基于單片機(jī)控制的循跡小車設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、摘 要本循跡小車采用現(xiàn)在較為流行的8位單片機(jī)作為系統(tǒng)大腦，以stc89c52單片機(jī)為控制核心。用其控制行進(jìn)中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷。40腳的dip封裝使它擁有32個完全io(gpio-通用輸入輸出)端口，通過這些端口加以信號輸入電路，將各傳感器的信號傳至單片機(jī)分析處理，從而控制l293d電機(jī)驅(qū)動，控制小車。利用紅外對管檢測黑線，通過循跡模塊里的紅外對管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號返回到單片機(jī)紅外對管來實現(xiàn)循跡功能。單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)計的要求做出相應(yīng)的判斷送給電機(jī)驅(qū)動模塊。讓小車來實

2、現(xiàn)前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停車等基本功能。集成紅外線傳感器即光電開關(guān)進(jìn)行避障。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。根據(jù)小車各部分功能，分析硬件電路，并調(diào)試電路。將調(diào)試成功的各個模塊逐個地融合成整體，再進(jìn)行軟件編程調(diào)試，直至完成。關(guān)鍵詞：循跡小車 stc89c52 單片機(jī) 紅外對管 l293d 電機(jī)驅(qū)動 abstractthis tracking car adopts the now popular 8-bit single chip microcomputer as the system of the brain, with the stc89c52 single-chip microcompute

3、r as the core. to control the traveling car with it, in order to realize the given performance index. full analysis of our system, the key is to achieve the automatic control cars, but at this point, single-chip microcomputer control will show its advantage is simple, convenient and fast. 40 feet di

4、p package makes it has 32 completely io (gpio - general input/output port, signal input circuit, through these ports will transmit the signals to single chip microcomputer analysis of each sensor to control l293d motor drive and control the car. the use of infrared for detecting tube black line, thr

5、ough infrared tracking module for tube whether find level signal produced by the black thread returns to the scm infrared tube to realize tracking function. scm according to the requirement of the program design make the corresponding judgment for motor driver module. let the car to achieve forward,

6、 turn left, turn right, the basic function such as parking. integrated infrared sensor photoelectric switch for obstacle avoidance. the circuit of the whole system structure is simple, reliable performance is high. according to the function of car parts, analyze the hardware circuit, and debug the c

7、ircuit. debugging success of each module individually merged into a whole, and then software programming and debugging, until completion.key words: stc89c52 dc motor infrared sensors the pipe tracing cars l293d motor drive目錄目錄第一章 緒論.1第二章 方案設(shè)計與論證.2第一節(jié) 主控系統(tǒng).2第二節(jié) 電機(jī)驅(qū)動模塊.3第三節(jié) 循跡模塊.5第四節(jié) 避障模塊.6第五節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)和電源

8、模塊.6第六節(jié) 電源模塊.6第三章 硬件設(shè)計.8第一節(jié) 總體設(shè)計.8第二節(jié) 信號檢測模塊.11第四章 軟件設(shè)計.13第一節(jié) 小車運(yùn)行主程序流程圖.13第二節(jié) 電機(jī)驅(qū)動程序.14第三節(jié) 循跡模塊.15第五章 制作安裝與調(diào)試.18結(jié) 論.19致 謝.20參考文獻(xiàn).211第一章第一章 緒論緒論自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的夢想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走

9、和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或 ccd，目前的 ccd 已能做到自動聚焦。但 ccd 傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。機(jī)器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（avgauto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能

10、小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作。該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、cpu。機(jī)器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的ccd傳感器而考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器來充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進(jìn)方向和速度。單片機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)一般有兩

11、種方案：第一，勿需占用單片機(jī)資源，直接選擇有pwm功能的單片機(jī)，這樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬pwm輸出調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，難以精確調(diào)速，但單片機(jī)型號的選擇余地較大?？紤]到實際情況，本文選擇第二種方案。cpu使用stc89c52單片機(jī)，配合2軟件編程實現(xiàn)。3第二章第二章 方案設(shè)計與論證方案設(shè)計與論證根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系

12、統(tǒng)的各項要求。第一節(jié)第一節(jié) 主控系統(tǒng)主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，我認(rèn)為此設(shè)計屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下：方案一：選用一片 cpld（如 epm7128lc84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。cpld 具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用 vhdl語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但 cpld 在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢。同時，cpld 的處理速度非?？欤≤嚨男羞M(jìn)速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，mcu 就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此

13、，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。方案二：采用單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對本設(shè)計特點多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡 i/o 口和程序存儲器的小體積單片機(jī)，d/a、a/d 功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了 p89c52ra 單片機(jī)作為本設(shè)計的主控

14、裝置，452 單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，i/o 口均可按位尋址，程序空間多達(dá) 8k，對于本設(shè)計也綽綽有余，更可貴的是 52 單片機(jī)價格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用 stc89c52 單片機(jī)的資源。第二節(jié)第二節(jié) 電機(jī)驅(qū)動模塊電機(jī)驅(qū)動模塊方案一：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主

15、要的問題在于一般的電動機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 h 型橋式電路(如圖 2.1)。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，h 型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 pwm 調(diào)速技術(shù)。現(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了 l293d 如圖 2.2)。這種調(diào)速方式有采用 16 引腳 dip 封裝，其內(nèi)部集成

16、了雙極型 h-橋電路，所有的開量都做成 n 型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。我選取第三種方案來實現(xiàn)循跡。5 圖 2.1 橋式電路圖 2.2 l293d6第三節(jié)第三節(jié) 循跡模塊循跡模塊方案一：采用簡易光電傳感器結(jié)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)定性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)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。方案二：采用兩只紅外對管(如圖 2.3)，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)

17、，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。方案三： 采用四只紅外對管，兩只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時，即當(dāng)置于中間的兩只光電開關(guān)脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場實測表明，小車在循跡過程中有一定的左右搖擺不定，但能夠很成功的尋跡。我選取第三種方案來實現(xiàn)循跡。 圖 2.3 紅外對管7第四節(jié)第四節(jié) 避障模塊避障模塊方案一：采用一只紅外對管置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難

18、以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。方案二：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用超聲波置于小車前端。通過測試此種方案就能很好的實現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。通過比較我采用方案三。第五節(jié)第五節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)和電源模塊和電源模塊本題目要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，而三輪運(yùn)動系統(tǒng)具備以上特點。驅(qū)動部分：由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小，而小

19、車上裝有電池、電機(jī)、電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動，且運(yùn)動平穩(wěn)，在直流電機(jī)和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。電池的安裝：將電池放置在車體的電機(jī)前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時可增加驅(qū)動輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡單，而三輪運(yùn)動系統(tǒng)具備以上特點。第六節(jié)第六節(jié) 電源模塊電源模塊方案一：8采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供 5v 電壓，但占用資源過大。方案二：采用 4 支 1.5v 電池單電源供電，但 6v 的電壓太小不能同時給單片機(jī)與與電機(jī)供電。方案三：采用 12v 蓄電池給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。所以，我

20、選擇了方案三來實現(xiàn)供電。9第三章第三章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計第一節(jié)第一節(jié) 總體設(shè)計總體設(shè)計智能小車采用前后輪驅(qū)動，前后輪左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，調(diào)制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的。將循跡光電對管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機(jī)停止，車向左修正，當(dāng)車身下右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車向右修正。避障的原理和循線一樣，在車身右邊裝一個光電對管，當(dāng)其檢測到障礙物時，主控芯片給出信號報警并控制車子倒退,轉(zhuǎn)向，從而避開障礙物。主板設(shè)計框圖如圖 3.1，所需元件清單如表 3.1。 圖 3.1 主板設(shè)計框圖stc89c52循跡紅外對

21、管時鐘電路復(fù)位電路電機(jī)驅(qū)動避障紅外對管10表 3.1 元件清單 一、直一、流電機(jī)的驅(qū)動該驅(qū)動板可驅(qū)動2 路直流電機(jī)，使能端ena、enb 為高電平時有效，控制方式及直流電機(jī)狀態(tài)表如下所示：表 3.2 控制方式及直流電機(jī)狀態(tài)表enain1in2直流電機(jī)狀態(tài)0xx停止100制動101正轉(zhuǎn)110反轉(zhuǎn)111制動若要對直流電機(jī)進(jìn)行pwm 調(diào)速，需設(shè)置in1 和in2，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，然后對使能端輸出pwm 脈沖，即可實現(xiàn)調(diào)速。注意當(dāng)使能信號為0 時，電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)使能信號為1，且in1 和in2 為00 或11 時，電機(jī)處于制動狀態(tài)，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動。驅(qū)動原理如圖3.2。元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)

22、量直流電機(jī)4 只電阻若干集成電路芯片若干單片機(jī)1 塊二極管若干電容若干紅外對管4 只超聲波探頭1 只電位器若干12m 晶振1 只杜邦線若干玩具小車1 個排針若干11圖 3.2 電機(jī)驅(qū)動電路二、尋跡檢測電路二、尋跡檢測電路tcrt5000 傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣,一傳一感.tcrt5000 具有一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管.當(dāng)發(fā)射管的紅外信號經(jīng)反射被接收管接收后,接收管的電阻會發(fā)生變化,在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來,而經(jīng)過 adc 轉(zhuǎn)換或 lm324 等電路整形后得到處理后的輸出結(jié)果.電阻的變化起取于接收管所接收的紅外信號強(qiáng)度,常表現(xiàn)在反射面的顏色和反射面接收管的距離兩

23、二方面.硬件參考原理如圖 3.3。圖 3.3 驅(qū)動原理圖12第二節(jié)第二節(jié) 信號檢測模塊信號檢測模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測方法紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)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，則小車上的接收管接收不到信號，再通過 lm324 作比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。避障亦是

24、此原理。電路圖如圖 3.4。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用tcrt5000 型光電對管。圖 3.4 循跡原理圖13第三節(jié)第三節(jié) 主控電路主控電路本模塊主要是對采集信號進(jìn)行分析，用單片機(jī)控制電機(jī)速度，起停。以及再檢測到障礙報警等作用。其電路圖如圖 3.5。圖 3.5 主控電路14第四章第四章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計在微機(jī)控制系統(tǒng)中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計時，通常把過程分為

25、若干個部分，每一部分叫做一個模塊。 根據(jù)總體設(shè)計的思想及本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，在設(shè)計中完成以下功能。1、循跡模塊主程序：由是否遇到黑線，測到光源，測到擋板產(chǎn)生信號的操作，信號返回到單片機(jī)，再通過單片機(jī)來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。2、電機(jī)驅(qū)動模塊主程序：主要用來控制兩個直流減速電機(jī)，實現(xiàn)前進(jìn)、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、后左轉(zhuǎn)、后右轉(zhuǎn)、停止等功能。第一節(jié)第一節(jié) 小車運(yùn)行主程序流程圖小車運(yùn)行主程序流程圖圖 4.1 主程序框圖啟動循跡是否檢測到黑線停止是否檢測到障礙ny避障yn15第二節(jié)第二節(jié) 電機(jī)驅(qū)動程序電機(jī)驅(qū)動程序void goahead()s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;void goback()s1=0

26、;s2=1;s3=0;s4=1;void turnleft()s3=1;s4=0;void turnright()s1=1;s2=0;void stop16en1=0;en2=0;第三節(jié)第三節(jié) 循跡模塊循跡模塊當(dāng)小車循跡時，偏離循跡曲線時，偏離曲線調(diào)整子程序如圖 4.2 所示：圖 4.2 循跡子程序循跡程序void xunji()if (left_red)=1)&(right_red=1)en1=1;en2=1;goahead();17delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);else if(left_red=0)&(right_red=1)en1=0;en2=1;p0

27、_0=!p0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);else if(left_red=1)&(right_red=0)en1=1;en2=0;p0_1=!p0_1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);else18stop();19第五章第五章 制作安裝與調(diào)試制作安裝與調(diào)試通過改變循跡板滑動變阻器器的大小來調(diào)試紅外對管的靈敏度，通過改變延時程序來改變速度的大小。下表為小車運(yùn)行的情況：表 5.1 小車調(diào)試情況 圖 5.1 實物圖小車運(yùn)行次數(shù)成功循跡次數(shù)成功避障次數(shù)110210320420.20結(jié)結(jié) 論論 整個系統(tǒng)的設(shè)計以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實現(xiàn)如下功能：自動沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動檢測預(yù)先設(shè)好的軌道，實現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來。本系統(tǒng)能夠基本滿足設(shè)計要求，小車能夠較快較平穩(wěn)的沿著引導(dǎo)線行駛，但由于經(jīng)驗?zāi)芰τ邢?，該系統(tǒng)還存在著許多不盡人意的地方有待進(jìn)一步的完善和改進(jìn)。 通過本次課題設(shè)計，不僅是對我