智能循跡小車畢業(yè)論文

1、 X 學(xué) 院 X專專業(yè)業(yè)（專專科科）畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文論文）題題 目目 智能循跡小車智能循跡小車 設(shè)計與制作設(shè)計與制作 姓姓 名名 X 學(xué)學(xué) 號號 X指指 導(dǎo)導(dǎo) 老老 師師 X 完完 成成 日日 期期 X 教教 學(xué)學(xué) 系系 XI摘摘要要本文論述了基于單片機(jī)的智能循跡小車的控制過程。智能循跡是基于自動引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)用以實現(xiàn)小車自動識別以及選擇正確的路線。智能循跡小車運用傳感器、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動及自動控制等技術(shù)實現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定的模式不受人為限制自動實現(xiàn)循跡導(dǎo)航。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動車、無人工廠、倉庫、服務(wù)機(jī)器人等多種領(lǐng)域。 本設(shè)計采用 STC89C52 單片機(jī)作為小車的控制核心。采用

2、TCRT5000 紅外反射式開關(guān)傳感器作為小車的循跡模塊來識別白色路面中央的黑色引導(dǎo)線。采集信號并將信號轉(zhuǎn)換為能被單片機(jī)識別的數(shù)字信號。采用驅(qū)動芯片 L298N 構(gòu)成雙 H 橋控制直流電機(jī)。本設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、可靠性高。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：智能小車；智能小車；單片機(jī)單片機(jī)； 驅(qū)動芯片驅(qū)動芯片IIAbstractThis paper discusses the control process of intelligent tracking car based on mcu. Intelligent tracking is used to realize the automatic car

3、 identification and choosing the right route automatic guided robot system based on. Intelligent vehicle tracking using sensor, microcontroller, motor drive and automatic control technology to achieve pre-set according to the model without artificial restriction of automatically tracking navigation.

4、 This technology has been applied in many fields, unmanned vehicles unmanned factories, warehouses, service robot.This design uses STC89C52 microcontroller as the control core of the car. Using TCRT5000 reflection type infrared sensor switch as the tracking module car to identify the white road cent

5、ral black guide line. Collecting signal and converts the signal into digital signal processor can be identified. Using the drive chip L298N to constitute the double H bridge DC motor control. The design of the circuit structure is simple, easy to realize and high reliability.Keywords: intelligent ve

6、hicle; single chip microcomputer; driving chipIII目目 錄錄摘要.IABSTRACT.II第一章 緒論.11.1 智能小車的意義和作用.11.2 智能小車的現(xiàn)狀.1第二章 方案設(shè)計與論證.22.1 主控系統(tǒng).22.2 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng).22.3 循跡系統(tǒng).42.4 機(jī)械系統(tǒng).52.5 電源系統(tǒng).5第三章 硬件設(shè)計.63.1 總體設(shè)計.63.2 驅(qū)動電路.73.3 信號檢測模塊.83.4 主控電路.9第四章 軟件設(shè)計.104.1 主程序.104.2 電機(jī)驅(qū)動程序.104.3 循跡模塊.11第五章 制作安裝與調(diào)試.145.1 小車組裝與調(diào)試.14結(jié)束語.

7、15致謝.17參考文獻(xiàn).181第一章第一章 緒論緒論1.1 智能小車的意義和作用智能小車的意義和作用 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算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境

8、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)中考慮使用接近感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

9、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。可以實現(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。基于上述要求，傳感檢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

10、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)，配合軟件編程實現(xiàn)。1.2 智能小車的現(xiàn)狀智能小車的現(xiàn)狀現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質(zhì)成果。其基本可實現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾屆的電子設(shè)計大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計主要實現(xiàn)循跡這個功能。2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

11、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，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。2.1 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?？?，而小車的行進(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

12、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，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

13、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 STC89C52 單片機(jī)作為本設(shè)計的主控裝置，此類單片機(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 51 單片機(jī)價格非常低廉。綜合考慮傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素，我們決定采用方案二，充分利用單片機(jī)STC89C52 的資源。2.2 電機(jī)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)系統(tǒng)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3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，

14、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 所示。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)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用

15、了芯片 L298N，元器件 L298N 實物圖如圖 2.2 所示。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。綜合以上方案分析，本論文設(shè)計采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。圖 2.1 H 橋式電路4圖 2.2 元器件 L298N 實物圖2.3 循跡循跡系統(tǒng)系統(tǒng)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

16、紅外對管，結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到的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。(參考文獻(xiàn)3)方案三：采用三只紅外對管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(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（即小車回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。現(xiàn)場實測表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其成本與穩(wěn)定性都次與第二種方案。通過經(jīng)濟(jì)和性能綜合比較，本文選取第二種方案來實現(xiàn)對

17、小車的循跡。5圖 2.3 紅外對管2.4 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)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，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。2.5 電源電源系統(tǒng)系統(tǒng)方案一：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 2 支 1.

18、5V 電池單電源供電，便能解決方案一的問題并讓小車完成其功能。所以綜合以上分析，本設(shè)計中選用方案二來實現(xiàn)供電。6第三章第三章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計3.1 總體設(shè)計總體設(shè)計智能小車左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，調(diào)制兩個輪子的轉(zhuǎn)速起停，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的。車輪是萬象輪，起支撐的作用。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。主板設(shè)計框圖如圖 3.1，所需原件清單如表 3.1。圖 3.1 主板設(shè)計框圖表表 3.13.1 元件清單元件清單元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量直流電機(jī)2

19、 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3 只蜂鳴器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Stc89c52循跡紅外對管時鐘電路復(fù)位電路報警電路電機(jī)驅(qū)動73.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動一般采用 H 橋式驅(qū)動電路，L298N 內(nèi)部集成了 H 橋式驅(qū)動電路，從而可以采用L298N 電路來驅(qū)動電機(jī)。通過單片機(jī)給予 L298N 電路 PWM 信號來控制小車的速度，起停。L298N引腳圖如圖 3.2 所示，驅(qū)動原理圖如圖 3.3。圖 3.2 L298N 引腳圖 圖 3.3 電機(jī)驅(qū)動電路83.3 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

20、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。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93.4 主控電路主控電路

21、本模塊主要是對采集信號進(jìn)行分析，同時給出 PWM 波控制電機(jī)起停。通過光電傳感器將信號傳遞給運算放大器，再傳給單片機(jī)，由單片機(jī)處理信號，使驅(qū)動電路運作。其電路圖如圖 3.5 所示。圖 3.5 主控電路10第四章第四章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計4.1 主程序主程序圖 4.1 主程序框圖4.2 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;s2=1;s3=0;s4=1;啟動循跡是否檢測到停止停止11void turnleft()s3=1;s4=0;void turnright()s1=1;s2=0;void stop()en

22、1=0;en2=0;4.3 循跡模塊循跡模塊循跡框圖： 圖 4.3 循跡框圖前進(jìn)掃描 I/O 口，是否檢測到黑線左邊 右邊左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)開始12循跡程序：void xunji()if(left_red=1)&(right_red=1)en1=1;en2=1;goahead();delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);else if(left_red=0)&(right_red=1)en1=0;en2=1; P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);else if(left_red=1)&am

23、p;(right_red=0)en1=1;en2=0;P0_1=!P0_1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);13elsestop();14第五章第五章 制作安裝與調(diào)試制作安裝與調(diào)試5.1 小車組裝與調(diào)試小車組裝與調(diào)試組裝步驟：第一步：電路部分基本焊接 電路焊接部分比較簡單，焊接順序按照元件高度從低到高的原則，首先焊接 8 個電阻，焊接時要用萬用表確認(rèn)阻值是否正確，焊接有極性的元件如三極管、綠色指示燈、電解電容要分清楚極性，按元件方向焊接，焊接電容時引腳短的是負(fù)極插入 PCB 絲印上陰影的一側(cè)。第二步：機(jī)械組裝將萬向輪螺絲穿入 PCB 孔

24、中，并旋入萬向輪螺母和萬向輪。電池盒通過雙面膠貼在 PCB 上，引出線穿過 PCB 預(yù)留孔焊接到 PCB 上，紅線接 3V 正電源，黃線接地。機(jī)械部分組裝可以先組裝輪子，輪子由三片黑色亞克力輪片組成，裝配前請將保護(hù)膜揭去，最內(nèi)側(cè)的輪片中心孔是長園孔，中間的輪片直徑比較小，外側(cè)的輪片中心孔是園的，用兩個螺絲螺母固定好三片輪片，并用黑色的自攻螺絲固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，最后將硅膠輪胎套在車輪上。用引線連接好電機(jī)引線，最后將車輪組件用不干膠粘貼在 PCB 制定位置，車輪和 PCB 邊緣保持足夠的間隙，將電機(jī)引線焊接到 PCB 上。第三步：安裝光電回路光敏電阻和發(fā)光二極管是反向安裝在 PCB 上的，和地面

25、間距約 5 毫米左右，光敏電阻和發(fā)光二極管之間距離也在 5 毫米左右。最后可以通電測試。 第四步：整車調(diào)試在電池盒內(nèi)裝入 2 節(jié) 1.5V 電池，開關(guān)撥在“ON”位置上，小車正確的行駛反相是沿萬向輪方向行駛，如果按住左邊的光敏電阻，小車的右側(cè)的車輪應(yīng)該轉(zhuǎn)動，按住右邊的光敏電阻，小車的左側(cè)的車輪應(yīng)該轉(zhuǎn)動，如果小車后退行駛可以同時交換兩個電機(jī)的接線，如果一側(cè)正常另一側(cè)后退，只要交換后退一側(cè)電機(jī)接線即可，小車循跡實物圖如圖 5.1 所示。通過改變循跡板滑動變阻器器的大小來調(diào)試光敏電阻的靈敏度，通過改變延時程序來改變速度的大小。下表為小車運行的情況：15表 5.1 小車調(diào)試情況 圖 5.1 小車循跡實

26、物圖小車運行次數(shù)成功循跡次數(shù)112233445516結(jié)束語結(jié)束語 經(jīng)過一個多月的忙碌，在我和指導(dǎo)老師還有同學(xué)們共同的努力下，終于給智能循跡小車畫上了句號。誰說不上是完美，但總算成功了。剛開始接觸這個項目，我對其一點也不了解，無從下手。后來從硬件電路開始，慢慢了解其原理，也算知道個大概。在這期間我也遇到過很多問題。最開始的便是線路處理方面。其次是程序，程序是不可能一次性成功的。但是在不斷的修改調(diào)試之后小車最終還是實現(xiàn)了預(yù)想的功能。 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。小車以單片機(jī) STC89C51 為核心，利用光電傳感器檢測白紙上的黑線，由于光遇到白紙會發(fā)生漫反射，而紅外線遇到黑線則會被吸收，光電傳感器將檢測到的信號傳輸給運算放大器，再傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)處理信號后，將命令傳達(dá)到驅(qū)動電路，使小車運作。 通過本次設(shè)計我掌握了很多以前不熟練的東西，認(rèn)識了很多以前不熟悉得東西，使我在人生上又進(jìn)了一步。也認(rèn)識到很多的不足。17致謝致謝本設(shè)計能夠順利完成，還承蒙王老師以及身邊的很多同學(xué)的指導(dǎo)和幫助。在設(shè)計過程中，最重要的是給了我解決問題的思路和方法，并且在設(shè)計環(huán)境和器材方面給予了大力的幫助和支持，在