基于單片機控制的尋跡小車

1、 光電信息綜合設計 第 1 頁光電綜合設計報告基于單片機控制的尋跡小車基于單片機控制的尋跡小車院（系）名稱專 業(yè) 名 稱學 生 姓 名指 導 教 師 2017 年 6 月 07 日 光電信息綜合設計 第 2 頁摘 要智能車輛作為現(xiàn)代社會的新產物，以及在智能車輛基礎上開發(fā)出來的產品已成為自動化物流運輸、柔性生產組織等系統(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。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)的設計主要分為各個模塊方案的設計與對比、硬件和軟件設計，其中每一部分均采用模塊化設計原則，使得設計易讀、易修改、易擴充。本實驗分三步進行。首先對主控系統(tǒng)、電機驅動、尋跡避障

2、及機械系統(tǒng)與電源等各個模塊方案進行對比，選擇確定自己的方案。其次，對硬件進行設計，即對尋跡檢測電路及信號檢測模塊電路的設計。最后，對軟件設計，實現(xiàn)尋跡程序，電機驅動程序，以 AT89C51 為控制核心，利用定時器 T0 通過定時器中斷產生 PWM 波形，通過調整占空比控制小車速度和轉向。利用紅外光電傳感器對路面黑色軌跡進行檢測，并將路面檢測信號反饋給單片機，單片機對采集到的信號予以分析判斷，及時控制左右輪電機的轉速以調整小車轉向，從而使小車能夠沿著環(huán)形黑色軌跡自動行駛，達到自動尋跡的目的。關鍵詞：AT80C51 單片機、光電檢測器、PWM 調速、電動小車 光電信息綜合設計 第 3 頁目錄1.前

3、期準備.32.方案的設計與對比.32.1 主控系統(tǒng).32.2 電機驅動模塊.42.3 尋跡模塊.52.4 避障模塊.62.5 機械系統(tǒng)和電源模塊.63.硬件設計.73.1 尋跡檢測電路.83.2 信號檢測模塊.94.軟件設計.94.1 電機驅動程序.104.2 循跡總程序.10結論.14 光電信息綜合設計 第 4 頁1.前期準備前期準備當選擇這個題目時，對所要做的課程設計一無了解，無從下手，硬件不知道怎么設計，軟件也一頭茫然。所以在起初階段查閱了大量的關于基于單片機控制的尋跡小車資料。去百度文庫，中國知網，學校圖書館等地方查閱了大部分所要的資料。從一無了解到明白小車各個模塊的設計、尋跡的原理（

4、左轉，右轉，還是直線前進） 。通過不同方案的對比，找到屬于自己的設計方案。由此可見，知識還是成功的基石，沒有前期的準備，就沒有最后的收獲。2.方案的設計與對比方案的設計與對比根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。 2.1 主控系統(tǒng)主控系統(tǒng)方案一：選用一片 CPLD（如 EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。

5、CPLD 具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用 VHDL 語言進行編寫開發(fā)。但 CPLD 在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD 的處理速度非常快，而小車的行進速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，MCU 就已經可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，不采用該種方案，進而提出了第二種設想。方案二：采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標。充分分析我們的系統(tǒng)，其關鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)

6、揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。 光電信息綜合設計 第 5 頁針對本設計特點多開關量輸入的復雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關量的標準單片機，而不能用精簡 I/O 口和程序存儲器的小體積單片機，D/A、A/D 功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了 P89C52RA 單片機作為本設計的主控裝置，52 單片機具有功能強大的位操作指令，I/O 口均可按位尋址，程序空間多達 8K，對于本設計也綽綽有余，更可貴的是 52 單片機價格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機的驅動等諸多因素后，決定采用一片單片機，充分利用 STC89

7、C52 單片機的資源。2.2 電機驅動模塊電機驅動模塊方案一：采用繼電器對電動機的開或關進行控制,通過開關的切換對小車的速度進行調整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網絡或數(shù)字電位器調節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但電阻網絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單，加速能力強，采用由達林頓管組成的 H 型橋式電路。用單片機控制達林頓管使之工作

8、在占空比可調的開關狀態(tài)下，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H 型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)轉速和方向的控制，電子管的開關速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的 PWM 調速技術。這種調速方式有采用 16 引腳 DIP 封裝，其內部集成了雙極型 H-橋電路，所有的開量都做成 n 型。這種雙極型脈沖調寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正 光電信息綜合設計 第 6 頁反向時的靜摩摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。我選取第三種方案來實現(xiàn)循跡。2.3 尋跡模塊尋跡模塊方案一：采用簡易光電傳感器結合外圍電路探測

9、，但實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測率較大、易受光線環(huán)境和路面介質影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二：采用兩只紅外對管，分別置于小車車身前軌道的兩側，根據(jù)兩只光電開關接受到白線與黑線的情況來控制小車轉向來調整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。方案三：采用四只紅外對管，兩只置于軌道中間，兩只置于軌道外側，當小車脫離軌道時，即當置于中間的兩只光電開關脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛?，F(xiàn)場

10、實測表明，小車在循跡過程中有一定的左右搖擺不定，但能夠很成功的尋跡。我選取第三種方案來實現(xiàn)循跡。2.4 避障模塊避障模塊方案一：采用一只紅外對管置于小車中央，其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉向反應。方案二：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反應。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對管用到的幾率很小，所以最終未采用。 光電信息綜合設計 第 7 頁方案三：采用超聲波置于小車前端。通過測試此種方案就能很好的實現(xiàn)

11、小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費。通過比較我采用方案三。2.5 機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)和電源模塊和電源模塊驅動部分：由于玩具汽車的直流電機功率較小，而小車上裝有電池、電機、電子器件等，使得電機負擔較重。為使小車能夠順利啟動，且運動平穩(wěn)，在直流電機和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。電池的安裝：將電池放置在車體的電機前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時可增加驅動輪的抓地力，減小輪子空轉所引起的誤差。簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。電源模塊方案一：采用 4 支 1.5V 電池單電源供電，但 6V 的電壓太小不能同時給單片機與與電機供電。方案二：采用 12V 蓄電池給單片機與電機供電可解決方案一

12、的問題且能讓小車完成其功能。所以，我選擇了方案二來實現(xiàn)供電。3.硬件設計硬件設計智能小車采用前后輪驅動，前后輪左右兩邊各用一個電機驅動，調制前面兩個輪子的轉速起停從而達到控制轉向的目的。將循跡光電對管分別裝在車體下的左右。當車身下左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機停止，車向左修正，當車身下右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機停止，車向右修正。避障的原理和循線一樣，在車身右邊裝一個光電對管，當其檢測到障礙物時，主控芯片給出信號報警并控制車子倒退,轉向，從而避開障礙物。直流電機的驅動：該驅動板可驅動2路直流電機，使能端ENA、ENB為高電平時有效，控制方式及直流電機狀態(tài)表如下所

13、示： 光電信息綜合設計 第 8 頁表 1 控制方式及直流電機狀態(tài)表ENAIN1IN2直流電機狀態(tài)0XX停止100制動101正轉110反轉111制動若要對直流電機進行PWM 調速，需設置IN1和IN2，確定電機的轉動方向，然后對使能端輸出PWM脈沖，即可實現(xiàn)調速。注意當使能信號為0時，電機處于自由停止狀態(tài)；當使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機處于制動狀態(tài)，阻止電機轉動。驅動原理如圖1。圖 1 電機驅動電路3.1 尋跡檢測電路尋跡檢測電路TCRT5000 傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣,一傳一感.TCRT5000具有一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管。當發(fā)射管的紅外信號經反射被

14、接收管 光電信息綜合設計 第 9 頁接收后,接收管的電阻會發(fā)生變化,在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來,而經過 ADC 轉換或 LM324 等電路整形后得到處理后的輸出結果。電阻的變化起取于接收管所接收的紅外信號強度,常表現(xiàn)在反射面的顏色和反射面接收管的距離兩二方面。硬件參考原理如圖 2。圖 2 驅動原理圖3.2 信號檢測模塊信號檢測模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質

15、的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過 LM324 作比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。避障亦是此原理。電路圖如圖 3。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用 TCRT5000 型光電對管 光電信息綜合設計 第 10 頁圖 3 循跡原理圖4.軟件設計軟件設計根據(jù)總體設計的思想及本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，在設計中完成以下功能。1、循跡模塊主程序：由是否遇到黑線，測到光源，測到擋板產生信號的操作，信號返回到單片機，再通過單片機來實現(xiàn)相應的功能。2、電機驅動模塊主

16、程序：主要用來控制兩個直流減速電機，實現(xiàn)前進、后退、前左轉、前右轉、后左轉、后右轉、停止等功能。4.1 電機驅動程序電機驅動程序void forward_turn1()/電機 1 前進IN1=0;IN2=1;void reverse_return1()/電機 1 后退IN1=1;IN2=0;void forward_turn2()/電機 2 前進IN3=0;IN4=1; 光電信息綜合設計 第 11 頁void reverse_return2()/電機 2 后退IN1=1;IN2=0;4.2 循跡總程序循跡總程序總程序如下：#includesbit IN1=P10;/以下是點擊驅動芯片 L298

17、 管腳位聲明sbit PWM1=P11;sbit IN2=P12;sbit IN3=P13;sbit PWM2=P14;sbit IN4=P15;sbit RPR1=P16;/此處是傳感器 RPR220 管腳位聲明sbit RPR2=P17;int count1=0;/用于定時計數(shù)的兩個全局變量位聲明int count2=0;void forward_turn1()/電機 1 前進IN1=0;IN2=1;void reverse_return1()/電機 1 后退IN1=1;IN2=0;void forward_turn2()/電機 2 前進 光電信息綜合設計 第 12 頁IN3=0;IN4=

18、1;void reverse_return2()/電機 2 后退IN1=1;IN2=0;void speed1(int ct,int sd)/電機 1 速度控制函數(shù)，其中參數(shù) sd 為生成PWM 波形的比較基準if(ct=sd)PWM1=1;elsePWM1=0;void speed2(int ct,int sd)/電機 2 速度控制函數(shù)，其中參數(shù) sd 為生成PWM 波形的比較基準if(ct=1000)/周期是 1scount1=0;void time1()interrupt 3TH0=(65536-1000)/256;/定時 1msTL0=(65536-1000)%256;count2+;if(count2=1000)/周期是 1scount2=0; 光電信息綜合設計 第 15 頁結論結論整個系統(tǒng)的設計以單片機為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結合。本系統(tǒng)能實現(xiàn)如下功能：自動沿預設軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動檢測預先設好的軌道，實現(xiàn)直道和弧形軌道的前進。若有偏離，能夠自動糾正，返回到預設軌道上來。本系統(tǒng)能夠基本滿足設計要求，小車能夠較快較平穩(wěn)的沿著引導線行駛，但由于經驗能力有限，該系統(tǒng)還存在著許多不盡人意的地方有待進一步