自动循迹小车设计课程设计报告Word文档下载推荐.docx
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虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，但是我国也取得了一系列的成果，主要有：
中国第一汽车集团公司和国防科技大学于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车；
上海交通大学应用现代控制理论设计出了一种自动驾驶汽车模型，该模型在汽车系统的动力学建模的基础之上，设计了自动驾驶的专项系统，它能根据弯道的弯曲变化程度实时的计算出车辆的转向盘角度，控制车辆按照预设道路行驶；
清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室自1988年开始研制的THMR系列移动机器人取得了很大的成功。
它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已经能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。
1.前言……………………………………………………………………………………………….2
2.摘要……………………………………………………………………………………………….4
3.方案设计………………………………………………………………………………………….5
3.1总体方案设计………………………………………………………………………………5
3.2方案选择与论证…………………………………………………………………................6
4.硬件设计………………………………………………………………………………………….7
4.1直流电机…………………………………………………………………………………..7
4.2驱动模块…………………………………………………………………………………..8
4.3循迹模块…………………………………………………………………………………11
4.4控制模块…………………………………………………………………………………13
5.理论分析与计算………………………………………………………………………………...14
5.1传感器的接收情况……………………………………………………………………...14
5.2小车的状态分析………………………………………………………………………...16
6.程序设计………………………………………………………………………………………...15
6.1系统整体流程图…………………………………………………………………………..15
6.2各个部分的流程图………………………………………………………………………..15
6.2.1定时器的程序………………………………………………………………………15
6.2.2循迹程序……………………………………………………………………………19
7.测试方法与数据………………………………………………………………………………...19
7.1调试过程…………………………………………………………………………………..19
7.2实验结果…………………………………………………………………………………..22
8.结果分析与总结………………………………………………………………………………...23
8.1实验结果分析……………………………………………………………………………..23
8.2性能改善…………………………………………………………………………………..24
附录………………………………………………………………………………………………..27
部分程序………………………………………………………………………………………27
摘
要
本设计是基于单片机控制的简易自动循迹小车，小车能够沿着宽约2CM的黑色轨迹行驶，能够非常流畅的转大于90°
小于180°
的弯道。
本设计包括电源模块、微处理器控制模块、循迹模块和电机驱动模块。
其中控制器模块以C51单片机为控制核心，以有机玻璃作为小车的车架，循迹模块是用红外光传感器来检测小车的运动轨迹，电机驱动模块使用的是L293D电机驱动芯片驱动2个直流减速电机。
利用放置在小车前方的4个光电对管将检测到的信号送到单片机，单片机对检测到的信号进行分析判断，利用单片机生成的PWM波来及时控制2个电动机各自的运行状态，从而使小车沿着黑色轨迹自动行驶，实现小车自动循迹的目的。
本设计不仅给出了硬件设计流程，而且还给出了完整的硬件电路图和控制程序。
在完成的既定的路线的基础上，我们也进行了很多的测试，小车的速度有了很大的提高。
另外，本实验与以往的小车不同之处在于，受温度控制的PID算法的启发，添加了类似于PID的算法，即对小车的偏差进行了调整，使得小车的行驶轨迹更加准确，适应能力更强。
关键词：
AT89C51电机驱动模块PWM波红外光传感器自动循迹PID
一、设计方案
（一）、总体设计
智能小车采用的动力整体结构如下图，当传感器收到信号后，单片机系统会对采集到的信息进行判断，输出信号控制电机驱动电路，改变左右两边的车轮的转速使智能小车直行或转向，从而实现循迹的功能。
整体实物简图如图1所示：
图1实物结构简图
如图2所示，小车的整体结构分为4大部分分别为：
电源以及驱动模块，电机以及小车底盘，控制以及显示模块，传感器模块。
图2整体框图
如图，当传感器检查到的信号发生改变时，会发送高低电平给单片机的I/O口，单片机通过不断的扫描这些信号来获得小车当前的状态信息。
随后，单片机通过改变输出给驱动模块的pwm波来对小车的前进和转向进行控制。
此时，传感器信号发生改变，进入下一个循环。
（二）、方案选择与比较
1、电动机的选择
方案一：
采用直流电机。
直流电机转动力矩大，响应快速，体积小，重量轻，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；
过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转,能满足各种不同的特殊运行要求，价格便宜。
方案二：
采用步进电机。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行原件。
控制方便，体积小，灵活性和可靠性高，具有瞬时启动和急速停止的优越性，比较适合本系统控制精度高的特点。
但步进电机的抖动比较大，输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，价格还比较昂贵，所以这里不采用此方案。
由于直流电机价格便宜、控制简单，因此本设计用方案一。
2、电动机驱动模块的选择
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。
更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。
这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
方案三：
采用专用电机驱动芯片L293D作为电机驱动芯片。
L293D中有两套H桥电路，刚好可以控制两个电机。
它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。
基于以上的分析，建议电动机驱动电路选择方案三。
3、电源模块
电脑USB串口供电。
能直接为单片机提供稳定的+5V直流电压。
USB串口线又容易得到。
但需要很长的线，这样导致无法在室外工作。
用7.2V充电电池组作为小车供电电源。
经7805稳压后给单片机供电，而7.2V电压可直接接在L298驱动芯片上作为两个直流电机的驱动电压。
在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动直流电机。
这个电源结构简单，价格便宜，容易得到，而且能够重复使用。
采用4节普通5号电池作为小车的供电电源。
刚买的5号电池测得电压为1.7V，4节就是6.8V，单片机需要5V电源，因此用7805稳压到5V后供电，但是其放电电流不大，导致电动机转速很慢，而且在使用过程中，其电压会明显降低，普通5号电池会降到1.4V以下，这样导致经过7805稳压后电压小于5V，完全无法带动整个系统正常工作，因此放弃该方案。
综上所述，选择方案二作为小车电源模块，经济实惠。
4、控制器的选择
AT89C51单片机作为系统的控制器。
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得AT89C51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，该系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试，并且价格便宜。
采用FPGA作为系统的主控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，常用于大规模实时性要求较高的系统，但价格高，编程实现难度大。
综上，我们采用方案一。
二、硬件设计
1、直流减速电机
（1）、基本原理
直流减速电机可以根据两端的电压的大小或者利用pwm波和正负实现速度和方向的改变。
当两个电机以相同速度运行时小车前进或者后退；
当两个小车以不同速度运行时小车转向，例如当左轮比右轮转的快时，小车向右转向。
当左轮比右轮转的慢的时候小车向左转。
当小车以相同速度反方向转时，小车可以实现原地转向。
（2）、实物图如图所示：
图3减速齿轮箱+直流电机
相关参数：
电压
空载电流
空载转速
6V
≤200mA
200±
10%rpm
3V
≤150mA
90±
（3）、性能介绍
直流碳刷价格便宜驱动简单，但是受限于其电机转轴以及外侧轮胎的加工精度，在驱动时，不容易实现完全相同的速度。
从上图可以看出，相同电压下两个电机的转速最高可以相差20%，因此对于小车而言，在安装好后需要首先进行软件校准是一件十分重要的事情。
让两个电机直线行驶状态时转速尽量相同，有利于减少循迹时鸭子步和摆头的情况。
2、驱动模块
（1）、驱动电路
由于电机的电流较大，单片机不能直接驱动电机运行，因此需要配合电机驱动模块使用。
我组采用的是以L293D芯片为核心的驱动电路。
原理图如图4所示：
图4驱动模块原理图
（2）、相关参数介绍
配备UNITRODEL293和L293D产品来自德州仪器
电源电压范围：
4.5V至36V
单独的输入逻辑电源
内部ESD保护
热关断
高噪声抗扰度输入的
通标L293和L293DSGS的功能替代
输出电流1A每通道
（600毫安L293D）
峰值输出电流每通道2A
（1.2L293D）
输出钳位二极管的感性瞬态抑制（L293D）
芯片外观如图5
芯片
图5
（3）、L293D的基本原理
L293和L293D四倍高电流H桥驱动程序。
L293是提供双向驱动电流高达1A，电压是从4.5V至36V的；
L293D提供双向驱动电流高达600毫安，电压是从4.5V至36V的。
两个设备是专为驱动等感性负载继电器，电磁阀，直流双极步进和马达，也可以给其他高电流/高电压提供电源负载。
兼容所有的TTL输入。
每个输出都是推拉式驱动电路，与达林顿三极管和伪达林源。
启用1,2EN驱动器和3,4EN驱动器。
当使能输入为高电平时，相关联的驱动器被启用和他们的输出处于活动状态，并在其输入端的同相。
当使能输入为低，这些驱动器被禁用其输出关闭，在高阻抗状态。
【PS：
1,2EN为1和2的使能端（高电平使能）；
3,4EN同理】用适当的数据输入端，每对驱动程序的形式一个完整的H桥可逆驱动器适用于电磁阀或电机应用。
L293，外部输出为高速钳位二极管，应使用电感的瞬态抑制。
VCC1和VCC2分开，提供逻辑输入，以尽量减少设备功耗。
L293和L293D的工作温度是从0°
C至70°
C
●电路图6如下：
图6
真值表见图7（所有芯片）
输入
输出
Y
A
EN
H
L
X
Z
图7
注：
在热关断模式下，输出的是高阻态，而不管输入电平。
●逻辑图
图8
原理图输入和输出（L293）
图9
原理图输入和输出（L293D）
图10
3、循迹模块
本系统共设计6个光电二极管，分别放置在电动车车头的左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；
当右侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向右转；
当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直行。
见图2.1电动车的方向检测电路（a）。
行车方向检测电路（见图2.2电动车的方向检测电路（b））采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。
该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏二极管及其上拉电阻。
红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。
此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。
正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号；
电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送80C51单片机处理，判断执行哪一种预先编制。
实物图如图11-1所示:
图11-1
（2）、模块的相关参数介绍
模块描述
该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3V-5V。
该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。
模块参数说明
1当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口持续输出低电平信号,该模块检测距离2～30cm，检测角度35°
，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；
逆时针调电位器，检测距离减少。
2、传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。
其中黑色探测距离最小,白色最大;
小面积物体距离小,大面积距离大。
3、传感器模块输出端口OUT可直接与单片机IO口连接即可，也可以直接驱动一个5V继电器；
连接方式：
VCC-VCC;
GND-GND;
OUT-IO
4、比较器采用LM393，工作稳定；
5、可采用3-5V直流电源对模块进行供电。
当电源接通时，红色电源指示灯点亮；
6、具有3mm的螺丝孔，便于固定、安装；
7、电路板尺寸：
3.2CM*1.4CM
8、每个模块在发货已经将阈值比较电压通过电位器调节好，非特殊情况，请勿随意调节电位器。
模块接口说明
1VCC外接3.3V-5V电压（可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连）
2GND外接GND
3OUT小板数字量输出接口（0和1）
（3）、原理图如图11-2：
图11-2
4、控制模块
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等，要设计合适的接口电路。
一80C51单片机硬件结构80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上[2]。
如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。
它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
（2）、组成模块介绍
微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。
数据存储器
片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。
程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。
中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
、定时器/计数器
片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
、串行口
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。
、I/O口
P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。
、特殊功能寄存器
共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
由上可见，80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。
特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。
1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；
而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。
MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。
三、理论分析与计算
1、传感器可能检测到的的情况
如图所示，当黑色轨迹线在传感器中间时，传感器接受到的全是地面，即
传感器1
传感2
传感器3
传感器4
状态
直行
（注：
1表示没有接收到信号，0表示接收到返回的信号）
1
小转（右）
大转（右）
小转（左）
大转（左）
特殊情况
停止
2、所有可能状态分析
传感器2
两轮同速高速
一般情况
两轮同停
左转
左大转
小转
右转
大转
保持前一个状态
不可能
右转或者直行
左转或者直行
四、程序设计
1、系统整体的流程图
如图12所示：
图12
2、各个模块小程序的流程图
（1）、定时器的程序
图13
（2）、循迹程序
图14
五、测试与数据
1、出现的问题
（1）、在实际运行中，小车转向需要的速度在不同的情况下并不完全相同。
比如，在直角转弯时，小车需要一个比较大的转向速率，而如果使用比较大的转向速率又可能使得小车在直线行驶的时候，产生一个严重的摆头情况。
改进方案：
根据4个传感器的位置，判断需要转动的角度大小，根据此来控制小车转向，以实现在直线行驶时更加稳定。
增加的代码：
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