51紅外循跡小車報(bào)告舵機(jī)版最終版

1、簡(jiǎn)易教程n1617往屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽曾多次出現(xiàn)了集光、機(jī)、電于 體的簡(jiǎn)易智能小車題目，此次，筆者在通過多次論證、比較與實(shí) 驗(yàn)之后，制作出了簡(jiǎn)易小車的尋跡電路系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)基于普通玩具小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用小車的底盤、前 后輪電機(jī)及其自動(dòng)復(fù)原裝置，能夠平穩(wěn)跟蹤路面黑色軌跡運(yùn)行。系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)接收管和 路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后經(jīng)過比較器處理，對(duì)軟件控制模塊進(jìn)行 實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制 整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。智能小車能在畫有黑線的白紙“路面”上行駛，這是由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，小車可根據(jù)接收到的反射光的 強(qiáng)弱來判斷“道路”

2、黑線，最終實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的循跡運(yùn)動(dòng)。個(gè)人水平有限，有錯(cuò)誤不足之處，還望各位前輩同學(xué)多多包含，指出修正，完善。謝謝!李學(xué)云王維2016年7月27號(hào)目錄、八 刖言第一部分硬件設(shè)計(jì)1.1車模選擇1.2傳感器選擇1.3控制模塊選擇第二部分軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試2.1開發(fā)環(huán)境2.2總體框架2.32.4舵機(jī)程序設(shè)計(jì)與調(diào)試 2.3.1程序設(shè)計(jì)2.3.2調(diào)試2.3.3程序代碼傳感器調(diào)試2.4.1傳感器好壞的檢測(cè) 2.4.2單片機(jī)能否識(shí)別信號(hào)并輸出信號(hào) 綜合調(diào)試2.5附錄1第一篇 舵機(jī)（舵機(jī)及轉(zhuǎn)向控制原理）1.1概述1.2舵機(jī)的組成1.3舵機(jī)工作原理1.4舵機(jī)使用中應(yīng)注意的事項(xiàng) 1.5如何利用程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向 1.6舵機(jī)測(cè)試程序

3、附錄2第二篇光電紅外傳感器2.1傳感器的原理2.2紅外光電傳感器ST188結(jié)構(gòu)圖2.3傳感器的選擇2.4傳感器的安裝2.5使用方法2.7紅外傳感器輸入輸出調(diào)試程序.91011121213141414151516、課題任務(wù)及要求用360連續(xù)舵機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)循跡小車，可以自動(dòng)行駛并檢測(cè)到地面黑色軌跡, 沿著黑色軌跡行駛.二、小車行駛基本原理小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同， 可 以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”。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)

4、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。三、總體設(shè)計(jì)方案?jìng)鞲衅?1單片機(jī)（查詢輸入）舵機(jī)通過51單片機(jī)，在“ while（1） ”里面不斷掃描外部輸入I/O 口，若能讀到高電平, 則輸出相應(yīng)的舵機(jī)控制程序。（要求：51 I/O 口 TTL門輸入電壓3.5V以上為高電平， 1.2V以下為低電平。讀取引腳時(shí)，先置 1再讀?。? 1.1車模選擇第一部分硬件設(shè)計(jì)本教程選擇帶有兩舵機(jī)和一萬向輪的車模。舵機(jī)型號(hào)：旋轉(zhuǎn)舵機(jī)）.其原理及詳細(xì)操作說明

5、，見附錄1.車模實(shí)物如圖SM-S4303R(3601.1.圖1.11.2傳感器選擇右分布的三個(gè)傳感本教程選擇ST188紅外對(duì)管光電傳感器，使用左、前、器（前伸為了檢測(cè)十字路口）。傳感器應(yīng)用電路圖如圖1.2。光電傳感器原理詳 情，請(qǐng)看附錄2-傳感器篇。S.-1二國k 7湎1-b %ST：-3圖1.2應(yīng)用原理：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理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)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收； 收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。如果遇到黑線則紅外光被吸1.3控制模塊選擇因?yàn)檠E小車，只需要做簡(jiǎn)單的

6、輸入輸出操作，普通 51單片機(jī)都能實(shí)現(xiàn) 其功能.本教程選用是51單片機(jī)型號(hào)為STC89C52RC的最小系統(tǒng)板（有引腳弓I 出的）。本教程里的程序理論上具有51內(nèi)核的單片機(jī)都可使用。最小系統(tǒng)原理圖，如圖1.3.*I III_d-jinfVirnlllAiHn- A W：L AI】H- J4l：r2-I Al m I AliKJ A IA： IKIlUjVI-U IRaiTTWPI MillFlFlIJ:CIM. I AlAKr-T T 環(huán)Aiirv*: rtr*#*r. aiHii AIK*U jiiiru Aiimr AIIIQI AlPl-VJiTWUCFl -n Sri . I -441

7、- Tl HHTVlPI J HJ - n J -Pl. I - Pl p -圖1.3Indi 心 卜=13）2.3.3程序代碼/*51單片機(jī)舵機(jī)調(diào)試程序調(diào)試參數(shù)：1.定時(shí)器定時(shí)0.1ms,計(jì)數(shù)200,定時(shí)20ms(50HZ).(360。左舵機(jī)為例):頻率50HZLS=12 (即占空比%6),電機(jī)正轉(zhuǎn)最慢*/*rS=13 (即占空比 %6.5),電機(jī)正轉(zhuǎn)最慢/*提示：1.調(diào)試舵機(jī)時(shí)，最好單獨(dú)供電(控制信號(hào)與電源供電分離).2.控制信號(hào)與供電電源必須共地。 */排版好亂)2016 7 23*/(/*作:李學(xué)#i nclude reg52.h#defi ne uchar un sig ned ch

8、aruchar count=0,LS=2,RS=15;/count:定時(shí)計(jì)數(shù)LS:左路舵機(jī)脈寬調(diào)試sbit pwm_L=P。; /左路電機(jī)輸出sbit pwm_R=卩1人1;void in it()pwm_L=0; /占空比控制變量初始化p wm_R=0;/定時(shí)器，初始化，定時(shí)器T0工作方式1TMOD=0 x01;TH0=(65535-100)/256;基準(zhǔn)定時(shí)時(shí)間為 0.1msTL0=(65535-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;void mai n()in it();while(1) void timer0() interrupt1 /定時(shí)器T0中斷服務(wù)函數(shù),1為T0中

9、斷號(hào)，3為T1中斷號(hào)TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%256;coun t+;if(co un t=LS) p wm_L=1; else p wm_L=0; if(cou nt0;k-)for(i=0;i=128;i+);void in it()p wm_L=0;p wm_R=0;P 1=0 xff;TMOD=0 x01;TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;void mai n()ini t();while(1)if(k1=1) LS=0; RS=5;led1=0;delay(1

10、00);led1=1;if(k2=1) LS=16;RS=0;led2=0;delay(100);led2=1;if(k3=1) LS=0; RS=5;led3=0;delay(100);led3=1;if(k1=0) LS=16;RS=0;led4=0;delay(100);led6=1;if(k2=0) LS=0; RS=5;led5=0;delay(100);led5=1;if(k3=0) LS=16;RS=0;led6=0;delay(100);led6=1;void timer0() in terru pt1TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%25

11、6;coun t+;if(co un t=LS) p wm_L=1; else p wm_L=0; if(cou nt=RS) p wm_R=1; else p wm_R=0; cou nt=cou nt%200; LS=11; 第三部分綜合調(diào)試3.1綜合調(diào)試3.1.1接線3.1.2 調(diào)試程序接線：P2.0 P2.1分別接舵機(jī)pwm輸入線。P1.5 P1.6 P1.7接紅外傳感器三路輸入。此 程序只是簡(jiǎn)單的測(cè)試程序。#i nclude reg52.h#defi ne uchar un sig ned char uchar cou nt=0,LS=0,RS=0;sbit pwm_L=卩2人0;

12、sbit pwm_R =P 2人1;sbit k1= PIA5；sbit k2=PIW;sbit k3=PIA7； uchar L2,M3,R4;void in it()pwm_L=0;pwm_R=0;P 1=0 xff;TMOD=0 x01;TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;void Straight()LS=1,RS=25; void lin e_left()RS=25; void lin e_right()LS=1;RS=12;void detect_infrared() / 循跡，紅外檢測(cè)if(k1=1)l

13、i ne_right();elseif(k3=1)li ne_left();elseStraight。; void mai n()in it();while(1)detect_i nfrared();void timer0() in terru pt1TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%256;coun t+;if(co un t=LS) p wm_L=1; else p wm_L=0; if(cou nt1f-蕓r-圖4舵機(jī)組成變速詼輪細(xì)命劇亶底電機(jī)扌空制電蹌価圖5舵機(jī)的組成示意圖舵機(jī)有三條輸入線，如圖6,紅色的是電源線，黑色的為地線，這兩根線是 舵機(jī)最基

14、本的能源保證，承擔(dān)著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)消耗。此外，還有一條控制信號(hào)線,Futaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點(diǎn)，SANW的某些型 號(hào)的電源線并不是在中間，所以在使用之前，我們一定要先辨認(rèn)清楚：紅為電，黑為地，其他是信號(hào)。A. P輸出轉(zhuǎn)軸r-電源線 O- 地線GNDO- 控制線”1.3舵機(jī)工作原理電機(jī)與齒輪組相連。在舵機(jī)工作時(shí)，控制電路板通過接收來自信號(hào)線的控 制信號(hào)，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪減速后將傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的， 舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋 電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板， 進(jìn)行反饋，然后控制電路板 根據(jù)所在位

15、置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。 其工作流程為： 控制信號(hào)f控制電路板f電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)f齒輪組減速f舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)f位置反饋電位計(jì)f控制電路板反饋。舵機(jī)的控制信號(hào)周期一般為20MS的脈寬調(diào)制（PWM信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5-2.5MS，相對(duì)應(yīng)的舵盤位置為0180度，呈線性變化。也就是說， 給它提供定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持一定對(duì)應(yīng)角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變, 直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。如圖7所求。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20MS寬度1.5MS的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比出較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小, 從而生產(chǎn)電機(jī)

16、的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能超過180度，適用于那些需要不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)器中，比如說機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。（在我們平時(shí)所用的電源中，大致分為兩種規(guī)格，一6.0V對(duì)應(yīng)4.8V，一是6.0V，它們分別對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)，即輸出力矩不同, 的要大一些，具體看應(yīng)用條件）陀機(jī)讓出軸轉(zhuǎn)測(cè)titu入信號(hào)沖度局初為20O0S）I O.Sins* V 事 7 7 W1.4舵機(jī)使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)1.常用舵機(jī)的額定工作電壓一般為6V,我們可以使用LM1117等芯片來提供電壓。如果直接使用5V的供電來簡(jiǎn)化硬件上的設(shè)計(jì)，影響也不會(huì)很大，但最 好將舵機(jī)與單片機(jī)分開供電，否則很

17、有可能會(huì)造成單片機(jī)無法正常工作。2.般來說，想要控制舵機(jī)，我們要將信號(hào)線連接至單片機(jī)的任意引腳,還需通過51單片機(jī)定時(shí)器模塊的PWM才能進(jìn)行控制。但是如果是像飛思卡爾之 類的芯片，我們將信號(hào)線連到專用的PWM輸出引腳上即可，因?yàn)轱w思卡爾內(nèi)部自 帶有PWM模塊，可以直接輸出PWM&號(hào)。1.5如何利用程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向在舵機(jī)信號(hào)端輸入一個(gè)50HZ的方波信號(hào)，然后控制信號(hào)周期的高電平脈沖 持續(xù)的時(shí)間，進(jìn)而就可以控制舵機(jī)的速度、正反轉(zhuǎn)方向及是否停轉(zhuǎn)。一個(gè)高電平脈沖持續(xù)的時(shí)間對(duì)應(yīng)一個(gè)速度。高電平為1-1.5毫秒時(shí)，舵機(jī)正轉(zhuǎn)（1毫秒時(shí) 正轉(zhuǎn)速度最快，越接近1.5毫秒越慢，1.5毫秒時(shí)舵機(jī)停轉(zhuǎn)），高電平為1.5毫

18、 秒-2毫秒時(shí)舵機(jī)反轉(zhuǎn)（1.5毫秒時(shí)舵機(jī)停轉(zhuǎn)，越接近 2毫秒反轉(zhuǎn)的速度越快，2毫秒時(shí)以最快速度反轉(zhuǎn)）而對(duì)于不同類型的舵機(jī)，它們的特點(diǎn)也各不相同:1.180 度的舵機(jī)，需脈寬1500-2500US，可以達(dá)到165-180度，有略微誤差。2.300度可控的類型，舵機(jī)機(jī)械角度 360度，可控角度270-300度。3.360 度連續(xù)旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)，是PW控制它的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向,500-1500us 的PW是控制它正轉(zhuǎn)，值越小，旋轉(zhuǎn)速度越大;1500-2500us 的PWM是它反轉(zhuǎn)，值越大，旋轉(zhuǎn)速度越大。1500us 的PW是控制它停止。（由于每一個(gè)舵機(jī)的中位可能會(huì)不一樣，所 以有些舵機(jī)可能是1520U

19、S的PWM舵機(jī)才會(huì)停下來，所以需要自己實(shí)際測(cè)試出 舵機(jī)的中位）只能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不能定位1.6舵機(jī)測(cè)試程序#i nclude reg52.h#defi ne uchar un sig ned char uchar coun t=0,LS=12,RS=1; /LS:sbit pwm_L=PiO;/ 左右舵機(jī)sbit pwm_R=卩2人1;void in it()pwm_L=0;pwm_R=0;TMOD=0 x01;TH0=(65535-50)/256;TL0=(65535-50)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1; main ()ini t(); while(1) void timer0()

20、 in terru pt1TH0=(65535-50)/256;TL0=(65535-50)%256;/coun t+;第二篇光電紅外傳感器紅外探測(cè)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(zhì)的特 點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。在行駛過程中，小車不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色 地面發(fā)生漫射，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，小車上接收不到信號(hào)。2.1傳感器的原理R1限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限 輸入正向電流50mA勺影響，用R1=150的電阻作為限流電阻，Vcc=5V作為電源電壓，測(cè)試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率完全能滿足檢測(cè)需要；可變電阻R

21、2可限制接收電路的電流，一方面保護(hù)接收紅外管；另一方面可調(diào)節(jié)檢測(cè)電路的靈敏度。 因?yàn)閭鞲衅鬏?出端得到的是模擬電壓信號(hào)，所以在輸出端增加了比較器，先將ST168輸出電壓 與2.5V進(jìn)行比較，再送給單片機(jī)處理和控制。ce 端電阻比較靈活，它將用來輸出高低電平，在此，我們可以接一個(gè)5K的電阻。（電路圖中的滑動(dòng)變阻器只是為了測(cè)試方便，調(diào)整閾值電壓 ，可以不用）當(dāng)沒有物體反射紅外線時(shí)，ce之間無電流流過，輸出電壓為電源電壓，高 電平。當(dāng)有物體反射紅外線時(shí)，be飽和導(dǎo)通,ce導(dǎo)通，輸出端相當(dāng)于接地，輸出電壓為低電平。（詳見附件ST188.pdf）aST188. pdfDF2.2紅外光電傳感器 ST188

22、結(jié)構(gòu)圖9.42Oi0.52M弋廣方.54主視圖右視圖KA-W-K E內(nèi)部電路2.3傳感器的選擇在紅外探測(cè)法中，傳感器的選擇是非常重要的。市場(chǎng)上用于紅外探測(cè)法的器 件較多，可以利用反射式傳感器外接簡(jiǎn)單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 工作性能可靠的集成式紅外探頭。ST系列集成紅外探頭價(jià)格便宜、體積小、使 用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了 ST168反射傳感器作為 紅外光的發(fā)射和接收器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡(jiǎn)單。2.4傳感器的安裝ST168采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非 接觸式檢測(cè)方式。ST168的檢測(cè)距離很小，一般為815毫米，因?yàn)?毫米

23、以下 是它的檢測(cè)盲區(qū)，而大于15毫米則很容易受干擾。筆者經(jīng)過多次測(cè)試、比較, 發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測(cè)物表面 10毫米時(shí)，檢測(cè)效果最好。2.5使用方法I |r C根據(jù)光電特性，選取發(fā)射管的靜態(tài)電流為20mA典型的壓降為0.01.25V,如果供電電壓為5V,那么，此時(shí)在發(fā)射管上需要串聯(lián)電阻，電阻大小為R=(5-1.25 ) /0.02;即：R=187.5歐姆。取標(biāo)稱電阻，R=200,那么此時(shí)的電流小于20mA但是不影響結(jié)果。2.6如何提高循跡的可靠性傳感器的安裝，正確選擇檢測(cè)方法和傳感器件是決定循跡效果的重要因素,而正確的器件安裝方法也是循跡電路好壞的一個(gè)重要因素。從簡(jiǎn)單、方便、可靠等角度出發(fā)

24、，我門可以同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制, 這將大大提高其循跡的可靠性。循跡傳感器一般在一條直線上。X2與丫2為第二級(jí)方向控制傳感器,其中 X1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器, 并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持（如圖3中所示的行走軌跡黑線）在X1和丫1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，它的存在是考慮到小 車由于慣性過大會(huì)依舊偏離軌道，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，從而提高了小車 循跡的可

25、靠性。2.7紅外傳感器輸入輸出調(diào)試程序/*P0 口接上一排LED燈做指示用*/*現(xiàn)象:單片機(jī)能識(shí)別到傳感器信號(hào)，則對(duì)應(yīng)P0.5 P06 P0.7 口 LED閃爍否則只有P0.1 P02P0.3 閃爍。*/#i nclude reg52.h#defi ne uchar un sig ned charuchar coun t=0,LS=0,RS=0;sbit pwm_L=PIP; sbit pwm_R =P 1人1;sbit k1= PIA5；sbit k2=PIW;sbit k3=PIA7； uchar L2,M3,R4;sbit led仁 POX;sbit led2=卩0人2;sbit led3=卩0人3;sbit led4=P 0人5;sbit led5=POW;sbit led6=P 0人7;void delay(uchar k)uchar i;for(;k0;k-)for(i=0;