1、.PAGE 1. . . word. 目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc266915474目錄 PAGEREF _Toc266915474 h 1HYPERLINK l _Toc266915475摘要： PAGEREF _Toc266915475 h 2HYPERLINK l _Toc2669154761.任務(wù)及要求 PAGEREF _Toc266915476 h 3HYPERLINK l _Toc2669154771.1任務(wù) PAGEREF _Toc266915477 h 3HYPERLINK l _Toc2669154782.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 PAGEREF

2、_Toc266915478 h 3HYPERLINK l _Toc2669154792.1小車循跡原理 PAGEREF _Toc266915479 h 3HYPERLINK l _Toc2669154802.2控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc266915480 h 3HYPERLINK l _Toc2669154813.系統(tǒng)方案 PAGEREF _Toc266915481 h 4HYPERLINK l _Toc2669154823.1 尋跡傳感器模塊 PAGEREF _Toc266915482 h 4HYPERLINK l _Toc266915483紅外傳感器ST188簡(jiǎn)介 PAGE

3、REF _Toc266915483 h 4HYPERLINK l _Toc266915484比較器LM324簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc266915484 h 5HYPERLINK l _Toc266915485具體電路 PAGEREF _Toc266915485 h 5HYPERLINK l _Toc266915486傳感器安裝 PAGEREF _Toc266915486 h 6HYPERLINK l _Toc2669154873.2控制器模塊 PAGEREF _Toc266915487 h 6HYPERLINK l _Toc2669154883.3電源模塊 PAGEREF _Toc266

4、915488 h 7HYPERLINK l _Toc2669154903.4電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 PAGEREF _Toc266915490 h 8HYPERLINK l _Toc266915491電機(jī) PAGEREF _Toc266915491 h 8HYPERLINK l _Toc266915492驅(qū)動(dòng) PAGEREF _Toc266915492 h 8HYPERLINK l _Toc2669154933.5自動(dòng)循跡小車總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc266915493 h 9HYPERLINK l _Toc266915494總體電路圖 PAGEREF _Toc266915494 h 9HYP

5、ERLINK l _Toc266915495系統(tǒng)總體說(shuō)明 PAGEREF _Toc266915495 h 11HYPERLINK l _Toc2669154964.軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc266915496 h 11HYPERLINK l _Toc2669154974.1 PWM控制 PAGEREF _Toc266915497 h 11HYPERLINK l _Toc2669154984.2 總體軟件流程圖 PAGEREF _Toc266915498 h 12HYPERLINK l _Toc2669154994.3小車循跡流程圖 PAGEREF _Toc266915499 h 12H

6、YPERLINK l _Toc2669155004.4中斷程序流程圖 PAGEREF _Toc266915500 h 13HYPERLINK l _Toc2669155014.5單片機(jī)測(cè)序 PAGEREF _Toc266915501 h 14HYPERLINK l _Toc2669155025參考資料 PAGEREF _Toc266915502 h 17自動(dòng)循跡小車摘 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AT89C51 為控制核心, 用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。利用紅外光電傳感器對(duì)路面黑色軌跡進(jìn)展檢測(cè),并將路面檢測(cè)信號(hào)反響給單片機(jī)

7、。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)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51 光電傳感器 直流電機(jī) 自動(dòng)循跡小車Abstract :This design is a Simple Design of a smart auto-tracking vehicle which based on MSC control.The construction of the car ,andmethods of hardware and software design are included. The car use AT89C

8、51 as heart of centrol in this system. Then using PWM waves Producedby MCU to controlcar speed.By using infraraed sensor to detect the information of black track. The smart vehicle acquires the information and sends t hem to the MSC.Then the MSC analyzes the signals and controls the movements of t h

9、e motors.Whichmake the smart vehicle move along the given black line antomaticly.Keywords :infrared sensor ；MSC ；auto-tracking1.任務(wù)及要求1.1任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)基于直流電機(jī)的自動(dòng)尋跡小車，使小車能夠自動(dòng)檢測(cè)地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛。系統(tǒng)方案方框圖如圖1-1所示。檢測(cè)黑線驅(qū)動(dòng)電機(jī)軟件控制控制小車圖1-1 系統(tǒng)方案方框圖2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1小車循跡原理這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判

10、斷“道路。通常采取的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體外表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)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，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，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，2.2控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊等局部組成,控制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如圖2-1所示。穩(wěn)壓電源模塊主控芯片AT89C51L298減速電機(jī)光電傳感器電壓比較器圖2-1控

11、制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖主控制電路模塊：用AT89C51單片機(jī)、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路紅外檢測(cè)模塊：光電傳感器ST188,比較器LM324電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N、兩個(gè)直流電機(jī)電源模塊：雙路開(kāi)關(guān)電源3.系統(tǒng)方案3.1 尋跡傳感器模塊ST系列反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。這個(gè)系列的傳感器種類齊全、價(jià)格廉價(jià)、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。我們采用ST188作為紅外檢測(cè)傳感器。在黑線檢測(cè)的測(cè)試中，假設(shè)檢測(cè)到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒(méi)有反射到接收管，測(cè)量接收管的電壓為48V，假設(shè)檢測(cè)到黑色區(qū)域，接收管承受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化，測(cè)的接收管的

12、電壓為05V，測(cè)試根本滿足要求。判斷有無(wú)黑線我們用的一塊比較器LM324，比較基準(zhǔn)電壓由30K的變阻器調(diào)節(jié)，各個(gè)接收管的參數(shù)都不一致，每個(gè)傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡一樣，我們?yōu)槊總€(gè)傳感器配備了一個(gè)變阻器。3.1.1紅外傳感器ST188簡(jiǎn)介含一個(gè)反射模塊發(fā)光二極管和一個(gè)接收模塊光敏三極管。通過(guò)發(fā)射紅外信號(hào)，看接收信號(hào)變化判斷檢測(cè)物體狀態(tài)的變化。A、K之間接發(fā)光二極管，C、E之間接光敏三極管二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻圖 3-1 ST188實(shí)物圖 圖 3-2 ST188管腳圖及部電路比較器LM324簡(jiǎn)介L(zhǎng)M324為四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位

13、補(bǔ)償電路。電路功耗很小，工作電壓圍寬，可用正電源330V，或正負(fù)雙電源15V15V工作。在黑線檢測(cè)電路中用來(lái)確定紅外接收信號(hào)電平的上下，以電平上下判定黑線有無(wú)。在電路中，LM324的一個(gè)輸入端需接滑動(dòng)變阻器，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)提供適宜的比較電壓。圖 3-3 LM324部電路 圖 3-4 集成運(yùn)放的管腳圖具體電路通過(guò)ST188檢測(cè)黑線，輸出接收到的信號(hào)給LM324 ，接收電壓與比較電壓比較后，輸出信號(hào)變?yōu)樯舷码娖?，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測(cè)到黑線。圖3-5 傳感器模塊電路圖傳感器安裝在小車具體的循跡行走過(guò)程中，為了能準(zhǔn)確測(cè)定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外

14、探測(cè)頭，進(jìn)展兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個(gè)紅外探頭的具體位置如圖3-6所示。 圖3-6 傳感器安裝圖圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中*1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，*2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3-6中所示的行走軌跡黑線)在*1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。假設(shè)小車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；假設(shè)小車由于慣性過(guò)大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩

15、個(gè)探測(cè)器的探測(cè)圍，這時(shí)第二級(jí)探測(cè)器動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)展糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。3.2控制器模塊采用Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)作為主控制器。它是一個(gè)低功耗，高性能的8 位單片機(jī)，片含32k 空間的可反復(fù)擦寫(xiě)100,000 次Flash 只讀存儲(chǔ)器，具有4K 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，32 個(gè)I/O口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 如圖3-7與單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)1采用外部時(shí)鐘，晶振頻率為12MHZ2采用按鍵復(fù)位圖3-7 時(shí)鐘電

16、路和復(fù)位電路3.3電源模塊 電源采用雙路開(kāi)關(guān)電源。明偉牌D-30W雙路開(kāi)關(guān)電源。輸出5V、12V。實(shí)物圖如圖3-8所示。圖3-8雙路開(kāi)關(guān)電源該開(kāi)關(guān)電源尺寸為129*98*38mm，交流輸入轉(zhuǎn)換由開(kāi)關(guān)選擇，具有過(guò)流短路保護(hù)功能，能自冷散熱。低價(jià)位、高可靠。輸入電壓圍85132VAC/175264VAC，4763Hz開(kāi)關(guān)選擇；沖擊電流冷起動(dòng)電流15A/115V 30A/230V；直流電壓可調(diào)圍額定輸出電壓的10%；啟動(dòng)、上升、保持時(shí)間200ms，100ms,30ms；耐壓性輸入輸出間；輸入與外殼1.5KVAC，輸出與外殼，0.5KVAC，歷時(shí)一分鐘；工作溫度、濕度 -10+60，20%90%RH；

17、平安標(biāo)準(zhǔn)符合CE標(biāo)準(zhǔn)；EMC標(biāo)準(zhǔn)符合CE標(biāo)準(zhǔn)；連接方法7位9.5mm接線端子；質(zhì)量/包裝0.41Kg,45PCS/19.5Kg/1.2CUFT表1型號(hào)輸出差值圍效率D-30A5V,0.5V 4.04A2%50mV72%12V,0.1 1.0A3,-7%100mV3.4電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速減速齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。可選用減速比為1：74 的直流電機(jī)，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100r/min。假設(shè)車輪直徑為6cm，則小車的最大速度可以到達(dá)V=2rv=2*3.14*0.03*100

18、/60=0.314m/s能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。以下為L(zhǎng)298N的引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。圖3-9 L298N外部引腳 表2 L298N輸入輸出關(guān)系驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3-10所示：圖3-10 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298N 的5、7、10、12 四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制。3.5自動(dòng)循跡小車總體設(shè)計(jì)總體電路圖圖3-11 總體電路圖系統(tǒng)總體說(shuō)明如圖3-11所示，當(dāng)光電傳感器開(kāi)場(chǎng)承受信號(hào)，

19、通過(guò)比較器將信號(hào)傳如單片機(jī)中。小車進(jìn)入尋跡模式，即開(kāi)場(chǎng)不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O 口，一旦檢測(cè)到*個(gè)I/O 口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。單片機(jī)采用T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，通過(guò)來(lái)產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.軟件設(shè)計(jì)4.1 PWM控制本系統(tǒng)采用PWM來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度。PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率,從而改變負(fù)載兩端的電壓,進(jìn)而到達(dá)控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面,如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中,按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期“接通和“斷開(kāi)時(shí)間的長(zhǎng)短。

20、通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比來(lái)改變平均電壓的大小,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,PWM又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置。在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時(shí),速度增加；電機(jī)斷電時(shí),速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律,改變通、斷電的時(shí)間,即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。本系統(tǒng)過(guò)控制51單片機(jī)的定時(shí)器T0的初值，從而可以實(shí)現(xiàn)P0.4和P0.5輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時(shí)計(jì)數(shù)器假設(shè)干時(shí)間比方0.1ms中斷一次, 就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。 將直流電機(jī)的速度分為100個(gè)等級(jí), 因此一個(gè)周期就有個(gè)100脈沖, 周期為100個(gè)脈沖的時(shí)間。速度等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù)。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù)占一個(gè)

21、周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個(gè)周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大, 加在電機(jī)兩端的電壓越大, 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時(shí), 就可以得到不同的電機(jī)平均速度, 從而到達(dá)調(diào)速的目的。準(zhǔn)確地講, 平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系, 在一般的應(yīng)用中, 可以將其近似地看成線性關(guān)系。4.2 總體軟件流程圖小車進(jìn)入尋跡模式后，即開(kāi)場(chǎng)不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O 口，一旦檢測(cè)到*個(gè)I/O 口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖4-1所示：系統(tǒng)初始化任務(wù)計(jì)

22、數(shù)器歸零是否完成全部任務(wù).循跡子函數(shù)是否完本錢次任務(wù).完畢開(kāi)場(chǎng)NYNY圖4-1主程序流程圖4.3小車循跡流程圖小車進(jìn)入循跡模式后，即開(kāi)場(chǎng)不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到*個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車左半局部壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級(jí)傳感器或右面第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。循跡流程圖如圖4-2所示圖4-2循跡流程圖

23、啟動(dòng)循跡模式探測(cè)黑線是否檢測(cè)到黑線判斷處理程序向左轉(zhuǎn)Turn_left2向左轉(zhuǎn)Turn_left1向右轉(zhuǎn)Turn_right1向右轉(zhuǎn)Turn_Lright2繼續(xù)前進(jìn)NY由于第二級(jí)方向控制為第一級(jí)的后備，則兩個(gè)等級(jí)間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級(jí)通常是在超出第一級(jí)的控制圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來(lái)，則通常使第二級(jí)轉(zhuǎn)向力度大于第一級(jí)，即Turn_left2 Turn_left1,Turn_right2 Turn_right1 (其中Turn_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通

24、過(guò)改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來(lái)改變)，具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。4.4中斷程序流程圖這里利用的是51單片機(jī)的T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，從而讓單片機(jī)P0口的P0.4和P0.5引腳輸出占空比不同的方波, 然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后控制直流電機(jī)。定時(shí)計(jì)數(shù)器假設(shè)干時(shí)間比方0.1ms比方中斷一次, 就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。中斷程序流程圖如圖4-3所示定時(shí)器賦初值技術(shù)變量賦值t=0計(jì)數(shù)值t占空比.P0.4和P0.5輸出高電平P0.4和P0.5輸出低電平計(jì)數(shù)變量t加1開(kāi)場(chǎng)完畢YN圖4-3中斷程序流程圖4.5單片機(jī)測(cè)序*include*define uchar unsigned char*define

25、 uint unsigned intunsigned char zkb1=0 ; /*左邊電機(jī)的占空比*/unsigned char zkb2=0 ; /*右邊電機(jī)的占空比*/unsigned char t=0; /*定時(shí)器中斷計(jì)數(shù)器*/sbit RSEN1=P10;sbit RSEN2=P11;sbit LSEN1=P12;sbit LSEN2=P13;sbit IN1=P00;sbit IN2=P01;sbit IN3=P02;sbit IN4=P03;sbit ENA=P04;sbit ENB=P05;/*延時(shí)函數(shù)*/void delay(int z) while(z-); /*初始化定

26、時(shí)器，中斷*/void init() TMOD=0*01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; /*中斷函數(shù)+脈寬調(diào)制*/void timer0() interrupt 1 if(tzkb1) ENA=1; else ENA=0;if(t=100) t=0;/*直行*/void qianjin() zkb1=30;zkb2=30;/*左轉(zhuǎn)函數(shù)1*/void turn_left1() zkb1=0; zkb2=50;/*左轉(zhuǎn)函數(shù)2*/void turn_left2()zkb1=0;zkb2=60;/*右轉(zhuǎn)函數(shù)1*/void turn_right1() zkb1=50;zkb2=0;/*右轉(zhuǎn)函數(shù)2*/void turn_right2() zkb1=60;zkb2=0;/*循跡函數(shù)*/void *unji() uchar fla