小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(路線)

PAGE1PAGE1武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院課程設(shè)計課程名稱單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計題目小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計（路線5）專業(yè)班級學(xué)號姓名成績指導(dǎo)教師夏婷2014年7月3日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：夏婷工作單位：信息工程系設(shè)計題目：小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計（路線5）初始條件：1、硬件設(shè)備：MCS-51單片機最小系統(tǒng)板、四個QTI傳感器、兩個舵機、兩個車輪、鋰電池、ISP下載線、面包板；2、軟件環(huán)境：KeilC51、progisp下載器。設(shè)計任務(wù)：（在規(guī)定的時間內(nèi)完成下列任務(wù)）1．完成硬件設(shè)計并連線，以MCS-51單片機為控制核心，根據(jù)4個QTI傳感器采集到的數(shù)據(jù)控制舵機的運轉(zhuǎn)，進而控制車輪的速度和方向，并畫出硬件原理圖和實驗連線圖；2．用C語言編程實現(xiàn)以下小車行駛線路（地圖見下頁）：起始點→黃點→A點,旋轉(zhuǎn)360度→中心點→起始點。時間安排：各時間段的任務(wù)可以交替進行時間設(shè)計內(nèi)容第一天介紹題目，實物演示、分任務(wù)、查找相關(guān)資料第二天進行需求分析，完成總體設(shè)計第三天硬件詳細(xì)設(shè)計，連接實驗電路，軟件詳細(xì)設(shè)計，編寫程序；第三天須提交硬件原理圖、實驗接線圖及程序流程圖的電子版第四天調(diào)試程序、測試系統(tǒng)、答辯；第五天答辯后完成設(shè)計報告。設(shè)計報告撰寫格式要求：（按提供的設(shè)計報告統(tǒng)一格式撰寫）設(shè)計報告應(yīng)包含以下內(nèi)容：①設(shè)計任務(wù)與要求②總體方案與說明③硬件原理圖與說明④實驗接線圖與說明⑤軟件主要模塊流程圖與說明⑥核心代碼與注釋⑦系統(tǒng)調(diào)式、問題分析與解決方案；⑧使用說明⑨小結(jié)與體會⑩參考文獻附錄：源程序（必須有簡單注釋）指導(dǎo)教師簽名：2014年6月30日教研室主任（或責(zé)任教師）簽名：2014年6月30日小車行駛線路地圖如下：起始點起始點目錄目錄第1章需求分析 11.1課程設(shè)計題目 11.2課程設(shè)計目的任務(wù)及內(nèi)容和要求 11.3軟硬件運行環(huán)境及開發(fā)工具 1第2章概要設(shè)計 22.1設(shè)計原理及實現(xiàn)方法 22.2主要芯片說明 42.2.1傳感器 42.2.2面包板 42.2.3單片機最小系統(tǒng)板 4第3章詳細(xì)設(shè)計 63.1硬件設(shè)計與實現(xiàn) 63.2系統(tǒng)主程序流程 63.3功能模塊詳細(xì)設(shè)計 83.3.1起始點到黃點路線模塊設(shè)計 83.3.2黃點到A點路線模塊設(shè)計 83.3.3A點到中心點路線模塊設(shè)計 93.3.4中心點到起點模塊設(shè)計 10第4章系統(tǒng)調(diào)試與操作說明 114.1系統(tǒng)調(diào)試 114.1.1直線調(diào)試 114.1.2達(dá)到A點旋轉(zhuǎn)360調(diào)試 114.2問題分析與解決 114.3操作說明 11第5章課程設(shè)計總結(jié)與體會 12參考文獻 12附錄 13步進電機控制程序： 13PAGE12需求分析1.1課程設(shè)計題目小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計（路線5）。1.2個人任務(wù)如下使用KeilC51編程軟件采用C語言編程實現(xiàn)小車從起始點→黃色點,旋轉(zhuǎn)135度這一模塊功能設(shè)計和總體調(diào)試，同時不斷修正小車的路線。1.3軟硬件運行環(huán)境及開發(fā)工具以MCS-51單片機為控制核心，根據(jù)4個QTI傳感器采集的數(shù)據(jù)控制舵機的運轉(zhuǎn)，Windowsxp操作系統(tǒng)PC機一臺。KeilC51編程軟件、progisp下載器、串口調(diào)試小助手等軟件。概要設(shè)計2.1設(shè)計原理及實現(xiàn)方法2.1.1舵機控制和驅(qū)動原理舵機常用的控制信號是一個周期為20毫秒左右，寬度為1毫秒到2毫秒的脈沖信號。當(dāng)舵機收到該信號后，會馬上激發(fā)出一個與之相同的，寬度為1.5毫秒的負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)的中位脈沖。之后二個脈沖在一個加法器中進行相加得到了所謂的差值脈沖。輸入信號脈沖如果寬于負(fù)向的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，得到的就是正的差值脈沖。如果輸入脈沖比標(biāo)準(zhǔn)脈沖窄，相加后得到的肯定是負(fù)的脈沖。此差值脈沖放大后就是驅(qū)動舵機正反轉(zhuǎn)動的動力信號。舵機電機的轉(zhuǎn)動，通過齒輪組減速后，同時驅(qū)動轉(zhuǎn)盤和標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動。直到標(biāo)準(zhǔn)脈沖與輸入脈沖寬度完全相同時，差值脈沖消失時才會停止轉(zhuǎn)動！2.1.2小車的軟硬件設(shè)計原理小車前面有4個qti感應(yīng)器來隨時采集數(shù)據(jù)，當(dāng)探測為黑線的時候，返回值為1，當(dāng)探測為白線的時候，返回值是0，只有當(dāng)中間兩個qti返回值全為1的時候，才走在黑線上，根據(jù)返回的狀態(tài)來控制小車舵機的速度。同時將整個過程分為四個子模塊來實現(xiàn)，分別為起點到黃點，黃點到A點，A點到中心點，中心點到起始點。在運動過程中還需設(shè)計旋轉(zhuǎn)135度和360度和90度的旋轉(zhuǎn)子模塊，當(dāng)小車偏離軌跡候后，需設(shè)計修正子模塊。最后為了使小車停到指定區(qū)域，還需編寫停止子模塊。2.1.3小車前進功能實現(xiàn)此模塊原理是向小車輸出若干個PWM波，波形的占空比可控制小車移動，通過時間寬度和延時產(chǎn)生信號，作用于電機，從而控制其運動。在本次設(shè)計中，向小車PWM波過程已經(jīng)被模塊化在頭文件中，即motion()函數(shù)中，通過對motion()函數(shù)的三個參數(shù)進行設(shè)置來實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)動從而控制小車前進。我們小組設(shè)計的前進參數(shù)是motor_motion(1470,1530,1)，其中1470表示左輪慢速前進，1530表示右輪慢速前進，1表示給的脈沖數(shù)即小車所走的步數(shù)。2.1.4小車旋轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)小車旋轉(zhuǎn)的原理是調(diào)整兩輪的移動方式、速度及移動步數(shù)。因?qū)嶋H情況所制，當(dāng)需旋轉(zhuǎn)360度時，若左右輪同時旋轉(zhuǎn)無法達(dá)到預(yù)期結(jié)果，因此，我們的解決方案是左右旋轉(zhuǎn)，右輪靜止不動，經(jīng)過多次調(diào)試測出旋轉(zhuǎn)所需的步數(shù)290，最終得出的結(jié)果為：motor_motion(1300,1500,290)，其中，1300表示左輪快速前進，1500表示右輪靜止不動，290表示小車所走的步數(shù);同樣的方法，當(dāng)需旋轉(zhuǎn)90度和135度時，經(jīng)過多次試測出旋轉(zhuǎn)所需的步數(shù)分別是55、83.5。2.2主要芯片說明2.2.1傳感器QTI（QuickTrackInfrared）傳感器是一種紅外傳感器，它利用光電接收管探測其所面對的表面反射光強度。當(dāng)QTI傳感器面對一個很暗的表面時，反射光強度很低；面對一個很亮的表面時，反射光的強度很高。因此不同強度的反射光導(dǎo)致傳感器輸出不同，即探測到不同顏色的物體輸出不同的電平信號。在本系統(tǒng)中所使用到的QTI傳感器他側(cè)刀黑色物體時輸出高電平，探測到白色物體時輸出低電平。2.2.2面包板面包板是由于板子上有很多小插孔，很像面包中的小孔，因此得名，專為電子電路的無焊接實驗設(shè)計制造的。由于各種電子元器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出，免去了焊接，節(jié)省了電路的組裝時間，而且元件可以重復(fù)使用，所以非常適合電子電路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練。2.2.3單片機最小系統(tǒng)板單片機最小系統(tǒng)是在以51單片機為基礎(chǔ)上擴展，使其能更方便的運用于測試系統(tǒng)中。它主要有電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示：圖2.1單片機最小系統(tǒng)電路圖詳細(xì)設(shè)計3.1硬件設(shè)計與實現(xiàn)小車是由多個硬件零件組裝而成，每個零件負(fù)責(zé)不同的功能，根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要實現(xiàn)的主要功能，來進行硬件設(shè)計。硬件設(shè)計原理圖如下：圖3.1硬件原理圖protues硬件設(shè)計接線圖如下：圖3.2接線圖畫法3.2系統(tǒng)主程序流程本系統(tǒng)設(shè)計了四個模塊，分別為起點到黃點，黃點到A點，A點到中心點，中心點到起始點四個路線模塊。通過對每個功能模塊的調(diào)用實現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。系統(tǒng)主流程圖如下：開始開始直線行駛左轉(zhuǎn)135度旋轉(zhuǎn)360度小車是否到達(dá)藍(lán)點？小車是否到達(dá)白點？直線行駛左轉(zhuǎn)90度小車是否到達(dá)中心點？直線行駛直線行駛，到達(dá)出發(fā)點結(jié)束NYNYNY圖3.3系統(tǒng)主程序流程圖3.3功能模塊詳細(xì)設(shè)計3.3.1起始點到黃點路線模塊設(shè)計起點到黃點，主要是從開始就前進，在前進過程中不停檢測傳感器傳過來的信號。通過判斷小車是否偏離路線后決定是否修正方向，如果檢測到0111信號，則旋轉(zhuǎn)135度。程序代碼如下：motor_motion(1300,1700,1);//沒有到黃點讓小車?yán)^續(xù)前進直到黃點if(p21_state()==0&&p22_state()==0&&p23_state()==0&&p24_state()==1)//如果4個qti返回信息為0001則說明小車行進到了黃點 {motor_motion(1300,1500,83.5);//如果走到黃點就不用再繼續(xù)前進，就該讓小車向右轉(zhuǎn)動135度角}3.3.2黃點到A點路線模塊設(shè)計黃點到A點，主要是從開始就前進，在前進過程中不停檢測傳感器傳過來的信號，通過判斷小車是否偏離路線后決定是否修正。如果檢測到0000信號，則旋轉(zhuǎn)360度。開始程序流程圖如下：開始向前行駛向前行駛修正是修正是偏移偏移否否向前行駛向前行駛否到達(dá)A點否到達(dá)A點是是旋轉(zhuǎn)360度旋轉(zhuǎn)360度圖3.4黃點到A點模塊流程圖3.3.3A點到中心點路線模塊設(shè)計A點到中心點，主要是從開始就前進，在前進過程中不停檢測傳感器傳過來的信號，通過判斷小車是否偏離路線后決定是否修正。當(dāng)?shù)谝淮螜z測到1111信號時，這表示已經(jīng)到達(dá)中心點，則旋轉(zhuǎn)90度。3.3.4中心點到起點模塊設(shè)計中心點到起點循跡過程中，不斷地通過傳感器檢測信號，進行路線修正。當(dāng)再次檢測到1111信號時，這表示已經(jīng)到達(dá)起點，則讓小車停止行駛。系統(tǒng)調(diào)試與操作說明4.1系統(tǒng)調(diào)試4.1.1直線調(diào)試主要是判斷小車是否能沿著黑線向前走，方法：讓程序只有函數(shù)motor_motion（1470,1530,1），其中1470表示左輪慢速前進，1530表示右輪慢速前進，1表示給的脈沖數(shù)即小車所走的步數(shù)。并燒寫到小車中，把小車放在一條黑線上，看它是否能一直在黑線上前進，若不能，再qti是否連接正確，直至小車能一直走在直線上。4.1.2達(dá)到黃點旋轉(zhuǎn)135度調(diào)試主要判斷小車能否到達(dá)黃點，并成功旋轉(zhuǎn)135度，方法：將自己模塊程序燒寫到小車中，放在一個白顏色的板子上面，觀察小車能否旋轉(zhuǎn)135度，注意看其角度是否正常，并多次修改脈沖數(shù)，直至能夠剛好旋轉(zhuǎn)135度。4.2問題分析與解決在系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們遇到了許多的問題。通過不斷分析這些問題和不斷重復(fù)調(diào)試最終都得到了很好的解決。下面列舉幾個突出的問題：問題：調(diào)試的時候，總是在旋轉(zhuǎn)360度的時候，脈沖給的數(shù)目不準(zhǔn)確，要么轉(zhuǎn)多了，要么沒轉(zhuǎn)夠。解決方案：解決方案：進過多次調(diào)試試驗，最后調(diào)試為102才剛剛差不多，然后再加上一個延時和沖出B點的函數(shù)，才解決這個問題。4.3操作說明在KeilC51中寫好的程序進行編譯生成.hex文件；通過ISP下載線和progisp軟件將已生成的.hex文件燒寫到單片機中；當(dāng)燒寫成功后，拔掉下載線，然后在已設(shè)定好的路徑上，擺正小車的位置；開小車上的開關(guān)，觀察小車是否按照預(yù)定的路徑進行行駛。課程設(shè)計總結(jié)與體會經(jīng)過為期一周的單片機課程設(shè)計，我頗有感觸。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，讓我們相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督，學(xué)會了合作。這次課設(shè)最大的收獲就是熟悉單片機的用途，這次的課程設(shè)計非常的有意思。也是我們第一次合作進行動手實驗。本次課程設(shè)計，老師要求我們每6個人為一組，分別進行小車行走的幾種路線。一開始，老師給我們講解了這次課程設(shè)計中的一些難點，這樣方便我們在做實驗的時候少走很多彎路。在老師講解完之后，我們就開始做起實驗，一開始按著步驟做，但是在測試中發(fā)現(xiàn)很多目的都不能達(dá)到，于是我們又回頭檢查錯誤，經(jīng)過多次檢查，我們發(fā)現(xiàn)實驗中很多器材有問題，這些壞器材讓我們浪費了大量的時間和精力。我們這次實驗里小車按要求是兩個車輪一個前進一個后退來達(dá)到原地旋轉(zhuǎn)360度的目的，但是在實驗過程中，我們組用的小車不能進行這種行為，于是我們只能選擇單輪旋轉(zhuǎn)，使其達(dá)到旋轉(zhuǎn)360度的目的，但途中又發(fā)現(xiàn)一次脈沖只能使小車旋轉(zhuǎn)320度左右，脈沖一旦過大，小車就停止運動，最后我們又添加了一次脈沖，使其達(dá)到旋轉(zhuǎn)360度的目的。這次課程設(shè)計教會我們?nèi)绾瓮瓿蓤F隊任務(wù)，合理分配任務(wù)。讓我們學(xué)會了相互合作，相互學(xué)習(xí)。參考文獻[1]蔡美琴，MCS—51系列單片機系統(tǒng)及其應(yīng)用（第二版），高等教育出版社,2004[2]李華，MCS一51系列單片機實用接口技術(shù)，北京：航空航天大學(xué)出版社，2003[3]蔡方凱，單片機原理及基于單片機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，北京：中國水利水電出版社，2007設(shè)計者：夏衡日期：2014年7月3日附錄步進電機控制程序：#include<reg52.h>#include"Global.h"#include"delay.h"#include"qti.h"#include"motion.h"#include<stdio.h>main(){ //主要是完成黃點旋轉(zhuǎn)135度，白點旋轉(zhuǎn)360度，中心點旋轉(zhuǎn)90度while(1){motor_motion(1470,1530,1);//直走if((P22_state()&&(!P23_state()))||(P21_state()&&(!P22_state())&&(!P23_state())&&(!P24_state()))){motor_motion(1470,1700,1);//左轉(zhuǎn)修正}if(((!P22_state())&&P23_state())||((!P21_state())&&(!P22_state())&&(!P23_state())&&P24_state())){motor_motion(1300,1550,1);//右轉(zhuǎn)修正}//黃點點旋轉(zhuǎn)135度if((!P21_state())&&(!P22_state())&&(!P23_state())&&(!P24_state())) { motor_motion(1300,1500,255);motor_motion(1300,1500,35);motor_motion(1300,1700,10); } //白點旋轉(zhuǎn)360度if((!P21_state())&&(P22_state())&&(P23_state())&&(P24_state())) { motor_motion(1300,1500,120); } //中心點旋轉(zhuǎn)90度后，跳出循環(huán)，以便停