基于AT89S52單片機(jī)的設(shè)計畢業(yè)論文

1、 . . . 1 / 39 本科畢業(yè)論文本科畢業(yè)論文( (設(shè)計設(shè)計) )論文題目論文題目 基于基于 AT89S52AT89S52 單片機(jī)的多功能智能小車設(shè)計單片機(jī)的多功能智能小車設(shè)計論文論文20122012 年年 4 4 年年 2828 月月 . . . 1 / 39。學(xué)位論文作者簽名：日 期： . . . 1 / 39） . . . I / 39摘 要本文介紹了一種利用 AT89S52 單片機(jī)為控制核心，結(jié)合多種傳感器以與 PID 算法實(shí)現(xiàn)循跡避障功能的智能小車。利用反射式光電傳感器檢測黑線實(shí)現(xiàn)小車循跡，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，整個系統(tǒng)具有自動尋跡、尋光和

2、速度測試功能。其中，控制部分采用 AT89S52，AT89S52 是一款 8 位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。電機(jī)驅(qū)動采用常用的 PWM 方式進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速控制，小車的速度通過液晶屏來顯示。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性能高，能滿足各種設(shè)計的要求。隨著我國高科技水平的不斷提高和工業(yè)自動化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，智能小車被廣泛應(yīng)用于各種玩具和其他產(chǎn)品的設(shè)計中，極豐富了人們的生活。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: :單片機(jī)；傳感器；PWM 調(diào)速；循跡避障；pid 控制算法 . . . AbstractThis paper introduced an kind of intelligent car t

3、hat use AT89S52 SCM as control core , combine with multiple sensors and PID controlalgorithm to achieve the function that find track and avoid obstacles. the electrical car uses reflective photoelectric sensor to detect black line to achieve track-finding, uses ultrasonic sensors to detect obstacles

4、 on the road to avoid obstacles automatically.The entire system has the function that trace route automatically,find light and test speed .Among them, AT89S52 which has 8-bit single-chip is used as the control part.Because of useing easily and having multi-function ,it suffers large users. The motor

5、 driver uses the common way-PWM for the motor controlling speed. the speed of car is displayed by the LCD screen .The circuit structure of the whole system is relatively simple, high reliability, and it can meet the requirements of the various design.With the continuous improvement of high technolog

6、y and the stead process in industrial automation in our country,the Intelligence-car which gradually access to peoples attention has been widely applied to design a variety of toys and other products,which greatly enriched peoples lives.KEYWORDS:KEYWORDS: SCM;Sensor; PWM speed adjusting;Track findin

7、g and obstacle avoidance; PID controlalgorithm . . . III / 39目 錄1 緒論 11.1 研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀 11.2 研究目的和意義 11.3 研究容 12 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 32.1 總體方案設(shè)計 32.2 方案選擇論證 32.2.1 循跡檢測系統(tǒng) 42.2.2 障礙物檢測系統(tǒng) 42.2.3 光源檢測系統(tǒng) 52.2.4 速度檢測系統(tǒng) 52.3 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 52.4 單片機(jī)控制電路系統(tǒng) 62.5 顯示模塊 63 硬件設(shè)計 73.1 總體設(shè)計方案 73.2 單片機(jī)控制電路 83.3 電機(jī)驅(qū)動電路 103.3.1 驅(qū)動電路 103

8、.3.2 PWM 調(diào)速原理 113.4 循跡檢測電路 123.5 障礙物檢測電路 133.6 光源檢測電路 143.7 速度檢測電路 153.8 液晶顯示電路 164 軟件設(shè)計 184.1 系統(tǒng)控制流程 184.2 算法設(shè)計 184.2.1 循跡算法設(shè)計 18 . . . 4.2.2 避障算法設(shè)計 194.4.2 測速算法設(shè)計 194.3.3 PID 控制算法 205 調(diào)試 215.1 調(diào)試方法 215.2 測試結(jié)果與分析 216 結(jié)論與展望 23致 24參考文獻(xiàn) 25附錄 26 . . . 1 / 391 緒 論1.1 研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品

9、的智能化和小型化越來越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。各種智能小車在智能化玩具中占了很大的比例。近年來，傳統(tǒng)玩具的市場逐步縮水，高科技智能化的電子類玩具則逐步成為市場的主流。因此，可遙控的智能化小車的研究是非常有意義的，具有很大潛在市場價值的。智能小車，也被稱之為輪式機(jī)器人。我們知道，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。機(jī)器人由于具有高度的靈活性、可以幫助人們提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動條件等優(yōu)點(diǎn)，在世界各地的生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用5。智能小車正是模仿機(jī)器人的一種嘗試。它是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制，模式識別，電子、電氣、單片機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)新性設(shè)

10、計，一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制以與車速控制等模塊組成。這種智能小車能夠自動搜尋前進(jìn)路線，還能爬坡；感知前方的障礙物，并自動尋找前進(jìn)方向，避開障礙物；加入相關(guān)聲光訊號后，更能體現(xiàn)出智能化和人性化的一面。1.2 研究目的和意義隨著人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，智能化的電子玩具深受人們的喜愛，尤其是各種智能小車，由于這類玩具具有較好的交互性，可控性，能夠給人們帶來很好的娛樂以與參與其中的體驗(yàn)，高科技智能化的電子類玩具逐漸成為市場的主流。與此同時，智能小車可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面，尤其在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。因此，智能化小車的研究不僅具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，

11、還具有極為廣闊的應(yīng)用前景和市場價值。1.3 研究容本設(shè)計的智能電動小車具有自動尋跡、尋光、避障、速度檢測功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車。整體設(shè)計可以分為如下幾個模塊，控制核心采用 MCS-51 系列中的 AT89S52 單片機(jī)，循跡避障是通過傳感器實(shí)現(xiàn)的，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制小車 . . . 的自動避障，從而發(fā)出避障信號。整個系統(tǒng)具有自動尋跡、尋光和速度測試功能。電機(jī)驅(qū)動采用常用的 PWM 方式進(jìn)行電機(jī)的降壓調(diào)速控制，小車的速度通過液晶屏來顯示。軟件中主要用到工業(yè)中常用的 PID 控制算法。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性能高。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足要求。 . . . 3 /

12、392 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證2.1 總體方案設(shè)計根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝反射式紅外光電傳感器、超聲波傳感器、速度檢測傳感器以與光敏二極管陣列，實(shí)現(xiàn)對電動車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動車的智能控制。本方案能實(shí)現(xiàn)對電動車的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。系統(tǒng)整體方框圖如圖 2-1 所示。圖 2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖2.2 方案選擇論證檢測系統(tǒng)主要運(yùn)用傳感器作為外部敏感元件，進(jìn)行外部信號的檢測。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將

13、檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存 . . . 儲、顯示、記錄和控制等要求7。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。選擇合適的傳感器可以使設(shè)計簡便，還可以簡化硬件電路。2.2.1 循跡檢測系統(tǒng)循跡檢測常用到傳感器。根據(jù)小車功能的要求有兩種方案，一種是使用紅外光電傳感器，另一種是使用 CCD 傳感器。這兩種方案都可以達(dá)到小車循跡要求，目前使用最為普遍的循跡檢測方法是紅外探測法。兩種方案的主要區(qū)別是使用的傳感器不同。具體區(qū)別見表 2-1。表 2-1 循跡檢測方案對比紅外光電傳感器CCD 傳感器受外界干擾程度小較小實(shí)時性好差對主控芯片要求較

14、低較高成本較低高從上表中可以很明顯的看出，紅外傳感器相對于 DDC 傳感器來說，在實(shí)時性和對主控芯片的要求方面都比 CCD 傳感器要好。基于這些優(yōu)勢以與處于成本的考慮，本設(shè)計采用小車底部，距地面高度合適，可以達(dá)到很好的檢測效果。2.2.2 障礙物檢測系統(tǒng)根據(jù)題目功能的要求，小車在循跡行駛過程中要能準(zhǔn)確的避開途中遇到的障礙物，因此對檢測距離有一定要求。又考慮到在測障過程中小車車速與避障反應(yīng)堆小車速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物 10CM 的圍做出反應(yīng)，這樣才能在順利繞過障礙物的同時還為下一步駛?cè)胲噹鞂ふ业阶罴训奈恢煤头较?。否則，如果圍太大，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；圍過小又很容易造成車身撞上障礙物

15、或雖繞過障礙物卻無法實(shí)現(xiàn)理想定向方案。 障礙物檢測可以有多種方法：紅外光檢測、超聲波檢測、甚至機(jī)械接觸。這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。常用的有紅外檢測和超聲波檢測，兩種方案的區(qū)別見表2-2。表 2-2 障礙檢測系統(tǒng)方案對比紅外檢測超聲波檢測檢測距離410cm0.104.00m精確度1cm1cm受外界環(huán)境干擾程度易受外界環(huán)境干擾不易受外界環(huán)境干擾硬件電路所需元器件少，尺寸小，安裝簡便稍復(fù)雜，安裝簡便成本8 元左右6 元左右從上表可以看出，相對紅外檢測，超聲波檢測距離遠(yuǎn)，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車需要在行駛過程中檢測障礙物，顛簸，光照方面可能會對檢測產(chǎn)生影響。所以 . . . 5 / 39需要選擇穩(wěn)

16、定性較好的，故本設(shè)計選擇超聲波檢測。2.2.3 光源檢測系統(tǒng)光源檢測使用常見的光敏器件，光敏二極管。光敏電阻器（photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化） 。這里我們就可以利用光敏二極管對光源變換的敏感反映，檢測外部光源。當(dāng)有光照射時，光敏二極管呈強(qiáng)電阻，經(jīng)比較器輸出一個高電平，反之則輸出低電平。我們可以再外接一個 LED 作為檢測指示燈，則可以明顯觀察到這個變化。即有光照時 LED 亮，無時則滅。2.2.4 速度

17、檢測系統(tǒng)在電機(jī)測速中，考慮了兩種方案：一種是使用光電碼盤，即透射式光電傳感器（凹槽型，類似老式鼠標(biāo)） ，另一種是霍爾傳感器（適合較高速度） 。兩種方案的主要區(qū)別如表 2-3。表 2-3 速度檢測系統(tǒng)方案對比霍爾傳感器關(guān)電碼盤抗干擾性較強(qiáng)強(qiáng)實(shí)時性較好好易用性需和磁鋼配對使用，較麻煩較簡單由上表可以看出光電碼盤在各方面都具有一定的優(yōu)勢，因此本設(shè)計采用關(guān)電碼盤測速。2.3 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以用于小車驅(qū)動。故有兩種方案。方案一：使用直流電機(jī)，加上適當(dāng)減速比的減速器。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡單。直流電機(jī)只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機(jī)

18、的速度。直流電機(jī)的驅(qū)動電路實(shí)際上就是一個功率放大器。常用的驅(qū)動方式是 PWM 方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。此方法性能較好，電路和控制都比較簡單。方案二：使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制性能。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)輸入一個電脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸就轉(zhuǎn)動一個角度，因此可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機(jī)不同，要使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動，需要連續(xù)不斷的輸入點(diǎn)脈沖信號，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定。去而且其轉(zhuǎn)動不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不 . . . 受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)8。但步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動相對較復(fù)雜，要由控制器和功率放大器組成。具體差別見下表 2-4。表 2-4 電機(jī)控制方

19、式對比直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速性能較好較差位置控制精度較差好驅(qū)動簡單復(fù)雜穩(wěn)定性較好好，僅與控制脈沖有關(guān)由上表可以看出步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行精確的位置控制，但驅(qū)動電路麻煩，鑒于本設(shè)計中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機(jī)即可滿足小車要求的精度。且直流電機(jī)易于控制，驅(qū)動電路十分簡單。2.4 單片機(jī)控制電路系統(tǒng)此部分是整個小車運(yùn)行的核心部分，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用?？刂频姆椒ㄓ泻芏?，大部分都采用單片機(jī)控制。單片機(jī)要完成電機(jī)控制、循線控制、避障控制金屬檢測控制和光源檢測控制等工作。本設(shè)計中小車的主控采用我們最為熟悉的AT89S52 單片機(jī)。雖然這款單片機(jī)本身沒有 PWM

20、 模塊，但若采用本身有 PWM 模塊的單片機(jī)就會產(chǎn)生資源浪費(fèi)。我們可以通過軟件編程產(chǎn)生 PWM，既能充分利用可用資源，又不浪費(fèi)。且能很好的滿足題目要求。2.5 顯示模塊由于小車要顯示速度和行駛距離，容較多。數(shù)碼管使用簡單，價格低廉，但一個數(shù)碼管只能顯示一個數(shù)字，要顯示多位數(shù)據(jù)時要使用多個數(shù)碼管，這就增加了硬件電路的復(fù)雜度和額外功耗。故不予考慮。液晶顯示電路簡單，使用方便，一個液晶顯示器就可以同時滿足此處同時顯示速度和距離的要求，且更加直觀明了。 . . . 7 / 393 硬件設(shè)計3.1 總體設(shè)計方案智能小車采用后輪驅(qū)動，后輪左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，調(diào)制兩個后面兩個輪子的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向

21、的目的，前輪是萬象輪，起支撐的作用。將四個紅外線光電傳感器裝在車體的底盤前端，小車根據(jù)傳感器檢測到的情況執(zhí)行。 避障的原理和循跡一樣，在車頭裝了一個傳感器，傳感器檢測到障礙物時，小車減速，車體做出相應(yīng)的反應(yīng)。小車速度的檢測也是靠的紅外線，只不過是器件的型號不同，速度檢測的傳感器用的是對射式，避障用的是直射式。把碼盤裝在電機(jī)的軸上，碼盤隨電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，這里使用的是改進(jìn)過的的碼盤，把圓形硬紙片切制成直徑為 25mm 的圓，再把圓周用鋸條均勻切 12 條縫，縫的寬度約為 1mm。可以很好的滿足小車所需的精度?？紤]到電機(jī)控制要使用 PWM 波形，而 AT89S52 單片機(jī)本身不能產(chǎn)生 PWM，需要外加

22、電路或使用軟件的方式實(shí)現(xiàn)，為減少硬件電路，這里選用軟件產(chǎn)生 PWM 方式。整體原理電路圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 整體原理電路圖 . . . 3.2 單片機(jī)控制電路單片機(jī)是控制單元的核心。起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。單片機(jī)控制模塊使用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52，使用該芯片很容易實(shí)現(xiàn)對其他模塊的控制。通過對單片機(jī) AT89S52 寫入程序，可以方便的用軟件來控制整個過程.控制部分如圖 3-2 所示。 圖 3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括了一路復(fù)位開關(guān)，用于小車復(fù)位。P1.0 輸出 PWM 信號，P1.1P1.5 分別控制電機(jī)驅(qū)動。其他 P 口用

23、外接控制小車的各種控制開關(guān)，P0 口外接 10K 的上拉電阻，可用于外接 LCD1602。AT89S52 單片機(jī)介紹：AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié)Flash，256 字節(jié)

24、 RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片晶振與時鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程16。其引腳排列如圖 3-3 所示。 . . . 9 / 39圖 3-3 AT89S52 引腳排列圖1.主要性能 與 MCS-51 單片機(jī)

25、產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； 1000 次擦寫周期；全靜態(tài)操作：0Hz33Hz；三級加密程序存儲器； 32 個可編程 I/O 口線；三個 16 位定時器/計數(shù)器；八個中斷源；全雙工 UART 串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；看門狗定時器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標(biāo)識符。4 個 P 口在一般情況下都是是一個 8 位雙向 I/O 口。不過 P0 口是漏極開路的 8 位雙向 I/O 口，而其他 P 口都是具有部上拉電阻的 8 作為輸出口要外部上拉電阻。且 P1口部分引腳和 P3 口具有第二功能。具體見表 3-1 和表 3-2。 . . . 表 3-1 P1 口引

26、腳第二功能引腳號第二功能P1.0 T2定時器/計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入，時鐘輸出P1.1 T2EX定時器/計數(shù)器 T2 的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制P1.5 MOSI在系統(tǒng)編程用P1.6 MISO在系統(tǒng)編程用P1.7 SCK在系統(tǒng)編程用表 3-2 P3 口引腳第二功能引腳號第二功能P3.0 RXD串行輸入P3.1 TXD串行輸出P3.2INT0(外部中斷 0)P3.3INT0(外部中斷 0)P3.4T0（定時器 0 外部輸入）P3.5T1（定時器 1 外部輸入）P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)另外還有第九引腳 RST 為復(fù)位引腳。地十八引腳和第十九

27、引腳分別為振蕩器反相放大器的輸入端和輸出端。3.3 電機(jī)驅(qū)動電路3.3.1 驅(qū)動電路小車使用的是直流電機(jī)。從單片機(jī)輸出的信號功率很弱，即使在沒有其它外在負(fù)載時也無法帶動電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們加入了電機(jī)驅(qū)動芯片提高輸入電機(jī)信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。直流電機(jī)常用的 PWM，與脈寬調(diào)制方式驅(qū)動。本設(shè)計中電機(jī)驅(qū)動采用 L298 集成 H 橋芯片。L298 中有兩套 H 橋電路，剛好可以控制兩個電機(jī)。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極滿足各種復(fù)雜電路需要。另外，L298 的驅(qū)動功率較大，在 646V 的電壓下，可以提供 2A 的額定電流，并且具有過熱自動關(guān)斷

28、和電流反饋檢測功能，安全可靠；為了保證 L298 正常工作，我們另外安裝了續(xù)流二極管。電路如圖 3-4 所示。能根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負(fù)載能力不夠這個問題。利用單片機(jī)調(diào)整出 PWM 脈沖和高低電平對直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動和控制。 . . . 11 / 39圖 3-4 電機(jī)驅(qū)動電路L298 集成 H 橋芯片。其外形、管腳分布如圖 3-5 所示。圖 3-5 L298 管腳分布圖3.3.2 PWM 調(diào)速原理脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation） ，簡稱 PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。PWM 的理論基礎(chǔ)是：沖量相

29、等而形狀不同的的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本一樣。采用 PWM 進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速控制，實(shí)際是保持加在電機(jī)電機(jī)電樞上的脈沖電壓頻率不變，調(diào)節(jié)其脈沖寬度。電機(jī)是一個慣性環(huán)節(jié)，它的電樞電流餓轉(zhuǎn)速均不能突變，很高的頻率的 PWM 加在電機(jī)上，效果相當(dāng)于施加一個恒定電壓的直流電。如圖 3-6 所示。這個電壓可以由脈沖的寬度調(diào)節(jié)。 . . . 圖 3-6 PWM 等效圖示意圖使用 PWM 方式可以很容易的實(shí)現(xiàn)調(diào)速。PWM 信號由單片機(jī)軟件產(chǎn)生，使用非常方便。由于電路總體上并不復(fù)雜，驅(qū)動電路的控制輸入端也可以不用經(jīng)光耦合隔離，直接與單片機(jī)引腳相連。前進(jìn)時，驅(qū)動兩個直流電機(jī)都正轉(zhuǎn),后退時，則兩電機(jī)都反

30、轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)時前進(jìn)時，左電機(jī)不轉(zhuǎn)而右電機(jī)正轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)前進(jìn)時，則右電機(jī)不轉(zhuǎn)而左電機(jī)正轉(zhuǎn)。進(jìn)入減速區(qū)時,由單片機(jī)控制進(jìn)行 PWM 變頻調(diào)速,通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。所有這些都是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)控制。3.4 循跡檢測電路該智能小車在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色。由于黑紙和白色路面對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收的反射光的強(qiáng)弱來判斷道路黑紙軌跡。本設(shè)計采用簡單易用，應(yīng)用也較為普遍的紅外探測法。紅外探測法，即用紅外線在不同顏色的物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)紅外線遇到白色地面時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如

31、果遇到黑紙則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到信號。市面上用于紅外探測法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡單、工作性能可靠的集成式紅外探測頭。ST 系列集成紅外探測頭價格便宜。體積小。簡便易用，性能可靠。所以本設(shè)計選擇了 ST178 反射式紅外線光電傳感器作為紅外光的發(fā)射和接受器件，其部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡單.本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器 ST178 進(jìn)行軌跡檢測（約 3cm 寬的黑線） ，反射式紅外光電傳感器 ST178 由一個高發(fā)射功率紅外發(fā)光管和一個高度靈敏光晶體管封裝在一個塑料外殼里組成，一般檢測距離可達(dá) 410cm,鑒于小車底部聚地面的距離

32、不超過五厘米，故用紅外光電傳感器足以滿足地面黑線的檢測。且安裝電路簡單。檢測電路如圖 3-7 所示。 . . . 13 / 39圖 3-7 ST168 檢測電路正確選擇檢測方法和傳感器是決定循跡效果的重要因素，而正確的器件安裝方法也是影響循跡電路好壞的一個重要因素。從簡單。方便?？煽康冉嵌瘸霭l(fā)，設(shè)計裝設(shè)四個紅外傳感器，與采用四套上面的電路。具體位置分布如圖 3-8 所示。此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經(jīng)過黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送 8

33、0C51 單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。圖 3-8 循線傳感器布局3.5 障礙物檢測電路本設(shè)計中小車采用超聲波檢測障礙物。超聲波檢測的原理是：超聲波發(fā)生器 T 發(fā)出超聲波信號，當(dāng)這個信號遇到障礙物時反射回來，被接收器 R 收到。為使小車能準(zhǔn)確避障，設(shè)計在小車的車體前端左右兩側(cè)分別各裝一個超聲波傳感器。小車則可以根據(jù)接收到的信號做出相應(yīng)的避障反應(yīng)。超聲波發(fā)射和檢測接收電路如圖 3-9，3-10 所示。 . . . 圖 3-9 超聲波發(fā)射電路 圖 3-10 超聲波接收電路設(shè)計中還加了一個聲光報警功能，當(dāng)小車檢測到障礙物時，小車的報警系統(tǒng)中的蜂鳴器鳴叫，同時指示 L

34、ED 發(fā)光。直到小車避開障礙物，警報排除。超聲波傳感器簡介：超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）與縱向振蕩（縱波） 。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體與固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低， ，一般為幾十 KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體與固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器與裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）與鎳

35、鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為 23-25KHZ 與 40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有 T/R-40-60，T/R-40-12 等（其中 T 表示發(fā)送，R 表示接收，40 表示頻率為40KHZ，16 與 12 表示其外徑尺寸，以毫米計） 。另有一種密封式超聲波

36、傳感器（MA40EI 型） 。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中） ，可以作料位與接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等15。這里我們只需要利用超聲波檢測到前方障礙物，返回信號即可。3.6 光源檢測電路光敏電路如圖 3-11 所示。通過調(diào)節(jié) RP2 可以改變電路檢測的靈敏度。這里采用 . . . 15 / 39多個光敏陣列管。本設(shè)計使用六套下面的電路。按照一定的方式排列。為了達(dá)到較好的檢測，這里選擇將光敏陣列排成一個放射狀。本設(shè)計采用六個光敏管組成，為了使得一個光敏管

37、只對一個小的角度的強(qiáng)光遠(yuǎn)敏感，考慮在光敏感外面加一個遮光罩。實(shí)物陣列排列方式如圖 3-12?？紤]到提高小車的光源搜索效率，將光敏陣列安裝在小車的頂部，靠車頭的位置。圖3-11 光源檢測電路 圖3-12 光敏管陣列3.7 速度檢測電路本設(shè)計使用光電碼盤作為測量元件。光電碼盤是一種光電器件。分為絕對式和增量式兩種。這里采用增量式。他在現(xiàn)轉(zhuǎn)過程中可以輸出 A、B 兩相脈沖，每旋轉(zhuǎn)一周輸出一脈沖，通過對 A、B 兩相脈沖計數(shù)就可以確定光電碼盤旋轉(zhuǎn)的角度。其計數(shù)原理如圖 3-13 所示。.圖3-13 碼盤計數(shù)原理 . . . 從上圖可以看出，在光電碼盤器輸出脈沖的一個周期最多可記四次數(shù)。而我們使用的是經(jīng)

38、改進(jìn)的光電碼盤，如圖3-14碼盤中的透射式光電開關(guān)的發(fā)射管和接收管經(jīng)過了對準(zhǔn)，當(dāng)光槽中無障礙時光路是通的，當(dāng)有障礙物時光路斷開。如果發(fā)射管和接收管之間的障礙物時有時無，則接收管的狀態(tài)就呈現(xiàn)0和1的交替，形成脈沖信號。只要對這個脈沖信號計數(shù)，就可以得到小車的行程。光電開關(guān)的靈敏度很高，可以分辨出很小的間隙。車輪每轉(zhuǎn)動一圈，可以檢測到十二個信號。我們在車輪的軸上安裝的碼盤與車輪同軸同步旋轉(zhuǎn)，就可以得到車輪旋轉(zhuǎn)的脈沖信號。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，測量結(jié)果精度高。它常用的檢測電路與反射式光電傳感器一樣，這里就不再贅述。小車一周可計數(shù)12次，小車的行駛一周的行程圍約為11.9cm,因此可計算出行程的測量精度可

39、以達(dá)到1cm，可以達(dá)到小車的精度要求。小車的速度v等于小車行駛路程s除以小車行駛時間t。圖3-14 碼盤3.8 液晶顯示電路這里使用1602液晶顯示器。其連接電路如下圖3-15圖3-15 液晶顯示電路1602字符液晶如圖3-16 . . . 17 / 39圖3-16 1602字符液晶顯示屏1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，引腳介紹見表3-3.表3-3 1602引腳介紹引腳號功能介紹第1腳 VSS為電源地第2腳 VDD接5V 電源正極第3腳 V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高第4腳 RS為寄存器選擇，高電平 1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0時選擇指令寄存器第5腳

40、RW為讀寫信號線，高電平 (1)時進(jìn)行讀操作，低電平 (0)時進(jìn)行寫操作第6腳 E(或 EN)為使能(enable)端第714腳D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端第1516腳空腳或背燈電源。 15腳背光正極， 16腳背光負(fù)極 . . . 4 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)控制流程圖4-1 控制系統(tǒng)的流程圖4.2 算法設(shè)計4.2.1 循跡算法設(shè)計循跡控制算法的流程如4-2所示。 . . . 19 / 39圖4-2 循跡控制根據(jù)傳感器的布局，可以將傳感器位置用數(shù)字標(biāo)記，檢測到黑線用數(shù)字0表示，沒有檢測到，也即檢測到白線用數(shù)字1表示。為不漏掉狀態(tài)，我們先考慮了四個傳感器的所有十六種狀態(tài)，剛好可以用四位二進(jìn)制數(shù)來表示。在

41、初始狀態(tài)下，黑線應(yīng)位于傳感器的中間，此時2、3傳感器檢測到黑線，即四個傳感器的狀態(tài)分別為1、0、0、1，表示為二進(jìn)制數(shù)是1001，此時小車前進(jìn)。當(dāng)小車從中間逐漸往左偏離軌道黑線時，即黑線在小車右邊，對應(yīng)的狀態(tài)有1000、1100、1110、1101。此時小車應(yīng)左轉(zhuǎn)。當(dāng)小車往右偏離時，對應(yīng)的狀態(tài)有0001、0011、0111、1011。此時小車應(yīng)左轉(zhuǎn)。還有最后一種狀態(tài)就是四個傳感器都檢測不到黑線，此時說明小車已行駛到中點(diǎn)，或者可能完全脫離了軌到，說明此次循跡失敗，停車。在實(shí)際行駛過程中，由于軌道設(shè)計了很多銳角，鈍角，小車需要轉(zhuǎn)彎的角度較大，為防止轉(zhuǎn)彎過程中小車擺動角度過大而沖出軌道，導(dǎo)致小車無法

42、返回，先讓小車后退，再執(zhí)行轉(zhuǎn)彎。實(shí)踐證明這種算法可以實(shí)現(xiàn)小車靈敏的轉(zhuǎn)彎。4.2.2.避障算法設(shè)計避障的問題可以很復(fù)雜，為了簡化設(shè)計、編程與調(diào)試，宜使用一種比較簡單的解決方法?？紤]到小車的速度和能檢測到障礙物的距離，為避免小車轉(zhuǎn)彎時撞上障礙物，設(shè)計小車檢測到障礙物后先后退，然后左轉(zhuǎn)，再次檢測障礙物，繼續(xù)調(diào)整，直至繞過障礙物。這個避障的程序不能保證對所有的障礙物布局情況都能順利的避障，但對大多數(shù)的情況確實(shí)能有效地進(jìn)行避障。障礙物的檢測距離和小車的轉(zhuǎn)彎半徑對避障的效果有較大的影響，根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整轉(zhuǎn)彎角度可以達(dá)到較好的避障效果。4.4.2 測速算法設(shè)計對無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制既可采用開環(huán)控制，也可

43、采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速一樣時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率一樣時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速圍可以大大提高。無刷直流電機(jī)的速度控制方案如圖4-3所示。 . . . 圖4-3電機(jī)速度控制4.3.3 PID 控制算法PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于過程控制和運(yùn)動控制中。數(shù)字PID控制算法是將模擬PID離散化得到，各參數(shù)有著明顯的物理意義，調(diào)整方便，所以PID控制器很受工程技術(shù)人員的

44、喜愛。PID控制器各控制環(huán)節(jié)的作用是這樣的，比例控制(P控制)即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，積分控制(I控制)主要用于消除靜差，微分控制(D控制)反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)。比例控制是對現(xiàn)在誤差的一種校正，積分控制是對過去誤差的校正，而微分控制是對將來可能的誤差的校正。數(shù)字PID控制算法如圖4-4所示.圖4-4 PID控制算法的簡化示意圖， 式（4-1）或者式（4-2） 式中u0控制量的基值，即k=0時的控制；u（k）第k個采樣時刻的控制； KP比例放大系數(shù)； KI積分放大系數(shù)；;KD微分放大系數(shù)；;TS采樣周期 . . . 21 / 395 調(diào)試5.1 調(diào)試方法由于本次

45、實(shí)驗(yàn)需要捍接的電路模塊較多，特別是直流電機(jī)驅(qū)動模塊，對于電源電流的需要極大，我們先以直插式電源開始調(diào)試，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正常。但直插式電源對于運(yùn)動的小車是個很大的束縛，極為不方便。所以考慮采用電池供電。市面上常用的有干電池和蓄電池。由于小車相當(dāng)耗電，的干電池用不了多久，就會出現(xiàn)開關(guān)器件很難穩(wěn)定地給單片機(jī)送正確值的情況。只有當(dāng)更換新電池或小車剛剛啟動時才會很準(zhǔn)確，經(jīng)過思考，這都是開關(guān)元件消耗電量很大的原因，一旦電池電量不足其工作將會萎靡不振，于是我們可充電的蓄電池給小車供電，選擇合適的蓄電池可以很好的滿足小車耗電量大的情況。在前輪PWM驅(qū)動轉(zhuǎn)向電路運(yùn)行中，我們發(fā)現(xiàn)，電機(jī)只給一個轉(zhuǎn)向力，但保持長期轉(zhuǎn)向時，

46、電機(jī)的轉(zhuǎn)動由于受到強(qiáng)行制動而處于一種相對靜止的狀態(tài)，導(dǎo)致PWM驅(qū)動電路產(chǎn)生大量的熱量，我們既利用軟件使其盡量減少長期單向轉(zhuǎn)動狀態(tài)，又在硬件上，在PWM驅(qū)動板上涂上了一層散熱膠，即使發(fā)熱，也不會燒壞PWM驅(qū)動電路。在安裝上避障用光電開關(guān)之后，其與其它所有開關(guān)元件共用同一電源，在運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)三個用于尋跡用的開關(guān)元件不能全部正常工作了，據(jù)分析，避障用光電開關(guān)處接線不牢固，重新接線后工作正常。在電源開啟后，小車循跡過程中會出現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)的情況。經(jīng)分析是由于軟件跑飛。經(jīng)考慮后加了一個看門狗，可以很好的遏制程序跑飛的情況。5.2 測試結(jié)果與分析本次進(jìn)行了兩次調(diào)試。兩次都是在鋪有黑色硬紙條的軌道上進(jìn)行。不同的是

47、第一次軌道上沒有設(shè)置障礙物，第二次放置了幾個紙箱作為障礙物。每組分別測試了三次。測試儀器：12V直流電源 秒表測試記錄數(shù)據(jù)如下表5-1和5-2. . . . 表5-1速度測試次數(shù) 路面狀況平紙板水泥地面有較大褶皺的紙板10.500.400.2320.500.45中途因底盤低而停止30.5200.430.26表5-2 循跡避障測試次數(shù) 項目完成時間（s）行駛過程中脫離軌道次數(shù)躲避障礙物時碰撞次數(shù)149312450134200*注：小車在因速度過快而脫離軌道后仍能自行返回原軌道，無須人為搬回。根據(jù)測試結(jié)果，可以看出小車循跡避障功能基本實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，小車能很好的完成循跡，即使循跡軌道發(fā)生改變也不影

48、響。但避障結(jié)果并不是很理想。小車在檢測到障礙物后要經(jīng)過較長時間的調(diào)整才能避開障礙物，這是由于采用的算法不夠理想。本設(shè)計采用的算法只適用于一般情況，特殊一些的情況就可能出現(xiàn)避障失敗。這也是本次設(shè)計的一個缺陷。在實(shí)際調(diào)試過程中小車發(fā)生過程序跑飛的情況，經(jīng)調(diào)整改進(jìn)程序后，小車運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。能很好的完成沿黑色軌道前進(jìn)，改變軌道的形狀與轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)。并避開障礙物。液晶顯示速度正常。 . . . 23 / 396 結(jié)論與展望本系統(tǒng)以設(shè)計采用AT89S52單片機(jī)為控制核心，根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)結(jié)合PID控制算法實(shí)現(xiàn)對電動車的智能控制。利用反射式光電傳感器檢測黑線實(shí)現(xiàn)小車循線，利用超聲波傳

49、感器檢測道路上的障礙，控制電動小車的自動避障，光電碼盤實(shí)現(xiàn)小車的速度檢測，并通過液晶顯示。具有自動尋跡和尋光功能。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性能高。實(shí)際測試效果較好。很好的滿足了題目的要求，并在題目的要求基礎(chǔ)上有一定發(fā)揮，增加了尋光和報警提示功能，以與增加速度檢測和顯示，使整個設(shè)計更人性化。 . . . 致 ！ . . . 25 / 39參考文獻(xiàn)1Zvi Shiller.Emergency Lane-change maneuvers of autonomous vehiclesJ.ASME Journal of DynamicsSystems,Measurement and Contrd.2001. 2邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法M.:清華大學(xué),2005.40-42. 3卓晴,黃開勝,邵貝貝.M.:航空航天大學(xué),2007.140-141. 4高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽培訓(xùn)系列教程M.電子工業(yè),2007.6.1.5王志良.競賽機(jī)器人制作技術(shù)M.機(jī)械工業(yè),2007.6.15.6程鵬.自動控制原理M.高等教育.