利用紅外傳感器檢測(cè)黑線，紅外對(duì)管來實(shí)現(xiàn)循跡功能，利用超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)避障。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。根據(jù)小車各部分功能，模塊化硬件電路，并調(diào)試電路。將調(diào)試成功的各個(gè)模塊逐個(gè)地“融合”成整體，再進(jìn)行軟件編程調(diào)試，直到完成。關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2直流電機(jī)紅外對(duì)管傳感器尋跡小車L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)1、循跡小車的系統(tǒng)的要求和總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求1.1.1 基本要求利用單片

2、機(jī)實(shí)驗(yàn)板，并制作一定的外圍電路，編寫程序設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能循跡壁障的小車，具體要求如下：(1)具有啟動(dòng)、停止功能；(2)能夠完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)單獨(dú)動(dòng)作和復(fù)合動(dòng)作；(3)能按照規(guī)定路線循跡行駛；1.1.2 發(fā)揮要求利用超聲波或紅外等方式實(shí)現(xiàn)避障功能1.2 智能循跡小車的工作原理我們知道小車的循跡原理是根據(jù)實(shí)現(xiàn)電位的高低來實(shí)現(xiàn)對(duì)前進(jìn)方向的控制的。在這里我們?cè)O(shè)定了白色和黑色的通道界面來行駛，而根據(jù)我們所學(xué)的知識(shí)通常采取的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面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

3、在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，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。通過查資料我們知道紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。1.2.1 恒壓恒流橋式驅(qū)動(dòng)芯片L293D驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理本L293D驅(qū)動(dòng)模塊，采用ST公司原裝全新的L293D芯片,采用SMT工藝穩(wěn)定性高，采用高質(zhì)量鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作?？梢灾苯域?qū)動(dòng)4路3-16V直流電機(jī)，并提供了5V輸出接口（輸入最低只要6V）,可以給5V單片機(jī)電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)），支持3.3VMCUARM控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制2相步進(jìn)電

4、機(jī)，5線4相步進(jìn)電機(jī)，是智能小車必備利器。本模塊可以51,AVR,PIC,ARM等控制器連接，下圖MCU_GNDMCU_+5V是指可以用驅(qū)動(dòng)輸出+5V的電源給控制系統(tǒng)供電。當(dāng)然，也可以不用，當(dāng)不用的時(shí)候懸空。但它們一定要共地。即MCU_GND要與驅(qū)動(dòng)模塊GND相連（這點(diǎn)至關(guān)重要）。IO是指MCU的普通的輸入輸出接口。這里特別指出的是EN1EN2這里我們已經(jīng)用跳線帽直接插到5V了，直接使能，如果有PWM調(diào)速可以去掉跳線帽直接從這里輸入PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)速度。從左至右接口定義為：+5GNDIN1IN2IN3IN4EN1EN2EN1EN2為電機(jī)1電機(jī)2使能端+5GNDIN5IN6IN7IN8EN1

5、EN2EN1EN2為電機(jī)3電機(jī)4使能端如下圖1、圖2所示：圖1L293D驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖以下舉例：控制緊邏輯。這里一路其它的，其它三路類推INiIN2EN1電機(jī)000不轉(zhuǎn)010不轉(zhuǎn)100不轉(zhuǎn)110不轉(zhuǎn)001不轉(zhuǎn)011正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111不輕圖2電機(jī)驅(qū)動(dòng)使能端子1. 3模塊方案比較與論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由主控模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、電壓比較模塊等模塊構(gòu)成。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。1.1.1 主控制器模塊萬案一：采用凌陽(yáng)公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)

6、簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片機(jī)應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。本系統(tǒng)主要是進(jìn)行尋跡運(yùn)行的檢測(cè)以及電機(jī)的控制。如果單純的使用凌陽(yáng)單片機(jī)，在語(yǔ)音播報(bào)的同時(shí)小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡(jiǎn)潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽(yáng)單片機(jī)而考慮其它的方案。萬案一：采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器。STC12C5A60S2是單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速

7、度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。由于STC12C5A60S2單片機(jī)的資源已經(jīng)可以滿足設(shè)計(jì)需要，且此單片機(jī)價(jià)格上有優(yōu)勢(shì)。從方便實(shí)用不浪費(fèi)資源的角度考慮，我們選擇了方案二。1.1.2 尋跡傳感器模塊萬案一：采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)幾率較大，易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因?yàn)樵摬考斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。萬案一：采用兩只st188紅外對(duì)管，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受

8、到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測(cè)試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。方案二:采用五只st188紅外對(duì)管，一只置于軌道中間，其他四只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)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(cè)到黑線(即回到軌道)再恢復(fù)正向行駛。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，但是不影響小車的整體行駛效果。通過比較，我們選取第三種方案來實(shí)現(xiàn)循跡。1.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊萬案一：采用專用芯片L293D作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L293D是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它

9、相應(yīng)頻率高，一片L293D可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。萬案一：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。因此，我們選用了方案一。1.4小車總體設(shè)計(jì)的最終方案經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：(1)車體用原有的小車(2)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器。(3)采用12V直流電池為直流電機(jī)供電。(4)用st188型光電對(duì)管進(jìn)行尋跡。(5)L293D作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：電壓比較器直流電機(jī)光

10、電對(duì)管組循跡或避障圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框二、小車硬件實(shí)現(xiàn)及模塊電路的設(shè)計(jì)2.1、 主控制器模塊的設(shè)計(jì)采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，不用燒寫器而只用USB串口下載線就可以往單片機(jī)中下載程序。我們?cè)陂_發(fā)過程中使用開發(fā)版，方便程序的調(diào)試和整機(jī)的測(cè)試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機(jī)從開發(fā)板安裝在小車底座板上方便及時(shí)調(diào)試。匚 G J 二 3 456 /丁 d3.43,*1 J 辦 rinhm 制 gfvcAtfSG_lDl£ _IE*單片機(jī)最小系統(tǒng)的應(yīng)用(1)時(shí)鐘電路系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益

11、反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz,電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為22M更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。(2)復(fù)位電路復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST!過一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器

12、周期的S5Pz由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路，如圖所示。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用6MHz寸，C取22pF,Rs約為200Q,Rk約為1K2.2、 跡傳感器模塊傳感用st188型光電對(duì)管，st188是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)神化錢紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管當(dāng)發(fā)光圖5光電對(duì)管檢測(cè)電路1vcc圖5光電對(duì)管檢測(cè)電路2而且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測(cè)與調(diào)節(jié)電路。2.3、 尋光模塊采用光敏二極管作為光源探測(cè)模塊的傳感器，由于光敏二極管感光后，內(nèi)阻

13、有較大的變化，通過一定的電路轉(zhuǎn)化為電壓的變化。采用LM358比較器對(duì)5個(gè)二極管的輸出電壓進(jìn)行比較，光敏二極管引起的電壓變化送到比較器的反相端與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，將結(jié)果輸入到單片機(jī)執(zhí)行判斷。基于LM358的尋光電壓比較電路：LM358的二號(hào)管腳為基準(zhǔn)電壓輸入端，將需要進(jìn)行比較的電壓輸入到三號(hào)管腳，如果比基電壓的值大，則一號(hào)管腳輸出為高電平，反之為低電平。2.4、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2.4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L293D作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L293D是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，具響應(yīng)頻率高，一片L293D可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖L293D的571012四

14、個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過對(duì)單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)控制。業(yè)Hhiznpi廣取r*1cum.1:<Itt2CTO1ST"DIFT"xs"Qf££lHEWHKJT+IJUIHJILULIJFUT+faOTffiJEUUWUDHFOQihubVWi&FTP?n。kHlK)JO/KJ)理aR3前金收H.f儂相ZDOElJH.4XH3MPDHSa；HF4.7UIEJOE。我2IZHDEJ./OH：BWiJBJEBIM1J03H5A1JTa®43.£>14IKB.J3JjfJ3WB.i且

15、SQMLDF5733#J1)£UI23OWL1口1的國(guó)口RD腕33三"r-35"mot>nnLULH.HLULH-in-眄ukd301aBCOTHJEUJLHJUMRJT2HTOTUEt%HXU工曲E】乙武14CCT-2CiULli：1J1Q-L_BKHUWMWMWujiMjii(Li.nH.rn加加加曲_曲CCHCT2UJIWUnjhnffuisVEHFS£1<W13IEinnooUEii13CUDoo11曲amd11OOTM切7一§加一圖6L298驅(qū)動(dòng)原理圖三、小車軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1主程序流程圖小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不停地

16、掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，且檢測(cè)到某個(gè)I/O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)。四、小車系統(tǒng)功能測(cè)試和調(diào)試見實(shí)物五、結(jié)束語(yǔ)基于STC型單片機(jī)的自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，抗干擾能力強(qiáng)，我們的尋跡小車在完成設(shè)計(jì)要求的前提下，充分考慮到了外觀、成本等問題，在性能和價(jià)格之間作了比較好的平衡。由于設(shè)計(jì)要求并不復(fù)雜，我們沒有在電路中增加冗余的功能，但是我們保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴(kuò)展和進(jìn)一步的開發(fā)。六、設(shè)計(jì)心得通過這幾天的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，我們對(duì)一些專業(yè)知識(shí)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更深的了解，同時(shí)也嘗試著去應(yīng)用自己的所掌握的知識(shí)。本次

17、電子大賽主要是對(duì)已學(xué)習(xí)的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，單片機(jī)程序流程圖的綜合應(yīng)用，同時(shí)加上電路等知識(shí)，設(shè)計(jì)完成了利用軟件的檢測(cè)程序運(yùn)行調(diào)試。經(jīng)過幾天的奮戰(zhàn)，我們感受很深.我們?nèi)齻€(gè)人分工合作，設(shè)計(jì)過程中深感自己在培養(yǎng)動(dòng)手能力這方面欠缺很大。同時(shí)，這次我們積極的通過上網(wǎng)查資料，查閱單片機(jī)方面書籍等資源。在我們共同努力下，我們圓滿完成了從項(xiàng)目設(shè)計(jì)，電路焊接，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)作為一次鍛煉，培養(yǎng)了我們或多或少善于動(dòng)手，樂于動(dòng)手的習(xí)慣。單片機(jī)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)不僅給我們提供了一個(gè)很好的展現(xiàn)自己所學(xué)知識(shí)的平臺(tái)，又是對(duì)自己所學(xué)知識(shí)的一次考核、檢驗(yàn)。我們運(yùn)用各自在各方面的優(yōu)勢(shì)，化腐朽為神奇，形成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)。通過團(tuán)隊(duì)合作的力量，使設(shè)計(jì)得以順利完成?？梢哉f，我們?nèi)齻€(gè)人是一個(gè)不可或缺的整體，少了任何一個(gè)人都是無法把任