...wd......wd......wd...自動循跡小車控制系統設計目錄目錄1摘要：2前言………………3一.任務要求4〔一〕任務4二.系統設計方案5〔一〕小車循跡原理5〔二〕控制系統總體設計6三．系統方案7〔一〕尋跡傳感器模塊71．紅外傳感器ST188簡介72．對比器LM324簡介83．具體電路94．傳感器安裝10〔二〕控制器模塊11〔三〕電源模塊13〔四〕電機及驅動模塊141．電機142．驅動14〔五〕自動循跡小車總體設計161．總體電路圖162．系統總體說明18四．軟件設計18〔一〕PWM控制18〔二〕總體軟件流程圖19〔三〕小車循跡流程圖19〔四〕中斷程序流程圖21〔五〕單片機測序22摘要：本設計是一種基于單片機控制的簡易自動尋跡小車系統，包括小車系統構成軟硬件設計方法。小車以AT89C51為控制核心,用單片機產生PWM波，控制小車速度。利用紅外光電傳感器對路面黑色軌跡進展檢測,并將路面檢測信號反響給單片機。單片機對采集到的信號予以分析判斷,及時控制驅動電機以調整小車轉向,從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動行駛,實現小車自動尋跡的目的。關鍵詞：單片機AT89C51光電傳感器直流電機自動循跡小車前言隨著汽車工業的迅速開展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子大賽和省內電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設計就是在這樣的背景下提出的，指導教師已經有充分的準備。此題目是結合科研工程而確定的設計類課題。設計的智能電動小車應該能夠實時顯示時間、速度、里程，具有自動尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準確定位停車。根據題目的要求，確定如下方案：在現有玩具電動車的根基上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器及金屬探測器，實現對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進展處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車的智能控制。這種方案能實現對電動車的運動狀態進展實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統的各項要求。本設計采用MCS-51系列中的80C51單片機。以80C51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。80C51是一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣闊使用者的好評。它是第三代單片機的代表。第三代單片機包括了Intel公司開展MCS-51系列的新一代產品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,還包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色﹑與80C51兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接口電路擴展，以實現Microcomputer完善的控制功能為己任，將一些外部接口功能單元如A/D﹑PWM﹑PCA(可編程計數器陣列)﹑WDT(監視定時器)﹑高速I/O口﹑計數器的捕獲/對比邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應用系統設計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機80C51系列8ｘC592單片機引入了具有較強功能的設備間網絡系統總線CAN(ControllerAreaNetworkBUS).新一代單片機為外部提供了相當完善的總線構造，為系統的擴展與配置打下了良好的根基。一．任務要求〔一〕任務設計一個基于直流電機的自動尋跡小車，使小車能夠自動檢測地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛。系統方案方框圖如圖1-1所示。檢測〔黑線〕檢測〔黑線〕驅動電機軟件控制控制小車圖1-1系統方案方框圖二．系統設計方案〔一〕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光線的反射系數不同，可以根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路〞。通常采取的方法是紅外探測法。

紅外探測法，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的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，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。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限。小車供電后,紅外光電二極管發出紅外光，光線照在路面上反射回來被光電二極管接收，半導體二極管在電場作用下產生電勢，將光信號轉換成電信號。該智能小車在畫有黑線的白紙“路面〞上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數不同，可根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路〞——黑線。當小車檢測到黑線時，紅外線局部被黑線吸收，反射回的紅外線極少被光電二極管接收，轉換成對比弱的電信號；當小車未檢測到黑線時，紅外線大局部被反射，反射回的紅外線被光電二極管接收，轉換成對比強的電信號。最終，這些電信號經過對比器處理后傳入單片機，再由單片機進一步做信號處理?！捕晨刂葡到y總體設計自動循跡小車控制系統由主控制電路模塊、穩壓電源模塊、紅外檢測模塊、電機及驅動模塊等局部組成,控制系統的構造框圖如圖2-1所示。穩壓電穩壓電源模塊主控芯片AT89C51L298減速電機光電傳感器電壓對比器圖2-1控制系統的構造框圖主控制電路模塊：用AT89C51單片機、復位電路，時鐘電路整個系統主要由主控中心〔單片機〕、復位電路、時鐘電路、按鍵控制電路、數碼管顯示電路及LED模仿交通信號燈電路等功能模塊組成。遇到特殊情況時可以通過按鍵電路控制實時交通實際情況，系統框圖如圖1所示。紅外檢測模塊：光電傳感器ST188,對比器LM324紅外線光電傳感器〔簡稱光電傳感器，又稱光電開關〕是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電開關是傳感器大家族中的成員，它把發射端和接收端之間光的強弱變化轉化為電流的變化以到達探測的目的。由于光電開關輸出回路和輸入回路是電隔離的〔即電緣絕〕，所以它可以在許多場合得到應用。電機及驅動模塊:電機驅動芯片L298N、兩個直流電機L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。其引腳排列如圖1中U4所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳號。L298可驅動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。在許多場合得到應用。電源模塊：雙路開關電源模塊電源是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供給器，其特點是可為專用集成電路〔ASIC〕、數字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列(FPGA)及其他數字或模擬負載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負載點(POL)

電源供給系統或使用點電源供給系統(PUPS)。由于模塊式構造的優點甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設備、接入設備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領域和汽車電子、航空航天等。三．系統方案〔一〕尋跡傳感器模塊ST系列反射式光電傳感器是經常使用的傳感器。這個系列的傳感器種類齊全、價格廉價、體積小、使用方便、質量可靠、用途廣泛。我們采用ST188作為紅外檢測傳感器。在黑線檢測的測試中，假設檢測到白色區域，發射管發射的紅外線沒有反射到接收管，測量接收管的電壓為4．8V，假設檢測到黑色區域，接收管承受到發射管發射的紅外線，電阻發生變化，所分得的電壓也就隨之發生變化，測的接收管的電壓為0．5V，測試基本滿足要求。判斷有無黑線我們用的一塊對比器LM324，對比基準電壓由30K的變阻器調節，各個接收管的參數都不一致，每個傳感器的對比基準電壓也不盡一樣，我們為每個傳感器配備了一個變阻器。1.紅外傳感器ST188簡介含一個反射模塊〔發光二極管〕和一個接收模塊〔光敏三極管〕。通過發射紅外信號，看接收信號變化判斷檢測物體狀態的變化。A、K之間接發光二極管，C、E之間接光敏三極管〔二者在電路中均正接，但要串聯一定阻值的電阻〕圖3-1ST188實物圖圖3-2ST188管腳圖及內部電路2.對比器LM324簡介LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源3～30V，或正負雙電源±1．5V～±15V工作。在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的上下，以電平上下判定黑線有無。在電路中，LM324的一個輸入端需接滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值來提供適宜的對比電壓。圖3-3LM324內部電路圖3-4集成運放的管腳圖3.具體電路通過ST188檢測黑線，輸出接收到的信號給LM324，接收電壓與對比電壓對比后，輸出信號變為上下電平，再輸入到單片機中，用以判定是否檢測到黑線。圖3-5傳感器模塊電路圖4.傳感器安裝在小車具體的循跡行走過程中，為了能準確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設4個紅外探測頭，進展兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個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X1與Y1為第一級方向控制傳感器，X2與Y2為第二級方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進時，始終保持(如圖3-6中所示的行走軌跡黑線)在X1和Y1這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統，控制系統發出信號對小車軌跡予以糾正。假設小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續行走；假設小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級探測器動作，再次對小車的運動進展糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯觯诙壏较蛱綔y器實際是第一級的后備保護，從而提高了小車循跡的可靠性。〔二〕控制器模塊采用Atmel公司的AT89C51單片機作為主控制器。它是一個低功耗，高性能的8位單片機，片內含32k空間的可反復擦寫100,000次Flash只讀存儲器，具有4K的隨機存取數據存儲器〔RAM〕，32個I/O口，2個8位可編程定時計數器，且可在線編程、調試，方便地實現程序的下載與整機的調試。時鐘電路和復位電路如圖3-7〔與單片機構成最小系統〕采用外部時鐘，晶振頻率為12MHZ。沒有晶振,就沒有時鐘周期,沒有時鐘周期,就無法執行程序代碼,單片機就無法工作。單片機工作時,是一條一條地從RoM中取指令,然后一步一步地執行。單片機訪問一次存儲器的時間,稱之為一個機器周期,這是一個時間基準。—個機器周期包括12個時鐘周期。如果一個單片機選擇了12MHz晶振,它的時鐘周期是1/12us,它的一個機器周期是12×(1/12)us,也就是1us。MCS—51單片機的所有指令中,有一些完成得對比快,只要一個機器周期就行了,有一些完成得對比饅,得要2個機器周期,還有兩條指令要4個機器周期才行。為了衡量指令執行時間的長短,又引入一個新的概念:指令周期。所謂指令周期就是指執行一條指令的時間。提供時序的頻率!提供單片機工作的時序,其實就相當于你電腦CPU主頻一個原理的。采用按鍵復位。單片機的復位有上電復位和按鈕手動復位兩種。如圖〔a〕所示為上電復位電路，圖〔b〕所示為上電按鍵復位電路。上電復位是利用電容充電來實現的，即上電瞬間RST端的電位與VCC一樣，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。圖(a)中的R是施密特觸發器輸入端的一個10K?下拉電阻，時間常數為10×10-6×10×103=100ms。只要VCC的上升時間不超過1ms，振蕩器建設時間不超過10ms，這個時間常數足以保證完成復位操作。上電復位所需的最短時間是振蕩周期建設時間加上2個機器周期時間，在這個時間內RST的電平應維持高于施密特觸發器的下閾值。

上電按鍵復位〔b〕所示。當按下復位按鍵時，RST端產生高電平，使單片機復位。復位后，其片內各存放器狀態改變，片內RAM內容不變。

由于單片機內部的各個功能部件均受特殊功能存放器控制，程序運行直承受程序計數器PC指揮。各存放器復位時的狀態決定了單片機內有關功能部件的初始狀態。

另外，在復位有效期間〔即高電平〕，80C51單片機的ALE引腳和

引腳均為高電平，且內部RAM不受復位的影響。

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O(∩_∩)O向左轉|向右轉圖3-7時鐘電路和復位電路〔三〕電源模塊電源采用雙路開關電源。明偉牌D-30W雙路開關電源。輸出〔5V、12V〕。實物圖如圖3-8所示。圖3-8雙路開關電源該開關電源尺寸為129X98X38mm，交流輸入轉換由開關選擇，具有過流短路保護功能，能自冷散熱。低價位、高可靠。輸入電壓范圍85～132VAC/175～264VAC，47～63Hz開關選擇；沖擊電流冷起動電流15A/115V30A/230V；直流電壓可調范圍額定輸出電壓的10%；啟動、上升、保持時間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，歷時一分鐘；工作溫度、濕度-10℃～+60℃，20%～90%RH；安全標準符合CE標準；EMC標準符合CE標準；連接方法7位9.5mm接線端子；質量/包裝0.41Kg,45PCS/19.5Kg/1.2CUFT表1型號輸出差值范圍效率D-30A5V,0.5V~4.04A±2%50mV72%12V,0.1~1.0A±3,-7%100mV〔四〕電機及驅動模塊3.4.1電機電機采用直流減速電機，直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速〔減速〕齒輪組，可以產生較大扭力?？蛇x用減速比為1：74的直流電機，減速后電機的轉速為100r/min。假設車輪直徑為6cm，則小車的最大速度可以到達V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s能夠較好的滿足系統的要求。3.4.2驅動驅動模塊采用專用芯片L298N作為電機驅動芯片，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，其響應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機。以下為L298N的引腳圖和輸入輸出關系表。圖3-9L298N外部引腳表2L298N輸入輸出關系驅動電路的設計如圖3-10所示：圖3-10L298N電機驅動電路L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可實現兩個直流電機的PWM調速控制。〔五〕自動循跡小車總體設計3.5.1總體電路圖圖3-11總體電路圖3.5.2系統總體說明如圖3-11所示，當光電傳感器開場承受信號，通過對比器將信號傳如單片機中。小車進入尋跡模式，即開場不停地掃描與探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，就執行相應的判斷程序，把相應的信號發送給電動機從而糾正小車的狀態。單片機采用T0定時計數器，通過來產生PWM波，控制電機轉速。四．軟件設計4.1PWM控制本系統采用PWM來調節直流電機的速度。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率,從而改變負載兩端的電壓,進而到達控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面,如電機調速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅動控制的調整系統中,按一個固定的頻率來接通和斷開電源,并根據需要改變一個周期內“接通〞和“斷開〞時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比〞來改變平均電壓的大小,從而控制電動機的轉速。因此,PWM又被稱為“開關驅動裝置〞。在脈沖作用下,當電機通電時,速度增加；電機斷電時,速度逐漸減少。只要按一定規律,改變通、斷電的時間,即可讓電機轉速得到控制。本系統中通過控制51單片機的定時器T0的初值，從而可以實現P0.4和P0.5輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時計數器假設干時間〔比方0.1ms〕中斷一次,就使P0.4或P0.5產生一個高電平或低電平。將直流電機的速度分為100個等級,因此一個周期就有個100脈沖,周期為100個脈沖的時間。速度等級對應一個周期的高電平脈沖的個數。占空比為高電平脈沖個數占一個周期總脈沖個數的百分數。一個周期加在電機兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大,加在電機兩端的電壓越大,電機轉動越快。電機的平均速度等于在一定的占空比下電機的最大速度乘以占空比。當我們改變占空比時,就可以得到不同的電機平均速度,從而到達調速的目的。準確地講,平均速度與占空比并不是嚴格的線性關系,在一般的應用中,可以將其近似地看成線性關系。4.2總體軟件流程圖小車進入尋跡模式后，即開場不停地掃描與探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，就執行相應的判斷程序，把相應的信號發送給電動機從而糾正小車的狀態。軟件的主程序流程圖如圖4-1所示：系統初始化系統初始化任務計數器歸零是否完成全部任務循跡子函數是否完成本次任務完畢開場NYNY圖4-1主程序流程圖圖4-1主程序流程圖4.3小車循跡流程圖小車進入循跡模式后，即開場不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號，即進入判斷處理程序，先確定4個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面第一級傳感器或者左面第二級傳感器探測到黑線，即小車左半局部壓到黑線，車身向右偏出，此時應使小車向左轉；如果是右面第一級傳感器或右面第二級傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應使小車向右轉。在經過了方向調整后，小車再繼續向前行走，并繼續探測黑線重復上述動作。循跡流程圖如圖4-2所示啟動循跡模式啟動循跡模式探測黑線是否檢測到黑線判斷處理程序向左轉Turn_left2向左轉Turn_left1向右轉Turn_right1向右轉Turn_Lright2繼續前進NY圖4-2循跡流程圖圖4-2循跡流程圖由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個等級間的轉向力度必須相互配合。第二級通常是在超出第一級的控制范圍的情況下發生作用，它也是最后一層保護，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，則通常使第二級轉向力度大于第一級，即Turn_left2>Turn_left1,Turn_right2>Turn_right1(其中Turn_left2，Turn_left1,Turn_right2,Turn_right1為小車轉向力度，其大小通過改變單片機輸出的占空比的大小來改變)，具體數值在實地實驗中得到。4.4中斷程序流程圖這里利用的是51單片機的T0定時計數器，從而讓單片機P0口的P0.4和P0.5引腳輸出占空比不同的方波,然后經驅動芯片放大后控制直流電機。定時計數器假設干時間〔比方0.1ms〕比方中斷一次,就使P0.4或P0.5產生一個高電平或低電平。中斷程序流程圖如圖4-3所示定時器賦初值技術變量賦值t=0定時器賦初值技術變量賦值t=0計數值t<占空比P0.4和P0.5輸出高電平P0.4和P0.5輸出低電平計數變量t加1開場完畢YN圖4-3中斷程序流程圖4.5單片機測序#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintunsignedcharzkb1=0;//**左邊電機的占空比**//unsignedcharzkb2=0;//**右邊電機的占空比**//unsignedchart=0;//**定時器中斷計數器**//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;//****************延時函數****************//voiddelay(intz){while(z--);}//**********初始化定時器，中斷***********//voidinit(){TMOD=0x01;TH0=(65536-100)/256;TL0=(65536-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;}//***********中斷函數+脈寬調制***********//voidtimer0()interrupt1{if(t<zkb1)ENA=1;elseENA=0;if(t<zkb2)ENB=1;elseENB=0;t++;if(t>=100){t=0;}}//******************直行******************//voidqianjin(){zkb1=30;zkb2=30;}//***************左轉函數1***************//voidturn_left1(){zkb1=0;zkb2=50;}//***************左轉函數2***************//voidturn_left2(){zkb1=0;zkb2=60;}//***************右轉函數1***************//voidturn_right1(){zkb1=50;zkb2=0;}//***************右轉函數2***************//voidturn_right2(){zkb1=60;zkb2