李博畢業(yè)論文

1、智能循跡避障小車?yán)畈?，齊小龍（隴東學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000）摘要：本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易自動(dòng)尋跡小車系統(tǒng)，包括小車系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件設(shè)計(jì)方法。小車以STC89C52單片機(jī)為控制核心, 用L298N驅(qū)動(dòng)小車的兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。利用紅外對(duì)管對(duì)路面黑色軌跡和障礙物進(jìn)行檢測(cè),并將路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷,及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠避開(kāi)障礙物沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52單片機(jī)； L298N；紅外對(duì)管Intelligent trackin

2、g and obstacle-avoid carLi Bo,Qi Xiao-long(Electrical Engineering College, Longdong University, Qingyang 745000, Gansu, China)Abstract：This design is a kind of automatic tracing based on single-chip microcomputer control system used, including trolley systems hardware and software design method. Car

3、 STC89C52 single chip microcomputer to control the core, L298N driving two DC motors for car, monolithic integrated circuit PWM wave, controlling car speed. Using infra-red tube black track and detect obstacles on pavement and pavement detection signal back to the MCU. MCU on the collected signals a

4、nalysis, control drive DC motors to adjust the car turning in a timely manner, so as to enable the car to avoid the obstacles along the black path automatically, achieve the purpose of car automatic tracing.Keywords: Smart Car; STC89C52 MCU; L298N; Infrared Emitting Diode1.引言22.方案設(shè)計(jì)與論證22.1 主控系統(tǒng)22.2

5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊32.3 循跡模塊42.4 避障模塊52.5 機(jī)械系統(tǒng)62.6電源模塊63.硬件設(shè)計(jì)63.1總體設(shè)計(jì)63.2驅(qū)動(dòng)電路（參考文獻(xiàn)4）73.3信號(hào)檢測(cè)模塊83.4主控電路94.軟件設(shè)計(jì)104.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序104.3循跡模塊11P0_0=!P0_0;12P0_1=!P0_1;134.4避障模塊135.制作安裝與調(diào)試175.1 PCB的設(shè)計(jì)制作與安裝17結(jié)束語(yǔ)17參考文獻(xiàn)181.引言隨著機(jī)械自動(dòng)化的不斷發(fā)展，人們?cè)谏畹母鱾€(gè)方面都希望能夠利用自動(dòng)化的操作來(lái)提高工作效率，使生產(chǎn)發(fā)展能夠得到不斷的提高。近來(lái)在軌跡跟蹤方面的話題研究不斷引起人們的更多關(guān)注，國(guó)內(nèi)外更是開(kāi)展了一系列的智能軌跡跟蹤系

6、統(tǒng)的競(jìng)賽活動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，具有智能化的機(jī)器人在人們無(wú)法觸及的工作場(chǎng)合下更是大顯身手，如各種軍事機(jī)器人、勘探機(jī)器人等。和我們?nèi)粘Ｉ罡鼮榻咏挠懈鞣N醫(yī)療機(jī)器人、汽車自動(dòng)泊位系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等等。軌跡跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在機(jī)器人領(lǐng)域有著重要的地位，可以說(shuō)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化的一個(gè)重要指標(biāo)。任何一個(gè)機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)智能化就必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的自我感知判斷并作出相應(yīng)反應(yīng)，最終完成人們布置的任務(wù)。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)軌跡跟蹤問(wèn)題的分析，制作了一輛能夠自動(dòng)跟蹤地面上的黑色軌跡的小車。2.方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將

7、測(cè)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(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。2.1 主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)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(shí)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(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫開(kāi)發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非?？?，而小車的行進(jìn)速度不可能太高

8、，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)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(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)

9、I/O口和程序存儲(chǔ)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P89C51RA單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，51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(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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。2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)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(dòng)機(jī)

10、的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)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(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)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(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開(kāi)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L

11、298N(如圖2.2)。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(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使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橋式電路圖2.2 L298N2.3 循跡模塊方案一：采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過(guò)程極易出現(xiàn)問(wèn)題，而且容易因?yàn)?該部件造成整個(gè)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(duì)管(如圖2.3)，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開(kāi)關(guān)接受到白線與黑線的

12、情況來(lái)控制小車轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車向，測(cè)試表明，只要合理安裝好兩只光電開(kāi)關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。(參考文獻(xiàn)3)方案三：采用三只紅外對(duì)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(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開(kāi)關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開(kāi)關(guān)重新檢測(cè)到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，小車在尋跡過(guò)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(guò)比較，我選取第二種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡。圖2.3 紅外對(duì)管2.4 避障模塊方案一：采用一只紅外對(duì)管置于小車中央。其安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以

13、確定小車在水平方向上是否會(huì)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(duì)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(duì)小車與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反應(yīng)。但此方案過(guò)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(duì)管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用一只紅外對(duì)管置于小車右側(cè)。通過(guò)測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開(kāi)障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。(參考文獻(xiàn)3)通過(guò)比較我采用方案三。2.5 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(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)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

14、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(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在直流電機(jī)和輪車軸之間加裝了三級(jí)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(shí)可增加驅(qū)動(dòng)輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。2.6電源模塊方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過(guò)穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過(guò)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(shí)給單片機(jī)與與電機(jī)供電。方案三：采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問(wèn)題且能讓小車完成其功能。所以，我選擇了方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。3.硬件設(shè)計(jì)3.

15、1總體設(shè)計(jì)智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬(wàn)象輪，起支撐的作用。將循跡光電對(duì)管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，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(cè)到黑線時(shí)，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(gè)光電對(duì)管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車子倒退,轉(zhuǎn)向，從而避開(kāi)障礙物。主板設(shè)計(jì)框圖如圖3.1，所需原件清單如表3.1。Stc89c52循跡紅外對(duì)管時(shí)鐘電路復(fù)位電路報(bào)警電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)避障紅外對(duì)管圖3.1 主板設(shè)計(jì)框圖表3.1 元件

16、清單元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量直流電機(jī)2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(duì)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(gè)排針若干3.2驅(qū)動(dòng)電路（參考文獻(xiàn)4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來(lái)控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3.3。圖3.2 L298N引腳圖 圖3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.3信號(hào)檢測(cè)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(duì)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(lái)判斷“道路

17、”黑線。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)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(diǎn)。在小車行駛過(guò)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(shí)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(hào)，再通過(guò)LM324作比較器來(lái)采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。避障亦是此原理。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(duì)管。圖3.4循跡原理圖3.4主控電路本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)給出PWM波控制電機(jī)速度，起停。以及再檢測(cè)到障礙報(bào)警等作用。其電路圖如

18、圖5。圖3.5 主控電路4.軟件設(shè)計(jì)4.1主程序框圖：圖4.1 主程序框圖啟動(dòng)循跡是否檢測(cè)到停止線停止是否檢測(cè)到障礙NY避障YN4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序void goahead()s1=1; s2=0; s3=1;s4=0; void goback()s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;void turnleft()s3=1;s4=0;void turnright()s1=1;s2=0;void stop()en1=0;en2=0;4.3循跡模塊循跡框圖：開(kāi)始前進(jìn)掃描I/O口，是否檢測(cè)到黑線Y左邊 右邊左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)N圖4.2 循跡框圖循跡程序：void xunji()if(left_red=1)&(

19、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)&(right_red=0)en1=1;en2=0;P0_1=!P0_1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);elsestop();4.4避障模塊避障框圖：開(kāi)始后退一點(diǎn)，報(bào)

20、警后退左轉(zhuǎn)前進(jìn)右轉(zhuǎn)Y左轉(zhuǎn)是否檢測(cè)到障礙前進(jìn)N圖4.3 避障框圖避障程序：void bizhang()en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();goback();for(i=0;i8;i+)en1=1;en2=1;delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i11;i+)en1=0;en2=1;delay(130); en2=0;delay(50);stop();delay(10);goahead();for(i=0;i22;i+)en1=1;en2=1;dela

21、y(130);en1=0;en2=0; delay(50);stop();delay(10);turnright();for(i=0;i18;i+)en1=1;en2=0;delay(130);en1=0;delay(50);xun: if(left_red=1)&(right_red=0)loop: turnleft();en1=0;en2=1;delay(30);turnright();en1=1;delay(50);en1=0;delay(50);en2=0;delay(50);if(left_red=1)&(right_red=1);else goto loop;elseen1=1;e

22、n2=1;goahead();delay(80);en1=0;en2=0;delay(50);goto xun;5.制作安裝與調(diào)試5.1 PCB的設(shè)計(jì)制作與安裝采用DXP2004繪制原理圖與PCB板，布線的過(guò)程中必須注意焊盤的大小與銅線的寬度。我選取的焊盤內(nèi)徑為0.8mm,外徑2mm；銅線寬1mm。從做板的情況來(lái)看基本達(dá)到制作得要求。采用螺絲將循跡板安裝在車頭，主板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝在車尾。52 小車調(diào)試通過(guò)改變循跡板滑動(dòng)變阻器器的大小來(lái)調(diào)試紅外對(duì)管的靈敏度，通過(guò)改變延時(shí)程序來(lái)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)試情況小車運(yùn)行次數(shù)成功循跡次數(shù)成功避障次數(shù)111221332442554結(jié)束語(yǔ) 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)如下功能：（1） 自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來(lái)。（2）當(dāng)小車探測(cè)到前進(jìn)前方的障礙物時(shí)，可以自動(dòng)報(bào)警調(diào)整，躲避障礙物，從無(wú)障礙區(qū)通過(guò)。小車通過(guò)障礙區(qū)后，能夠自動(dòng)循跡（3）自動(dòng)檢