循跡小車第十一組

1、南京工程學院 工程基礎(chǔ)實驗與訓練中心 本科課程設(shè)計說明書（論文）題 目： 自動循跡小車3 專 業(yè)： 自動化（系統(tǒng)集成) 班 級： d自集成091 學生姓名： 劉緒歡 （233090140） 李文彬 （233090143） 包李杰 （233090152） 指導教師： 陳國軍 起迄日期： 2011.6.132011.7.8 設(shè)計地點： 基礎(chǔ)實驗樓 b209 22 目 錄一.智能循跡小車的設(shè)計分析31.設(shè)計要求31.1基本要求31.2發(fā)揮部分32.方案論證與比較42.1.電源設(shè)計方案42. 2電機驅(qū)動設(shè)計方案5 2.3傳感器設(shè)計方案5 2.4顯示模塊設(shè)計方案5 3.總體設(shè)計6 3.1總體設(shè)計流程圖6

2、二.智能循跡小車的硬件設(shè)計61.機械設(shè)計62.各模塊電路設(shè)計8三.智能循跡小車的軟件設(shè)計151.系統(tǒng)主程序流程圖152.源程序15四開發(fā)總結(jié)與新得201.開發(fā)與調(diào)試過程20 1.1總體方案確立20 1.2各分立模塊的制作與調(diào)試20 1.3總體的裝備與調(diào)試202.總結(jié)與展望20五參考文獻21自動循跡小車摘要：本尋跡小車是以at89c52單片機為控制核心，加以直流電機、光電傳感器和電源電路以及其他電路構(gòu)成。系統(tǒng)由at89c51通過io口控制小車的前進、加速、減速、顯示時間和所行路程。尋跡由rpr220型光電對管完成。關(guān)鍵詞： 直流電機 光電傳感器 自動尋跡車abstract: the smart

3、car is aluminum alloy for the chassis, at89c52 mcu as its core, including motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. mcu controls the car turning back forward or running on the white line. rpr220 reflective photo sensor seeks the trace. far infrared

4、 flame sensor tracks the flame. in addition, the scm system with sunplus for voice broadcast can remind current status. the system transmits information through df module. the cars status will be transmitted to the remote console. ocmj4x8c lcd display and 2 keys for start control.keywords: motor pho

5、to sensor electrical fire engines 引言： 隨著科技的進步，生活水平的提高，人們對汽車的依賴是越來越多。同時，伴隨著汽車的普及，交通擁堵和交通意外成了社會的大問題。為了解決這些問題，我們的研究人員做了大量的細致認真的工作，其中一個方面就是希望讓機器人取代人來駕駛汽車，通過機器人精確的判斷和快速的反應(yīng)使汽車更合理更安全的行駛，這樣既能減少交通事故發(fā)生的概率，又能讓道路得到合理高效的利用。智能車設(shè)計就是要求我們能夠去進行這樣的研究，通過對所掌握知識的熟練運用，達到讓車模能夠自動尋跡運動，并且同時使得循跡運動的時間最短。此類比賽加深了我們對科技促進生活水平的理解，也在

6、一定程度上推動了這方面的研究。一、智能循跡小車的設(shè)計分析1.設(shè)計要求1.1基本要求 設(shè)計一個基于直流電機的自動尋跡小車，使小車能夠自動檢測地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛。系統(tǒng)方案方框圖如圖1-1所示。檢測（黑線）驅(qū)動電機軟件控制控制小車圖1-1 系統(tǒng)方案方框圖 （1） 車輛從起跑線出發(fā)開始計時（出發(fā)前，車輛不得超出起跑線），能到達終點線并且停止在終點線。全程行駛時間應(yīng)力求最短（從合上小車電源開關(guān)開始計時）。（2） 到達終點線小車停止后，停車位置離終點線偏差應(yīng)最?。ㄒ孕≤囍行狞c與終點線之間距離作為偏差的測量值）。（3）在行駛過程中小車檢測到加速線后開始加速并發(fā)出聲光報警信號，檢測到減速線后開

7、始減速并發(fā)出聲光報警信號。1.2發(fā)揮部分（1）從起跑線開始計時，自動記錄、時時顯示全程行駛時間（記錄顯示裝置要求安裝在小車上），誤差盡可能小。（2）從起跑線開始，自動記錄、顯示行駛距離x3（記錄顯示裝置要求安裝在小車上），誤差盡可能小。（3）從起跑線開始，自動記錄、顯示金屬片1、2離起跑線的距離x1，x2，誤差盡可能小。2.方案論證與比較2.1電源設(shè)計方案（1） 供電 堿性電池 vs 鉛蓄電池 vs 鋰電池 用堿性電池來作為小車的動力及控制供電 ， 有體積小 ， 重量輕的優(yōu)點 ，放電曲線比教穩(wěn)定 ， 可以通過加減電池節(jié)數(shù) （ 單節(jié) 1.5v ） 來調(diào)節(jié)所需電壓。但是，由于小車的開發(fā)階段需要不斷

8、地調(diào)試，勢必消耗大量的電能。堿性電池又是一次性電池，不得不更換電池，成本自然就上來了，并且不利于環(huán)保。鉛蓄電池作為二次電源元老級的代表，具有價格低廉，壽命長久（一般可達 4 年之久 ） ，耐貯藏（ 尤其適于干式荷電貯存 ） ，充放電性能極為突出，抗摔抗撞能力較好等的優(yōu)點。其制造工藝成熟，生產(chǎn)產(chǎn)品線完善 ， 可以方便地買到各種規(guī)格的產(chǎn)品 。 但是其能量密度較低 ， 導致其體積大，質(zhì)量大，不便于攜帶。鋰電池是一種新型的二次電源，是電源界的后起之秀，也是目前使用最廣泛的便攜式二次電源。 具有高儲存能量密度 （是鉛蓄電池的 6 7倍 ） ， 使用壽命長 （ 可達 6 年 ） ， 額定電壓高 （ 單節(jié)

9、3.7v ） ， 且 具備高功率承受力 ， 自放電率很低 ， 綠色環(huán)保 等的優(yōu)點。 缺點 是鋰 電池均存在安全性差。需保護線路，防止電池被過充過放電。生產(chǎn)要求條件高，成本高。綜合考慮其優(yōu)缺點，鋰電池有著較強的供電能力和較輕的質(zhì)量，鋰電池為本次設(shè)計的最佳供電方案，但考慮到成本和小車負載能力決定放棄本方案。（2） 穩(wěn)壓 7805+7905 由于本次設(shè)計電源分動力和邏輯電路兩部分，均需穩(wěn)定的電壓以保證其精度，所以必須有較強的電源管理法案。目前市面上較常用的穩(wěn)壓芯片主要要有 7805系列和 7905 列 ，帶負載能力比較弱，但轉(zhuǎn)化效率高（ 70%90% ） ，穩(wěn)壓效果好等的優(yōu)點。 78xx 系列為線性

10、穩(wěn)壓芯片 ， 穩(wěn)壓效果好，外圍電路簡單，應(yīng)用電路成熟可靠等的優(yōu)點。但是其帶負載能力較弱 ， 電流輸出差 ， 效率低 （ 最高 50% ） 。 根據(jù)其各自性能優(yōu)勢 。2. 2電機驅(qū)動方案（1） 購買專用電機驅(qū)動模塊 市面上有專門的雙電機驅(qū)動芯片 l298 ， 經(jīng)測試性能可以滿足小車的電機控制求，而且外圍電路比較簡單，穩(wěn)定性較好，驅(qū)動能力夠強。能夠很好的保證兩機的同步，但是考慮到本次設(shè)計主要是鍛煉我們的能力所以不采用芯片。（2） 自己搭建橋式電機驅(qū)動 電機加減速以及正反轉(zhuǎn)的典型電路是 h 橋驅(qū)動電路，根據(jù)需要分析，可用功三極管或者 cmos 管來搭建 ， 這樣有助于提高我們的動手能力和知識融匯通的

11、能。 雖然很有難度，但是致力于提高自身水準和知識的前提下我們決定采用此方案。2.3傳感器設(shè)計方案（1） 使用 ccd 傳感器來采集路面信息 使用 ccd 傳感器 ， 可以獲取大量的圖像信息 ， 可以全面完整的掌握路徑信息 ，以進行較遠距離的預(yù)測和識別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強。但是對于項目來說，使用 ccd傳感器也有其不足之處。首先使用 ccd 傳感器需要有大圖像處理的工作，需要進行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算。因為是以實現(xiàn)小車視覺為的，實現(xiàn)起來工作量較大，相當繁瑣。（2） 使用光電傳感器來采集路面信息 使用紅外傳感器最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，

12、響應(yīng)時間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅傳感器的缺點是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測距離有限，而且容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其造成干擾，所以我們決定使用光電傳感器來進行循跡。2.4顯示模塊設(shè)計方案（1） l ed 數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管顯示具有亮度高，色彩選擇多的優(yōu)點，但是數(shù)碼管占用 i/o 資源多，制復(fù)雜，功耗較大，顯示信息量較少且單一。（2） 1602 液晶顯示 液晶顯示驅(qū)動簡單，易于控制，功耗小，且顯示信息量大，可以直觀地觀測小車的位置及速度信息。綜合考慮，決定用 1602 液晶顯示作為本

13、次設(shè)計的顯示模塊。3. 總體設(shè)計3.1總體設(shè)計流程圖單片機lcd1602顯示器光電管循跡模塊左電機驅(qū)動電路右電機霍爾檢測金屬模塊聲光報警電路 電 源 我們硬件電路總共由六大模塊組成，分別為主控制器模塊、電源模塊、lcd顯示模塊、檢測模塊（光電管循跡檢測和霍爾測速檢測）、聲光報警模塊、電機驅(qū)動模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖引言中有涉及到，各模塊功能接下來會一一介紹。二智能循跡小車的硬件設(shè)計1.機械設(shè)計 小車機械部分設(shè)計有以下幾個要求：符合機械力學性能，能夠很好地完成各機械動作；易于組裝拆卸以便于維護維修；方便擴展布局，面向以后學習研究的擴展開發(fā)；總體布局有一定的電氣隔離性能，盡量減少互相干擾；美觀大方。1.

14、1小車實際搭建圖 以采購的小車為基礎(chǔ)車，然后在上面搭建主控制器模塊、電源模塊、lcd顯示模塊、檢測模塊（光電管循跡檢測和霍爾測速檢測）、聲光報警模塊、電機驅(qū)動模塊等電路以實現(xiàn)小車的各項功能。如上圖，右邊是小車的頭部，伸出最長的部分即為小車的循跡電路，在前輪正上方是小車的電機驅(qū)動電路，在這兩個電路之前搭有測速和聲光報警電路，在小車的正上方是lcd1602顯示器，小車尾部則是單片機最小控制系統(tǒng)。小車的總體布局應(yīng)以盡量減少互相干擾為原則，兼顧美觀整齊?；谶@兩點，通過調(diào)試，在小車底板下面只安放了兩個減速電機，防止電機磁對電氣信號的干擾。小車的后面安放電源，有利于電流的方向一致以較少對信號的影響。電機

15、驅(qū)動緊挨著電源部分 ，同在小車的尾部，這樣有利于大電流的直接輸送，減少干擾。對與我們設(shè)計的這輛小車，顯然整體還不能達到以上的布局要求，有待改進。1.2小車傳感器分布 如上圖所示，小車采用三個光電傳感器對黑線進行循跡，每個傳感器之間相距18mm20mm，傳感器寬不大于10mm，黑線寬約15mm，速度快的話不太可能循的起來，但是放慢速度的話還是可以的。中間的傳感器主要用于小車在黑線正上方正常行駛時檢測，左右2個主要用于小車行駛過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)給予小車行駛路線的糾正的。 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弱來判斷“道路”。通常采

16、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，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質(zhì)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(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，在3cm以內(nèi)。光電傳感器檢測路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強是不一樣，進而導致接收管的特

17、性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測可以近似認為接收管兩端輸出電阻不同，進而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開來。圖3.5 光電傳感器原理1.3霍爾測速 測速我們采用霍爾傳感器。將金屬磁塊嵌于車輪之中，在車輪附近綁定霍爾測速電路，當小車車輪每轉(zhuǎn)動一次霍爾傳感器就會感應(yīng)一次，小車車輪周長x，我們可通過公式計算出小車行駛的距離，速度和時間。2.各模塊電路設(shè)計2.1電源2.1.1電源實圖 2.1.2電源原理圖電源采用 lm7805、lm7905三端線性穩(wěn)壓芯片，具有較好的線性穩(wěn)壓效果，外圍電路十分簡單，所以在本次設(shè)計中選為邏輯供電穩(wěn)壓芯片，為了得到理想的電壓，在輸出端用大的濾波電容和小電

18、容并聯(lián)的方式進行整波。2.2單片機控制電路2.2.1單片機控制電路實圖2.2.2單片機控制電路原理圖系統(tǒng)控制電路采用單片機at89c52作為主控單元，負責整個電路的資源分配以及對各電路信號的采集、分析及處理。配置了外部晶振以及復(fù)位電路。單片機控制電路原理圖如右圖：2.3循跡模塊2.3.1循跡原理圖循跡采用三個光電對管，上面已有介紹。2.3.2循跡pcb板2.4驅(qū)動電路2.4.1驅(qū)動電路實物圖2.4.2驅(qū)動電路原理圖 驅(qū)動電路采用h橋搭建，以代替芯片298驅(qū)動電機。2.4.3驅(qū)動電路pcb板2.5聲光報警電路2.5.1聲光報警原理圖 蜂鳴器用于小車位置指示，用三極管驅(qū)動， 小車到站后，單片機給蜂

19、鳴器一個方波信號，蜂鳴器鳴叫提示。2.6lcd1602顯示器2.6.1lcd1602顯示器實拍圖 2.6.2lcd1602顯示器原理接線圖液晶由單片機控制，實時顯示小車行駛的時間和路程，由于其內(nèi)部集成了顯示處理模塊，所以外圍電路十分簡單。三智能循跡小車的軟件設(shè)計1.系統(tǒng)主程序流程圖2.源程序#include"reg52.h"#define uchar unsigned char sbit r1=p14;sbit r2=p15;sbit r3=p16;sbit r4=p17;sbit g1=p00;sbit g2=p01;sbit g3=p02;uchar k,t,j,m,b

20、;void delay(uchar t)for(k=0;k<=100;k+)for(j=0;j<=t;j+);uchar i;void qianjin()r1=1;r2=0;r3=1;r4=0;delay(10);r1=1;r2=0;r3=0;r4=0;delay(10);r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;void zhuozhuan()r1=0;r2=1;r3=1;r4=0;/*delay(5);r1=0;r2=1;r3=0;r4=0;delay(5);r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;delay(5);*/void youzhuan()r1=1;r2=0;r3=0;

21、r4=1;/*delay(5);r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;*/void xunji() if(g1=0&&g2=1&&g3=1)/while(g2)/ zhuozhuan();/ if(g1=1&&g2=1&&g3=1)zhuozhuan();if(g1=1&&g2=0&&g3=1)zhuozhuan();if(g1=1&&g2=1&&g3=0)zhuozhuan();i=1;if(g1=1&&g2=1&&g3=0)you

22、zhuan(); if(g1=1&&g2=1&&g3=1) youzhuan(); if(g1=1&&g2=0&&g3=1) youzhuan(); if(g1=0&&g2=1&&g3=1) youzhuan();i=2;if(g1=1&&g2=0&&g3=1)while(g1&&g3)qianjin();i=3;if(g1=1&&g2=1&g3=1)if(1=i) zhuozhuan();else if (2=i)youzhu

23、an();else if(3=i)qianjin(); void main() while(b!=2) if(g1=0&&g2=0&&g3=0)qianjian();m=1;if(g1=0&&g2=0&&g3=0&&m=1)r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;delay(200);if(g1=1&&g2=0&&g3=1)r1=0;r2=0;r3=0; r4=0;delay(600);r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;delay(500);b=2;xunji();r1=0;r

24、2=0;r3=0;r4=0;四、開發(fā)總結(jié)與新得1.開發(fā)與調(diào)試過程1.1總體方案確立 在這一階段。我們主要任務(wù)是根據(jù)大賽要求對小車的總體結(jié)構(gòu)進行初步設(shè)計，對系統(tǒng)進行模塊化 ， 對各部分資源做出分配。確定軟件的主要思路一階段上主要解決的問題有： 確定小組各成員的分工，各取所長，分頭進行前期資料的準備 確定小車的開發(fā)流程，規(guī)劃小車的開發(fā)進度； 將電氣部分劃分為了電源 、 驅(qū)動 、 單片機和傳感器四大模塊 ， 并確定 各案。 分配各模塊資源，確定各模塊的主要參數(shù)。 采購所需元器件，為下一階段做準備。1.2各分立模塊的制作與調(diào)試 在這一階段，我們的主要任務(wù)是，完成各個模塊的搭建，并調(diào)試使之達到預(yù)的參數(shù)指

25、標。 根據(jù)大賽的要求我們確定的各部分模塊的參數(shù)， 一一制作出各部分模塊， 并對進行了調(diào)試確定其各方面性能均能達標。電源設(shè)計所用的 2576+7805 方案在測中發(fā)現(xiàn)，7805 所提供的 5v 在正常工作情況下，電流有所欠缺，于是我們便用兩7805 并聯(lián)提供穩(wěn)定可靠的 5v 電源。單片機最小系同開始時因資源口分配的不，進分析發(fā)現(xiàn)，會使以后的編程以及走線有很大的影響，于是根據(jù)實際要求重設(shè)計了電路。 傳感器設(shè)計中， 我們根據(jù)資料重點選擇rp220、st16 8 和 tcrt5000，實際測試發(fā)現(xiàn)，tcrt5000 效果最好，所以選用了這個型號的產(chǎn)品。由于空間的制，測速用的傳感器一直很難找到合適的型號

26、。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)用普通的光電對組合可以滿足要求。由于產(chǎn)品生產(chǎn)的個體差異性，電機的調(diào)試是最困難的，經(jīng)多次的硬件調(diào)試實驗和上電磨合，兩電機的轉(zhuǎn)速依然很難同步，所以最后通過難軟件的控制調(diào)試，終于使之達到基本同步。1.3總體的裝配與調(diào)試 在這個階段，我們的主要任務(wù)是務(wù)必使車完全達到大賽的性能指標。使各個模塊之間協(xié)調(diào)可靠，互不影響，按預(yù)計完成任務(wù)。 在調(diào)試的過程中我們才發(fā)現(xiàn) 。 所有的情況并非是想象中的那么符合常理 ， 每一次的轉(zhuǎn)彎。每一次的位置信息的獲取都是在慢慢的反復(fù)調(diào)試中完成的。我們要對之前的各種方案進行不斷地修改，我們要仔細分析每一次出錯的情況并找出原因所在。一次次地修正程序的漏洞，一步步地完善傳感器的排布情況，一點點地校正小車的行駛軌跡。對控制算法的每一次優(yōu)化。2.總結(jié)與展望 在這次設(shè)計中，我們初步完成了小車的制作，達到了基本要求，但由時間有限，小車各方面的性能還有待提高，設(shè)計方案還可以進一步擴展，如傳器采用 ccd 與紅外相結(jié)合，控制采用模糊控制等，這些需要我們以后進一步完善。 通過這次的課程設(shè)計，我們獲得不少的收獲，不光是知識和經(jīng)驗上的收獲，更有在生活態(tài)度上的收獲。做事不能想當然，在大部分事情的處理中，不會有理想狀態(tài)的出現(xiàn)，我們必須積極面對所有可能發(fā)生的情況，并努力地解決它