51小車軟件手冊.doc

51小車作為一種入門小車，其基本原理與飛思卡爾比賽的小車相似，共分為硬件和軟件兩個部分。其中軟件部分可分為傳感器數(shù)據(jù)采集，舵機控制，速度控制等，這里現(xiàn)在對51小車的軟件進行一個詳細的介紹1.程序思路概述：首先51單片機需要通過紅外傳感器監(jiān)測道路信息，然后將傳感器得到的數(shù)據(jù)進行轉換。最后將轉換后的數(shù)據(jù)通過某種控制算法，計算出舵機和電機的控制量，使小車能夠沿著跑道行駛。主體控制流程可以表示為如下圖形：2.程序算法2.1數(shù)據(jù)采集 小車傳感器為個紅外對管，經(jīng)過電壓比較器后，每個紅外對管都有和兩種狀態(tài)。因此，個紅外對管產生的數(shù)據(jù)剛好為個字節(jié)。因此程序有兩種方式將這位數(shù)據(jù)讀入：1、可以將/口數(shù)據(jù)當做一個字節(jié)，直接賦給一個字符變量；2、將8位數(shù)據(jù)按位讀取，分別賦給字符變量的每一位。我們的示例程序中采用的就是第二種方法。2.2數(shù)據(jù)處理 由于讀入的數(shù)據(jù)并不方便直接參與控制計算，因此先將該數(shù)據(jù)集分成類，分別對應于小車不同的位置信息，由-7+7表示，其中+7表示引導線位于小車最左側，0表示引導線位于小車中部，-7表示引導線位于小車最右側，8表示未檢測到引導線或其他錯誤情況。2.3控制算法上面的轉換后的數(shù)據(jù)可以作為控制計算的輸入，即小車與賽道的偏差信息。方向的控制算法可以采用位置型PD算法。 其中為比例環(huán)節(jié)，簡單的說就是根據(jù)當前小車與賽道的偏差直接進行控制，偏離多少就轉多少，偏離越多，舵機轉向越多。可以通過調節(jié)比例系數(shù)改變轉向的幅度。系數(shù)越大，轉向幅度越大，轉向越快。稱為微分環(huán)節(jié)，這里的微分信息指上面偏差信息的微分，可以簡單理解為小車偏離賽道的速率?？梢院唵蔚膶⒈敬蔚钠钚畔⑴c上一次偏差的差值算作微分項。微分項的控制方法是說，小車偏離跑道越快，方向就要轉的越多，反之則轉向越小。因此當小車逐漸靠近跑道時，微分項可以使小車偏轉量減小，使小車不至于偏向另一邊?？梢酝ㄟ^改變微分項的系數(shù)來改變這種調節(jié)作用的程度。一般來講，微分系數(shù)越大，小車對于彎道的響應就越靈敏，行駛時也更穩(wěn)定。由于小車在不同的位置時，可能需要不同的比例系數(shù)或微分系數(shù)，因此可以考慮在不同的情況下，采用不同的系數(shù)進行運算。示例程序中采用的就是這種方法。 速度控制也可以采用算法進行控制。為了使程序簡單化，示例程序中采用了勻速的控制方式。想要提高成績的同學可以自行加入速度控制程序.生成 由于51單片機沒有PWM模塊，因此需要通過通用I/O口進行模擬來輸出舵機和電機所需的PWM波。 可以分別使用一個定時器來作為一路PWM波的計時器。先將I/O口置位，通過高電平時間確定好定時器的初值，當定時器產生中斷時，再將I/O口清零，并設定低電平時間，由此循環(huán)即可產生PWM波。其中，高電平時間由上面的控制計算得出，低電平時間由PWM周期減去高電平時間得到。#include /包括一個52標準內核的頭文件#include /*定義數(shù)據(jù)類型（方便移植）*/typedef unsigned char UINT8;typedef char SINT8;typedef unsigned int UINT16;typedef int SINT16;/*/*定義布爾值（增強程序可讀性）*/#define HIGH_LEVEL 1#define LOW_LEVEL 0/*/*定義相關常數(shù)（移植于不同的小車時，需根據(jù)實際情況改變該常數(shù)*/#define SERVOMID 1270/舵機中值#define SERVOMOSTLEFT 1680/舵機左值#define SERVOMOSTRIGHT 870/舵機右值#define SERVO_PERIOD 20000/舵機PWM周期：20ms，晶振12M公式：計數(shù)值=定時時間*晶振/頻率/12，如20ms：計數(shù)值=0.02 s * 12 000 000 Hz/12 = 20000#define MOTOR_PERIOD 10000/電機PWM周期：10ms，晶振12M/*/*輸出口定義*/sbit SevorPort = P01; sbit MotorPort = P06; sbit P20 = P20;sbit P21 = P21;sbit P22 = P22;sbit P23 = P23;sbit P24 = P24;sbit P25 = P25;sbit P26 = P26;sbit P27 = P27;/*/*定義公共變量*/UINT8 KServoD=10;/舵機D參數(shù)UINT8 KServoP5=65,40,10,40,65;/舵機分段P參數(shù)UINT8 SampleData=0;/采樣數(shù)據(jù)SINT8 Offset=0;/當前賽道位置SINT8 LastOffset2=0;/上一次賽道位置UINT16 SevorPWM=0;/舵機PWM高電平時間UINT16 MotorPWM=0;/電機PWM高電平時間/*/*初始化函數(shù)*/void Init(void)TMOD=0x11;/定時器0，16位工作方式;定時器1，16位工作方式TR0=1;/啟動定時器0TR1=1;/啟動定時器1ET0=1;/打開定時器0中斷ET1=1;/打開定時器0中斷EA=1;/打開總中斷/*數(shù)據(jù)采樣函數(shù)*/void Sample(void)SampleData=0;if(P20=0)SampleData|=0x01;if(P22=0)SampleData|=0x02;if(P21=0)SampleData|=0x04;if(P23=0)SampleData|=0x08;if(P24=0)SampleData|=0x10;if(P26=0)SampleData|=0x20;if(P25=0)SampleData|=0x40;if(P27=0)SampleData|=0x80;/*確定賽道位置*/void ConfirmLocation(void)switch(SampleData)/根據(jù)采集到的值進行判斷case 0x80:Offset=7;break;/1000 0000最左邊1個光電傳感器檢測到黑線case 0xc0:Offset=6;break;/1100 0000最左邊2個光電傳感器檢測到黑線case 0x40:Offset=5;break;/0100 0000依次類推case 0x60:Offset=4;break;/0110 0000case 0x20:Offset=3;break;/0010 0000case 0x30:Offset=2;break;/0011 0000case 0x10:Offset=1;break;/0001 0000case 0x18:Offset=0;break;/0001 1000case 0x08:Offset=-1;break;/0000 1000case 0x0c:Offset=-2;break;/0000 1100case 0x04:Offset=-3;break;/0000 0100case 0x06:Offset=-4;break;/0000 0110case 0x02:Offset=-5;break;/0000 0010case 0x03:Offset=-6;break;/0000 0011case 0x01:Offset=-7;break;/0000 0001default:Offset=8;break;/其余情況包括跑道丟失于檢測錯誤/*賽道位置數(shù)據(jù)濾波（減少某次采樣錯誤對系統(tǒng)的干擾）*/void Filter(void)if (Offset=8)/濾除錯誤信號，沒有檢測到黑線（是需要保持上一次測量值的）Offset=LastOffset0;else if(abs(Offset-LastOffset0)5) /濾除尖峰信號Offset=LastOffset0; /*舵機控制函數(shù)*/void ServoCtrl(void)UINT8p=0,d=0;SINT16 PID=0;if(Offset=-7&Offset=-4&Offset=-1&Offset=2&Offset=5&OffsetSERVOMOSTLEFT)SevorPWM=SERVOMOSTLEFT;/限幅if(SevorPWMSERVOMOSTRIGHT)SevorPWM=SERVOMOSTRIGHT; /限幅/*舵機測試函數(shù)*/ServoTest()/ SevorPWM=SERVOMID;/測試舵機中值SevorPWM=SERVOMOSTLEFT;/測試舵機極左值/ SevorPWM=SERVOMOSTRIGHT;/測試舵機極右值/*速度控制函數(shù)*/void MotorCtrl(void)MotorPWM=3000;/*數(shù)據(jù)存儲函數(shù)*/void SaveData(void)static UINT8 TCnt2=0;if(TCnt2=20)LastOffset1=LastOffset0;TCnt2=0;TCnt2+;LastOffset0=Offset;/*主函數(shù)*/void main(void)Init();/初始化while (1)Sample();/采樣ConfirmLocation();/確認黑線位置Filter();/濾波ServoCtrl();/舵機控制/ServoTest();/舵機測試MotorCtrl();/電機控制SaveData();/*舵機定時器中斷函數(shù)*/void TC0Isr(void) interrupt 1static UINT8 TC20msFlag=LOW_LEVEL;/舵機輸出狀態(tài)標志UINT16 LowlvlTime=0;UINT16 HighlvlTime=0;if(TC20msFlag=HIGH_LEVEL)LowlvlTime=65535-(SERVO_PERIOD-SevorPWM);TH0=LowlvlTime/256;TL0=LowlvlTime%256;SevorPort=LOW_LEVEL;TC20msFlag=LOW_LEVEL;elseHighlvlTime=65535-SevorPWM;TH0=HighlvlTime/256;TL0=HighlvlTime%256;SevorPort=HIGH_LEVEL;TC20msFlag=HIGH_LEVEL;/*電機定時器中斷函數(shù)*/void TC1Isr(void) interrupt 3static UINT8 TC10msFlag=LOW_LEVEL;/舵機輸出狀態(tài)標志UINT16 LowlvlTime=0;UINT16 HighlvlTime=0;if(TC10msFlag=HIGH_LEVEL)Low