基于單片機的自動循跡智能小車的設(shè)計

1、單片機課程設(shè)計報告書課題名稱基于單片機的自動循跡智能小車的設(shè)計姓 名譚志平學(xué) 號 081250133院 系物理與電信工程系專 業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師肖衛(wèi)初副教授2011年 6月10日 一、 設(shè)計任務(wù)及要求： 本課程設(shè)計以ATmega16為核心，用L298N驅(qū)動兩個減速電機，當(dāng)產(chǎn)生信號驅(qū)動小車前進時，是通過循跡模塊里的紅外對管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號通過LM324再返回到單片機，單片機根據(jù)程序設(shè)計的要求做出相應(yīng)的判斷送給電機驅(qū)動模塊，讓小車來實現(xiàn)前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等基本功能。本設(shè)計要求設(shè)計的模塊主要有：單片機最小系統(tǒng)模塊、傳感器循跡模塊、L298驅(qū)動直流電機模塊、LCD12864液晶顯示

2、模塊、電源模塊等。 指導(dǎo)教師簽名： 2011年 04 月22日 二、指導(dǎo)教師評語：指導(dǎo)教師簽名： 2011年6月16日 三、成績驗收蓋章 2011年6月16日 基于單片機的自動循跡智能小車的設(shè)計譚志平（湖南城市學(xué)院物理與電信工程系電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè),益陽,413000）1設(shè)計目的本課程設(shè)計的主要目的是設(shè)計一智能循跡小車，通過設(shè)計把所學(xué)的知識運用到實踐中，通過本次設(shè)計更好的掌握單片機的控制原理以及傳感器的知識。真正的做到學(xué)以致用。2設(shè)計的主要內(nèi)容和要求 當(dāng)前的電動小汽車基本上采取的是基于純硬件電路的一種開環(huán)控制方法，或者是直線行使，或者是在遙控下作出前進、后退、轉(zhuǎn)彎、停車等基本功能。但是它們不能

3、實現(xiàn)在某些特殊的場合下，我們需要能夠自動控制的小型設(shè)備先采集到一些有用的信息的功能。本設(shè)計正是在這種需要之下設(shè)計的一種智能的電動小車的自動控制系統(tǒng)。它是以單片機ATmega16為控制核心，附以外圍電路，在畫有黑線的白紙“路面”上行使,由于黑線和白線對光線的反射系數(shù)不同,可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”黑線。判斷信號可通過單片機控制驅(qū)動模塊修正前進方向，以使其保持沿著黑線行進。軌跡探測模塊用5只光電開關(guān)。通過檢測5只光電開關(guān)的電平狀態(tài)，來判斷小車的運行狀況，當(dāng)小車有偏轉(zhuǎn)時，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛等智能控制系統(tǒng)。3 整體設(shè)計方案經(jīng)過

4、反復(fù)論證，最終確定了如下整體設(shè)計方案：（1）車體用現(xiàn)成的玩具小車改裝，前輪驅(qū)動，后輪為萬向輪。（2）采用ATmega16單片機作為主控制器。（3）L298N作為直流電機的驅(qū)動芯片。（4）用TCRT5000型光電對管進行循跡。（5）用LCD12864液晶顯示小車的運行時間。（6）用自制的直流穩(wěn)壓電源給單片機和驅(qū)動芯片L298等供電，穩(wěn)壓電源可以輸出12V和5V。系統(tǒng)的總體設(shè)計方框圖如下圖所示：圖3.1 系統(tǒng)總體方框圖系統(tǒng)總體方框圖如圖3.1所示所示，整個電路系統(tǒng)分為TCRT5000循跡模塊、STC89C51控制模塊、L298驅(qū)動模塊、LCD12864顯示模塊、電源模塊等五個模塊。工作原理為：首先

5、利用光電對管對路面信號進行檢測，經(jīng)過比較器LM324處理之后，送給軟件控制模塊進行實時控制，當(dāng)任意一個光電對管檢測黑線后，小車進入尋線環(huán)節(jié)，光電對管繼續(xù)對路面信號進行檢測，同時根據(jù)檢測的結(jié)果小車輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動芯片驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運動。4.系統(tǒng)方案論證與比較4.1主控制器選擇方案一 選用51單片機，該控制器具有性能穩(wěn)定，價格便宜，I/O端口分布簡單，便于接口電路的設(shè)計，易于控制和操作，執(zhí)行程序速度和功耗可以滿足一般系統(tǒng)的要求，是實現(xiàn)階段比較常用的微處理器。方案二 采用ATMEL公司的ATmage16單片機，該控制器屬于增強型內(nèi)置Flash的RISC精簡指令集高速8位單片機，

6、有多種頻率的內(nèi)部RC振蕩器、上電自動復(fù)位、看門狗、啟動延時等功能，使得電路設(shè)計變得非常簡單，并且內(nèi)部資源豐富，一般都集成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、SPI、PWM、USART、TWI通信口和豐富的中斷源等。小車控制時需要控制小車的速度，ATmage16單片機的定時器可以直接輸出PWM，方便速度的控制。綜合考慮采用方案二。4.2控制電機選擇的比較與論證 方案一 利用步進電機的準確定長步進性能方便的實現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準確的測量速度、路程以及時間，簡化編程和硬件連接的工作量。但是步進電機在與機械配合的小車改裝上難度極大，非短時間所能完成。該方案實現(xiàn)較困難。方案二 用小車上自帶的雙直流電機分別負責(zé)小車的驅(qū)動

7、的功能，依據(jù)外圍紅外反射傳感器所采集到的信息可以補足直流電機定位不準的缺點，同時紅外反射傳感器的使用還能實現(xiàn)比較準確的尋跡行駛，用較好的控制算法及特色硬件來提高小車的整體性能，可具有很高的性能/價格比。電機驅(qū)動可采用PWM調(diào)速方案可以很方便地在程序中實現(xiàn)對電機的調(diào)速，減少硬件電路。經(jīng)比較驗證，顯然方案一的機械結(jié)構(gòu)也短時間內(nèi)難以滿足題目的要求，而方案二本身是與小車相兼容的，性能也比較好，采用方案二。4.3循跡模塊設(shè)計與比較方案一 采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點：易受到外界光源的干擾，有時甚至檢測不到黑線，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產(chǎn)生直接影響

8、?？朔巳秉c的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會增加檢測系統(tǒng)的功耗。方案二 脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界的干擾；此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如果采用占空比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流很大（50100mA），則大大提高了信噪比。此種測試方案反應(yīng)速度大約在 5us。方案三 采用多路陣列式光敏電阻組成的光電探測器。 根據(jù)以上分析我們采用方案2，同時能實現(xiàn)的反射式紅外發(fā)射接收器眾多，我選擇了市場比較多見的TCRT5000作為檢測黑線的傳感器。4.4時間顯示模塊的設(shè)計與比較方案一：采用LED數(shù)碼

9、管顯示小車行駛的時間，在本系統(tǒng)中用到LED數(shù)碼管進行動態(tài)顯示即可達到要求。其優(yōu)點是價格便宜，壽命長；缺點是只能顯示09的數(shù)字和一些簡單的字符，且數(shù)碼管的驅(qū)動電路以為段選、位選電路設(shè)計繁鎖，且占用空間。方案二：采用LCD12864液晶顯示，其優(yōu)點是能顯示更多的字符、漢字，工作電流比LED小，故其功耗低，硬件電路設(shè)計簡單，且可以有良好的人機界面，直觀，顯示效果漂亮，體積小。綜合考慮選擇此方案。 4.5電源選擇方案一 采用4節(jié)1.5V干電池供電，電壓達到6V，經(jīng)7805穩(wěn)壓后給單片機、電機和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，放棄了這種方案。方案二 采用自

10、制的穩(wěn)壓電源，該自制的穩(wěn)壓電源可以輸出12V、9V、5V。5V供給ATmega16單片機、L298的TTL邏輯電平信號VSS電壓(VSS可接457 V)和LM324芯片等，9V作為L298電壓VS ( VS電壓范圍VIH為2546 V)。綜上考慮，選擇了方案二。5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計5.1 ATmega16單片機最小系統(tǒng)設(shè)計ATmega單片機最小系統(tǒng)主要包括復(fù)位電路和時鐘晶振電路。復(fù)位電路采用的是低電平復(fù)位，晶振電路中晶振頻率為12Mhz。ATmega16單片機最小系統(tǒng)如下圖所示：圖5.1 STC89C51單片機最小系統(tǒng)5.1.1時鐘電路 單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準，時

11、鐘信號通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部振蕩和外部振蕩。ATmega16單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式，如圖3.2所示在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。 圖5.1中外接晶體以及電容C2和C1構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30P左右，晶振頻率選12MHz。5.1.2復(fù)位電路 為了初始

12、化單片機內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機的復(fù)位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要RST引腳上低電平持續(xù)時間大于最小脈寬時即觸發(fā)復(fù)位過程，此時沒有時鐘信號在運行，當(dāng)外加信號達到復(fù)位門限電壓時，復(fù)位延時開始，延時結(jié)束后單片機開始工作。ATmega16采用的是低電平復(fù)位。 圖5.1中R和C組成復(fù)位電路，其值R取為10K, C取為10uF。5.2 電機驅(qū)動電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用電機驅(qū)動芯片L298配合8個二極管1N4148的過流保護作用作為電機驅(qū)動模塊，驅(qū)動電路的設(shè)計如下圖所示：圖5.2 L298電機驅(qū)

13、動模塊L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298的邏輯功能如下表所示：表5.1 L298的邏輯功能ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機運行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX停止下圖是L298的引腳封裝圖：圖5.3 L298芯片封裝圖L298可驅(qū)動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機。5、7、1

14、0、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可以實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能。5.3 循跡模塊設(shè)計 本循跡模塊采用的是紅外反射對管TCRT5000，TCRT5000的實物和引腳圖如下圖所示：圖5.4 TCRT5000實物、引腳圖紅外反射對管TCRT5000循跡的原理圖如下圖所示：圖5.5 TCRT5000循跡模塊原理圖循跡原理分析：紅外反射對管TCRT5000的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，

15、被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平，指示二極管點亮；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，指示二極管熄滅。從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。通過裝在小車上的五個指示二極管可以判斷小車的狀態(tài)。5.4 顯示模塊設(shè)計本模塊采用不帶字庫的LCD12864液晶顯示小車的運行時間。LCD12864液晶顯示模塊引腳說明如

16、下：u 第1腳：VSS為電源地。u 第2腳：VDD接+5V電源。u 第3腳：對比度調(diào)整，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。u 第4腳：RS為寄存器選擇：RS=H,選擇數(shù)據(jù)寄存器，RS=L，選擇指令寄存器。u 第5腳：RW為讀寫選擇信號線。u 第6腳：EN為使能端，當(dāng)EN由高電平跳變到低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。u 第7-14腳：DB0-DB7為8位雙向數(shù)據(jù)線。u 第15腳：CS1,選擇左屏。u 第16腳：CS2，選擇右屏。u 第17腳：RST,復(fù)位u 第18腳：VOUT,LED驅(qū)動負電壓。u 第19腳：背光電源正極，接+5V。u 第20腳：背光電源地。 LCD12864液晶模塊與單片機的接法如下圖所示：圖5.6 LCD12864液晶原理圖5.5 電源模塊設(shè)計由于小車功耗比較大，干電池難以滿足要求，故設(shè)計一直流穩(wěn)壓電源，可以同時輸出5V和12V。市電AC220V/50HZ經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后可以輸出穩(wěn)定的5V和12V。穩(wěn)壓芯片采用的是LM7805和LM7812。電源電路原理圖如下圖所示：圖5.7 TCRT5000循跡模塊原理圖6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計軟件設(shè)計部分主要包括主函數(shù)和循跡函數(shù)：6.1主函數(shù)流程圖圖6.1 主函數(shù)流程圖6.2循跡函數(shù)流程圖圖6.2 循跡函數(shù)流程圖7