自動(dòng)循跡機(jī)器人(附有程序)

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽自動(dòng)循跡小車(chē)摘要摘要：本設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)檢測(cè)模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。信號(hào)檢測(cè)模塊采用LCD1314電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通過(guò)IIC總線與從機(jī)通信從而實(shí)現(xiàn)循跡和檢測(cè)硬幣。主控電路采用MC9S12SX128單片機(jī)為控制芯片。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。信號(hào)檢測(cè)模塊將采集到的路況信號(hào)發(fā)送給MC9S12SX128單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理過(guò)后對(duì)L298N發(fā)出指令進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。單片機(jī)通過(guò)輸出PWM波和對(duì)LDC1314采集的信息進(jìn)行處理，來(lái)控制小車(chē)的速度及轉(zhuǎn)向并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的功能。關(guān)鍵詞：智能小車(chē)，MC9S12SX128，L298NIIC總線ldc1314目錄TOC\o"1-3"\h\u一、系統(tǒng)方案論證 41．系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 42．方案論證比較 4(1)微控制器模塊 4(2)電機(jī)模塊 4(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 4(4)顯示模塊 5(5)電源模塊 5二、測(cè)控方法分析 51．控制算法分析 52．運(yùn)動(dòng)控制分析 6三、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 71．系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 72．電路設(shè)計(jì) 7四、系統(tǒng)測(cè)試與分析 81．測(cè)試方案 82．測(cè)試條件與儀器 83.測(cè)試結(jié)果 8(1)基本一測(cè)試 8(2)基本二測(cè)試 8(3)基本三測(cè)試 8五、測(cè)試分析與結(jié)論 9參考文獻(xiàn) 9附錄1：部分源程序 10自動(dòng)循跡小車(chē)（C題）【本科組】一、系統(tǒng)方案論證1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以MC9S12XS128單片機(jī)為主控器，以5110顯示屏、L298N驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、時(shí)間、距離顯示、驅(qū)動(dòng)等功能。使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，通過(guò)速度編碼器檢測(cè)并讀出車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)觸摸按鍵選擇系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速模式，實(shí)現(xiàn)不同速度的調(diào)節(jié)。2．方案論證比較(1)微控制器模塊方案一：MC9S12XS128單片機(jī)飛思卡爾官方函數(shù)庫(kù)應(yīng)用簡(jiǎn)便，開(kāi)發(fā)周期短，速度和功耗方面優(yōu)勢(shì)明顯。方案二：51單片機(jī)指令集簡(jiǎn)便，超低功耗，熟練使用開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。綜合以上兩種方案，選擇方案一。(2)電機(jī)模塊方案一：采用納英特直流電機(jī)。納英特直流電機(jī)摩擦力大，有利于小車(chē)的抓地性，轉(zhuǎn)速大，扭矩大，速度控制準(zhǔn)確，適應(yīng)于長(zhǎng)距離的比賽路程。方案二：直流齒輪電機(jī)（TT電機(jī)）。轉(zhuǎn)速快，轉(zhuǎn)矩小，易于控制，電機(jī)使能端易于接線。綜合以上兩種方案，選擇方案一。(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：使用L298N電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片工作電壓高，輸出瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流2A，額定工作頻率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓電流全橋式驅(qū)動(dòng)器可以很好的控制本系統(tǒng)中的直流伺服電機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，控制直流電機(jī)更加簡(jiǎn)單容易。方案二：采用TI公司DRV8313PWPR電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。DRV8313PWPR芯片內(nèi)部集成了細(xì)分、電流調(diào)節(jié)、CMOS功率放大等電路，配合簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)電路。綜合以上兩種方案，本設(shè)計(jì)采用方案二。(4)顯示模塊方案一：采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示信息量小且不能顯示漢字信息，占用較多的單片機(jī)IO口外圍電路也比較復(fù)雜。不能夠形象直觀的提示信息。方案二：使用TFT彩色液晶模塊,亮度好，對(duì)比度高，層次感強(qiáng)，顏色鮮艷，性?xún)r(jià)比高?？梢詫?shí)現(xiàn)人機(jī)交換，從而把反饋信息給單片機(jī)，但是程序控制不易實(shí)現(xiàn)。方案三：使用5110諾基亞顯示屏，5110程序控制原理簡(jiǎn)單易懂，而且平時(shí)常用，故本設(shè)計(jì)采用方案三。(5)電源模塊本系統(tǒng)功率較大，由12v30A開(kāi)關(guān)電源提供動(dòng)力，然而單片機(jī)和傳感器的供電為5v和3.3v。因此需要轉(zhuǎn)壓芯片把電壓轉(zhuǎn)到合適范圍，系統(tǒng)才能正常運(yùn)作。我們采用L7805芯片穩(wěn)壓到5v，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。穩(wěn)壓到3.3v我們采用AMS117芯片。AMS1117片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到1.5%的誤差以?xún)?nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。二、測(cè)控方法分析1．控制算法分析自動(dòng)循跡小車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的快速、非線性、多變量、自然不穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)。本系統(tǒng)不易獲得精確數(shù)學(xué)模型，具有滯后性，模糊算法使得系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。由于LDC1314電感傳感器是4通道傳感器。首先，把4個(gè)采集的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成為適于程序運(yùn)算的數(shù)字量，然后將這些量在控制程序上中加以運(yùn)算,最后再將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為精確量,以便對(duì)各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制。根據(jù)實(shí)時(shí)采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出pwm信號(hào)，對(duì)輸出不斷的修正，使偏差越來(lái)越小，最終確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。計(jì)算pwm信號(hào)時(shí)，需要根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出對(duì)應(yīng)電壓的數(shù)字量從而對(duì)電機(jī)實(shí)行精準(zhǔn)的控制。給定值PWM占空比速度判斷控制規(guī)則AD量化 輸出PWM占空比速度判斷控制規(guī)則AD量化＋圖1系統(tǒng)流程圖當(dāng)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時(shí)，還要用到PID算法，PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t）與輸出u(t）的關(guān)系為2．運(yùn)動(dòng)控制分析采集偏差的實(shí)現(xiàn)：給電機(jī)一個(gè)初速度，使直流電機(jī)來(lái)回校正，通過(guò)PID算法進(jìn)行線性校正。速度控制的實(shí)現(xiàn)：由于轉(zhuǎn)速大小可調(diào)，我們?cè)谟|摸按鍵實(shí)現(xiàn)速度設(shè)置通過(guò)PID算法，實(shí)現(xiàn)不同的pwm輸出，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速。巡線的實(shí)現(xiàn)：通過(guò)ldc1314電感傳感器在檢測(cè)路線時(shí)，檢測(cè)到鐵絲與檢測(cè)不到鐵絲時(shí)返回的電壓值不同，取兩者中間值，從而判斷出是否偏離鐵絲，從而進(jìn)行有效的調(diào)整。檢測(cè)硬幣的實(shí)現(xiàn)：通過(guò)ldc1314電感傳感器在檢測(cè)路線時(shí)，檢測(cè)到硬幣與檢測(cè)不到硬幣時(shí)返回的電壓值不同，判斷出是否有硬幣，若有硬幣，則蜂鳴器置高電平，發(fā)出聲音提示。三、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)以MC9S12XS128為控制器，通過(guò)LDC1314模塊檢測(cè)細(xì)鐵絲和硬幣，把檢測(cè)的信息傳輸給單片機(jī)生成相應(yīng)信號(hào)，控制小車(chē)的運(yùn)行，以此完成小車(chē)的循跡、檢測(cè)硬幣功能。另外，通過(guò)測(cè)速傳感器檢測(cè)擺桿的小車(chē)的速度并記錄時(shí)間，在5110液晶時(shí)暗示其上進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。系統(tǒng)的總體框圖如下。2．電路設(shè)計(jì)圖3L298N驅(qū)動(dòng)電路圖該電路單元含有鎖存器單元，用于暫時(shí)鎖存單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，含有電容模塊，用于濾波。內(nèi)核有四個(gè)輸入端IN1、IN2、IN3、IN4，四個(gè)輸出端OUT、OUT2、OUT3、OUT4，電源，地，外加兩路使能端EN1、EN2。圖4LDC1314電路圖該芯片含有四路共八個(gè)輸入端IN0A、IN0B、IN1A、IN1B、IN2A、IN2B、IN3A、IN3B，一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端為單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，外部時(shí)鐘輸入端，SDA、SCL時(shí)鐘、數(shù)據(jù)發(fā)送端，一個(gè)數(shù)據(jù)輸出。四、系統(tǒng)測(cè)試與分析1．測(cè)試方案通過(guò)秒表和米尺對(duì)小車(chē)運(yùn)行的時(shí)間和距離進(jìn)行測(cè)量，判斷是否達(dá)符合要求。2．測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：與同伴檢查多次，硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊，小車(chē)尺寸未超過(guò)比賽規(guī)定。測(cè)試儀器：米尺、秒表、5110液晶顯示器等。3.測(cè)試結(jié)果(1)基本一測(cè)試圈數(shù)（圈）時(shí)間（S）越出次數(shù)第一次23310第二次23350第三次23290(2)基本二測(cè)試圈數(shù)（圈）運(yùn)行距離（cm）誤差（cm）運(yùn)行時(shí)間（S）第一次2154121331第二次2151010328第三次2153313330(3)基本三測(cè)試圈數(shù)（圈）硬幣個(gè)數(shù)（個(gè)）實(shí)際檢測(cè)（個(gè)）誤差2880287128712880五、測(cè)試分析與結(jié)論測(cè)速傳感器20個(gè)脈沖為一個(gè)周期，將小測(cè)輪子輪子的周長(zhǎng)分成20份。通過(guò)記錄一個(gè)周期的時(shí)間和測(cè)量輪子的周長(zhǎng)，利用v=s/t既可以測(cè)的小車(chē)的速度。MC9S12XS128的16位定時(shí)器的時(shí)鐘由2個(gè)可選的微時(shí)間基準(zhǔn)提供，通過(guò)公式：時(shí)間=（PITMTLD+1）*(PITLD+1)/f便可以得到小車(chē)的運(yùn)行時(shí)間。通過(guò)程序的編寫(xiě)就可以將小車(chē)的運(yùn)行時(shí)間、速度、距離等數(shù)據(jù)展示出來(lái)。利用LDC1314模塊可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的循跡以及對(duì)硬幣的檢測(cè)。參考文獻(xiàn)1.宏晶科技，《STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊(cè)》，2011年9月8號(hào)更新版本2.求是科技，《單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航（第2版）》，人民郵電出版社，2008年7月出版3.李全利，《單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)》，高等教育出版社，2009年1月出版4.丁明亮，《51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真-基于keilC與Proteus》,北京航空航天大學(xué)出版社，2009年2月出版5.張?chǎng)?《單片機(jī)原理及應(yīng)用（第2版）》，電子工業(yè)出版社，2010年出版6.張毅剛,《單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)》，電子工業(yè)出版社，2008年出版7.何立民,《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)》，北京航空航天大學(xué)出版社，2001年出版附錄1：部分源程序voidpwm_init(void){PWME=0x00;//禁止PWM輸出PWMCLK=0xff;//SA作為01,45通道時(shí)鐘源SB作為23,67通道時(shí)鐘源PWMPOL=0xff;//周期脈沖開(kāi)始時(shí)輸出高電平PWMCAE=0x00;//波形為左對(duì)齊PWMCTL_CON01=1;//01級(jí)聯(lián)PWMCTL_CON23=1;//23級(jí)聯(lián)PWMCTL_CON45=1;//45級(jí)聯(lián)PWMCTL_CON67=1;//67級(jí)聯(lián)PWMPRCLK=0x43;//A為8分頻B為16分頻PWMSCLA=3;PWMSCLB=15;//SB的分頻因子為15SB=B/(2*SCLB)=1000000PWMPER01=102;//通道0110KHzPWMPER45=100;//通道4510kHzPWMDTY01=0;PWMDTY23=0;//大舵機(jī)75190PWMDTY45=0;PWMDTY67=0;//小舵機(jī)78150PWMCNT01=0;//計(jì)數(shù)器清零PWMCNT23=0;PWMCNT45=0;PWMCNT67=0;PWME=0xff;//啟動(dòng)PWM輸出}voidmotor(intleft,intright)//電機(jī)控制{if(left>=0)//前進(jìn){PTS_PTS5=0;PTS_PTS4=1;//DIR1PWMDTY45=left;//PWM1}else