(精品論文)尋跡小車 論文

智能尋跡小車摘要：本系統(tǒng)基于AT89S52單片機(jī)的小車尋跡系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩組高靈敏度的紅外反射式光電傳感器，對(duì)路面的黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，并利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，并以最短時(shí)間完成尋跡。采用一定的算法使得小車在直到上加速行駛，在彎道上可以實(shí)現(xiàn)減速轉(zhuǎn)彎，因此，本系統(tǒng)由紅外光電傳感器，單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元共同作用，保證小車能在預(yù)先設(shè)定的軌跡上行駛。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 尋跡 傳感器 本設(shè)計(jì)的主要特色：1. 自制的三輪結(jié)構(gòu)小車，采用PWM調(diào)速。2. 采用直流穩(wěn)壓整流電路，能夠提供持久穩(wěn)定的電路，可使小車在不斷行駛過程中更換電源。 3. 采用紅外發(fā)射傳感器接收對(duì)黑線標(biāo)志進(jìn)行識(shí)別，具有高精度和高靈敏度。，1.系統(tǒng)的基本原理與方案；1.1系統(tǒng)基本原理分析 系統(tǒng)可以分為幾個(gè)基本功能模塊，如圖1-1STC 8 9 S5 2光電傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片系統(tǒng)電源兩組電機(jī) 圖 1-1 對(duì)各功能模塊的設(shè)計(jì)，分別有以下不同的設(shè)計(jì)方案；1.2傳感器選擇方案； 方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收； 發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到黑帶時(shí)，光線被黑帶吸收，光敏二極管為檢測(cè)到信號(hào)。呈高阻抗，使輸出端為低電平。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到地面時(shí)，它發(fā)出的可見光反射回來被光敏二極管檢測(cè)到，其阻抗迅速降低，此時(shí)輸出端為高電平。但是由于光敏二極管受環(huán)境中可見光影響較大，電路的穩(wěn)定性很差。 方案二： 采用反射式紅外光電傳感器。 用ST198A型反射式紅外對(duì)管組成的路徑識(shí)別傳感器模塊，檢測(cè)距離和靈敏度均能達(dá)到系統(tǒng)要求，該器件具有如下特點(diǎn)：當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平，該光電對(duì)管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用反射行光電傳感器，型號(hào)為 ST198A 。1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇方案方案一：采用分立元件的H橋驅(qū)動(dòng)電路。方案二：采用集成的H橋驅(qū)動(dòng)電路芯片。由于集成的H橋驅(qū)動(dòng)電路芯片體積小，穩(wěn)定性高，因此選用集成的驅(qū)動(dòng)電路芯片作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，型號(hào)為L298N。 1.4電機(jī)方案選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是具有快速啟停能力可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。工作電壓可達(dá)到36V，4A?？赏瑫r(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。適合應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)計(jì)及智能小車的設(shè)計(jì)中，如果符合不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)的啟功或者反轉(zhuǎn)。調(diào)速方式：直流電動(dòng)機(jī)采用PWM信號(hào)平滑調(diào)速。方案二;采用普通直流電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動(dòng)，制動(dòng)，和反轉(zhuǎn)，能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求。綜上所訴，我們選擇步進(jìn)電機(jī)。1.5電源方案選擇 方案一：直接使用AA干電池進(jìn)行供電它的結(jié)構(gòu)十分簡單，但是供電能力差，不易長時(shí)間供電。方案二;使用9V干電池配合直流穩(wěn)壓整流電路輸入端口接9V的干電池，經(jīng)電容濾波和L7805穩(wěn)壓后輸出約5v電壓?？杀ＷC長時(shí)間穩(wěn)定的輸出電壓。這樣可以提供持久穩(wěn)定的電流，穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電?？紤]到系統(tǒng)穩(wěn)定工作的要求，所以選擇方案二：1.6設(shè)計(jì)總體要求自動(dòng)尋跡小車是以單片機(jī)為控制核心的一階閉環(huán)控制系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，在一張白紙上用黑色膠紙制定出小車預(yù)先設(shè)計(jì)的運(yùn)行軌跡，小車尋跡場地的黑白兩種顏色，發(fā)射管發(fā)出同樣的光強(qiáng)，接收管接收到的光強(qiáng)不同，因此輸出的電壓值不同，給定一個(gè)基準(zhǔn)電壓，通過對(duì)不同輸出電壓值進(jìn)行比較，則電路的輸出為高低電平，當(dāng)檢測(cè)到黑白線時(shí)分別輸出高低電平，當(dāng)光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)度不同，獲得傳感器傳回來的路徑信息，控制小車的轉(zhuǎn)向及其方向，尋跡小車可以沿著黑線行走。 硬件設(shè)計(jì)2.基本電路設(shè)計(jì)與傳感器，驅(qū)動(dòng)器等的應(yīng)用說明基本電路模塊連接圖1-2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路模塊檢測(cè)電路模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊 圖 1-22.1.檢測(cè)電路模塊黑線檢測(cè)傳感器電路圖見附錄圖2-1由于有4個(gè)紅外傳感器排成一排均勻的安裝在小車底部，當(dāng)光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)度判斷是否眼黑線前進(jìn)。在一般情況下，當(dāng)黑線位于中間的兩個(gè)紅外傳感器之間，不管小車偏向哪一邊，都能檢測(cè)出小車的偏移方向?；蛘弋?dāng)小車偏向左邊時(shí)，右邊的傳感器檢測(cè)到黑線，輸出低電平給電機(jī)，否則，輸出高電平。2.2顯示鳴笛電路模塊電路圖見附錄圖2-2在小車到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，蜂鳴器鳴笛。2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊本設(shè)計(jì)采用L298N橋芯片。電路圖見2.3在設(shè)計(jì)中采用PWM驅(qū)動(dòng)方式加上H橋驅(qū)動(dòng)電路的方法，H橋電路可是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，是一種廣泛采用的PWM調(diào)試技術(shù)，作用是控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。2.4電機(jī)動(dòng)力電路應(yīng)用說明 基本思路為使能端輸入使能信號(hào)，即接高電平，控制輸入端A端輸入PWM 信號(hào)，控制輸出端B輸入方向信號(hào)，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)只承受單極性的電壓，電機(jī)的選擇方向由控制信號(hào)決定，電機(jī)的速度由PWM決定，PWM占空比為0%-100%對(duì)應(yīng)于電機(jī)轉(zhuǎn)速0-MAX。因此，當(dāng)接收到由檢測(cè)模塊的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)處理該信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM 波，從而可以根據(jù)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向。2.5電源電路模塊本系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電路，電路圖見附錄圖2.5輸入端接9V的干電池，經(jīng)電容濾波和L7805穩(wěn)壓后輸出余額5V電壓?？梢员ＷC長時(shí)間穩(wěn)定的輸出電壓。2.6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路模塊本系統(tǒng)采用AT89S52的單片機(jī)，電路圖見附錄圖2.6作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心接收檢測(cè)信號(hào)及輸出PWM波，及相關(guān)數(shù)據(jù)。 軟件設(shè)計(jì)3.1 程序設(shè)計(jì)總體思路小車通過紅外傳感器獲得路徑信息。通過AT89S52進(jìn)行判斷小車所處的狀態(tài)，通過控制H橋驅(qū)動(dòng)芯片來控制電機(jī)加速或減速及轉(zhuǎn)向進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，小車的速度通過PWM控制進(jìn)行調(diào)速，小車轉(zhuǎn)彎的力度通過PWM控制。3.2小車狀態(tài)定義，小車通過兩組傳感器獲得信息，因此可將小車分成5種狀態(tài)，不同的狀態(tài)下，小車有不同的動(dòng)作。 3.2.1黑線正中狀態(tài) 傳感器 黑線 黑線處在中間位置時(shí)，中間兩個(gè)傳感器都能檢測(cè)到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時(shí)，小車方向不變，如果小車沒有達(dá)到最大速度則逐漸加速到最大速度。3.2.2黑線偏左狀態(tài) 只有左傳感器檢測(cè)到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時(shí)，小車必須保證能尋找黑線而必須減速，并且小車略微左轉(zhuǎn)。3.2.3黑線偏右狀態(tài) 傳感器 黑線 只有右傳感器檢測(cè)到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時(shí)，小車必須保證能尋找到黑線而必須減速，并且小車略微右轉(zhuǎn)。3.2.4避免左邊有傳感器壞掉，或防止左邊有一個(gè)傳感器檢測(cè)不到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時(shí)，小車必須保證能尋找黑線而必須減速，并且小車盡最大可能向左轉(zhuǎn)。3.2.5避免右邊有傳感器壞掉，或者右邊防止一個(gè)傳感器檢測(cè)不到黑線，所以右傳感器檢測(cè)到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時(shí)，小車必須保證能尋找到黑線而必須減速，并且小車盡最大可能向右轉(zhuǎn)。3.3程序主函數(shù)流程圖小車初始化函數(shù)開始獲得小車狀態(tài)函數(shù)根據(jù)得到的狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)小車的速度 圖 程序主函數(shù)流程圖4總結(jié) 通過各種方案的討論和嘗試，在經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能比較流暢的沿著黑線運(yùn)動(dòng)，小車在直道上可以加速行駛，在彎道上又可以減速轉(zhuǎn)彎，如果增加傳感器的個(gè)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更為精確的黑線識(shí)別。使得小車跑得更快更穩(wěn)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】 王秋爽，曾兆龍 單片機(jī)開發(fā)基礎(chǔ)與經(jīng)典設(shè)計(jì)實(shí)例 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2008年3月第一版【2】華成英 童詩白 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第四版 高等教育出版社【3】吳錘紅 MCS-51微機(jī)原理與接口技