智能循跡小車報告綜述

1、西京學院 自動化 1002 班概要本尋跡小車是以萬能板為車架， STC12C5A60S2 單片機為控制核心，將各傳 感器的信號傳至單片機分析處理，從而控制 L293D 電機驅動，控制小車，速度由 單片機提供的 PWM 波控制。 利用紅外傳感器檢測黑線，紅外對管來實現(xiàn)循跡功 能，利用超聲波傳感器進行檢測避障。整個系統(tǒng)的電路結構簡單，可靠性能高。 根據小車各部分功能，模塊化硬件電路，并調試電路。將調試成功的各個模塊逐 個地 “融合” 成整體，再進行軟件編程調試，直到完成。關鍵詞： STC12C5A60S2 直流電機 紅外對管傳感器 尋跡小車 L293D 電機驅動、循跡小車的系統(tǒng)的要求和總體方案設計

2、1.1 設計要求1.1.1 基本要求利用單片機實驗板， 并制作一定的外圍電路， 編寫程序設計制作一個智能循跡壁 障的小車，具體要求如下：（1）具有啟動、停止功能；（2）能夠完成前進、后退、左轉、右轉單獨動作和復合動作；（3）能按照規(guī)定路線循跡行駛；1.1.2 發(fā)揮要求利用超聲波或紅外等方式實現(xiàn)避障功能1.2 智能循跡小車的工作原理我們知道小車的循跡原理是根據實現(xiàn)電位的高低來實現(xiàn)對前進方向的控制的。 在 這里我們設定了白色和黑色的通道界面來行駛， 而根據我們所學的知識通常采取的方 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的特點， 在小車行駛過程中不斷地向地面

3、發(fā)射紅外光， 當紅外光遇到白色紙質地板時發(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。 單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置 和小車的行走路線。 通過查資料我們知道紅外探測器探測距離有限， 一般最大不應超 過 3cm 。1.2.1恒壓恒流橋式驅動芯片 L293D 驅動電機原理本 L293D 驅動模塊，采用 ST 公司原裝全新的 L293D 芯片，采用 SMT 工藝 穩(wěn)定性高，采用高質量鋁電解電容， 使電路穩(wěn)定工作。 可以直接驅動 4路 3-16V 直流 電機，并提供了 5V 輸出接口（輸入最低只要 6V ），可以

4、給 5V 單片機電路系統(tǒng)供電 （低紋波系數） ,支持 3.3V MCUARM 控制，可以方便的控制直流電機速度和方向， 也可以控制 2相步進電機，5線 4相步進電機，是智能小車必備利器。 本模塊可以 51， AVR，PIC，ARM 等控制器連接，下圖 MCU_GNDMCU_+5V 是指可以用驅動輸出 +5V 的電源給控制系統(tǒng)供電。當然，也可以不用，當不用的時候懸空。但它們一定要 共地。即 MCU_GND 要與驅動模塊 GND 相連（這點至關重要） 。IO 是指 MCU 的 普通的輸入輸出接口。 這里特別指出的是 EN1 EN2 這里我們已經用跳線帽直接插到 5V 了，直接使能，如果有 PWM

5、調速可以去掉跳線帽直接從這里輸入 PWM 信號， 調節(jié)電機速度。從左至右接口定義為：+5 GND IN1 IN2 IN3 IN4 EN1 EN2 EN1 EN2 為電機 1 電機 2 使能端 +5 GND IN5 IN6 IN7 IN8 EN1 EN2 EN1 EN2 為電機 3 電機 4 使能端 如下圖 1、圖 2 所示：圖 1 L293D 驅動電路實物圖以下舉例：控制緊邏輯。這里一路其它的，其它三路類推圖 2 電機驅動使能端子1. 3 模塊方案比較與論證根據設計要求，本系統(tǒng)主要由主控模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、直流電機 及其驅動模塊、電壓比較模塊等模塊構成。為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我

6、們分別設計了幾種方案并分別進行了論證。1.3.1 主控制器模塊采用凌陽公司的 16 位單片機，它是 16位控制器，具有體積小、驅動能力高、集 成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度 高，尤其適用于語音處理和識別等領域。但是當凌陽單片機應用語音處理和辨識時， 由于其占用的 CPU 資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務的速度和能力降 低。本系統(tǒng)主要是進行尋跡運行的檢測以及電機的控制。如果單純的使用凌陽單片 機，在語音播報的同時小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的 簡潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。采用宏晶科技生產的

7、 STC12C5A60S2 單片機作為主控制器。 STC12C5A60S2是 單時鐘/機器周期 (1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代 8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 8-12倍。內部集成 MAX810 專用復位電路 ,2路 PWM,8 路高速 10位 A/D 轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。由于 STC12C5A60S2 單片機的資源已經可以滿足設計需要，且此單片機價格上 有優(yōu)勢。從方便實用不浪費資源的角度考慮，我們選擇了方案二。1.3.2 尋跡傳感器模塊采用簡易光電傳感器結合外圍電路探測， 但實際效果并不理想， 對行駛過程中的 穩(wěn)定性

8、要求很高， 且誤測幾率較大， 易受光線環(huán)境和路面介質影響。 在使用過程極易 出現(xiàn)問題，而且容易因為該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。采用兩只 st188 紅外對管，分別置于小車車身前軌道的兩側，根據兩只光電開關 接受到白線與黑線的情況來控制小車轉向來調整車向， 測試表明， 只要合理安裝好兩 只光電開關的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。采用五只 st188 紅外對管，一只置于軌道中間，其他四只置于軌道外側，當小車 脫離軌道時， 即當置于中間的一只光電開關脫離軌道時， 等待外面任一只檢測到黑線 后，做出相應的轉向調整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線(即回到軌道)再恢 復正向行駛?，F(xiàn)

9、場實測表明， 小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定， 但是不影響 小車的整體行駛效果。通過比較，我們選取第三種方案來實現(xiàn)循跡。1.3.3電機驅動模塊方案一： 橋驅動芯片，它相應頻率高，一片 L293D 可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有 控制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。采用專用芯片 L293D 作為電機驅動芯片L293D 是一個具有高電壓大電流的全結構簡對于直流電機用分立元件構成驅動電路。 由分立元件構成電機驅動電路，單，價格低廉，在實際應用中應用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。因此，我們選用了方案一 。1.4 小車總體設計的最終方案經過反復論證，我們最終

10、確定了如下方案：（1）車體用原有的小車（ 2）采用 STC12C5A60S2 單片機作為主控制器。（3）采用 12V 直流電池為直流電機供電。（ 4）用 st188 型光電對管進行尋跡。（ 5） L293D 作為直流電機的驅動芯片。系統(tǒng)的結構框圖如圖 3 所示：電壓比較器直流電機循跡或避障光電對管組圖 3 系統(tǒng)結構框二、小車硬件實現(xiàn)及模塊電路的設計2.1 、主控制器模塊的設計采用宏晶科技生產的 STC12C5A60S2 單片機作為主控制器，不用燒寫器而只用 USB 串口下載線就可以往單片機中下載程序。我們在開發(fā)過程中使用開發(fā)版， 方便程序的調試和整機的測試， 待系統(tǒng)調試完成 后，將單片機從開發(fā)

11、板安裝在小車底座板上方便及時調試。圖 4 單片機最小系統(tǒng)圖單片機最小系統(tǒng)的應用（ 1） 時鐘電路系統(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內部方式， 即利用芯片內部的振蕩電路。 AT89 單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分 別是此放大器的輸入端和輸出端。 這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起 構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構成并聯(lián)諧振電路，接在 放大器的反饋回路中。 對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求， 但電容的大小會影響震 蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電 路的晶體振蕩器的值為

12、12MHz ，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 22F。 更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。（2）復位電路復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。 片內復位電路是復位引腳 RST通過一個斯密 特觸發(fā)器與復位電路相連， 斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲， 它的輸出在每個機器周期的 S5P2，由復位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式， 此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復位電路，如圖所示。當時鐘頻率選用6MHz時， C取 22F，Rs約為 200，Rk 約為 1K。2.2 尋跡傳感器模塊傳感用 st188 型光電對管， st188 是一種一體化反射型光電探測器， 其發(fā)射器是 一個砷化鎵紅

13、外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管 當發(fā)光圖 5 光電對管檢測電路 1圖 5 光電對管檢測電路 2 而且經試驗驗證給此電路供電的電池的壓降較小。 因此我們選擇此電路作為我們 的傳感器檢測與調節(jié)電路。2.3 、尋光模塊采用光敏二極管作為光源探測模塊的傳感器， 由于光敏二極管感光后， 內阻有較 大的變化，通過一定的電路轉化為電壓的變化。采用 LM358 比較器對 5 個二極管 的輸出電壓進行比較，光敏二極管引起的電壓變化送到比較器的反相端與基準信號進行比較， 將結果輸入到 單片機執(zhí)行判斷。基于 LM358 的尋光電壓比較電路： LM358 的二號管腳為基準電 壓輸入端， 將需要

14、進行比較的電壓輸入到三號管腳， 如果比基電壓的值大， 則一號管 腳輸出為高電平，反之為低電平。2.4 、電機驅動模塊2.4.1 電機驅動電路的設計驅動模塊采用專用芯片 L293D 作為電機驅動芯片， L293D 是一個具有高電壓 大電流的全橋驅動芯片，其響應頻率高，一片 L293D 可以分別控制兩個直流電機， 驅動電路的設計如圖L293D 的 5 7 10 12 四個引腳接到單片機上， 通過對單片機的編程就可實現(xiàn)兩個 直流電機的 PWM 調速以及正反轉控制。圖6 L298 驅動原理圖三、小車軟件設計與實現(xiàn)3.1 主程序流程圖小車進入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機 I/O 口，

15、一 旦檢測到某個 I/O 口有信號變化， 就執(zhí)行相應的判斷程序， 把相應的信號發(fā)送給電動 機從而糾正小車的狀態(tài)。四、小車系統(tǒng)功能測試和調試見實物五、結束語基于 STC 型單片機的自動循跡小車控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠， 抗干擾能力強， 我們的尋跡小車在完成設計要求的前提下， 充分考慮到了外觀、 成本等問題， 在性能 和價格之間作了比較好的平衡。 由于設計要求并不復雜， 我們沒有在電路中增加冗余 的功能，但是我們保留了各種硬件接口和軟件子程序接口， 方便以后的擴展和進一步 的開發(fā)。六、設計心得通過這幾天的項目設計， 我們對一些專業(yè)知識和單片機應用系統(tǒng)設計有了更深的 了解，同時也嘗試著去應用自己的所掌握

16、的知識。 本次電子大賽主要是對已學習的單 片機應用技術， 單片機程序流程圖的綜合應用， 同時加上電路等知識， 設計完成了利 用軟件的檢測程序運行調試。經過幾天的奮戰(zhàn) ,我們感受很深 .我們三個人分工合作，設計過程中深感自己在培養(yǎng)動手能力這方面欠缺很大。同 時，這次我們積極的通過上網查資料， 查閱單片機方面書籍等資源。 在我們共同努力 下，我們圓滿完成了從項目設計，電路焊接，單片機程序設計等環(huán)節(jié)。這個項目設計 作為一次鍛煉，培養(yǎng)了我們或多或少善于動手，樂于動手的習慣。單片機應用課程設計不僅給我們提供了一個很好的展現(xiàn)自己所學知識的平臺 , 又是對自己所學知識的一次考核、檢驗。 我們運用各自在各方面的優(yōu)勢，化腐朽為 神奇，形成了一個團隊。 通過團隊合作的力量 ,使設計得以順利完成。 可以說, 我們三 個人是一個不可或缺的整體 , 少了任何一個人都是無法把任務完美的完成。在設計的過程中我們也不可避免的遇到了很多的問題。尤其是在調試過程中 ,