自动循迹小车报告.docx
《自动循迹小车报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动循迹小车报告.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
自动循迹小车报告
‘杰威电子’杯电气学院第二届电子设计大赛
设计报告
参赛题目：
智能循迹小车
学院班级：
学生姓名：
学生专业：
日期：
2013.3.29
‘杰威电子’杯第二届院电子设计大赛组委会印制
目录
目录1
摘要：
2
1任务和要求3
1.1任务和要求3
2.系统设计方案3
2.1循迹原理3
2.2控制系统总体设计3
3.系统方案4
3.1循迹模块4
3.1.1四路红外线多用探测系统5
3.1.2比较器LM339简介5
3.1.3具体电路5
3.1.4传感器安装6
3.2控制器模块6
3.3电源模块7
3.4电机及驱动模块8
3.4.1电机9
3.4.2驱动9
3.5自动循迹小车总体设计9
3.5.1总体电路图10
3.5.2系统总体说明11
4.软件设计12
4.1PWM控制13
4.2总体软件流程图13
4.3小车循迹流程图14
4.4中断程序流程图15
4.5单片机测序18
5．参考资料19
自动循迹小车
摘要：
本设计是一种基于单片机控制的简易自动循迹小车系统，包括小车系统构成软硬件设计方法。
小车以STC89C52为控制核心,利用四路红外线多用探测系统对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。
单片机对采集到的信号予以分析判断,及时控制驱动电机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动循迹的目的。
关键词：
单片机STC89C52四路红外线多用探测系统直流电机自动循迹小车
Abstract:
ThisdesignisaSimpleDesignofasmartauto-trackingvehiclewhichbasedonMSCcontrol.Theconstructionofthecar,andmethodsofhardwareandsoftwaredesignareincluded.ThecaruseSTC89C52asheartofcentrolinthissystem.ThenusingPWMwavesProducedbyMCUtocontrolcarspeed.
Byusinginfraraedsensortodetecttheinformationofblacktrack.ThesmartvehicleacquirestheinformationandsendsthemtotheMSC.ThentheMSCanalyzesthesignalsandcontrolsthemovementsofthemotors.Whichmakethesmartvehiclemovealongthegivenblacklineantomaticly.
Keywords:
infraredsensor；MSC；auto-tracking
1.任务及要求
1.1任务
1、基本要求
（1）小车从起点标志线出发，沿黑线行进，能在终点标志
线停止并有明确的声光提示。
（2）小车在行进过程中，能记录行进所用的时间并显示出
来。
2、发挥部分：
（1）在小车行进过程中对小车进行测速；
（2）在小车停止后显示小车的平均速度；
（3）其他发挥部分。
综述：
设计一个基于直流电机的自动寻迹小车，使小车能够自动检测地面黑色轨迹，并沿着黑色车轨迹行驶。
系统方案方框图如图1-1所示。
图1-1系统方案方框图
2.系统设计方案
2.1小车循迹模块
我们选择四路红外线多用探测系统。
此系统是为智能小车等自动化机械装置
提供一种多用途的红外线探测系统的解决方案。
使用
红外线发射和接收管等分立元器件组成探头，并使用
LM339电压比较器做为核心器件构成中控电路。
此系
统具有的多种探测功能能极大的满足客各种自动化、
智能化的小型系统的应用
2.2控制系统总体设计
自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块,循迹模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统的结构框图如图2-1所示。
1、主控制电路模块：
用STC89C52单片机、复位电路，时钟电路
2、循迹模块：
循迹传感器,比较器LM339.
3、电机及驱动模块:
电机驱动芯片L298N、两个直流电机
4、电源模块：
稳压电源
3.系统方案和设计
3.1循迹模块
循迹模块我们选择四路红外线多用探测系统。
如右图所示。
测试:
测试探头:
移开探头前面的所有物体,且探头不要指向阳光的方向。
将探头板接上电源后用万用表测最输出端电
压。
此时的电压应当在1伏特左右。
用白纸挡在探头前。
用万用表测输出端电压应当接近电源电压。
测试中探板:
将测试好的探头按板上所标示的接入输入端子,移开探头前面的所有物体,且探头不要指向阳光的
方向,将中探板接上电源后用万用表测输出端子,此时输出端输出的电压应当接近电源电压,用白纸挡在探头前,万
用表测输出端电压应当接近0伏特,调整所在通道的电位器可以改变探测的距离
特性：
易于安装，使用简便
4路分别独立工作，工作时不受数量限制
中控板与探头分开，安装位置不受限制
模块高度≤10毫米
安全工作电压范围在3伏特至6伏特之间
4路全开工作电流30毫安至55毫安之间
VCC、GND:
电源接线端
IN（1—4）、OUT：
探头与中控板连接端
OUT1、OUT2、OUT3、OUT4:
对应输出端
LED1、LED2、LED3、LED4:
对应输出指示
R1、R2、R3、R4:
对应比较电压调节
输出端为集电极开路，板载5.1千欧上拉电阻
3.1.1循迹传感器
原理图
3.1.2比较器LM339简介
LM339电压比较器的特点和一些参数：
1）电压失调小，一般是2mV；
2）共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v；
3）他对比较信号源的内阻限制很宽；
4）LM339vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；
5）输出端电位可灵活方便地选用。
中控板（左图）
3.1.3具体电路
通过传感器检测黑线，输出接收到的信号给LM339，接收电压与比较电压比较后，输出信号变为高低电平，再输入到单片机中，用以判定是否检测到黑线。
图3-5传感器模块电路图
3.1.4传感器安装
在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。
这4个红外探头的具体位置如图3-6所示。
图3-6传感器安装图
图中循迹传感器全部在一条直线上。
其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。
小车前进时，始终保持（如图3-6中所示的行走轨迹黑线）在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。
若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级探测器动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。
可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。
3.2控制器模块
采用STC89C512单片机作为主控制器。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
时钟电路和复位电路如图3-7（与单片机构成最小系统）
1）采用外部时钟，晶振频率为12MHZ
2）采用按键复位
图3-7时钟电路和复位电路
3.3电源模块（左图）
表1
型号
输出
差值
范围
效率
D-30A
5V,0.5V~4.04A
±2%
50mV
72%
12V,0.1~1.0A
±3,-7%
100mV
3.4电机及驱动模块
3.4.1电机
功能简介：
1.采用性能稳定和价格昂贵的L298N芯片
2.可以控制两路的直流减速电机和一路四线五相制的步进电机
3.增加为外面电路3.3V和5V供电的功能
4.增加LED指示功能直观看出电机的运行情况.
步进电机：
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个
脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
您可以通过
控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控
制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。
当对步进电机施加一
系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。
每一个脉冲信号对应步进
电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度
（一个步距角）。
当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。
四相
步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）
四拍（A-B-C-D-A。
。
。
），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。
。
。
），
八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
。
。
）
3.4.2驱动
驱动模块采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。
以下为L298N的引脚图和输入输出关系表。
图3-9L298N外部引脚表2L298N输入输出关系
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚
VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
表1是L298N功能逻辑图。
驱动电路的设计如图3-10所示：
图3-10L298N电机驱动电路
L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可实现两个直流电机的PWM调速控制。
3.5自动循迹小车总体设计
3.5.1总体电路图
图3-11总体电路图
3.5.2系统总体说明
如图3-11所示，当传感器开始接受信号，通过比较器将信号传如单片机中。
小车进入寻迹模式，即开始不停地扫描与探测器连接的单片I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。
单片机采用T0定时计数器，通过来产生PWM波，控制电机转速。
4.软件设计
4.1PWM控制
本系统采用PWM来调节直流电机的速度。
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面,如电机调速、温度控制、压力控制等。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。
因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加；电机断电时,速度逐渐减少。
只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。
本系统中通过控制51单片机的定时器T0的初值，从而可以实现P0.4和P0.5输出口输出不同占空比的脉冲波形。
定时计数器若干时间（比如0.1ms）中断一次,就使P0.4或P0.5产生一个高电平或低电平。
将直流电机的速度分为100个等级,因此一个周期就有个100脉冲,周期为100个脉冲的时间。
速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。
占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。
一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。
占空比越大,加在电机两端的电压越大,电机转动越快。
电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。
当我们改变占空比时,就可以得到不同的电机平均速度,从而达到调速的目的。
精确地讲,平均速度与占空比并不是严格的线性关系,在一般的应用中,可以将其近似地看成线性关系。
4.2总体软件流程图
小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。
软件的主程序流程图如图4-1所示：
4.3小车循迹流程图
小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序，先确定4个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面第一级传感器或者左面第二级传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是右面第一级传感器或右面第二级传感器探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。
在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。
循迹流程图如图4-2所示
由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个等级间的转向力度必须相互配合。
第二级通常是在超出第一级的控制范围的情况下发生作用，它也是最后一层保护，所以它必须要保证小车回到正确轨迹上来，则通常使第二级转向力度大于第一级，即Turn_left2>Turn_left1,Turn_right2>Turn_right1（其中Turn_left2，Turn_left1,Turn_right2,Turn_right1为小车转向力度，其大小通过改变单片机输出的占空比的大小来改变），具体数值在实地实验中得到。
4.4中断程序流程图
这里利用的是51单片机的T0定时计数器，从而让单片机P0口的P0.4和P0.5引脚输出占空比不同的方波,然后经驱动芯片放大后控制直流电机。
定时计数器若干时间（比如0.1ms）比如中断一次,就使P0.4或P0.5产生一个高电平或低电平。
中断程序流程图如图4-3所示
4.5单片机测序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
unsignedcharzkb1=0;//**左边电机的占空比**//
unsignedcharzkb2=0;//**右边电机的占空比**//
unsignedchart=0;//**定时器中断计数器**//
sbitRSEN1=P1^0;
sbitRSEN2=P1^1;
sbitLSEN1=P1^2;
sbitLSEN2=P1^3;
sbitIN1=P0^0;
sbitIN2=P0^1;
sbitIN3=P0^2;
sbitIN4=P0^3;
sbitENA=P0^4;
sbitENB=P0^5;
//****************延时函数****************//
voiddelay（intz）
{while（z--）;}
//**********初始化定时器，中断***********//
voidinit（）
{TMOD=0x01;
TH0=（65536-100）/256;
TL0=（65536-100）%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
}
//***********中断函数+脉宽调制***********//
voidtimer0（）interrupt1
{if（tENA=1;
else
ENA=0;
if（tENB=1;
else
ENB=0;
t++;
if（t>=100）
{t=0;}
}
//******************直行******************//
voidqianjin（）
{zkb1=30;
zkb2=30;
}
//***************左转函数1***************//
voidturn_left1（）
{zkb1=0;
zkb2=50;
}
//***************左转函数2***************//
voidturn_left2（）
{zkb1=0;
zkb2=60;
}
//***************右转函数1***************//
voidturn_right1（）
{zkb1=50;
zkb2=0;
}
//***************右转函数2***************//
voidturn_right2（）
{zkb1=60;
zkb2=0;
}
//***************循迹函数*****************//
voidxunji（）
{ucharflag;
if（（RSEN1==1）&&（RSEN2==1）&&（LSEN1==1）&&（LSEN2==1））
{flag=0;}//*******直行*******//
elseif（（RSEN1==0）&&（RSEN2==1）&&（LSEN1==1）&&（LSEN2==1））
{flag=1;}//***左偏1,右转1***//
elseif（（RSEN1==0）&&（RSEN2==0）&&（LSEN1==1）&&（LSEN2==1））
{flag=2;}//***左偏2,右转2***//
elseif（（RSEN1==1）&&（RSEN2==1）&&（LSEN1==0）&&（LSEN2==1））
{flag=3;}//***右偏1，左转1***//
elseif（（RSEN1==1）&&（RSEN2==1）&&（LSEN1==0）&&（LSEN2==0））
{flag=4;}//***右偏2，左转2***//
switch（flag）
{case0:
qianjin（）;
break;
case1:
turn_right1（）;
break;
case2:
turn_right2（）;
break;
case3:
turn_left1（）;
break;
case4:
turn_left2（）;
break;
default:
break;
}
}
//****************主程序****************//
voidmain（）
{init（）;
zkb1=30;
zkb2=30;
while
（1）
{IN1=1;//******给电机加电启动******//
IN2=0;
IN3=1;
IN4=0;
ENA=1;
ENB=1;
while
（1）
{xunji（）;//*********寻迹**********//
}
}
}
5．参考资料
[1]宋健,姜军生,赵文亮.基于单片机的直流电动机PWM调速系统[J].农机化研究,2006,
（1）:
102-103.
[2]边春元李文涛江杰杜平等；C51单片机典型模块设计与应用；机械工业出版社；2008.4
[3]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术［M］.北京:
航空航天大学出版社,2003
[4]楼然苗.51单片机设计实例［M］.北京:
航空航天大学出版社,2005.8
[5]王晶,翁显耀,梁业宗自动寻迹小车的传感器模块设计.武汉理工大学自动化学院 湖北武汉
[6]刘迎春.传感器原理设计与应用[M].长沙:
国防科技大学出版社,1992.
升级会员 