基于單片機(jī)控制的尋跡小車(chē)

1、 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè)光電綜合設(shè)計(jì)報(bào)告基于單片機(jī)控制的尋跡小車(chē)基于單片機(jī)控制的尋跡小車(chē)院（系）名稱(chēng)專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)學(xué) 生 姓 名指 導(dǎo) 教 師 2017 年 6 月 07 日 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè)摘 要智能車(chē)輛作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，以及在智能車(chē)輛基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品已成為自動(dòng)化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，智能小車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)正成為廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。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(chē)系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為各個(gè)模塊方案的設(shè)計(jì)與對(duì)比、硬件和軟件設(shè)計(jì)，其中每一部分均采用模塊化設(shè)計(jì)原則，使得設(shè)計(jì)易讀、易修改、易擴(kuò)充。本實(shí)驗(yàn)分三步進(jìn)行。首先對(duì)主控系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、尋跡避障

2、及機(jī)械系統(tǒng)與電源等各個(gè)模塊方案進(jìn)行對(duì)比，選擇確定自己的方案。其次，對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，即對(duì)尋跡檢測(cè)電路及信號(hào)檢測(cè)模塊電路的設(shè)計(jì)。最后，對(duì)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)尋跡程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，以 AT89C51 為控制核心，利用定時(shí)器 T0 通過(guò)定時(shí)器中斷產(chǎn)生 PWM 波形，通過(guò)調(diào)整占空比控制小車(chē)速度和轉(zhuǎn)向。利用紅外光電傳感器對(duì)路面黑色軌跡進(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)控制左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速以調(diào)整小車(chē)轉(zhuǎn)向，從而使小車(chē)能夠沿著環(huán)形黑色軌跡自動(dòng)行駛，達(dá)到自動(dòng)尋跡的目的。關(guān)鍵詞：AT80C51 單片機(jī)、光電檢測(cè)器、PWM 調(diào)速、電動(dòng)小車(chē) 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè)目錄1.前

3、期準(zhǔn)備.32.方案的設(shè)計(jì)與對(duì)比.32.1 主控系統(tǒng).32.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.42.3 尋跡模塊.52.4 避障模塊.62.5 機(jī)械系統(tǒng)和電源模塊.63.硬件設(shè)計(jì).73.1 尋跡檢測(cè)電路.83.2 信號(hào)檢測(cè)模塊.94.軟件設(shè)計(jì).94.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序.104.2 循跡總程序.10結(jié)論.14 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè)1.前期準(zhǔn)備前期準(zhǔn)備當(dāng)選擇這個(gè)題目時(shí)，對(duì)所要做的課程設(shè)計(jì)一無(wú)了解，無(wú)從下手，硬件不知道怎么設(shè)計(jì)，軟件也一頭茫然。所以在起初階段查閱了大量的關(guān)于基于單片機(jī)控制的尋跡小車(chē)資料。去百度文庫(kù)，中國(guó)知網(wǎng)，學(xué)校圖書(shū)館等地方查閱了大部分所要的資料。從一無(wú)了解到明白小車(chē)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)、尋跡的原理（

4、左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，還是直線前進(jìn)） 。通過(guò)不同方案的對(duì)比，找到屬于自己的設(shè)計(jì)方案。由此可見(jiàn)，知識(shí)還是成功的基石，沒(méi)有前期的準(zhǔn)備，就沒(méi)有最后的收獲。2.方案的設(shè)計(jì)與對(duì)比方案的設(shè)計(jì)與對(duì)比根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車(chē)的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(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(chē)的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)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)主控系統(tǒng)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。

5、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(xiě)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(chē)的行進(jìn)速度不可能太高，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，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(chē)，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(chē)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)

6、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。 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè)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) 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 P89C52RA 單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，52 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 52 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，決定采用一片單片機(jī)，充分利用 STC89

7、C52 單片機(jī)的資源。2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(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(chē)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)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。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作

8、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)。這種調(diào)速方式有采用 16 引腳 DIP 封裝，其內(nèi)部集成了雙極型 H-橋電路，所有的開(kāi)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(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑”作用，消除正 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè)反向時(shí)的靜摩摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。我選取第三種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡。2.3 尋跡模塊尋跡模塊方案一：采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)

9、，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)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)樵摬考斐烧麄€(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，分別置于小車(chē)車(chē)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情況來(lái)控制小車(chē)轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車(chē)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。方案三：采用四只紅外對(duì)管，兩只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車(chē)脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的兩只光電開(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)

10、實(shí)測(cè)表明，小車(chē)在循跡過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)循跡。2.4 避障模塊避障模塊方案一：采用一只紅外對(duì)管置于小車(chē)中央，其安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以確定小車(chē)在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不易讓小車(chē)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(chē)的前端兩側(cè)，方向與小車(chē)前進(jìn)方向平行，對(duì)小車(chē)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(lài)硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車(chē)左方的紅外對(duì)管用到的幾率很小，所以最終未采用。 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)方案三：采用超聲波置于小車(chē)前端。通過(guò)測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)

11、小車(chē)避開(kāi)障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。通過(guò)比較我采用方案三。2.5 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)和電源模塊和電源模塊驅(qū)動(dòng)部分：由于玩具汽車(chē)的直流電機(jī)功率較小，而小車(chē)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(chē)能夠順利啟動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在直流電機(jī)和輪車(chē)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(chē)體的電機(jī)前后位置，降低車(chē)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)。電源模塊方案一：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。方案二：采用 12V 蓄電池給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案一

12、的問(wèn)題且能讓小車(chē)完成其功能。所以，我選擇了方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。3.硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)智能小車(chē)采用前后輪驅(qū)動(dòng)，前后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。將循跡光電對(duì)管分別裝在車(chē)體下的左右。當(dāng)車(chē)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(chē)向左修正，當(dāng)車(chē)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(chē)向右修正。避障的原理和循線一樣，在車(chē)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(chē)子倒退,轉(zhuǎn)向，從而避開(kāi)障礙物。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)：該驅(qū)動(dòng)板可驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)，使能端ENA、ENB為高電平時(shí)有效，控制方式及直流電機(jī)狀態(tài)表如下所

13、示： 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè)表 1 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(dòng)101正轉(zhuǎn)110反轉(zhuǎn)111制動(dòng)若要對(duì)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(dòng)方向，然后對(duì)使能端輸出PWM脈沖，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。注意當(dāng)使能信號(hào)為0時(shí)，電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)使能信號(hào)為1，且IN1和IN2為00或11時(shí)，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)原理如圖1。圖 1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.1 尋跡檢測(cè)電路尋跡檢測(cè)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(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管。當(dāng)發(fā)射管的紅外信號(hào)經(jīng)反射被

14、接收管 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè)接收后,接收管的電阻會(huì)發(fā)生變化,在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來(lái),而經(jīng)過(guò) 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(hào)強(qiáng)度,常表現(xiàn)在反射面的顏色和反射面接收管的距離兩二方面。硬件參考原理如圖 2。圖 2 驅(qū)動(dòng)原理圖3.2 信號(hào)檢測(cè)模塊信號(hào)檢測(cè)模塊小車(chē)循跡原理是小車(chē)在畫(huà)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”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)

15、的特點(diǎn)。在小車(chē)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(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車(chē)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。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用 TCRT5000 型光電對(duì)管 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè)圖 3 循跡原理圖4.軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)總體設(shè)計(jì)的思想及本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，在設(shè)計(jì)中完成以下功能。1、循跡模塊主程序：由是否遇到黑線，測(cè)到光源，測(cè)到擋板產(chǎn)生信號(hào)的操作，信號(hào)返回到單片機(jī)，再通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主

16、程序：主要用來(lái)控制兩個(gè)直流減速電機(jī)，實(shí)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。4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序void forward_turn1()/電機(jī) 1 前進(jìn)IN1=0;IN2=1;void reverse_return1()/電機(jī) 1 后退IN1=1;IN2=0;void forward_turn2()/電機(jī) 2 前進(jìn)IN3=0;IN4=1; 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè)void reverse_return2()/電機(jī) 2 后退IN1=1;IN2=0;4.2 循跡總程序循跡總程序總程序如下：#includesbit IN1=P10;/以下是點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)芯片 L298

17、 管腳位聲明sbit PWM1=P11;sbit IN2=P12;sbit IN3=P13;sbit PWM2=P14;sbit IN4=P15;sbit RPR1=P16;/此處是傳感器 RPR220 管腳位聲明sbit RPR2=P17;int count1=0;/用于定時(shí)計(jì)數(shù)的兩個(gè)全局變量位聲明int count2=0;void forward_turn1()/電機(jī) 1 前進(jìn)IN1=0;IN2=1;void reverse_return1()/電機(jī) 1 后退IN1=1;IN2=0;void forward_turn2()/電機(jī) 2 前進(jìn) 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè)IN3=0;IN4=

18、1;void reverse_return2()/電機(jī) 2 后退IN1=1;IN2=0;void speed1(int ct,int sd)/電機(jī) 1 速度控制函數(shù)，其中參數(shù) sd 為生成PWM 波形的比較基準(zhǔn)if(ct=sd)PWM1=1;elsePWM1=0;void speed2(int ct,int sd)/電機(jī) 2 速度控制函數(shù)，其中參數(shù) sd 為生成PWM 波形的比較基準(zhǔn)if(ct=1000)/周期是 1scount1=0;void time1()interrupt 3TH0=(65536-1000)/256;/定時(shí) 1msTL0=(65536-1000)%256;count2+;if(count2=1000)/周期是 1scount2=0; 光電信息綜合設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè)結(jié)論結(jié)論整個(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：自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車(chē)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)。本系統(tǒng)能夠基本滿足設(shè)計(jì)要求，小車(chē)能夠較快較平穩(wěn)的沿著引導(dǎo)線行駛，但由于經(jīng)驗(yàn)?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