基于ATmega8單片機尋跡小車設(shè)計

1、JIUJIANGUNIVERSITY畢 業(yè) 設(shè) 計題 目基于ATmega8單片機尋跡小車設(shè)計英文題目TheDesignofTrackingCarBasedonTheATmega8 Single-Chip院 系 機械與材料工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化姓 名 張發(fā)俊 年 級 2009（機材A0916）指導(dǎo)教師 張為 二零一三 年 六 月 摘要本設(shè)計是基于ATmega8單片機控制的簡易自動尋跡小車系統(tǒng)。設(shè)計旨在設(shè)計出一款可以自主按照預(yù)設(shè)的軌跡行走的小車。從設(shè)計的功能要求出發(fā)，小車硬件系統(tǒng)由ATmega8微控制器、紅外傳感器、和直流驅(qū)動電機組成。控制系統(tǒng)以ATmega8為控制核心, 用單片

2、機產(chǎn)生PWM波，控制電機速度繼而改變小車方向。用紅外光電傳感器對路面黑色軌跡進行檢測,并確定小車當前的位置狀態(tài)，再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,及時控制驅(qū)動電機以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,使小車能夠沿著黑色軌跡自動行駛,實現(xiàn)小車能夠自主識別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑色引導(dǎo)實現(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。【關(guān)鍵詞】Atmega8；尋跡小車；紅外傳感器；PWMAbstractThis design is based on ATmega8 Single-Chip control system of simple automatic tracing car. Design aims to tran

3、cing car can walk independently according to the preset trajectory. Starting from the functional requirement of the design, car hardware system consists of ATmega8 Single-Chip, infrared sensors, and the dc motor drive. Control system based on ATmega8 control core, using single-chip microcomputer to

4、produce PWM wave to control motor speed, in turn, change the direction of the car. With infrared electric sensor to test the pavement black trajectory, and determine the cars current location, and will feedback the pavement detection signal to the microcontroller. Microcontroller, and analyzing the

5、collected signal shall be timely control drive motor to adjust the car turned, enables the car along the black track automatically, achieve the car able to independently identify black guide line and according to the black guide line for fast stability.【key words】Atmega8; Tracing the car;light elect

6、ricity detector; PWM目 錄前言1第一章緒論21.1 智能小車的背景21.2課題研究的目的和意義3第二章系統(tǒng)總設(shè)計方案52.1 任務(wù)要求52.2理論及設(shè)計方案52.3 系統(tǒng)總體框架6第三章主要元件說明與硬件設(shè)計73.1尋跡傳感器模塊73.1.1 ITR8307介紹73.1.2 傳感器電路圖83.1.3 傳感器的安裝93.2 控制器模塊103.2.1 ATmega8介紹103.2.2 ATmega8單片機硬件結(jié)構(gòu)及主要性能113.2.3 主要I/O口分配123.2.4 時鐘電路123.2.5 下載電路123.2.6 復(fù)位電路133.2.7 電機驅(qū)動模塊14第四章信息處理與程序設(shè)

7、計154.1 直流電機調(diào)速15脈寬調(diào)制PWM工作原理154.1.2 PWM調(diào)速應(yīng)用154.2 PID跟蹤控制17關(guān)于PID的使用17模擬PID控制原理184.3 ATmega8模數(shù)轉(zhuǎn)化器194.3.1 ADC介紹194.3.2 ADC 多工選擇寄存器ADMUX19 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果224.4 軟件程序設(shè)計234.4.1 程序總流程圖234.4.2 ADC 源程序244.4.3 PWM調(diào)速源程序254.4.4 PID算法源程序26第五章ICCAVR與Proteus仿真275.1 ICC AVR與Proteus說明275.2 模擬光電檢測電路275.3 Proteus仿真過程以及結(jié)果28結(jié)論30參

8、考文獻31謝辭32附錄133附錄239附錄340前言隨著科技的發(fā)展，人們的生活出現(xiàn)了各種新型的尋跡機器人，例如：清掃機器人、安放機器人。他們的誕生使我們的生活變得更快速、充實。本設(shè)計，主要是將單片機應(yīng)用到尋跡機小車進行的設(shè)計。單片機應(yīng)用技術(shù)日益更新。單片微型計算機簡稱單片機。由于它的結(jié)構(gòu)及功能均按工業(yè)控制要求設(shè)計，因此其確切的名稱應(yīng)是單片微控制器（SingleChipMicro-controller）。單片機是把微型計算機的各個功能部件，即中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器(ROM)、I/O接口、定時器/計數(shù)器以及串行通信接口等集成在一塊芯片上,構(gòu)成一個完整的微型計算機,故

9、它又稱為單片微型計算機(SingleChipMicro-computer)。紅外檢測應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛。人們對它的研究從來沒有停止過，目前已經(jīng)開發(fā)出了眾多的應(yīng)用產(chǎn)品，從醫(yī)療、檢測、航空到軍事等領(lǐng)域，幾乎處處都能看到紅外的身影。但人們對她的研究仍然延續(xù)，時不時出現(xiàn)的新發(fā)明新應(yīng)用，帶給我們驚訝與感嘆，人類對這座寶藏的開發(fā)還遠遠不夠，紅外產(chǎn)業(yè)還有廣闊的空間。第一章 緒 論1.1智能小車的背景隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速

10、地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。而近幾十年來中國在航天領(lǐng)域的發(fā)展越來越快，世界各國也從沒停止過探索外星的腳步。在外星球惡劣的環(huán)境下探索全由人去完成是不可能的。那么可以自動駕駛的小車就發(fā)揮了它的作用了。美國和前蘇聯(lián)是從20世紀60年代末期開始進行月球表面探測任務(wù)的。美國曾在1966-1968年間向月球成功發(fā)射了兩次無人巡游探測器。1997年由美國JPL(全稱JetPropulsion Laboratory美國太空總署噴氣推進實驗室)研制的Sojourner號探測車登上了火星。它驗證了小型火星車的性能并完成了一系列技術(shù)試驗。2

11、004年1月美國的“勇氣號”和“機遇號”火星探測車再度登陸火星。前蘇聯(lián)在1959-1976年間總共成功發(fā)射了兩個月球探測車。智能小車不僅僅在科研上有發(fā)揮之地，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面:(1)軍事偵察與環(huán)境探測現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事偵察提出了更高的要求世界各國普遍重視對軍事偵察的建設(shè)采取各種有效措施預(yù)防敵方的突然襲擊并廣泛應(yīng)用先進科學(xué)技術(shù)不斷研制多用途的偵察器材和探測設(shè)備在車上裝備攝像機、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備通過光纜操縱完成偵察和監(jiān)視敵情、情報收集、目標搜索和自主巡邏等任務(wù)進一步擴大偵察的范圍提高偵察的時效性和準確性。(2)探測危險與排除險情在戰(zhàn)場上或工程中常常會遇到各種

12、各樣的意外。這時智能化探測小車就會發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場上可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷。民用方面可以探測化學(xué)泄漏物質(zhì)可以進行地鐵滅火以及在強烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。(3)安全檢測受損評估在工程建設(shè)領(lǐng)域可對高速公路自動尋跡進行道路質(zhì)量檢測和破壞分析檢測;對水庫堤壩、海岸護岸堤、江河大壩進行質(zhì)量和安全性檢測。在制造領(lǐng)域可用于工業(yè)管道中機械損傷裂紋等缺陷的探尋對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點的查找和定位等。(4)智能家居在家庭中可以用智能小車進行家具、遠程控制家中的家用電器控制室溫等。1.2課題研究的目的和意義智能小車作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部

13、分、執(zhí)行部分、CPU。其中最基本的尋跡功能的實現(xiàn)就必須要感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線相當給機器人一個視覺功能。使用傳感器感知線路使小車實現(xiàn)自動識別路線，快速到達指定地點。本設(shè)計的尋跡小車利用ATmega8單片機為控制核心，通過傳感器對路面黑色軌跡進行檢測，并將路面檢測信號通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。單片機對采集到的信號予以分析判斷，及時控制直流電機不同的轉(zhuǎn)動狀態(tài),通過小車的前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以調(diào)整小車的轉(zhuǎn)向，使小車達到沿著既定軌道行駛。本設(shè)計用到的ATmega8單片機。它是一款比較先進的控制核心。ATmega8 是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機。AVR單片機的核心是

14、將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實 現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時訪問（讀寫）兩個獨立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，ATmega8可以達到接近1MIPS/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高出10倍。這里的尋跡是指小車在黑色地板上循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測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，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反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

15、被吸收小車上的接收管接收不到紅外光。單片機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。紅外探測器探測距離有限，一般不應(yīng)超過3cm。通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)培養(yǎng)設(shè)計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中熟悉以單片機為核心控制芯片設(shè)計小車的檢測、驅(qū)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(yīng)用機電等相關(guān)學(xué)科的理論知識聯(lián)系實際電路設(shè)計的具體實現(xiàn)方法達到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中加深對控制理論的理解和認識。第二章系統(tǒng)總設(shè)計方案2.1任務(wù)要求基于ATmega8單片機設(shè)計一智能尋跡小車。要求小車能按給定的黑線自動尋找軌跡并按照軌跡平穩(wěn)的行駛。實現(xiàn)小車自動辨別黑線行駛功能

16、。系統(tǒng)方案方框圖如圖2-1所示。光電檢測信息處理軟件控制驅(qū)動電機控制小車圖2-1 系統(tǒng)方案方框圖根據(jù)上述要求，本論文的主要工作內(nèi)容：1.實物電路圖（1）路面檢測模塊設(shè)計及實物傳感器的安裝（2）ATmega8主控芯片最小系統(tǒng)和下載電路設(shè)計（3）直流電機的調(diào)速及PID跟蹤控制理論設(shè)計2.仿真電路圖和軟件設(shè)計（1）根據(jù)實物電路圖完成仿真電路圖設(shè)計（2）軟件的總體設(shè)計及ICC AVR編程（3）Proteus仿真測試2.2理論及設(shè)計方案驅(qū)動方面：尋跡小車采用后輪驅(qū)動，后輪左右兩邊各用一個直流電機驅(qū)動?？刂谱笥覂呻姍C的轉(zhuǎn)速以達到控制小車轉(zhuǎn)向的目的。為了讓小車能平穩(wěn)通過角度極端的彎道，在降低左電機速度，同時

17、會給右電機加速。這種方式能更有效的控制小車轉(zhuǎn)向。路面檢測方面：本設(shè)計以白底黑線做為小車檢測基礎(chǔ)，小車由紅外線對管的檢測，按黑線循環(huán)行駛。由于不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)，紅外探測發(fā)射極向地面發(fā)射紅外線，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；當黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。根據(jù)這種特點就可以檢測出小車的行駛軌跡。但由于紅外探測器探測距離有限和環(huán)境光線干擾會導(dǎo)致小車在檢測上帶來誤差。紅外探測距離可經(jīng)多次實驗得到最佳距離。環(huán)境光線帶來誤差可以靠軟件來避免。2.3 系統(tǒng)總體框架自動尋跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、紅外檢測模塊、電機驅(qū)動模塊等

18、部分組成,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。其工作原理是：紅外檢測模塊不斷檢測黑線，檢測到的紅外信號送到ADC轉(zhuǎn)換電路，ADC轉(zhuǎn)化電路將轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號送到單片機，單片機做出判斷并驅(qū)動電機，來使尋線機器人可以自主的尋線行駛，自由轉(zhuǎn)彎。紅外檢測模塊主控芯片ATmega8MUC電機驅(qū)動模塊圖2-2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第三章主要元件說明與硬件設(shè)計3.1 尋跡傳感器模塊尋跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測法。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，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外

19、光過，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收；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。由此過程可以判斷黑線的位置，從而單片機控制左右電機的轉(zhuǎn)速，以達到尋跡行駛。 ITR8307介紹ITR8307是一種光反射開關(guān)，其結(jié)構(gòu)包括一個材料為GaAs(砷化鎵)的紅外LED發(fā)射機和一個NPN晶體管的高敏紅外接收器。這個兩個組件并排封裝?？捎糜诮邮者M行短距離、大范圍的紅外線。：陰極：陽極：集電極：發(fā)射極尺寸單位：mm圖3-1 外觀及內(nèi)部電路圖ITR8307的輸入輸出及反應(yīng)速度參數(shù)如3-1表所示參數(shù)符號基本值最大值單位條件輸入25標準大氣壓下的功率Pd75-mW-正向

20、電壓VF1.21.6VIF=20mA反向電流IR-10mAVR=5V峰值波長P940-nm-輸出暗電流ICEO-100nAVCE=10VCE飽和電壓VCE(sat)-0.4VIC=2mA IB=0.2mA速度上升速度tr20-secVCE=2VIC=100A RL=1K下降速度tf20-sec工作溫度Topr-2580-焊接溫度Tsol260-表3-1 ITR8307參數(shù)表如下 傳感器電路圖傳感器ITR8307是尋線的主要元件，PD0接單片機。單片機控制PD0高低電平，從而控制紅外發(fā)射LED是否發(fā)射紅外光。ADC0接單片機。些端口的信號傳入單片機，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，得到電壓值。根據(jù)電壓值判斷是否

21、檢測到黑線。電路圖如圖3-2所示：圖3-2傳感器ITR8307電路圖 傳感器的安裝查閱ITR8307傳感器規(guī)格書，圖3-3主要說明傳感器發(fā)射極電流與反射板距離關(guān)系。實驗采用鋁板為反射板。從圖中可知傳感在距離0.7mm處，發(fā)射極電流比上集電極電流達到最高。但考慮到距離太過貼近，設(shè)計傳感器安裝距地面23mm。發(fā)射極電流相對集電極電流百分比（%）IF=4mA VCE=2V Ta=25發(fā)射極電流與距離d (mm)關(guān)系傳感器距離鋁板d (mm)圖3-3 發(fā)射極電流與距離d 關(guān)系圖3.2 控制器模塊3.2.1 ATmega8介紹ATmega8 是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高檔單

22、片機。在AVR家族中，ATmega8是一種非常特殊的單片機，它的芯片內(nèi)部集成了較大 容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點。但由于采用了小引腳封裝（為PDIP 28和TQFP/MLF32），所以其價格僅與低檔單片機相當，再加上AVR單片機的系統(tǒng)內(nèi)可編程特性，使得無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進行單片機 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，同時也為單片機的初學(xué)者提供了非常方便和簡捷的學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境。ATmega8引腳如圖3-4所示。圖3-4 ATmega8 PDIP封裝引腳圖3.2.2 ATmega8單片機硬件結(jié)構(gòu)及主要性能（1）高性能、低功耗的8位AVR微控

23、制器，先進的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)130條功能強大的指令，大多數(shù)為單時鐘周期指令32個8位通用工作寄存器片內(nèi)集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為2個時鐘周期）（2）片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器8K字節(jié)的Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)：10000次支持可在線編程（ISP）512個字節(jié)的E2PROM，擦寫次數(shù)：100000次可編程的程序加密位（3）豐富強大的外部接口（Peripheral）性能2個具有比較模式的帶預(yù)分頻器（ Separate Prescale）的 8位定時/計數(shù)器1個帶預(yù)分頻器 （SeParat Prescale）具有比較和捕獲模式的 16位定時計數(shù)器2個PWM

24、通道，可實現(xiàn)任意相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出6通道 A/D轉(zhuǎn)換（ PDIP封裝），4路10位A/D+2路8位A/D 帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時器片內(nèi)模擬比較器（4）特殊的微控制器性能可控制的上電復(fù)位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路內(nèi)部集成了可選擇頻率（l/2/4/8MHZ）、可校準的RC振蕩器外部和內(nèi)部的中斷源18個（5）I/O口和封裝最多23個可編程I/O口，可任意定義I/O的輸入/輸出方向輸出時為推挽輸出，驅(qū)動能力強，可直接驅(qū)動LED等大電流負載輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設(shè)定帶內(nèi)部上拉電阻，省去外接上拉電阻（6）寬工作電壓4.5V-5.5V（ATmega8） 主要I/O口分

25、配表3-2單片機的主要I/O分配如PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5接收由傳感器的信號PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5控制傳感器紅外發(fā)射器的通斷電PB1 PB2輸出PWM波控制左右電機轉(zhuǎn)速PC6單片機復(fù)位時鐘電路時鐘電路一般由晶振和電容組成。單片機必須在周期性的時鐘信號的作用下工作，如果沒有時鐘信號的限制，那單片機的工作就亂套。對于ATmega8單片機來說，它內(nèi)部有經(jīng)過校正的內(nèi)部RC振蕩器，所以在對時鐘精度要求不高的場合，我們可以省去時鐘電路。 下載電路這里選用現(xiàn)在普遍的ISP下載線路。ISP接口使用ATmega8四個接口：MOSI RST SCK MISO 。連接單

26、片機電路如圖3-5所示。圖3-5 ISP下載電路 復(fù)位電路復(fù)位電路的作用：單片機復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用中出現(xiàn)死機，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機也一樣，當單片機系統(tǒng)在運行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。與傳統(tǒng)的51單片機相比，AVR單片機內(nèi)置復(fù)位電路，并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時間，所以，AVR單片機可以不設(shè)外部上電復(fù)位電路，依然可以正常復(fù)位，穩(wěn)定工作。但要注意，AVR單片機是低電平復(fù)位。復(fù)位電路設(shè)計很簡單：直接拉一只10K的電阻到VCC即可(R1)。為了可靠，再加上一只0.1uF的電容(C0)以消除干擾、雜波。

27、二極管D1(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+0.5V左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將R0(10K)電阻短路，讓C0快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。總的復(fù)位電路如圖3-6所示：圖3-6 復(fù)位電路圖 電機驅(qū)動模塊本設(shè)計使用小型直流電機。直流電機由脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機電樞上的電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機的轉(zhuǎn)速。因此，我們可以通過單片機，生成固定頻率的脈沖信號，通過改變脈沖信號中的“占空比”來控制電機的轉(zhuǎn)速。圖3-7中Q1和Q2為大功率三極管，直接控制直流電機的通斷電。D7

28、和D8二極管為續(xù)流二極管，其作用是在電機斷電時，由于電感的存在，電動機的電樞電流可通過續(xù)流二極管形成回路而繼續(xù)流動，因此盡管電壓呈脈動狀，而電流還是連續(xù)的。電機脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速控制圖，如圖3-7圖3-7 PWM控制電路圖第四章信息處理與程序設(shè)計4.1 直流電機調(diào)速脈寬調(diào)制PWM工作原理脈寬調(diào)制的全稱為：PulseWidthModulator，簡稱PWM，由于它的特殊性能，常被用于直流負載回路中、燈具調(diào)光或直流電動機調(diào)速。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因

29、為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(1)，要么完全無(0)。電壓或電流源是以一種通(1)或斷(0)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。脈寬調(diào)制（PWM），控制方式就是采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機電樞上的電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機的轉(zhuǎn)速。因此，我們可以通過單片機，生成固定頻率的脈沖信號，通過改變脈沖信號中的“占空比”來控制電機的轉(zhuǎn)速。4.1.2 PWM調(diào)速應(yīng)用改變占空比的方法有3種：（1）定

30、寬調(diào)頻法，這種方法是保持t1不變，只改變t2，這相也使周期T（或頻率）也隨之改變。（2）調(diào)寬調(diào)頻法，保持t2不變，而改變t1，這樣也會使周期T（或頻率）改變。（3）定頻調(diào)寬法，這種方法是使周期T(或頻率)不變，面同時改變t1和t2。這里使用第三種調(diào)寬方法。圖4-1 PWM控制波形圖電機兩端的電壓波形圖如圖4-1所示，其中平均電壓可用下面公式表達：其中ton為每次開關(guān)接通時間T開關(guān)通斷的時間周期占空比：電機通電時間與周期T的比值本設(shè)計使用“相位修正PWM模式”。通過改變OCR1寄存器的值可以改變TOP值，即周期T。改變OCR1A/B兩個寄存器的值，從而可以實現(xiàn)PB1和PB2輸出口輸出不同占空比的

31、脈沖波形。定時計數(shù)器T1數(shù)值累加第一次與OCR1A/B匹配時,PB1或PB2輸出高電平或低電平；定時計數(shù)器T1累加到TOP值后，開始遞減直到再次與OCR1A/B匹配，PB1或PB2輸出低電平或高電平。以此往復(fù)運作。相位修正PWM時序圖如圖4-2所示。圖4-2相位修正PWM時序圖4.2 PID跟蹤控制 關(guān)于PID的使用PID數(shù)字控制器是按偏差（Proportional）、積分（Inergral）和微分（Differentia）的比例進行控制的調(diào)節(jié)器（簡稱PID調(diào)節(jié)器），是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)節(jié)。實際運行經(jīng)驗及理論分析證明，運用PID調(diào)節(jié)器在對相當

32、多的工業(yè)對象進行控制時能夠取得滿意的效果。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采用計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)PID控制時，其軟件系統(tǒng)靈活、易修改的優(yōu)點得以發(fā)揮，所以PID數(shù)字控制器被越來越廣泛地應(yīng)用。比例（P）控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須

33、引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零

34、。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。4.2.2模擬PID控制原理常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-3所示。積分比例微分被控對象-+r(t)y(t)e(t)u(t)圖4-3 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達式為：式中： 調(diào)節(jié)器的輸出信號； 調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與

35、給定值這差； 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 調(diào)節(jié)器的積分時間。4.3ATmega8模數(shù)轉(zhuǎn)化器4.3.1 ADC介紹由于單片機只能處理數(shù)字信號，所以外部的模擬信號量需要轉(zhuǎn)變成數(shù)字量才能進一步的由單片機進行處理。ATmega8內(nèi)部集成有一個10位逐次比較（successiveapproximation）ADC電路。因此使用AVR可以非常方便的處理輸入的模擬信號量。ATmega8的ADC與一個8通道的模擬多路選擇器連接，能夠?qū)σ訮C0PC5口作為ADC輸入引腳的6路單端模擬輸入電壓進行采樣，單端電壓輸入以0V（GND）為基準。AVR的ADC功能單元由獨立的專用模擬電源引腳AVcc供電。AVcc和Vcc的電壓差

36、別不能大于0.3V。ADC轉(zhuǎn)換的參考電源可采用芯片內(nèi)部的2.56V參考電源，或采用AVcc，也可使用外部參考電源。使用外部參考電源時，外部參考電源由引腳ARFE接入。使用內(nèi)部電壓參考源時，可以通過在AREF引腳外部并接一個電容來提高ADC的抗噪性能。4.3.2 ADC 多工選擇寄存器ADMUXADMUX寄存器如圖4-5所示：Bit76543210REFS1REFS0ADLAR-MUX3MUX2MUX1MUX0ADMUX讀/寫R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初值00000000圖4-5 ADMUX 寄存器Bit 7:6 REFS1:0: 參考電壓選擇如4-5 所示，通過修改ADM

37、UX寄存器中REFS1和REFS0兩位來選擇參考電壓源。如果在轉(zhuǎn)換過程中改變了它們的設(shè)置，只有等到當前轉(zhuǎn)換結(jié)束(ADCSRA 寄存器的ADIF 置位) 之后改變才會起作用。如果在AREF 引腳上施加了外部參考電壓，內(nèi)部參考電壓就不能被選用了。表4-1 ADC 參考電壓選擇REFS1REFS0參考電壓選擇00AREF,內(nèi)部Vref關(guān)閉01AVCC,AREF引腳外加濾波電容10保留112.56V的片內(nèi)基準電壓源，AREF引腳外加濾波電容Bit 5 ADLAR: ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果左對齊ADC將10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果放在ADC數(shù)據(jù)寄存器中（ADCH和ADCL）。默認情況下，轉(zhuǎn)換結(jié)果為右端對齊（RIGHT AD

38、JUSTED）的。但可以通過設(shè)置ADMUX寄存器中ADLAR位，調(diào)整為左端對齊（LEFT ADJUSTED）。如果轉(zhuǎn)換結(jié)果是左端對齊，并且只需要8位的精度，那么只需讀取ADCH寄存器的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果就達到要求了。否則，必須先讀取ADCL寄存器，然后再讀取ADCH寄存器，以保證數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容是同一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。Bits 3:0 MUX3:0:模擬通道選擇位通過這幾位的設(shè)置，可以對連接到ADC 的模擬輸入進行選擇，詳見表4。如果在轉(zhuǎn)換過程中改變這幾位的值，那么只有到轉(zhuǎn)換結(jié)束(ADCSRA 寄存器的ADIF 置位) 后新的設(shè)置才有效。表4-2 MUX3-0 ADC通道選擇表MUX3.0單端輸入

39、0ADC01ADC110ADC211ADC3續(xù)表42MUX3.0單端輸入100ADC4101ADC5110ADC6111ADC710001001101010111100110111101.23V(VBG)11110V(GND)4.3.3 ADC 控制和狀態(tài)寄存器ADCSRAADCSRA寄存器如圖4-5所示Bit76543210ADENADSCADFRADIFADIEADPS2ADPS1ADPS0ADCSRA讀/寫R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初值00000000圖4-5 ADCSRA 寄存器Bit 7 ADEN: ADC使能ADEN置位即啟動ADC，否則ADC功能關(guān)閉。在轉(zhuǎn)換

40、過程中關(guān)閉ADC將立即終止正在進行的轉(zhuǎn)換。Bit 6 ADSC: ADC開始轉(zhuǎn)換在單次轉(zhuǎn)換模式下，ADSC 置位將啟動一次ADC 轉(zhuǎn)換。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，ADSC 置位將啟動首次轉(zhuǎn)換。第一次轉(zhuǎn)換( 在ADC 啟動之后置位ADSC，或者在使能ADC 的同時置位ADSC) 需要25 個ADC 時鐘周期，而不是正常情況下的13 個。第一次轉(zhuǎn)換執(zhí)行ADC初始化的工作。在轉(zhuǎn)換進行過程中讀取ADSC 的返回值為“1”，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束。ADSC 清零不產(chǎn)生任何動作。Bit 5 ADFR: ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換選擇該位置位時，運行在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。該模式下，ADC 不斷對數(shù)據(jù)寄存器進行采樣與更新。該位清零，終止連續(xù)轉(zhuǎn)換

41、模式。Bit 4 ADIF: ADC中斷標志在ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束，且數(shù)據(jù)寄存器被更新后， ADIF 置位。如果ADIE 及SREG 中的全局中斷使能位I 也置位，ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)程序即得以執(zhí)行，同時ADIF 硬件清零。此外，還可以通過向此標志寫1 來清ADIF。要注意的是，如果對ADCSRA 進行讀修改寫操作，那么待處理的中斷會被禁止。這也適用于SBI及CBI指令。Bit 3 ADIE: ADC中斷使能若ADIE 及SREG 的位I 置位， ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷即被使能。Bits 2:0 ADPS2:0: ADC預(yù)分頻器選擇位由這幾位來確定XTAL 與ADC 輸入時鐘之間的分頻因子。 A

42、DC 轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)束后(ADIF 為高)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入ADC 結(jié)果寄存器(ADCL, ADCH)。單次轉(zhuǎn)換的結(jié)果如下：其中：式中為被選中引腳的輸入電壓。為參考電壓。4.4 軟件程序設(shè)計 程序總流程圖小車進入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片I/O 口，并經(jīng)過ADC將模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。一旦檢測到某個I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖4-6所示：Y開始系統(tǒng)初始化是否完成全部任務(wù)？循跡子函數(shù)是否完成本次任務(wù)？結(jié)束NNY圖4-6主程序流程圖4.4.2 ADC 源程序ADC源程序組分初始化和轉(zhuǎn)換程序。由于ATm

43、ega8只有一個ADC轉(zhuǎn)換內(nèi)核，所以通用六次調(diào)用 adc_get（）可以得到PC0PC5六個端口電壓，判斷線的位確定小車的偏向。ADC初始化源程序：void adc_init() / adc初始化 ACSR=0x80; /關(guān)掉模擬比較器的電源(禁用模擬比較器) ADMUX=(1REFS0); /選擇外部5V參考電壓 ADCSRA=(1ADEN);/這里選擇的是連續(xù)模式SFIOR=0x00; /adc高速模式選擇ADC轉(zhuǎn)換程序：unsigned char adc_get(int q) / q 為要ADMUX值，可以選擇ADC通道 unsigned int temp; ADMUX=q; ADCSR

44、A|=(1ADSC); /開始轉(zhuǎn)換 while(!(ADCSR&(1ADIF);/等待轉(zhuǎn)換完成 ADCSR|=(1ADIF); /清標志 temp=ADC; /讀數(shù) temp=temp*50/0x03ff; /轉(zhuǎn)換成0-50(表示0-5.0) return (unsigned char)(temp); /返回ADC值4.4.3 PWM調(diào)速源程序PWM調(diào)速程序分為初始化和調(diào)節(jié)占空比兩部分。主程序首先調(diào)用init_time1_PWM() 初始化計數(shù)器1的初始值、端口模式和OCR1A、OCR1B寄存器內(nèi)的初始值。后續(xù)可直接調(diào)用timer1_PWM( )來調(diào)節(jié)占空比。PWM初始化程序：void ini

45、t_timer1_PWM(unsigned int x,unsigned int y) DDRB|=(1PB1)|(1PB2); /設(shè)置PB1和PB2為輸出模式 TCCR1B=0x0; /先停止TC1 TCNT1=0; /設(shè)置TCNT1的初值 OCR1A=x; /設(shè)置OC1A的初值 OCR1B=y; /設(shè)置OC1B的初值 ICR1=countertop; /設(shè)置ICR的初值，即周期T。TCCR1A|=(1COM1A1)|(1COM1B1)|(1WGM11);/工作模式，輸出模式 TCCR1B|=(1WGM13)|(1CS11)|(1=countertop) x=countertop; /避免P

46、WM值超過計數(shù)器的最大值；if (y=countertop) y=countertop; /避免PWM值超過計數(shù)器的最大值； OCR1A=x; OCR1B=y;4.4.4 PID 算法源程序在小車實際應(yīng)用中，只選用了P(積分)和D（微分）算法。微分參數(shù)的三次誤差鑲嵌在速度選擇程序段中。電機的主要速度由速度等級程序選擇。PID計算出左右電機的速度差。程序詳細見參照附錄1 。#define Kp 600 /定義比例系數(shù)#define Kd 1200 /定義差分系數(shù)char err3=0; /定義三次的誤差值char err_D=0,err_P=0; /定義偏差，利用比例，差分int PidSet(

47、)err_P=err0;err_D=err0-err1;return(Kp*err_P+Kd*err_D);第五章 ICCAVR與Proteus仿真前面，已經(jīng)完成了系統(tǒng)硬件連接與軟件設(shè)計，在接下了的這章，就要進行系統(tǒng)的仿真驗證整個系統(tǒng)的可行性，本次仿真系統(tǒng)采用的是ICC AVR和Proteus搭建的系統(tǒng)仿真調(diào)適平臺。5.1 ICC AVR與Proteus說明ICCAVR是一款非常好用的AVR編譯軟件。它綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境,使用符合 ANSI 標準的 C 語言來開發(fā)微控制器 MCU程序的一個工具。Proteus是當前EDA（Electronic Design Auromati

48、on）市場上性價比最高和性能最強的一款單片機軟件仿真系統(tǒng)，它由ISIS原理圖設(shè)計、仿真系統(tǒng)和ARES印制電路板設(shè)計系統(tǒng)組成。其中，ISIS能夠完成模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真以及單片機實驗仿真。5.2 模擬光電檢測電路在Proteus仿真中，以電阻、LED燈和開關(guān)串聯(lián)接入電源來以模擬光電開關(guān)檢測黑線的過程。電路圖如圖5-1所示。PC0PC5開關(guān)5開關(guān)4開關(guān)3開關(guān)2開關(guān)1開關(guān)0圖5-1 光電開關(guān)模擬電路手動閉合“開關(guān)0”“開關(guān)5”中一個，則相應(yīng)PC端口輸出高電平。以此模擬光電開關(guān)檢測到黑線。表5-1 開關(guān)閉合模擬黑線位置開關(guān)0開關(guān)1開關(guān)2開關(guān)3開關(guān)4開關(guān)5模擬黑線位置閉合開開開開開最右端開閉合開開

49、開開偏右開開閉合開開開中心開開開閉合開開中心開開開開閉合開偏左開開開開開閉合最左端5.3 Proteus仿真過程以及結(jié)果巡線小車程序使用ICC AVR軟件編寫源代碼，并編譯生成.hex文件，導(dǎo)入Proteus中模擬運行。在仿真過程中為了便于觀察左右兩側(cè)電機電壓的占空比，在Proteus中調(diào)入示波器A,示波器B。分別輸出右電機電壓波形圖和左電機電壓波形圖。如圖示波器A、示波器B的接法。圖5-2 示波器的接線及對應(yīng)電機Proteus仿真步驟及結(jié)論：（1）點擊Proteus左下角運行程序，開始模擬小車的運行過程。此時左右電機都已相同速度轉(zhuǎn)動，左右示波器輸出相同占空比波形。（2）當閉合開關(guān)2或開關(guān)3（

50、黑線在中心）左右電機轉(zhuǎn)速任然相同。（3）斷開所有開關(guān)，閉合開關(guān)4（黑線偏左）。右電機轉(zhuǎn)速稍微比左電機快，觀察示波器，示波器A高電平持續(xù)時間比示波器B更長。（4）斷開所有開關(guān)，閉合開關(guān)5（黑線最左）。右電機轉(zhuǎn)速明顯比左電機快，觀察示波器，示波器A高電平持續(xù)時間比示波器B更長。（5）黑線在偏右模擬同上。結(jié)論：模擬小車巡線運行成功。結(jié) 論本論文設(shè)計以ATmega8單片機為基礎(chǔ)設(shè)計了一套能自動巡線并行駛的小車電路及程序。其中電路圖包括實物電路圖和仿真電路圖兩套電路。不同之處在于仿真電路圖以按鍵開關(guān)模擬光電開關(guān)并省去了程序下載電路。程序中ADC子程序，PWM調(diào)速子程序，PID控制子程序，電機速度選擇程序

51、都含有，并都能按預(yù)期的執(zhí)行。在Proteus仿真中也得到了驗證，仿真很成功。但是仿真依然是處于理論的基礎(chǔ)，只是驗證的電路圖及程序的可行性。在實際的小車運行中人需要要考慮很多問題，比如光電開關(guān)的誤差；實際小車的運行速度是否會影響檢測黑線；小車經(jīng)過不同角度的彎道速度應(yīng)該取多少；還有PID控制中、取值。都這些問題實際制作小車過程中都需要一一考慮并調(diào)試修改。參考文獻1章政,吳懷宇,程磊.大學(xué)生智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)與實踐.電子工業(yè)出社.2008,72張建民,機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(第三版),高等教育出版社2007,73熊和金. 智能汽車系統(tǒng)研究的若干問題,2001,2:37404姜培剛，蓋玉先.機電一體化系統(tǒng)設(shè)

52、計.北京:機械工業(yè)出版社，2003.95馬潮，詹衛(wèi)前，狄德根.ATmega8原理與應(yīng)用.2003,36唐一平,機械工程專業(yè)英語,電子工業(yè)出版社,2009,107楊路明,郭浩志.C言語程序設(shè)計教程.北京郵電大學(xué)出版社,2005,58郁有文,常建,程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用(第二版).西安:西安電子科技大學(xué)出版社,20039黃智偉,全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程.北京:電子工業(yè)出版社,200710鄒逢興，微機計算機原理與接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2007.1211周斌,李立國,黃開勝.智能車光電傳感器布局對路徑的識別的影響研究.電子產(chǎn)品世界,2006,5 13914012夏路易,石宗義.電路原理圖與電路板設(shè)計教程Protel 99SE.北京:北京希望電子出版社,200213 沈文，AVR單片機C語言開發(fā)編程入門指導(dǎo).北京：清華大學(xué)出版社14DinsdaleJ.Mechatronics and Asics.