【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）智能循跡小車-計(jì)算機(jī)技術(shù)

目 錄 目 錄 . 0 摘 要： . 1 . 2 務(wù) . 2 . 2 車循跡原理 . 2 制系統(tǒng)總體 設(shè)計(jì) . 2 . 3 跡傳感器模塊 . 3 外傳感器 介 . 3 較器 介 . 4 體電路 . 4 感器安裝 . 5 制器模塊 . 6 源模塊 . 6 機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 . 7 機(jī) . 7 動(dòng) . 8 動(dòng)循跡小車總體設(shè)計(jì) . 9 體電 路圖 . 9 統(tǒng)總體說明 . 11 . 11 制 . 11 體軟件流程圖 . 12 車循跡流程圖 . 12 斷程序流程圖 . 13 片機(jī)測序 . 14 5 參考資料 . 17 自動(dòng)循跡小車 1 智能 循跡小車 摘 要 ： 本設(shè)計(jì)是 一種基于 單片機(jī)控制的簡易自動(dòng)尋跡小車 系統(tǒng) ，包括小車系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件設(shè)計(jì)方法 。 小車以 控制核心 , 用單片機(jī) 產(chǎn)生 ， 控制小車速度 。 利用紅外光電傳感器對路面 黑色軌跡進(jìn)行檢測 ,并將路面檢測信號反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對采集到的 信號予以分析判斷 ,及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向 ,從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛 ,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 光電傳感器 直流電機(jī) 自動(dòng)循跡小車 is a of a SC of of as of in WM CU to By to of t to SC of t he 動(dòng)循跡小車 2 務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)基于直流電機(jī)的自動(dòng)尋跡小車， 使小車能夠自動(dòng)檢測 地面黑色軌跡 ，并沿著黑色 車軌跡 行駛 。 系統(tǒng)方案方框圖如圖 1示。 圖 1統(tǒng)方案方框圖 車循跡原理 這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走， 由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”。 通常采取的方法是紅外探測法。 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏 色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限， 制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 自動(dòng)循跡小車 控制系統(tǒng)由主控制電路模塊 、 穩(wěn)壓電源 模塊 、 紅外 檢測模塊 、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成 ,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2示 。 檢測（黑線） 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 軟件控制 控制小車 自動(dòng)循跡小車 3 1、 主控制電路模塊 ：用 片機(jī)、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路 2、 紅外 檢測模塊 ： 光電 傳感器 較器 、 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 :電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 個(gè)直流電機(jī) 4、 電源 模塊： 雙路開關(guān)電源 跡傳感器模塊 個(gè)系列的傳感器種類齊全、價(jià)格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。 我們采用 在黑線檢測的測試中 ， 若檢測到白色區(qū)域 ， 發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到接收管，測量接收管的電壓為 4 8V ，若檢 測到黑色區(qū)域 ， 接收管接受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線 ， 電阻發(fā)生變化 ， 所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化 ， 測的接收管的電壓為 0 5V， 測試基本滿足要求。 判斷有無黑線我們用的一塊比較器 比較基準(zhǔn)電壓由 30 各個(gè)接收管的參數(shù)都不一致 ， 每個(gè)傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡相同 ， 我們?yōu)槊總€(gè)傳感器配備了一個(gè)變阻器 。 外傳感器 介 含一個(gè)反射模塊（發(fā)光二極管）和一個(gè)接收模塊（光敏三極管）。通過發(fā)射紅外信號，看接收信號變化判斷檢測物體狀態(tài)的變化。 A、 、 二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻） 穩(wěn)壓電 源模塊 主控芯片 298 減速電機(jī) 光電傳感器 電壓比較器 圖 2制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 自動(dòng)循跡小車 4 圖 3 圖 3較器 介 用 14腳雙列直插塑料封裝。 內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源 3 30V，或正負(fù)雙電源 1 5V 15V 工作。 在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的高低，以電平高低判定黑線有無。在電路中， 過改變滑 動(dòng) 變 阻器 的阻 值來提供合適的比較電壓。 圖 3部電路 圖 3集成運(yùn)放的管腳圖 體電路 通過 出接收到的信號給 接收電壓與比較電壓比較后，輸出信號變?yōu)楦叩碗娖?，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測到黑線。 自動(dòng)循跡小車 5 圖 3傳感器模塊電路圖 感器安裝 在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè) 4個(gè)紅外探測頭，進(jìn)行兩級方向糾正控制，提 高其循跡的可靠性。這 4個(gè)紅外探頭的具體位置如圖 3 圖 3感器安裝圖 圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中 1為第一級方向控制傳感器，2為第二級方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持 (如圖 3在 1這兩個(gè)第一級傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正 。 若小車回到了軌道上，即 4個(gè)探測器都只檢測到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個(gè)探測器的探測范圍，自動(dòng)循跡小車 6 這時(shí)第二級 探測器 動(dòng)作，再次對小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級方向探測器實(shí)際是第一級的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。 制器模塊 采用 司的 片機(jī)作為主控制器。它是一個(gè)低功耗，高性能的 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 32k 空間的可反復(fù)擦寫 100,000 次 讀存儲(chǔ)器，具有 4K 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 32 個(gè) I/O 口， 2 個(gè) 8 位可編程定時(shí) 計(jì)數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 如圖 3單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)） 1）采用外部時(shí)鐘，晶振頻率為 12）采用按鍵復(fù)位 圖 3鐘電路和復(fù)位電路 源模塊 電源采用雙路開關(guān)電源。 明偉牌 路開關(guān)電源。輸出（ 5V、 12V）。 自動(dòng)循跡小車 7 實(shí)物圖如圖 3示。 圖 3路開關(guān)電源 該開關(guān)電源 尺寸 為 129交流輸入轉(zhuǎn)換由開關(guān)選擇 ， 具有過流短路保護(hù)功能 ，能 自冷散熱 。 低價(jià)位、高可靠 。 輸入電壓范圍 13275 26447 63關(guān)選擇 ； 沖擊電流 流 15A/115V 30A/230V； 直流電壓可調(diào)范圍 0%； 啟動(dòng)、上升、保持時(shí)間 1000 耐壓性 入與外殼 輸出與外殼， 歷時(shí)一分鐘 ； 工作溫度、濕度 10 +60 ， 20% 90% 安全標(biāo)準(zhǔn) E 標(biāo)準(zhǔn) ； 準(zhǔn) E 標(biāo)準(zhǔn) ； 連接方法 線端子 ； 質(zhì)量 /包裝 5 1 型號 輸出 差值 范圍 效率 V, 2% 502% 12V, 3,100機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 機(jī) 電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）自動(dòng)循跡小車 8 齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。 可選用減速比為 1： 74 的直流電機(jī)，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 100r/車輪直徑為 6小車的最大速度可以達(dá)到 V=2rv=2*00/60=s 能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。 動(dòng) 驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片， 一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片 以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。以下為 引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。 圖 3298N 外部引腳 表 2 入輸出關(guān)系 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖 3示： 自動(dòng)循跡小車 9 圖 3298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 5、 7、 10、 12 四個(gè)引腳接到單片機(jī) 上，通過對單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的 速控制。 動(dòng)循跡小車總體設(shè)計(jì) 體電路圖 自動(dòng)循跡小車 10 圖 3體電路圖 33142721 220014 111 220074 111 220011 22003144 11車輪自動(dòng)循跡小車 11 統(tǒng)總體說明 如圖 3示，當(dāng) 光電傳感器開始接受信號，通過比較器將信號傳如單片機(jī)中。小車 進(jìn)入尋跡模式 ，即開始不停地掃描與探測器連接的單片 I/O 口，一旦檢測到某個(gè) I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài) 。單片機(jī)采用 時(shí)計(jì)數(shù)器，通過來產(chǎn)生 ，控 制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 制 本系統(tǒng)采用 從而改變負(fù)載兩端的電壓 ,進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。 在 按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源 ,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小 ,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此 ,關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 在脈沖作用下 ,當(dāng)電 機(jī)通電時(shí) ,速度增加；電機(jī)斷電時(shí) ,速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律 ,改變通、斷電的時(shí)間 ,即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。 本系統(tǒng)中通過控制 51單片機(jī)的定時(shí)器 而可以實(shí)現(xiàn) 定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如 斷一次 , 就使 生一個(gè)高電平或低電平。 將 直流電機(jī)的速度分為 100個(gè)等級 , 因此一個(gè)周期就有個(gè) 100 脈沖 , 周期為 100 個(gè)脈沖的時(shí)間。速度等級對應(yīng)一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù)。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù)占一個(gè)周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個(gè)周期加在電 機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大 , 加在電機(jī)兩端的電壓越大 , 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時(shí) , 就可以得到不同的電機(jī)平均速度 , 從而達(dá)到調(diào)速的目的。精確地講 , 平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系 , 在一般的應(yīng)用中 , 可以將其近似地看成線性關(guān)系。 自動(dòng)循跡小車 12 體軟件流程圖 小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片 I/O 口，一旦檢測到某個(gè) I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀 態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖 4示： 車循跡 流程圖 小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機(jī) I/O 口，一旦檢測到某個(gè) I/O 口有信號，即進(jìn)入判斷處理程序 ， 先確定 4 個(gè)探測器中的哪一個(gè)探測到了黑線，如果左面第一級傳感器或者左面第二級傳感器探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級傳感器或右面第二級傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左系統(tǒng)初始化 任務(wù)計(jì)數(shù)器歸零 是否完成全部 任務(wù)？ 循跡子函數(shù) 是否完成 本次 任務(wù) ？ 結(jié)束 開始 N Y N Y 圖 4程序流程圖 自動(dòng)循跡小車 13 偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方向 調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動(dòng)作。 循跡流程圖如圖 4示 由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個(gè)等級間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級通常是在超出第一級的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，則通常使第二級轉(zhuǎn)向力度大于第一級， 即 其中 小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通過改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來改變 )，具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。 斷程序流程圖 這里利用 的是 51 單片機(jī)的 時(shí)計(jì)數(shù)器 ，從而 讓單片機(jī) 的 腳輸出占空比不同的方波 , 然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后控制直流電機(jī)。定時(shí)圖 4跡流程圖 啟動(dòng)循跡模式 探測黑線 是否檢測到黑線 判斷處理程序 向左轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 續(xù)前進(jìn) N Y 自動(dòng)循跡小車 14 計(jì)數(shù)器若干時(shí)間 （比如 比如中斷一次 , 就使 生一個(gè)高電平或低電平。 中斷程序流程圖如圖 4示 片機(jī)測序 # ; /*左邊電機(jī)的占空比 */ ; /*右邊電機(jī)的占空比 */ t=0; /*定時(shí)器中斷計(jì)數(shù)器 */ 10; 11; 12; 13; 00; 01; 02; 定時(shí)器賦初值 技術(shù)變量賦值 t=0 計(jì)數(shù)值 t=100) t=0; /*直行 */ 0; 0; /*左轉(zhuǎn)函數(shù) 1*/ ; 0; /*左轉(zhuǎn)函數(shù) 2*/ ; 0; 自動(dòng)循跡小車 16 /*右轉(zhuǎn)函數(shù) 1*/ 0; ; /*右轉(zhuǎn)函數(shù) 2*/ 0; ; /*循跡函數(shù) */ 1)&(1)&(1)&(1) ; /*直行 */ 0)&(1)&(1)&(1) ; /*左偏 1,右轉(zhuǎn) 1*/ 0)&(0)&(1)&(1) ; /*左偏 2,右轉(zhuǎn) 2*/ 1)&(1)&(0)&(1) ; /*右偏 1，左轉(zhuǎn) 1*/ 1)&(1)&(0)&(0) ; /*右偏 2，左轉(zhuǎn) 2*/ :; :; :; :; :; /*主程序 */ ; 0; 0; ) ; /*給電機(jī)加電啟動(dòng) */ 自動(dòng)循跡小車 17 ; ; ; ; ;