單軌循跡智能車設(shè)計報告

1、計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告目 錄第1章 緒論11.1 設(shè)計目的11.2 設(shè)計內(nèi)容和要求11.3尋跡智能車設(shè)計的現(xiàn)狀1第2章 系統(tǒng)設(shè)計32.1 單片機模塊32.2 主控模塊STC89C5142.3 紅外光電傳感器模塊42.4 電機驅(qū)動模塊電路52.5 顯示模塊7第3章 軟件設(shè)計83.1 主程序設(shè)計83.2 電機驅(qū)動程序103.2.1 小車前進子程序模塊103.2.2 小車左轉(zhuǎn)子程序模塊103.2.3 小車右轉(zhuǎn)子程序模塊103.2.4 小車轉(zhuǎn)彎時的左轉(zhuǎn)113.2.5 小車轉(zhuǎn)彎時的右轉(zhuǎn)113.3 循跡模塊程序113.4 顯示程序12第4章 系統(tǒng)調(diào)試仿真15結(jié)論16參考文獻17附錄 源程序19第1章

2、緒論1.1 設(shè)計目的計算機控制系統(tǒng)是自動控制理論和微型計算機原理和接口等技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中實現(xiàn)自動控制的專門技術(shù)，其以自動控制理論為基礎(chǔ)，以電子技術(shù)、傳感器原理、計算機原理及接口等課程內(nèi)容為輔助，通過計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生理論應用能力、總結(jié)歸納能力以及自我學習能力，從而進一步提高學生工程實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。1.2 設(shè)計內(nèi)容和要求設(shè)計并開發(fā)能自動循跡和調(diào)速的電動小車控制系統(tǒng)，要求利用黑色引導線(位于道路中間的引導線)對小車進行導航，能實現(xiàn)電動小車的速度閉環(huán)控制；在保證小車不沖出跑道的前提下，以最短的時間完成比賽. 基本要求:利用紅外對管等傳感器設(shè)計導航、測速電路，設(shè)計小車的

3、電源管理電路，完成單片機和各模塊的接口電路設(shè)計；利用脈寬調(diào)制原理實現(xiàn)直流電機的速度控制，完成各模塊的控制程序設(shè)計。1.夠按照指定軌跡(單跡)行駛；2.能夠識別賽道加速和減速標志；3.能夠通過十字路口和虛線軌跡區(qū)；4.到達終點后可以自動停車；5.智能車行駛過程中不得人為干預；1.3尋跡智能車設(shè)計的現(xiàn)狀 智能車輛是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技創(chuàng)新性設(shè)計，它主要由路徑識別、角度控制及車速控制等功能模塊組成。智能車輛駕駛是一種通用性術(shù)語，指全部或部分完成一項或多項駕駛?cè)蝿盏木C合車輛技術(shù)。智能車輛的一個基本特征是在一定道路條件下

4、實現(xiàn)全部或者部分的自動駕駛功能。相比于國外，我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于20世紀80年代。而且大多數(shù)研究處在于針對某個單項技術(shù)研究的階段。雖然我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達國家，并且存在一定得技術(shù)差距，但是我們也取得了一系列的成果，主要有：（1）中國第一汽車集團公司和國防科技大學機電工程與自動化學院與2003年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為13km/h,最高峰值速度達170km/h，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標已經(jīng)達到世界先進水平。（2）南京理工大學、北京理工大學、浙江大學、國防科技大學

5、、清華大學等多所院校聯(lián)合研制了7B.8軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導定位等傳感器。計算機系統(tǒng)采用兩臺Sun10完成信息融合、路徑規(guī)劃，兩臺PC486完成路邊抽取識別和激光信息處理，8098單片機完成定位計算和車輛自動駕駛。其體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達到20km/h，避障速度達到5-10km/h。智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)的許多高校和科研院所都在進行ITS關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。隨著ITS研究的興起，我國已形成一支ITS技術(shù)研究開發(fā)的技術(shù)專業(yè)隊伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對ITS

6、及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個社會的關(guān)注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計劃和2010年長期規(guī)劃。相信經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域的共同努力，我國ITS及智能車輛的技術(shù)水平一定會得到很大提高?？梢灶A計，我國飛速發(fā)展的經(jīng)濟實力將為智能車輛的研究提供一個更加廣闊的前景。我們要結(jié)合我國國情，在某一方面或某些方面，對智能車進行深入細致的研究，為它今后的發(fā)展及實際應用打下堅實的基礎(chǔ)。 第2章 系統(tǒng)設(shè)計2.1 單片機模塊本設(shè)計中，智能循跡小車是由主控制模塊、循跡模塊、電機驅(qū)動模塊、電源模塊和其他外圍電路組成，其總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。 在本設(shè)計中，是以STC89C52為主控模塊，采用模塊化

7、設(shè)計的方法，以紅外光電傳感器作為循跡模塊，并采用L293D芯片控制輸出直接驅(qū)動直流電機作為電機驅(qū)動模塊。電源模塊用4節(jié)1.5V的電池供電，經(jīng)L7805穩(wěn)壓模塊后， 輸出電壓穩(wěn)定在+5V,從而向各個模塊供電。 圖2-1 尋跡智能車設(shè)計總硬件結(jié)構(gòu)圖2.1.1 智能車工作簡介本設(shè)計中，循跡指的是小車在白色地板上沿著黑線行走。紅外傳感器的發(fā)射管發(fā)出紅外線，由接收管接收。同時，接收的物理量被轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過信號放大電路處理，由單片機的P0，P1，P2口輸入，經(jīng)過處理后，信號由P1.4，P1.5，P1.6，P1.7，P3.0，P3.1口輸出給電機驅(qū)動電路的L293D芯片，從而達到驅(qū)動小車行走和循跡的目的

8、。循跡時，由于紅外線在白色地板和黑線上的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)三極管接收紅外線的強弱來決定小車的走向。本設(shè) 計采用四對紅外傳感器，采用“一字型”分布。中間傳感器接收不到反射回來的紅外線，而左右兩個傳感器能接收到反射回來的紅外線，則小車直線前進；當左邊和中間（或只有左邊）的傳感器接收不到反射回來的紅外線，只有右邊傳感器能接收到時，說明小車向右偏離黑色軌道，則小車向左轉(zhuǎn)動；同理，當中間和右邊（或只有右邊）的傳感器接收不到反射回來的紅外線，只有左邊傳感器能接收到時，說明小車向左偏離黑色軌道，則小車向右轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)自動循跡。本設(shè)計中紅外傳感器離地面垂直距離為8cm，能在沒有強烈日光干擾或在有日光

9、燈的房間里，完全能滿足探測要求，具有很好的可靠性與抗干擾能力。 2.2 主控模塊STC89C51 該模塊是整個設(shè)計的大腦。傳感器的輸出端將信號通過P1.0， P1.1， P1.2，P1.3，P3.3口輸入單片機，經(jīng)過處理后，由 P1.4，P1.5，P1.6，P1.7，P3.0，P3.1口輸出給L293D的IN1，IN2，IN3，N4，ENA，ENB腳，從而完成對小車的控制。該模塊的主要由 STC89C51單片機及其外圍電路組成，如圖2所示。 本設(shè)計中，STC89C51芯片的40引腳VCC接+5V電源，20引腳GND接地。18引腳XTAL1和19引腳XTAL2接在頻率為12MHZ的晶振上，并接了

10、30PF的電容。9引腳RST外接復位電路，為單片機提供上電復位。引腳P1.0，引腳P1.1，引腳P1.2和引腳P1.3分別和四對紅外傳感器的輸出端SEN1， SEN2，SEN3，SEN3相連，以完成電信號的輸入。引腳P1.4.0，引腳P1.5，引腳P1.6，引腳P1.7，引腳P3.0，引腳 P3.1分別和L293D芯片的IN1，IN2，IN3，IN4，EN1，EN2引腳相連，以完成將經(jīng)過單片機處理過的信號輸入給電機驅(qū)動電路。圖2-2 STC89C512.3 紅外光電傳感器模塊 本設(shè)計中，采用四對TCRT5000紅外光電傳感器。這三對傳感器呈均勻“一字型”分布。這種方法檢測連貫簡單，程序控制算法

11、簡單，使小車控制穩(wěn)定。但是這種均勻一字型分布不利于對彎道信號采集的準確性。圖2-3為其中一對傳感器及其外圍電路的原理圖。TCRT5000型紅外光電傳感器由一個高發(fā)射功率的紅外光電二極管和一個接收紅外線的高度靈敏的光電三極管（NPN型）組成。其中滑動變阻器R3是一個藍白電位器，通過調(diào)整R3的阻值從而達到調(diào)整光敏三極管對反射光的靈敏度。 紅外發(fā)射二極管不斷的發(fā)射出紅外線。當反射回來的紅外線強度足夠大時，光敏三極管飽和，則該模塊輸出為高電平；當反射回來的紅外線強度不夠大或者沒有反射回來紅外線時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，則該模塊的輸出為低電平。光敏三極管除了具有將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還具有

12、對電信號放大的功能。 圖2-3 TCRT5000型紅外光電傳感器電路2.4 電機驅(qū)動模塊電路 本模塊選用L293D芯片進行控制。該芯片驅(qū)動方式比較簡單，直接驅(qū)動兩個直流電機?？刂泼恳宦冯姍C，都有三個信號，分別為EN1，IN2，IN3，IN4和ENA，INB的工作電壓為+5V。本設(shè)計中，采用兩個輸出控制一個電機的方式。即OUT1和OUT2控制電機1，OUT3和OUT4控制電機2。圖4中的D1D8為箝位二極管。電機在停止的瞬間會產(chǎn)生一個逆向的電流，切割磁場后會產(chǎn)生一個逆向的電動勢。設(shè)置這些箝位二極管，就是為了防止逆電動勢燒壞芯片，從而它們起到保護作用。圖2-4 L293D芯片其中L298D各引腳的

13、編號與功能和內(nèi)部邏輯如下表1。表1 L298D引腳編號與功能引腳編號名稱功能1電流傳感器A在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流2輸出引腳1內(nèi)置驅(qū)動器A的輸出端1，接至電機A3輸出引腳2內(nèi)置驅(qū)動器A的輸出端2，接至電機A4電機電源端電機供電輸入端,電壓可達46V5輸入引腳1內(nèi)置驅(qū)動器A的邏輯控制輸入端16使能端A內(nèi)置驅(qū)動器A的使能端7輸入引腳2內(nèi)置驅(qū)動器A的邏輯控制輸入端28邏輯地邏輯地9邏輯電源端邏輯控制電路的電源輸入端為5V10輸入引腳3內(nèi)置驅(qū)動器B的邏輯控制輸入端111使能端B內(nèi)置驅(qū)動器B的使能端12輸入引腳4內(nèi)置驅(qū)動器B的邏輯控制輸入端213輸出引腳3內(nèi)置驅(qū)動器B的輸出端1，接至電

14、機B14輸出引腳4內(nèi)置驅(qū)動器B的輸出端2，接至電機B15電流傳感器B在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流L298D可直接對電機進行控制，不需要隔離電路。通過單片機的I/O輸入改芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，操作非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時依照上表，用程序輸入對應的碼值，即可以實現(xiàn)對應的操作。如圖2-5所示。圖2-5 L298D電機驅(qū)動模塊2.5 顯示模塊用LCD1602來顯示數(shù)據(jù)，LCD液晶具有功耗低、顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，顯示速度較快等特點。其中用滑動變阻器RV0來調(diào)節(jié)顯示器的背光亮度。電路原理圖如下圖2-6。圖2-6 顯示電路

15、第3章 軟件設(shè)計3.1 主程序設(shè)計3.1.1 系統(tǒng)軟件流程圖圖3-1 系統(tǒng)流程圖主程序流程圖中，開始時先是單片機的初始化，包括定時器初始化，外部中斷的初始化，液晶的初始化。然后調(diào)用循跡子程序，小車循跡前進，如果定時時間到了則調(diào)用超聲波模塊子程序，判斷前方50cm處是否有障礙物，如果有的話led閃爍，如果檢測到停止線則小車停止。3.1.2 主程序void main() Timer_Init(); /定時器初始化 INT0_Init(); /外部中斷初始化 LCD_Init(); /LCD1602初始化 TR1=1; /啟動定時器lcd_write_cmd(0x80);while(1) PWM()

16、;/pwm調(diào)速 track(); /調(diào)用循跡子程序lcd_write_cmd(0x80+0x09); lcd_write_dat(qian);lcd_write_cmd(0x80+0x0a); lcd_write_dat(bai2); lcd_write_cmd(0x80+0x0b); lcd_write_dat(shi2); lcd_write_cmd(0x80+0x0c); lcd_write_dat(ge2);lcd_write_cmd(0x80+0x47); lcd_write_dat(bai1); lcd_write_cmd(0x80+0x48); lcd_write_dat(shi

17、1); lcd_write_cmd(0x80+0x49); lcd_write_dat(ge1); 3.2 電機驅(qū)動程序3.2.1 小車前進子程序模塊 voidforward() IN1=1; IN2=0; IN3=1; IN4=0; EN1=1; EN2=1; 該程序中， L293D芯片的兩個使能端EN1和EN2一直保持高電平。IN1=1，IN2=0說明右邊電機向前轉(zhuǎn)動；IN3=1，IN4=0說明左 邊電機也向前轉(zhuǎn)動。故兩個電機同時向前轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動小車向前行進。 3.2.2 小車左轉(zhuǎn)子程序模塊voidturn_right() IN1=1; IN2=0; IN3=0; IN4=0; EN1=

18、1; EN2=1; 該程序中，使能端EN1和EN2仍然保持高電平。IN1=0，IN2=0，表明右邊電機向前轉(zhuǎn)動；而IN3=0，IN4=0，說明左邊電機不動。 左輪不轉(zhuǎn)右輪轉(zhuǎn)，這樣就實現(xiàn)了小車向左轉(zhuǎn)。 3.2.3 小車右轉(zhuǎn)子程序模塊voidturn_left() IN1=0; IN2=0; IN3=1; IN4=0; EN1=1; EN2=1; 該程序中，使能端EN1和EN2仍然保持高電平。IN1=0，IN2=0表明右邊電機停止不轉(zhuǎn)動；IN3=1，IN4=0說明左邊電機向前轉(zhuǎn) 動。右輪不轉(zhuǎn)左輪轉(zhuǎn)，這樣就實現(xiàn)了小車右轉(zhuǎn)。 3.2.4 小車轉(zhuǎn)彎時的左轉(zhuǎn)void zw_turnright() IN1

19、= 1; IN2 = 0;IN3 = 0;IN4 = 0;3.2.5 小車轉(zhuǎn)彎時的右轉(zhuǎn)void zw_turnleft() IN1 = 0;IN2 = 0;IN3 = 1;IN4 = 0;3.3 循跡模塊程序void track( void ) uchar temp = 0; temp = P1 & 0x0f; /取P1口低四位賦給變量temp switch( temp ) case 0x09: goahead(); /直走 break; case 0x0c: case 0x0e: turnleft();/左轉(zhuǎn) break; case 0x03: case 0x07: turnright();

20、/右轉(zhuǎn) break; case 0x0f: goback();/ 后退 break; case 0x00: stop(); /停止 break; case 0x08:zw_turnleft();/用于直角轉(zhuǎn)彎時的左轉(zhuǎn)delayXms(20);break;case 0x01: zw_turnright();/用于直角轉(zhuǎn)彎時的右轉(zhuǎn)delayXms(20);break; default: break; 3.4 顯示程序bit lcd_busy() /判忙函數(shù) bit result; RS=0; RW=1; E=1; nop(); nop(); nop(); nop(); result = (bit)

21、(P0&0x80); E=0; return result;void lcd_write_cmd(uchar cmd) /液晶寫指令 while(lcd_busy(); RS=0; RW=0; E=0; nop(); nop(); P0=cmd; nop(); nop(); nop(); E=1; nop(); nop(); nop(); nop(); E=0;void lcd_write_dat(uchar dat)/液晶寫數(shù)據(jù)指令 while(lcd_busy(); RS=1; RW=0; E=0; P0=dat; E=1; E=0;void LCD_Init()/液晶初始化指令 dela

22、yXms(12); lcd_write_cmd(0x38); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x0c); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x06); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x01); delayXms(4);lcd_write_cmd(0x80); for(i=0;i16;i+) /液晶第一列顯示Journey: mm lcd_write_dat(display1i); lcd_write_cmd(0x80+0x40);/液晶第二列顯示Speed: mm/s for(i=0;i16;i+) lcd_write_d

23、at(display2i);第4章 系統(tǒng)調(diào)試仿真系統(tǒng)通過proteus8.0進行仿真與調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如下圖8所示。圖4-1 系統(tǒng)仿真與調(diào)試結(jié)論本文提出了一種基于STC89C51單片機為控制核心的智能循跡小車的設(shè)計方案，該方案以紅外傳感器作為路徑信息采集手段， 以L293D芯片來控制并驅(qū)動電機運行，最終實現(xiàn)了小車在固定軌跡上自動循跡運行。該方案總體來說，比較簡單，成本低且易于實現(xiàn)，但也存在缺陷，如傳感器的“一字型”均勻布局使得小車在彎道行駛時可能會出現(xiàn)誤差，另外，小車循跡過程中會出現(xiàn)“蛇形擺動”問題，這些問題都還有待于改進。 智能車的軟件研究和調(diào)試，在熟悉小車整體功能和參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以對轉(zhuǎn)向用

24、PID控制進行控制，這樣做的有優(yōu)點是可以更好更優(yōu)良的實現(xiàn)小車的平穩(wěn)循跡，并且可預防程序跑飛，小車誤跑。參考文獻李鵬舉，51單片機工程師是怎么煉成的，北京：電子工業(yè)出版社，2012年P(guān)aul Horowitz，電子學，北京：電子工業(yè)出版社，2011年姜學軍，計算機控制技術(shù)，北京：清華大學出版社，2009年裘宗燕譯，程序設(shè)計語言，北京：電子工業(yè)出版社，2005年朱小燕等. 淺談智能控制小車的設(shè)計J. 機電信息, 2011.唐華溢等. 智能循跡小車系統(tǒng)與應用J. 科技與生活, 2010.何曄. 基于AT89S52單片機自動避障自動追光小車新設(shè)計J. 科技致富向?qū)? 2011.4.張毅剛，彭喜元，彭宇

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30、ter 60 /碼盤直徑#define disc 20 /碼盤柵格數(shù)20個即20個脈沖是一圈 #define H 100 #define L 10#define N 20uint i,n,m,time=0;uchar bai1,shi1,ge1,qian,bai2,shi2,ge2,flag1=0,flag2=1;ulong speed,count1,count2,journey,juli;/以下是定義端口sbit PWM_ENA = P30;sbit PWM_ENB = P31;sbit IN1 = P14;sbit IN2 = P15;sbit IN3 = P16;sbit IN4 = P

31、17;sbit RS=P20;sbit RW=P21;sbit E =P22;void delay_20us()/延時20usint a;a=2;while(a0) a-;void delay1ms(void) /延時1ms uint j; for(j=0;j=120;j+) _nop_(); void delayXms(uint ms)uint k;for(k=0;kms;k+) delay1ms(); bit lcd_busy() /判忙函數(shù)bit result;RS=0;RW=1;E=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();result = (bit)(P0&

32、0x80);E=0;return result;void lcd_write_cmd(uchar cmd) /液晶寫指令while(lcd_busy();RS=0;RW=0;E=0;nop();nop();P0=cmd;nop();nop();nop();nop();E=1;nop();nop();nop();nop();E=0;void lcd_write_dat(uchar dat)/液晶寫數(shù)據(jù)指令while(lcd_busy();RS=1;RW=0;E=0;P0=dat;nop();nop();nop();nop();E=1;nop();nop();nop();nop();E=0;voi

33、d LCD_Init()/液晶初始化指令delayXms(12);lcd_write_cmd(0x38); delayXms(4);lcd_write_cmd(0x0c); delayXms(4);lcd_write_cmd(0x06); delayXms(4);lcd_write_cmd(0x01); delayXms(4);lcd_write_cmd(0x80); void Timer_Init() /定時器0和定時器1初始化函數(shù)TMOD=0x11;ET0=1;TR0=0; ET1=1;EA=1; TH1 = (65535-50000)/256;/初使加載50毫秒TL1 = (65535-

34、50000)%256;void INT0_Init() /外部中斷0初始化IT0 = 1; EX0 = 1; EA = 1;void EXT_INT0(void) interrupt 0 /外部中斷0中斷處理函數(shù) count1+;count2+; void T0_time() interrupt 1/定時器0中斷處理函數(shù)TH0=0;TL0=0;void T1_time() interrupt 3/定時器1中斷處理函數(shù) TR1=0; TH1 = (65535-50000)/256; TL1 = (65535-50000)%256; n+;m+;if(m=2)m=0;flag1=1;if(n=20

35、) /定時2秒（40個50ms為1秒） n=0; journey = count2 * 3.14* diameter/disc/10 ; /路程等于總脈沖輸除以柵格數(shù)乘以周長單位cmqian = (journey/1000)+48; bai2 = (journey%1000/100)+48; shi2 = (journey%1000%100/10)+48;ge2 = (journey%1000%100%10)+48;speed=count1*3.14* diameter/disc/2 ;/單位是mm/s因為定時兩秒所以除以2bai1 = (speed/100)+48; shi1 = (speed%100/10)+48;ge1 = (speed%100%10)+48;count1=0; TR1=1; void goahead() /小車直走IN1 = 1;IN2 = 0;IN3= 1;IN4 = 0;void goback()/小車后退IN1 = 0;IN2 = 1;IN3 = 0;IN4 = 1;void turnright()/小車向右轉(zhuǎn)IN1 = 1;IN2 = 0;IN3 = 0;IN4 = 1;void turnleft()/小車向左轉(zhuǎn)IN1 = 0;IN2 =