小車循跡控制程序設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院課外自主實(shí)驗(yàn)分析報告實(shí)驗(yàn)名稱 小車循跡控制程序設(shè)計 專 業(yè) 軟件工程 班 級 學(xué) 號 姓 名 第1章 實(shí)驗(yàn)分析31.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計題目31.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計任務(wù)31.2.1 總體任務(wù)31.2.2 詳細(xì)任務(wù)31.2.3 設(shè)計要求31.3軟硬件運(yùn)行環(huán)境及開發(fā)工具3第2章 概要設(shè)計42.1 小車軟硬件設(shè)計原理42.1.1 小車硬件設(shè)計原理42.1.2小車軟件設(shè)計原理42.2 功能設(shè)計原理及實(shí)現(xiàn)方法42.2.1小車前進(jìn)功能實(shí)現(xiàn)42.2.2 小車旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)42.2.3 小車偏移修正功能設(shè)計4第3章 詳細(xì)設(shè)計93.1 硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)93.2 系統(tǒng)主程序流程103.3功能模塊詳細(xì)設(shè)計103.

2、3.1 起始點(diǎn)到中心點(diǎn)路線模塊設(shè)計103.3.2 中心點(diǎn)到d點(diǎn)路線模塊設(shè)計103.3.3 d點(diǎn)到黑色點(diǎn)路線模塊設(shè)計113.3.4 白色點(diǎn)到中心點(diǎn)模塊設(shè)計123.3.5 中心點(diǎn)到起始點(diǎn)路線模塊設(shè)計13第4章 系統(tǒng)調(diào)試與操作說明154.1 系統(tǒng)調(diào)試154.1.1 直線調(diào)試154.1.2 達(dá)到黑色終點(diǎn)點(diǎn)調(diào)試154.3 操作說明15第5章 總結(jié)和體會16第6章 參考文獻(xiàn)16附錄：11課外實(shí)驗(yàn)設(shè)計計劃學(xué)生姓名： 萬志雄 專業(yè)班級： 軟件1111 實(shí)驗(yàn)題目：小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計（路線3）實(shí)驗(yàn)器材：1、硬件設(shè)備：mcs-51單片機(jī)最小系統(tǒng)板、四個qti傳感器、兩個舵機(jī)、兩個車輪、鋰電池、isp下載線、面包板

3、；2、軟件環(huán)境：keil c51、progisp下載器。實(shí)驗(yàn)任務(wù)：（在規(guī)定的時間內(nèi)完成下列任務(wù)）1完成硬件設(shè)計并連線，以mcs-51單片機(jī)為控制核心，根據(jù)4個qti傳感器采集到的數(shù)據(jù)控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制車輪的速度和方向，并畫出硬件原理圖和實(shí)驗(yàn)連線圖；2用c語言編程實(shí)現(xiàn)以下小車行駛線路（地圖見下頁）：起始點(diǎn)中心點(diǎn)d點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)360度黑色點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)180度原路返回。時間安排：各時間段的任務(wù)可以交替進(jìn)行時間設(shè)計內(nèi)容第一天設(shè)計題目，實(shí)物演示、規(guī)劃任務(wù)、查找相關(guān)資料第二天進(jìn)行需求分析，完成總體設(shè)計第三天硬件詳細(xì)設(shè)計，連接實(shí)驗(yàn)電路，軟件詳細(xì)設(shè)計，編寫程序；第四天調(diào)試程序、測試系統(tǒng)、總結(jié)；第五天總結(jié)后完成設(shè)

4、計報告。指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 2014 年 6 月 30 日教研室主任（或責(zé)任教師）簽名： 2014年 6 月 30 日起始點(diǎn) 目 錄第1章 實(shí)驗(yàn)分析1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計題目 小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計（路線3）1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計任務(wù)及要求1.2.1 實(shí)驗(yàn)總體任務(wù)(1)硬件部分：完成硬件設(shè)計并連線，以mcs-51單片機(jī)為控制核心，隨時采集4個qti傳感器的數(shù)據(jù)控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制車輪的速度和方向。 (2)軟件部分：用c語言編程實(shí)現(xiàn)小車行駛線路：起始點(diǎn)中心點(diǎn)d點(diǎn)（旋轉(zhuǎn)360度）黑色點(diǎn)然后旋轉(zhuǎn)180度原路返回。1.2.2任務(wù) 使用keilc51編程軟件采用c語言編程實(shí)現(xiàn)小車路線3的總體調(diào)試，同時不斷修

5、正小車的路線。1.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計要求 完成硬件原理圖設(shè)計、小車模型構(gòu)建、軟件編程、調(diào)試、運(yùn)行等一整套工作任務(wù)?？刂栖浖褂胏語言編程；系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，提交一個滿足要求的小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計。1.3軟硬件運(yùn)行環(huán)境及開發(fā)工具 以mcs-51單片機(jī)為控制核心，根據(jù)4個qti傳感器采集的數(shù)據(jù)控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，windows xp操作系統(tǒng)pc機(jī)一臺。keilc51編程軟件、progisp下載器、串口調(diào)試小助手等軟件。第2章 概要設(shè)計2.1 小車軟硬件設(shè)計原理2.1.1 小車硬件設(shè)計原理小車前面有4個qti感應(yīng)器來隨時采集數(shù)據(jù)，當(dāng)探測為黑線的時候，返回值為1，當(dāng)探測為白線的時候，返回值是0，只有當(dāng)中間那個qti

6、返回值全為1的時候，才走在黑線上，根據(jù)返回的狀態(tài)來控制小車舵機(jī)的速度。2.1.2小車軟件設(shè)計原理將整個過程分為五部分來實(shí)現(xiàn)，分別為起點(diǎn)到中心點(diǎn)，中心點(diǎn)到d點(diǎn)，d點(diǎn)到黑色點(diǎn)，黑色點(diǎn)到中心點(diǎn)，中心點(diǎn)到起始點(diǎn)。在運(yùn)動過程中還需設(shè)計旋轉(zhuǎn)45度和180度和360度的旋轉(zhuǎn)子模塊，當(dāng)小車偏離軌跡候后，需設(shè)計修正子模塊。2.2 功能設(shè)計原理及實(shí)現(xiàn)方法2.2.1小車前進(jìn)功能實(shí)現(xiàn)此模塊原理是向伺服電機(jī)輸出若干個pwm波，波形的占空比可控制小車移動，通過時間寬度和延時產(chǎn)生信號，作用于電機(jī)，從而控制其運(yùn)動。在本次設(shè)計中，向伺服電機(jī)pwm波過程已經(jīng)被模塊化在頭文件中，即motion()函數(shù)中，通過對motion()函數(shù)

7、的三個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置來實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動從而控制小車前進(jìn)。motor_motion(uint16_t left_val, uint16_t right_val, uint8_t count)例：其中參數(shù)left_val:左邊電機(jī)的高電平時間寬度；right_val:右邊電機(jī)的高電平時間寬度；count：脈沖數(shù)目 2.2.2 小車旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)小車旋轉(zhuǎn)的原理是調(diào)整兩輪的移動方式、速度及移動步數(shù)。當(dāng)需旋轉(zhuǎn)360度時，將左輪設(shè)置為快速后退狀態(tài)，右輪為快速前進(jìn)狀態(tài),多次調(diào)試測出旋轉(zhuǎn)所需的步數(shù). 2.2.3 小車偏移修正功能設(shè)計 小車偏移修正功能即對小車傳感器信號狀態(tài)進(jìn)行檢測并作出相應(yīng)的處理的過程，在修正過程

8、中偏移情況及其代碼和信號狀態(tài)如下：void modify()if(p22_state()&(!p23_state()|(p21_state()&(!p22_state()&(!p23_state()&(!p24_state() motor_motion(1470, 1700,1); /左轉(zhuǎn)修正 else if(!p22_state()&p23_state()|(!p21_state()& (!p22_state()&(!p23_state()&p24_state() motor_motion(1300, 1550,1); /右轉(zhuǎn)修正 else motor_motion(1700,1300,1)

9、; （1） 當(dāng)小車發(fā)生右偏移時，各傳感器狀態(tài)信號如下：100000001100 通過判斷語句：if(p22_state()&(!p23_state()|(p21_state()&(!p22_state()&(!p23_state()&(!p24_state()判斷小車是否向左偏移，若發(fā)生偏移此時通過調(diào)節(jié)左右輪的速度來實(shí)現(xiàn)，左偏時調(diào)用motor_motion(1770, 1740,1)實(shí)現(xiàn)左輪前進(jìn)速度大于右輪前進(jìn)速度來實(shí)現(xiàn)向右偏移來對偏移進(jìn)行修正。 （2 ） 當(dāng)小車發(fā)生右偏移時，各傳感器狀態(tài)信號如下：100000001100通過判斷語句：if(!p22_state()&p23_state()|(

10、!p21_state()& (!p22_state()&(!p23_state()&p24_state() 判斷小車是否向右偏移。若發(fā)生偏移，此時通過調(diào)節(jié)坐游輪的速度來實(shí)現(xiàn)，右偏時調(diào)用motor_motion(1550, 1300,1)，通過調(diào)節(jié)左右輪的速度，當(dāng)右輪速度大于左輪速度進(jìn)行修正。2.3.1編程頭文件 （1）各個頭文件如下圖圖2.1 （2）delay.h頭文件實(shí)現(xiàn)延時功能，幫助系統(tǒng)更加理性化，易于操作。例如小車開始部分延時3秒。delay.h頭文件詳細(xì)代碼如下：void delay_nus(unsigned int i) i=i/10; while(-i); void delay_n

11、ms(unsigned int n) n=n+1; while(-n) delay_nus(900); /進(jìn)行時間補(bǔ)償 （3）qti.h頭文件其作用是獲取4個qti傳感器采集的信號。為51單片機(jī)提供判斷的輸入數(shù)據(jù)。qti.h頭文件p21口實(shí)例詳細(xì)代碼如下：/*函數(shù)名稱：p21_state()功能： 獲得左邊第一個qti的返回信號參數(shù)：無參數(shù)返回值：1：高電平，看到黑線；0：低電平，看到白線*/int p21_state() return (p2&0x02)?1:0;（4）global.h頭文件其作用是定義用到的數(shù)據(jù)類型、變量。方便程序設(shè)計，簡化程序結(jié)構(gòu)。詳細(xì)代碼如下：#ifndef globa

12、l_h#define global_htypedef unsigned int uint16_t;typedef unsigned char uint8_t;typedef unsigned char bool;#define true 1#define false 0#endif （5）motion.h頭文件其作用是控制兩個舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 。詳細(xì)代碼如下：#include global.hsbit left_motor = p10; /左電機(jī)接口sbit right_motor = p11; /右電機(jī)接口#define left_fwd 1700 /高電平時間定義，單位微秒#define left

13、_bwd 1300#define left_small_fwd1530#define left_small_bwd 1450#define right_fwd 1300#define right_bwd 1700#define right_small_fwd 1450#define right_small_bwd 1530函數(shù)名稱:motor_motion(uint16_t left_val, uint16_t right_val, uint8_t count)作用：向伺服電機(jī)輸出若干個pwm波，波形的占空比可控制參數(shù)：left_val:左邊電機(jī)的高電平時間寬度；right_val:右邊電機(jī)的

14、高電平時間寬度；count：脈沖數(shù)目返回值：無返回值void motor_motion(uint16_t left_val, uint16_t right_val, uint8_t count) uint8_t i; for(i=0; icount; i+) left_motor = 1; delay_nus(left_val); left_motor = 0 right_motor = 1; delay_nus( right_val ); right_motor = 0; delay_nms(20); /輸出一定數(shù)量的pwm波形 第3章 詳細(xì)設(shè)計3.1 硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)小車是由多個硬件零件組裝

15、而成，每個零件負(fù)責(zé)不同的功能，根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要實(shí)現(xiàn)的主要功能，來進(jìn)行硬件設(shè)計。硬件設(shè)計原理圖如下： 圖3.1 總體電路圖圖3.3灰度qti傳感器3.2 系統(tǒng)主程序流程小本系統(tǒng)設(shè)計了五個個模塊，分別為起點(diǎn)到中心點(diǎn)路線模塊、中心點(diǎn)到d點(diǎn)、d點(diǎn)黑色點(diǎn)、黑色點(diǎn)到中心點(diǎn)、中心點(diǎn)返回到起始點(diǎn)路線模塊。通過對每個功能模塊的調(diào)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。3.3功能模塊詳細(xì)設(shè)計3.3.1 起始點(diǎn)到中心點(diǎn)路線模塊設(shè)計起點(diǎn)到中心點(diǎn)，主要是從開始就前進(jìn)，在前進(jìn)過程中不停檢測傳感器傳過來的信號，通過判斷小車是否偏離路線后決定是否修正。程序代碼如下while(1) motor_motion(1700,1300,1); modi

16、fy(); if(p22_state()&p23_state()&p21_state()&!p24_state() /motor_motion(1500,1500,0); /中心點(diǎn)停 motor_motion(1500,1300,18); /右轉(zhuǎn)45度 break; 3.3.2 中心點(diǎn)到d點(diǎn)路線模塊設(shè)計中心點(diǎn)到b點(diǎn)，主要是從開始就前進(jìn)，在前進(jìn)過程中不停檢測傳感器傳過來的信號，通過判斷小車是否偏離路線后決定是否修正。如果檢測到0000信號，則執(zhí)行旋轉(zhuǎn)360度程序。設(shè)計函數(shù)centertod()來實(shí)現(xiàn)此模塊功能。程序代碼如下：while(1)motor_motion(1700,1300,1); m

17、odify(); if(!p21_state()&!p22_state()&!p23_state()&!p24_state()/motor_motion(1500,1500,0); /d點(diǎn)停 motor_motion(1300,1300,150); /轉(zhuǎn)360度 break; 程序流程圖如下： 開始前進(jìn)偏移？前進(jìn)修正是否全為1?否旋轉(zhuǎn)360度是退出循環(huán) 圖3.3中心點(diǎn)到d點(diǎn)模塊流程圖3.3.3 d點(diǎn)到黑色點(diǎn)路線模塊設(shè)計d點(diǎn)到黑色點(diǎn)前進(jìn)過程中也要進(jìn)行檢測修正，當(dāng)遇到1111信號時，執(zhí)行旋轉(zhuǎn)180度，其代碼為：while(1) motor_motion(1700,1300,1); modify()

18、; if(p21_state()&p22_state()&p23_state()&p24_state() motor_motion(1300,1300,75); /轉(zhuǎn)180度 break; 程序流程圖如下： 開始前進(jìn)偏移？前進(jìn)修正是否全為1?否旋轉(zhuǎn)180度是退出循環(huán) 圖3.4 d點(diǎn)到黑點(diǎn)模塊流程圖3.3.4 白色點(diǎn)到中心點(diǎn)模塊設(shè)計白色點(diǎn)到中心點(diǎn)循跡過程中，不斷地通過傳感器檢測信號，進(jìn)行路線修正。當(dāng)?shù)谝淮螜z測到1111信號時，這表示已經(jīng)到達(dá)中心點(diǎn)。采用的函數(shù)和剛開始去中心點(diǎn)的一樣，模塊程序代碼如下：while(1) motor_motion(1700,1300,1); modify(); if(

19、p21_state()&p22_state()&p23_state()&p24_state() /motor_motion(1500,1500,0); /回到中心點(diǎn)停 motor_motion(1700,1500,18); /向左轉(zhuǎn)45度 break; 程序流程圖如下： 開始前進(jìn)偏移？前進(jìn)修正是否全為1?否左旋轉(zhuǎn)45度是退出循環(huán) 圖3.5黑點(diǎn)到中心點(diǎn)模塊流程圖3.3.5 中心點(diǎn)到起始點(diǎn)路線模塊設(shè)計 while(1) motor_motion(1700,1300,1); modify(); if(p21_state()&p22_state()&p23_state()&p24_state() mo

20、tor_motion(1500,1500,0); /回到起始點(diǎn) break; 程序流程圖如下： 開始前進(jìn)偏移？前進(jìn)修正是否全為1?否停止是退出循環(huán) 圖3.6中心點(diǎn)到d點(diǎn)出發(fā)點(diǎn)模塊流程圖第4章 系統(tǒng)調(diào)試與操作說明4.1 系統(tǒng)調(diào)試4.1.1 直線調(diào)試 主要是判斷小車是否能沿著黑線向前走，方法：讓程序只有函數(shù)modify（），main()函數(shù)中只有motor_motion(1700,1300,1)這條語句;并燒寫到小車中，把小車放在一條黑線上，看它是否能一直在黑線上前進(jìn)，若不能，再qti是否連接正確，直至小車能一直走在直線上。4.1.2 達(dá)到黑色終點(diǎn)點(diǎn)調(diào)試主要判斷小車能否到黑色終點(diǎn)，并原地旋轉(zhuǎn)180

21、度，方法：將自己模塊程序燒寫到小車中，放在黑點(diǎn)上面，觀察小車能否到黑色終點(diǎn)旋轉(zhuǎn)前進(jìn)到中心點(diǎn)并并原地旋轉(zhuǎn)180度，注意看其角度是否正常。 4.2 調(diào)試中遇到的問題 調(diào)試的時候，是在黑色終點(diǎn)處的時候，旋轉(zhuǎn)度數(shù)不足。多次調(diào)試后為motor_motion(1300,1300,75)。4.3 操作說明在keilc51中寫好的程序進(jìn)行編譯生成.hex文件，然后通過isp下載線和progisp軟件將已生成的.hex文件燒寫到單片機(jī)中。當(dāng)燒寫成功后，拔掉下載線，然后在已設(shè)定好的路徑上，擺正小車的位置，打開小車上的開關(guān)。觀察小車是否按照預(yù)定的路徑進(jìn)行行駛。 第5章 總結(jié)和體會整個過程中，從需求分析到設(shè)計、編碼、

22、測試，我都力求規(guī)范化和文檔化，努力讓自己以前學(xué)的知識運(yùn)用到本系統(tǒng)的開發(fā)中，盡量保證整個系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度和質(zhì)量，順利完成這次的課程設(shè)計。不過，在實(shí)驗(yàn)過程中，好多知識都是隨學(xué)隨用，就增加了很多不必要的麻煩。雖說這些都會消耗系統(tǒng)開發(fā)的時間，但在同學(xué)以及自己的不斷努力下，不怕麻煩，不怕重復(fù)，當(dāng)克服了這些問題之后，我會感覺到自己的知識在一點(diǎn)一滴地積累，不知不覺中增加。我相信，只要肯鉆研，只要擠時間，一切自己想要的知識都可以掌握。通過本次課程設(shè)計，我對小車循跡系統(tǒng)經(jīng)典問題有了進(jìn)一步的了解，尤其是在軟件與硬件的結(jié)合方面有了新的認(rèn)識。在這次課程設(shè)計中，由于沒有掌握好進(jìn)程同步中的一些關(guān)鍵知識，導(dǎo)致在實(shí)際操作中遇到

23、了很多問題，比如說對單片機(jī)借口的不熟悉。此次課程設(shè)計使我明白，在程序設(shè)計中，我們需要有一個清晰的整體結(jié)構(gòu)，然后針對每個模塊逐步實(shí)現(xiàn)其功能，在設(shè)計中也需要有嚴(yán)謹(jǐn)和認(rèn)真的態(tài)度，才會更好的完成一項(xiàng)任務(wù)。第6章 參考文獻(xiàn)1 尹志宇、郭晴，單片機(jī)入門，北京：清華大學(xué)出版社，2011.072黃維通、王曉英，萬能的51單片機(jī) ，北京：清華大學(xué)出版社，2011.013 龐婭娟、房大偉51單片機(jī)簡明教程，北京：人民郵電出版社，2009.104王小科、王軍、趙會東，單片機(jī)開發(fā)案例全程實(shí)錄（第二版），北京：清華大學(xué)出版社2011.01 附錄：#includereg52.h#includedelay.h#includeqti.h#includemotion.h#includeglobal.hvoid modify()if(p22_state()&(!p23_state()|(p21_state()&(!p22_state()&(!p23_state()&(!p24_state() motor_motion(1470, 1700,1); /左轉(zhuǎn)修正 else if(!p22_state()&p23_state()|(!p21_state()& (!p22_state()&(!p23_state()&p24_state() motor_motio