小車循跡控制程序設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院課外自主實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱 小車循跡控制程序設(shè)計(jì) 專 業(yè) 軟件工程 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 第1章 實(shí)驗(yàn)分析31.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目31.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)31.2.1 總體任務(wù)31.2.2 詳細(xì)任務(wù)31.2.3 設(shè)計(jì)要求31.3軟硬件運(yùn)行環(huán)境及開(kāi)發(fā)工具3第2章 概要設(shè)計(jì)42.1 小車軟硬件設(shè)計(jì)原理42.1.1 小車硬件設(shè)計(jì)原理42.1.2小車軟件設(shè)計(jì)原理42.2 功能設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法42.2.1小車前進(jìn)功能實(shí)現(xiàn)42.2.2 小車旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)42.2.3 小車偏移修正功能設(shè)計(jì)4第3章 詳細(xì)設(shè)計(jì)93.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)93.2 系統(tǒng)主程序流程103.3功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)103.

2、3.1 起始點(diǎn)到中心點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)103.3.2 中心點(diǎn)到d點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)103.3.3 d點(diǎn)到黑色點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)113.3.4 白色點(diǎn)到中心點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)123.3.5 中心點(diǎn)到起始點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)13第4章 系統(tǒng)調(diào)試與操作說(shuō)明154.1 系統(tǒng)調(diào)試154.1.1 直線調(diào)試154.1.2 達(dá)到黑色終點(diǎn)點(diǎn)調(diào)試154.3 操作說(shuō)明15第5章 總結(jié)和體會(huì)16第6章 參考文獻(xiàn)16附錄：11課外實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)劃學(xué)生姓名： 萬(wàn)志雄 專業(yè)班級(jí)： 軟件1111 實(shí)驗(yàn)題目：小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（路線3）實(shí)驗(yàn)器材：1、硬件設(shè)備：mcs-51單片機(jī)最小系統(tǒng)板、四個(gè)qti傳感器、兩個(gè)舵機(jī)、兩個(gè)車輪、鋰電池、isp下載線、面包板

3、；2、軟件環(huán)境：keil c51、progisp下載器。實(shí)驗(yàn)任務(wù)：（在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成下列任務(wù)）1完成硬件設(shè)計(jì)并連線，以mcs-51單片機(jī)為控制核心，根據(jù)4個(gè)qti傳感器采集到的數(shù)據(jù)控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制車輪的速度和方向，并畫出硬件原理圖和實(shí)驗(yàn)連線圖；2用c語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)以下小車行駛線路（地圖見(jiàn)下頁(yè)）：起始點(diǎn)中心點(diǎn)d點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)360度黑色點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)180度原路返回。時(shí)間安排：各時(shí)間段的任務(wù)可以交替進(jìn)行時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容第一天設(shè)計(jì)題目，實(shí)物演示、規(guī)劃任務(wù)、查找相關(guān)資料第二天進(jìn)行需求分析，完成總體設(shè)計(jì)第三天硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)，連接實(shí)驗(yàn)電路，軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)，編寫程序；第四天調(diào)試程序、測(cè)試系統(tǒng)、總結(jié)；第五天總結(jié)后完成設(shè)

4、計(jì)報(bào)告。指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 2014 年 6 月 30 日教研室主任（或責(zé)任教師）簽名： 2014年 6 月 30 日起始點(diǎn) 目 錄第1章 實(shí)驗(yàn)分析1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目 小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（路線3）1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.2.1 實(shí)驗(yàn)總體任務(wù)(1)硬件部分：完成硬件設(shè)計(jì)并連線，以mcs-51單片機(jī)為控制核心，隨時(shí)采集4個(gè)qti傳感器的數(shù)據(jù)控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制車輪的速度和方向。 (2)軟件部分：用c語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)小車行駛線路：起始點(diǎn)中心點(diǎn)d點(diǎn)（旋轉(zhuǎn)360度）黑色點(diǎn)然后旋轉(zhuǎn)180度原路返回。1.2.2任務(wù) 使用keilc51編程軟件采用c語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)小車路線3的總體調(diào)試，同時(shí)不斷修

5、正小車的路線。1.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求 完成硬件原理圖設(shè)計(jì)、小車模型構(gòu)建、軟件編程、調(diào)試、運(yùn)行等一整套工作任務(wù)。控制軟件使用c語(yǔ)言編程；系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，提交一個(gè)滿足要求的小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.3軟硬件運(yùn)行環(huán)境及開(kāi)發(fā)工具 以mcs-51單片機(jī)為控制核心，根據(jù)4個(gè)qti傳感器采集的數(shù)據(jù)控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，windows xp操作系統(tǒng)pc機(jī)一臺(tái)。keilc51編程軟件、progisp下載器、串口調(diào)試小助手等軟件。第2章 概要設(shè)計(jì)2.1 小車軟硬件設(shè)計(jì)原理2.1.1 小車硬件設(shè)計(jì)原理小車前面有4個(gè)qti感應(yīng)器來(lái)隨時(shí)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)探測(cè)為黑線的時(shí)候，返回值為1，當(dāng)探測(cè)為白線的時(shí)候，返回值是0，只有當(dāng)中間那個(gè)qti

6、返回值全為1的時(shí)候，才走在黑線上，根據(jù)返回的狀態(tài)來(lái)控制小車舵機(jī)的速度。2.1.2小車軟件設(shè)計(jì)原理將整個(gè)過(guò)程分為五部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別為起點(diǎn)到中心點(diǎn)，中心點(diǎn)到d點(diǎn)，d點(diǎn)到黑色點(diǎn)，黑色點(diǎn)到中心點(diǎn)，中心點(diǎn)到起始點(diǎn)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還需設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)45度和180度和360度的旋轉(zhuǎn)子模塊，當(dāng)小車偏離軌跡候后，需設(shè)計(jì)修正子模塊。2.2 功能設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法2.2.1小車前進(jìn)功能實(shí)現(xiàn)此模塊原理是向伺服電機(jī)輸出若干個(gè)pwm波，波形的占空比可控制小車移動(dòng)，通過(guò)時(shí)間寬度和延時(shí)產(chǎn)生信號(hào)，作用于電機(jī)，從而控制其運(yùn)動(dòng)。在本次設(shè)計(jì)中，向伺服電機(jī)pwm波過(guò)程已經(jīng)被模塊化在頭文件中，即motion()函數(shù)中，通過(guò)對(duì)motion()函數(shù)

7、的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制小車前進(jìn)。motor_motion(uint16_t left_val, uint16_t right_val, uint8_t count)例：其中參數(shù)left_val:左邊電機(jī)的高電平時(shí)間寬度；right_val:右邊電機(jī)的高電平時(shí)間寬度；count：脈沖數(shù)目 2.2.2 小車旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)小車旋轉(zhuǎn)的原理是調(diào)整兩輪的移動(dòng)方式、速度及移動(dòng)步數(shù)。當(dāng)需旋轉(zhuǎn)360度時(shí)，將左輪設(shè)置為快速后退狀態(tài)，右輪為快速前進(jìn)狀態(tài),多次調(diào)試測(cè)出旋轉(zhuǎn)所需的步數(shù). 2.2.3 小車偏移修正功能設(shè)計(jì) 小車偏移修正功能即對(duì)小車傳感器信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并作出相應(yīng)的處理的過(guò)程，在修正過(guò)程

8、中偏移情況及其代碼和信號(hào)狀態(tài)如下：void modify()if(p22_state()&(!p23_state()|(p21_state()&(!p22_state()&(!p23_state()&(!p24_state() motor_motion(1470, 1700,1); /左轉(zhuǎn)修正 else if(!p22_state()&p23_state()|(!p21_state()& (!p22_state()&(!p23_state()&p24_state() motor_motion(1300, 1550,1); /右轉(zhuǎn)修正 else motor_motion(1700,1300,1)

9、; （1） 當(dāng)小車發(fā)生右偏移時(shí)，各傳感器狀態(tài)信號(hào)如下：100000001100 通過(guò)判斷語(yǔ)句：if(p22_state()&(!p23_state()|(p21_state()&(!p22_state()&(!p23_state()&(!p24_state()判斷小車是否向左偏移，若發(fā)生偏移此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)左右輪的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，左偏時(shí)調(diào)用motor_motion(1770, 1740,1)實(shí)現(xiàn)左輪前進(jìn)速度大于右輪前進(jìn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)向右偏移來(lái)對(duì)偏移進(jìn)行修正。 （2 ） 當(dāng)小車發(fā)生右偏移時(shí)，各傳感器狀態(tài)信號(hào)如下：100000001100通過(guò)判斷語(yǔ)句：if(!p22_state()&p23_state()|(

10、!p21_state()& (!p22_state()&(!p23_state()&p24_state() 判斷小車是否向右偏移。若發(fā)生偏移，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)坐游輪的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，右偏時(shí)調(diào)用motor_motion(1550, 1300,1)，通過(guò)調(diào)節(jié)左右輪的速度，當(dāng)右輪速度大于左輪速度進(jìn)行修正。2.3.1編程頭文件 （1）各個(gè)頭文件如下圖圖2.1 （2）delay.h頭文件實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能，幫助系統(tǒng)更加理性化，易于操作。例如小車開(kāi)始部分延時(shí)3秒。delay.h頭文件詳細(xì)代碼如下：void delay_nus(unsigned int i) i=i/10; while(-i); void delay_n

11、ms(unsigned int n) n=n+1; while(-n) delay_nus(900); /進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償 （3）qti.h頭文件其作用是獲取4個(gè)qti傳感器采集的信號(hào)。為51單片機(jī)提供判斷的輸入數(shù)據(jù)。qti.h頭文件p21口實(shí)例詳細(xì)代碼如下：/*函數(shù)名稱：p21_state()功能： 獲得左邊第一個(gè)qti的返回信號(hào)參數(shù)：無(wú)參數(shù)返回值：1：高電平，看到黑線；0：低電平，看到白線*/int p21_state() return (p2&0x02)?1:0;（4）global.h頭文件其作用是定義用到的數(shù)據(jù)類型、變量。方便程序設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)。詳細(xì)代碼如下：#ifndef globa

12、l_h#define global_htypedef unsigned int uint16_t;typedef unsigned char uint8_t;typedef unsigned char bool;#define true 1#define false 0#endif （5）motion.h頭文件其作用是控制兩個(gè)舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 。詳細(xì)代碼如下：#include global.hsbit left_motor = p10; /左電機(jī)接口sbit right_motor = p11; /右電機(jī)接口#define left_fwd 1700 /高電平時(shí)間定義，單位微秒#define left

13、_bwd 1300#define left_small_fwd1530#define left_small_bwd 1450#define right_fwd 1300#define right_bwd 1700#define right_small_fwd 1450#define right_small_bwd 1530函數(shù)名稱:motor_motion(uint16_t left_val, uint16_t right_val, uint8_t count)作用：向伺服電機(jī)輸出若干個(gè)pwm波，波形的占空比可控制參數(shù)：left_val:左邊電機(jī)的高電平時(shí)間寬度；right_val:右邊電機(jī)的

14、高電平時(shí)間寬度；count：脈沖數(shù)目返回值：無(wú)返回值void motor_motion(uint16_t left_val, uint16_t right_val, uint8_t count) uint8_t i; for(i=0; icount; i+) left_motor = 1; delay_nus(left_val); left_motor = 0 right_motor = 1; delay_nus( right_val ); right_motor = 0; delay_nms(20); /輸出一定數(shù)量的pwm波形 第3章 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)小車是由多個(gè)硬件零件組裝

15、而成，每個(gè)零件負(fù)責(zé)不同的功能，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要實(shí)現(xiàn)的主要功能，來(lái)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)原理圖如下： 圖3.1 總體電路圖圖3.3灰度qti傳感器3.2 系統(tǒng)主程序流程小本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了五個(gè)個(gè)模塊，分別為起點(diǎn)到中心點(diǎn)路線模塊、中心點(diǎn)到d點(diǎn)、d點(diǎn)黑色點(diǎn)、黑色點(diǎn)到中心點(diǎn)、中心點(diǎn)返回到起始點(diǎn)路線模塊。通過(guò)對(duì)每個(gè)功能模塊的調(diào)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。3.3功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)3.3.1 起始點(diǎn)到中心點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)起點(diǎn)到中心點(diǎn)，主要是從開(kāi)始就前進(jìn)，在前進(jìn)過(guò)程中不停檢測(cè)傳感器傳過(guò)來(lái)的信號(hào)，通過(guò)判斷小車是否偏離路線后決定是否修正。程序代碼如下while(1) motor_motion(1700,1300,1); modi

16、fy(); if(p22_state()&p23_state()&p21_state()&!p24_state() /motor_motion(1500,1500,0); /中心點(diǎn)停 motor_motion(1500,1300,18); /右轉(zhuǎn)45度 break; 3.3.2 中心點(diǎn)到d點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)中心點(diǎn)到b點(diǎn)，主要是從開(kāi)始就前進(jìn)，在前進(jìn)過(guò)程中不停檢測(cè)傳感器傳過(guò)來(lái)的信號(hào)，通過(guò)判斷小車是否偏離路線后決定是否修正。如果檢測(cè)到0000信號(hào)，則執(zhí)行旋轉(zhuǎn)360度程序。設(shè)計(jì)函數(shù)centertod()來(lái)實(shí)現(xiàn)此模塊功能。程序代碼如下：while(1)motor_motion(1700,1300,1); m

17、odify(); if(!p21_state()&!p22_state()&!p23_state()&!p24_state()/motor_motion(1500,1500,0); /d點(diǎn)停 motor_motion(1300,1300,150); /轉(zhuǎn)360度 break; 程序流程圖如下： 開(kāi)始前進(jìn)偏移？前進(jìn)修正是否全為1?否旋轉(zhuǎn)360度是退出循環(huán) 圖3.3中心點(diǎn)到d點(diǎn)模塊流程圖3.3.3 d點(diǎn)到黑色點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)d點(diǎn)到黑色點(diǎn)前進(jìn)過(guò)程中也要進(jìn)行檢測(cè)修正，當(dāng)遇到1111信號(hào)時(shí)，執(zhí)行旋轉(zhuǎn)180度，其代碼為：while(1) motor_motion(1700,1300,1); modify()

18、; if(p21_state()&p22_state()&p23_state()&p24_state() motor_motion(1300,1300,75); /轉(zhuǎn)180度 break; 程序流程圖如下： 開(kāi)始前進(jìn)偏移？前進(jìn)修正是否全為1?否旋轉(zhuǎn)180度是退出循環(huán) 圖3.4 d點(diǎn)到黑點(diǎn)模塊流程圖3.3.4 白色點(diǎn)到中心點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)白色點(diǎn)到中心點(diǎn)循跡過(guò)程中，不斷地通過(guò)傳感器檢測(cè)信號(hào)，進(jìn)行路線修正。當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到1111信號(hào)時(shí)，這表示已經(jīng)到達(dá)中心點(diǎn)。采用的函數(shù)和剛開(kāi)始去中心點(diǎn)的一樣，模塊程序代碼如下：while(1) motor_motion(1700,1300,1); modify(); if(

19、p21_state()&p22_state()&p23_state()&p24_state() /motor_motion(1500,1500,0); /回到中心點(diǎn)停 motor_motion(1700,1500,18); /向左轉(zhuǎn)45度 break; 程序流程圖如下： 開(kāi)始前進(jìn)偏移？前進(jìn)修正是否全為1?否左旋轉(zhuǎn)45度是退出循環(huán) 圖3.5黑點(diǎn)到中心點(diǎn)模塊流程圖3.3.5 中心點(diǎn)到起始點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì) while(1) motor_motion(1700,1300,1); modify(); if(p21_state()&p22_state()&p23_state()&p24_state() mo

20、tor_motion(1500,1500,0); /回到起始點(diǎn) break; 程序流程圖如下： 開(kāi)始前進(jìn)偏移？前進(jìn)修正是否全為1?否停止是退出循環(huán) 圖3.6中心點(diǎn)到d點(diǎn)出發(fā)點(diǎn)模塊流程圖第4章 系統(tǒng)調(diào)試與操作說(shuō)明4.1 系統(tǒng)調(diào)試4.1.1 直線調(diào)試 主要是判斷小車是否能沿著黑線向前走，方法：讓程序只有函數(shù)modify（），main()函數(shù)中只有motor_motion(1700,1300,1)這條語(yǔ)句;并燒寫到小車中，把小車放在一條黑線上，看它是否能一直在黑線上前進(jìn)，若不能，再qti是否連接正確，直至小車能一直走在直線上。4.1.2 達(dá)到黑色終點(diǎn)點(diǎn)調(diào)試主要判斷小車能否到黑色終點(diǎn)，并原地旋轉(zhuǎn)180

21、度，方法：將自己模塊程序燒寫到小車中，放在黑點(diǎn)上面，觀察小車能否到黑色終點(diǎn)旋轉(zhuǎn)前進(jìn)到中心點(diǎn)并并原地旋轉(zhuǎn)180度，注意看其角度是否正常。 4.2 調(diào)試中遇到的問(wèn)題 調(diào)試的時(shí)候，是在黑色終點(diǎn)處的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)度數(shù)不足。多次調(diào)試后為motor_motion(1300,1300,75)。4.3 操作說(shuō)明在keilc51中寫好的程序進(jìn)行編譯生成.hex文件，然后通過(guò)isp下載線和progisp軟件將已生成的.hex文件燒寫到單片機(jī)中。當(dāng)燒寫成功后，拔掉下載線，然后在已設(shè)定好的路徑上，擺正小車的位置，打開(kāi)小車上的開(kāi)關(guān)。觀察小車是否按照預(yù)定的路徑進(jìn)行行駛。 第5章 總結(jié)和體會(huì)整個(gè)過(guò)程中，從需求分析到設(shè)計(jì)、編碼、

22、測(cè)試，我都力求規(guī)范化和文檔化，努力讓自己以前學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，盡量保證整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度和質(zhì)量，順利完成這次的課程設(shè)計(jì)。不過(guò)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，好多知識(shí)都是隨學(xué)隨用，就增加了很多不必要的麻煩。雖說(shuō)這些都會(huì)消耗系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間，但在同學(xué)以及自己的不斷努力下，不怕麻煩，不怕重復(fù)，當(dāng)克服了這些問(wèn)題之后，我會(huì)感覺(jué)到自己的知識(shí)在一點(diǎn)一滴地積累，不知不覺(jué)中增加。我相信，只要肯鉆研，只要擠時(shí)間，一切自己想要的知識(shí)都可以掌握。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)小車循跡系統(tǒng)經(jīng)典問(wèn)題有了進(jìn)一步的了解，尤其是在軟件與硬件的結(jié)合方面有了新的認(rèn)識(shí)。在這次課程設(shè)計(jì)中，由于沒(méi)有掌握好進(jìn)程同步中的一些關(guān)鍵知識(shí)，導(dǎo)致在實(shí)際操作中遇到

23、了很多問(wèn)題，比如說(shuō)對(duì)單片機(jī)借口的不熟悉。此次課程設(shè)計(jì)使我明白，在程序設(shè)計(jì)中，我們需要有一個(gè)清晰的整體結(jié)構(gòu)，然后針對(duì)每個(gè)模塊逐步實(shí)現(xiàn)其功能，在設(shè)計(jì)中也需要有嚴(yán)謹(jǐn)和認(rèn)真的態(tài)度，才會(huì)更好的完成一項(xiàng)任務(wù)。第6章 參考文獻(xiàn)1 尹志宇、郭晴，單片機(jī)入門，北京：清華大學(xué)出版社，2011.072黃維通、王曉英，萬(wàn)能的51單片機(jī) ，北京：清華大學(xué)出版社，2011.013 龐婭娟、房大偉51單片機(jī)簡(jiǎn)明教程，北京：人民郵電出版社，2009.104王小科、王軍、趙會(huì)東，單片機(jī)開(kāi)發(fā)案例全程實(shí)錄（第二版），北京：清華大學(xué)出版社2011.01 附錄：#includereg52.h#includedelay.h#includeqti.h#includemotion.h#includeglobal.hvoid modify()if(p22_state()&(!p23_state()|(p21_state()&(!p22_state()&(!p23_state()&(!p24_state() motor_motion(1470, 1700,1); /左轉(zhuǎn)修正 else if(!p22_state()&p23_state()|(!p21_state()& (!p22_state()&(!p23_state()&p24_state() motor_motio