智能循跡小車報告

...wd......wd......wd...電子信息專業(yè)實驗報告課程電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗MCU局部實驗題目智能機器小車設(shè)計實驗總分學(xué)生姓名學(xué)號學(xué)生姓名學(xué)號學(xué)生姓名學(xué)號實驗時間地點分組電子信息學(xué)院專業(yè)實驗中心目錄一、摘要二、題目要求三、軟硬件設(shè)計方案四、各局部電路的作用及電路工作原理分析五、系統(tǒng)調(diào)試與實驗結(jié)果六、實驗結(jié)果七、拓展功能八、參考資料九、附錄一、摘要摘要:智能循跡小車主要由單片機模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊以及電源模塊組成，小車具有自主尋跡的功能。本次設(shè)計我們采用STC89C52單片機作為控制芯片，傳感器模塊采用紅外光電對管和比擬器實現(xiàn)，能夠識別黑白兩色路面，電機模塊由L293D芯片和兩個減速直流電機構(gòu)成，組成了智能車的動力系統(tǒng)，電源采用7.2V的直流電池，經(jīng)過系統(tǒng)組裝，從而實現(xiàn)了小車的自動循跡的功能。關(guān)鍵詞智能小車STC89C52單片機L293D芯片紅外光對管二、題目要求“智能尋跡機器小車設(shè)計〞，要求采用MCS-51單片機為控制芯片，設(shè)計出一個能夠識別并沿著以白底為道路色，寬度5mm左右的黑色膠帶制作的不規(guī)則的封閉曲線為引導(dǎo)軌跡行進的智能尋跡機器小車。三、軟硬件設(shè)計方案1、硬件局部可分為四個模塊：單片機模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊以及電源模塊。1.1、單片機模塊單片機模塊為小車運行的核心部件，起控制小車的所有運行狀態(tài)的作用。本次小車的設(shè)計我們小組采用的是ATMEL公司的STC89C52RC單片機。STC89C52RC是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。其程序和數(shù)據(jù)存儲是分開的。STC89C52RC單片機介紹：上圖為STC89C52RC引腳圖。STC89C52RC引腳功能說明：VCC〔40引腳〕：電源電壓VSS〔20引腳〕：接地P0端口〔P0.0～P0.7，39～32引腳〕：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負載，對端口P0寫入“1〞時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。此時，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在FlashROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。P1端口〔P1.0～P1.7，1～8引腳〕：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動〔吸收或者輸出電流方式〕4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。P2端口〔P2.0～P2.7，21～28引腳〕：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動〔吸收或輸出電流方式〕4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。P3端口〔P3.0～P3.7，10～17引腳〕：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動〔吸收或輸出電流方式〕4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。RST〔9引腳〕：復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊存放器AUXR〔地址8EH〕上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。30引腳：地址鎖存控制信號〔ALE〕是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳也用作編程輸入脈沖。29引腳：外部程序存儲器選通信號，當(dāng)AT89C51RC從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。31引腳：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，必須接GND。XTAL1〔19引腳〕：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2〔18引腳〕：振蕩器反相放大器的輸入端。1.2傳感器模塊我們小組使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外光電對管，其構(gòu)造簡明，實現(xiàn)方便，本錢低廉，沒有復(fù)雜的圖像處理工作，因此反響靈敏，響應(yīng)時間少。但也存在缺乏，它能獲取的信息是不完全的，容易受很多擾動〔如背景光源，高度等〕的影響，抗干擾能力較差。但本次實驗要求精度并不是太高，出于本錢和設(shè)計復(fù)雜度方面考慮，我們決定采用紅外對管來完成傳感器模塊。圖中僅以一對光電管例如1.3電機控制模塊我們本次實驗采用的是直流減速電機電機，其轉(zhuǎn)過的角度可以準確定位，可實現(xiàn)小車行進過程的準確定位，驅(qū)動局部我們則采用的是采用專用芯片L293D作為電機驅(qū)動芯片其操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。一片L293D就可以分別控制兩個步進電機工作。1.4電源模塊電源模塊的作用是給整個系統(tǒng)穩(wěn)定供電以保持其正常工作，包括7.2V的電源以及轉(zhuǎn)5V局部，其中7.2V的是給步進電機和其驅(qū)動供電，5V的用來驅(qū)動單片機及其他芯片。 硬件各個局部的連接圖如下：2、軟件局部2.1程序流程圖 本系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機，再根據(jù)硬件連接，通過相應(yīng)的軟件來完成對信號的采集和數(shù)據(jù)的分析，再控制小車的運行狀態(tài)，以下為主程序流程圖：2.2程序設(shè)計思路 2.2.1尋跡模塊程序 通過傳感器獲得路面信息然后反響給單片機，再通過單片機來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。 2.2.2電機驅(qū)動模塊程序 控制兩個直流電機，實現(xiàn)前進、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、停車等功能。各局部電路的作用及電路工作原理分析1、電機驅(qū)動模塊 1.1、電機工作原理 本次我們的小車動力局部采用的是直流減速電機，又叫齒輪減速電機，是在普通直流電機的根基上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。這大大提高了，直流電機在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機是指減速機和電機〔馬達〕的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達或齒輪電機。通常由專業(yè)的減速機生產(chǎn)廠進展集成組裝好后成套供貨。減速電機廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、機械行業(yè)等。使用減速電機的優(yōu)點是簡化設(shè)計、節(jié)省空間。 減速機局部：主要有齒輪，軸承，蝸輪，蝸桿等。 電機局部：定子：主磁極+換向極+機座+電刷裝置ifif直流電機工作原理：直流電機是智能車行進的動力部件，它的轉(zhuǎn)動是通過給它加載直流電壓來實現(xiàn)的，下面介紹它的工作原理。圖、圖、電磁力方向左手定則判定圖直流電機由定子、轉(zhuǎn)子和電刷組成。當(dāng)給電刷加一直流電壓，轉(zhuǎn)子上的繞組線圈中就有電流流過，由畢-薩電磁力定律可知：一個通電流的導(dǎo)體，在磁場中要受到力的作用，這個力叫電磁力。電磁力的大小由下式?jīng)Q定電磁力f=Bli電磁力方向由左手定則判定如圖4.1.1所示。根據(jù)畢-薩電磁力定律可知，當(dāng)磁密度和繞組線圈長度一定時，電磁力的大小只和流過繞組線圈的電流的大小有關(guān)圖4.1.2是直流電機分析物理模型圖，它表示了一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定局部〔定子〕由一對NS相對的永磁磁鐵和一對電刷組成，旋轉(zhuǎn)局部〔轉(zhuǎn)子〕則由電樞線圈繞組和一對相互隔離的圓弧形銅片做成的換向片組成，兩換向片分別接到電樞線圈繞組的A、B端，換向片與轉(zhuǎn)軸之間是互相絕緣的。定子與轉(zhuǎn)子之間要有一定的氣隙空間，流過轉(zhuǎn)子上電樞線圈繞組的電流由定子局部的電刷與換向片接觸導(dǎo)通來實現(xiàn)。當(dāng)電刷A與換向片A相接觸時如果我們通以正向電流，如圖4.2.2所示，電流從線圈繞組的A端流入，根據(jù)電磁力方圖4.1.2向左手定則可知會產(chǎn)生一個向左的切線方向的電磁力，使得轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到90°時，電刷A與換向片A脫離接觸而與換向片B接觸，同時電刷B也與換向片B脫離而與換向片A接觸，雖然電樞旋轉(zhuǎn)后電樞線圈繞組的位置發(fā)生了改變，但是由于換向片的作用，電流雖然是從電樞線圈繞組的B電流入，但是電流的方向沒有改變，根據(jù)電磁力方向左手定則，電磁力的方向依然是向左的切線方向，因此轉(zhuǎn)子在一直向左的電磁力的作用下就會不斷的逆時針旋轉(zhuǎn)。同理當(dāng)改變加載在換向片兩邊的電壓極性時，因為改變了流入電機繞組的電流方向，根據(jù)電磁力方向左手定則可知轉(zhuǎn)子會沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。如果加載在電機兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律流過電樞線圈繞組的電流就會增大，由畢-薩電磁力定律：電磁力f=Bli可知，當(dāng)磁場強度和導(dǎo)線長度一定時，電磁力只和流過電樞線圈的電流有關(guān)，電流越大電磁力越大，那么電機就轉(zhuǎn)得越快。現(xiàn)在除了有刷電機外還有無刷直流電機，無刷直流電機的原理和有刷的差不多，簡單地說就是把把定子和轉(zhuǎn)子換了一個位置，轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，電刷由永磁體擔(dān)任，換向片由霍爾元件和換成了電子換向器組成。1.2、驅(qū)動局部原理及電路圖L293D提供雙向驅(qū)動電流高達600毫安，電壓是從4.5V至36V的。兩個設(shè)備是專為驅(qū)動等感性負載繼電器，電磁閥，直流雙極步進和馬達，也可以給其他高電流/高電壓提供電源負載。兼容所有的TTL輸入，每個輸出都是推拉式驅(qū)動電路，與達林頓三極管和偽達林源。啟用1,2EN驅(qū)動器和3,4EN驅(qū)動器。當(dāng)使能輸入為高電平時，相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器被啟用和他們的輸出處于活動狀態(tài)，并在其輸入端的同相。當(dāng)使能輸入為低，這些驅(qū)動器被禁用其輸出關(guān)閉，在高阻抗狀態(tài)。工作溫度是從0℃到70℃。L293D引腳和驅(qū)動電路圖： L293D的輸入輸出局部原理圖如下：驅(qū)動和電機相連接的電路圖如下(左邊引腳分別于單片機相應(yīng)引腳相連)。2、信號采集模塊 智能小車在運行之后是不需要人來操控的，因此信號采集模塊是非常重要的，本系統(tǒng)采用的是紅外對管來采集路面信息，紅外發(fā)射管會定時的發(fā)射紅外光，當(dāng)前面路面是黑色時，大局部的光被吸收，紅外接收管接收到微弱的發(fā)射信號，反響給控制系統(tǒng)信號“1〞，當(dāng)前面的路面是白色時，大局部的光被反射，紅外接收管接收到較強的信號，反響給控制系統(tǒng)信號〞0〞，這樣就通過傳感器系統(tǒng)收集到了路面信息，接下來由信號處理系統(tǒng)來分析處理,從而判斷小車的運動情況。傳感器局部電路原理圖如下所示：紅外發(fā)射接收管的電路連接裝配圖：LM393雙電壓比擬器集成電路內(nèi)部原理圖：3、信號處理模塊 檢測到白色路面的紅外接收頭處理后送出的是低電平〔“0〞〕，而檢測到黑色路線的檢測頭送出的是高電平〔“1〞〕，由此可根據(jù)這2個紅外接收頭的上下電平判斷路線情況而調(diào)整小車前進方向。具體情況有如下幾種： a檢測到00小車直走 b檢測到10小車左轉(zhuǎn) c檢測到01小車右轉(zhuǎn) d檢測到11小車停頓主芯片的電路：USB轉(zhuǎn)串口電路：MAX232芯片是美信〔MAXIM〕公司專為RS-232標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。MAX232內(nèi)部原理圖：Usb轉(zhuǎn)串口電路連接圖可以直接實現(xiàn)單片機與電腦相連接，進展程序燒錄。五、系統(tǒng)調(diào)試1、硬件局部 焊接完成后，首先進展的調(diào)試是用數(shù)字萬用表測量各個電路是否焊接正常，是否有虛焊漏焊等現(xiàn)象的出現(xiàn)，以及各個電容是否是正常的未被擊穿狀態(tài)、電阻的阻值是否與設(shè)計的原理圖上的一致。接通電源，用數(shù)字萬用表測量當(dāng)有+5V的各引腳是否有+5V的電壓，測量電路中是否出現(xiàn)了不該有的短路現(xiàn)象。接入光電傳感器模塊，使各個光電檢測器的光電對管靠近白紙，觀察對應(yīng)的發(fā)光二極管是否發(fā)光，不發(fā)光表示正常。然后再使各個光電對管靠近黑線，觀察對應(yīng)的發(fā)光二級管是否發(fā)光，發(fā)光表示正常。硬件局部的原理圖見附錄一。2、軟件局部首先我們先測試了小車的前進，停頓，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。組裝信號采集模塊后，實現(xiàn)小車的自動循跡功能。軟件局部的程序代碼見附錄三。六、實驗結(jié)果 1、主要功能測試：小車可以在黑色軌跡上完成循跡任務(wù)。并且在轉(zhuǎn)彎時，前面的定位發(fā)光二極管可以模擬汽車的轉(zhuǎn)向。 2、其他功能測試：二極管的動態(tài)顯示，紅外遙控，防撞等功能將相應(yīng)程序燒入其中根本上都可以實現(xiàn)。七、拓展功能防止掉落地面功能：當(dāng)小車行駛到懸空的地方時，前面的紅外對管檢測不到信號就會停頓，防止小車掉落。八、參考資料《電子信息專業(yè)實驗教程》四川大學(xué)出版社《C語言程序設(shè)計與應(yīng)用》清華大學(xué)出版社《電路理論根基》科學(xué)出版社《模擬電子技術(shù)》清華大學(xué)出版社《數(shù)字電路設(shè)計》四川大學(xué)出版社九、附錄附錄一：總體電路原理圖：附錄二：主板和傳感器電路焊接裝配圖：附錄三：軟件局部程序代碼#include<REGX52.H>//包含51單片機相關(guān)的頭文件sbitLeftLed=P2^0;//定義前方左側(cè)指示燈端口sbitRightLed=P0^7;//定義前方右側(cè)指示燈端口sbitFontLled=P1^7;sbitLeftIR=P3^5;//定義前方左側(cè)紅外探頭端口sbitRightIR=P3^6;//定義前方右側(cè)紅外探頭端口sbitFontIR=P3^7;//定義前方正前方紅外探頭端口sbitM1A=P0^0;//定義左側(cè)電機驅(qū)動A端sbitM1B=P0^1;//定義左側(cè)電機驅(qū)動B端sbitM2A=P0^2;//定義右側(cè)電機驅(qū)動A端sbitM2B=P0^3;//定義右側(cè)電機驅(qū)動B端sbitB1=P0^4;//定義語音識識別傳感器端口sbitSB1=P0^6;//定義蜂鳴器端口voidtingzhi(){M1A=0;//將M1電機A端初始化為0M1B=0;//將M1電機B端初始化為0M2A=0;//將M2電機A端初始化為0M2B=0;//將M2電機B端初始化為0}voidqianjin(){M1A=1;M1B=0;M2A=1;M2B=0;}voidhoutui(){M1A=0;M1B=1;M2A=0;M2B=1;}voidzuozhuan(){M1A=0;M1B=1;M2A=1;M2B=0;}voidyouzhuan(){M1A=1;M1B=0;M2A=0;M2B=1;}voiddelay_nus(unsignedinti)//延時:i>=12,i的最小延時單12us{i=i/10;while(--i);}voiddelay_nms(unsignedintn)//延時nms{n=n+1;while(--n)delay_nus(900);//延時1ms,同時進展補償}voidControlCar(unsignedcharConType)//定義電機控制子程序{tingzhi();switch(ConType)//判斷用戶設(shè)定電機形式{case1://前進//判斷用戶是否選擇形式1{qianjin();break;}case2://后退//判斷用戶是否選擇形式2{houtui();//M2電機反轉(zhuǎn)break;}case3://左轉(zhuǎn)//判斷用戶是否選擇形式3{zuozhuan();//M2電機正轉(zhuǎn) 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