小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(路線5)

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題 目 小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（路線5）專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 姓 名 成 績 指導(dǎo)教師 夏 婷 2014 年 7 月 3 日1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 夏婷 工作單位： 信息工程系 設(shè)計(jì)題目：小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（路線5）初始條件：1、硬件設(shè)備：MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)板、四個(gè)QTI傳感器、兩個(gè)舵機(jī)、兩個(gè)車輪、鋰電池、ISP下載線、面包板；2、軟件環(huán)境：Keil C51、progisp下載器。設(shè)計(jì)任務(wù)：（在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成下列任務(wù)）1完成硬件設(shè)計(jì)并連線，以MCS-51單片機(jī)為控制核心，根據(jù)4個(gè)QTI傳

2、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)黃點(diǎn)A點(diǎn),旋轉(zhuǎn)360度中心點(diǎn)起始點(diǎn)。時(shí)間安排：各時(shí)間段的任務(wù)可以交替進(jìn)行時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容第一天介紹題目，實(shí)物演示、分任務(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(jì)第三天硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)，連接實(shí)驗(yàn)電路，軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)，編寫程序；第三天須提交硬件原理圖、實(shí)驗(yàn)接線圖及程序流程圖的電子版第四天調(diào)試程序、測試系統(tǒng)、答辯；第五天答辯后完成設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫格式要求：（按提供的設(shè)計(jì)報(bào)告統(tǒng)一格式撰寫）設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)包含以下內(nèi)容： 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 總體方案與說明 硬件原理圖與

3、說明 實(shí)驗(yàn)接線圖與說明 軟件主要模塊流程圖與說明 核心代碼與注釋 系統(tǒng)調(diào)式、問題分析與解決方案； 使用說明 小結(jié)與體會 參考文獻(xiàn)附錄：源程序（必須有簡單注釋） 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 日小車行駛線路地圖如下：起始點(diǎn) 目 錄目 錄第1章 需求分析11.1 課程設(shè)計(jì)題目11.2 課程設(shè)計(jì)目的任務(wù)及內(nèi)容和要求11.3 軟硬件運(yùn)行環(huán)境及開發(fā)工具1第2章 概要設(shè)計(jì)22.1 設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法22.2 主要芯片說明42.2.1 傳感器42.2.2 面包板42.2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)板4第3章 詳細(xì)設(shè)計(jì)63.1 硬件設(shè)

4、計(jì)與實(shí)現(xiàn)63.2 系統(tǒng)主程序流程63.3功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)83.3.1 起始點(diǎn)到黃點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)83.3.2 黃點(diǎn)到A點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)83.3.3 A點(diǎn)到中心點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)93.3.4 中心點(diǎn)到起點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)10第4章 系統(tǒng)調(diào)試與操作說明114.1 系統(tǒng)調(diào)試114.1.1 直線調(diào)試114.1.2 達(dá)到A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)360調(diào)試114.2 問題分析與解決114.3 操作說明11第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)與體會12參考文獻(xiàn)12附錄13步進(jìn)電機(jī)控制程序：13 第1章 需求分析1.1 課程設(shè)計(jì)題目小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（路線5）。1.2 個(gè)人任務(wù)如下使用KeilC51編程軟件采用C語言編程實(shí)現(xiàn)小車從起始點(diǎn)黃色點(diǎn),旋轉(zhuǎn)135

5、度這一模塊功能設(shè)計(jì)和總體調(diào)試，同時(shí)不斷修正小車的路線。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(gè)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(jì)2.1 設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法2.1.1 舵機(jī)控制和驅(qū)動原理舵機(jī)常用的控制信號是一個(gè)周期為20毫秒左右，寬度為1毫秒到2毫秒的脈沖信號。當(dāng)舵機(jī)收到該信號后，會馬上激發(fā)出一個(gè)與之相同的，寬度為1.5毫秒的負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)的中位脈沖。之后二個(gè)脈沖在一個(gè)加法器中進(jìn)行相加得到了所謂的差值脈沖。輸入信號脈沖如果寬于負(fù)向的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，得

6、到的就是正的差值脈沖。如果輸入脈沖比標(biāo)準(zhǔn)脈沖窄，相加后得到的肯定是負(fù)的脈沖。此差值脈沖放大后就是驅(qū)動舵機(jī)正反轉(zhuǎn)動的動力信號。舵機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，通過齒輪組減速后，同時(shí)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤和標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動。直到標(biāo)準(zhǔn)脈沖與輸入脈沖寬度完全相同時(shí)，差值脈沖消失時(shí)才會停止轉(zhuǎn)動！2.1.2 小車的軟硬件設(shè)計(jì)原理小車前面有4個(gè)qti感應(yīng)器來隨時(shí)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)探測為黑線的時(shí)候，返回值為1，當(dāng)探測為白線的時(shí)候，返回值是0，只有當(dāng)中間兩個(gè)qti返回值全為1的時(shí)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。同時(shí)將整個(gè)過程分為四個(gè)子模塊來實(shí)現(xiàn)，分別為起點(diǎn)到黃點(diǎn)，黃點(diǎn)到A點(diǎn)，A點(diǎn)到中心點(diǎn)，中心點(diǎn)到起始點(diǎn)。在運(yùn)動過程

7、中還需設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)135度和360度和90度的旋轉(zhuǎn)子模塊，當(dāng)小車偏離軌跡候后，需設(shè)計(jì)修正子模塊。最后為了使小車停到指定區(qū)域，還需編寫停止子模塊。2.1.3 小車前進(jìn)功能實(shí)現(xiàn)此模塊原理是向小車輸出若干個(gè)PWM波，波形的占空比可控制小車移動，通過時(shí)間寬度和延時(shí)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(jì)中，向小車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)的三個(gè)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)。我們小組設(shè)計(jì)的前進(jìn)參數(shù)是motor_motion(1470,1530,1)，其中1470表示左輪慢速前進(jìn)，1530表示右輪慢速前進(jìn)，1表示給的脈沖數(shù)

8、即小車所走的步數(shù)。2.1.4 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)。因?qū)嶋H情況所制，當(dāng)需旋轉(zhuǎn)360度時(shí)，若左右輪同時(shí)旋轉(zhuǎn)無法達(dá)到預(yù)期結(jié)果，因此，我們的解決方案是左右旋轉(zhuǎn)，右輪靜止不動，經(jīng)過多次調(diào)試測出旋轉(zhuǎn)所需的步數(shù)290，最終得出的結(jié)果為：motor_motion( 1300 , 1500 ,290)，其中，1300表示左輪快速前進(jìn)，1500表示右輪靜止不動，290表示小車所走的步數(shù);同樣的方法，當(dāng)需旋轉(zhuǎn)90度和135度時(shí)，經(jīng)過多次試測出旋轉(zhuǎn)所需的步數(shù)分別是55、83.5。2.2 主要芯片說明2.2.1 傳感器 QTI（Quick Track Infrared）傳

9、感器是一種紅外傳感器，它利用光電接收管探測其所面對的表面反射光強(qiáng)度。當(dāng)QTI傳感器面對一個(gè)很暗的表面時(shí)，反射光強(qiáng)度很低；面對一個(gè)很亮的表面時(shí)，反射光的強(qiáng)度很高。因此不同強(qiáng)度的反射光導(dǎo)致傳感器輸出不同，即探測到不同顏色的物體輸出不同的電平信號。在本系統(tǒng)中所使用到的QTI傳感器他側(cè)刀黑色物體時(shí)輸出高電平，探測到白色物體時(shí)輸出低電平。2.2.2 面包板面包板是由于板子上有很多小插孔，很像面包中的小孔，因此得名，專為電子電路的無焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的。由于各種電子元器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出，免去了焊接，節(jié)省了電路的組裝時(shí)間，而且元件可以重復(fù)使用，所以非常適合電子電路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練。2.2.3 單片

10、機(jī)最小系統(tǒng)板單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以51單片機(jī)為基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便的運(yùn)用于測試系統(tǒng)中。它主要有電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴(kuò)展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示：圖 2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖第3章 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)小車是由多個(gè)硬件零件組裝而成，每個(gè)零件負(fù)責(zé)不同的功能，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要實(shí)現(xiàn)的主要功能，來進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)原理圖如下： 圖3.1 硬件原理圖protues 硬件設(shè)計(jì)接線圖如下：圖3.2 接線圖畫法3.2 系統(tǒng)主程序流程本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)模塊，分別為起點(diǎn)到黃點(diǎn)，黃點(diǎn)到A點(diǎn)，A點(diǎn)到中心點(diǎn)，中心點(diǎn)到起始點(diǎn)四個(gè)路線模塊。通過對每個(gè)功能模塊的調(diào)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。

11、系統(tǒng)主流程圖如下：開始直線行駛左轉(zhuǎn)135度旋轉(zhuǎn)360度小車是否到達(dá)藍(lán)點(diǎn)？小車是否到達(dá)白點(diǎn)？直線行駛左轉(zhuǎn)90度小車是否到達(dá)中心點(diǎn)？直線行駛直線行駛，到達(dá)出發(fā)點(diǎn)結(jié)束NYNYNY 圖3.3 系統(tǒng)主程序流程圖3.3功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)3.3.1 起始點(diǎn)到黃點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)起點(diǎn)到黃點(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方向，如果檢測到0 1 1 1信號，則旋轉(zhuǎn)135度。程序代碼如下： motor_motion(1300,1700,1); /沒有到黃點(diǎn)讓小車?yán)^續(xù)前進(jìn)直到黃點(diǎn) if(p21_state()=0 & p22_state()=0 & p2

12、3_state()=0 & p24_state()=1)/如果4個(gè)qti返回信息為0 0 0 1 則說明小車行進(jìn)到了黃點(diǎn) motor_motion(1300, 1500,83.5); /如果走到黃點(diǎn)就不用再繼續(xù)前進(jìn)，就該讓小車向右轉(zhuǎn)動135度角 3.3.2 黃點(diǎn)到A點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)黃點(diǎn)到A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0 0 0 0信號，則旋轉(zhuǎn)360度。開始程序流程圖如下： 向前行駛修正是偏移否向前行駛否到達(dá)A點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)360度 圖3.4黃點(diǎn)到A點(diǎn)模塊流程圖3.3.3 A點(diǎn)到中心點(diǎn)路線模塊設(shè)計(jì)A點(diǎn)到中心點(diǎn)，主要是從

13、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。當(dāng)?shù)谝淮螜z測到1 1 1 1信號時(shí)，這表示已經(jīng)到達(dá)中心點(diǎn)，則旋轉(zhuǎn)90度。3.3.4 中心點(diǎn)到起點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)中心點(diǎn)到起點(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)再次檢測到1 1 1 1信號時(shí)，這表示已經(jīng)到達(dá)起點(diǎn)，則讓小車停止行駛。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)motor_motion（1470,1530,1），其中1470表示左輪慢速前進(jìn)，1530表示右輪慢速前進(jìn)，1表示給的脈沖數(shù)即小車所走的步數(shù)。并燒寫

14、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)到黃點(diǎn)旋轉(zhuǎn)135度調(diào)試主要判斷小車能否到達(dá)黃點(diǎn)，并成功旋轉(zhuǎn)135度，方法：將自己模塊程序燒寫到小車中，放在一個(gè)白顏色的板子上面，觀察小車能否旋轉(zhuǎn)135度，注意看其角度是否正常，并多次修改脈沖數(shù)，直至能夠剛好旋轉(zhuǎn)135度。4.2 問題分析與解決在系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們遇到了許多的問題。通過不斷分析這些問題和不斷重復(fù)調(diào)試最終都得到了很好的解決。下面列舉幾個(gè)突出的問題：問題：調(diào)試的時(shí)候，總是在旋轉(zhuǎn)360度的時(shí)候，脈沖給的數(shù)目不準(zhǔn)確，要么轉(zhuǎn)多了，要么沒轉(zhuǎn)夠。解決方案： 解決方

15、案：進(jìn)過多次調(diào)試試驗(yàn)，最后調(diào)試為102才剛剛差不多，然后再加上一個(gè)延時(shí)和沖出B點(diǎn)的函數(shù)，才解決這個(gè)問題。4.3 操作說明（1） 在KeilC51中寫好的程序進(jìn)行編譯生成.hex文件；（2） 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；（3） 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；（4） 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 課程設(shè)計(jì)總結(jié)與體會經(jīng)過為期一周的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，我頗有感觸。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，讓我們相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督，學(xué)會了合作。這次課設(shè)最大的收獲就是熟悉單片機(jī)的用途，這次的課程

16、設(shè)計(jì)非常的有意思。也是我們第一次合作進(jìn)行動手實(shí)驗(yàn)。本次課程設(shè)計(jì)，老師要求我們每6個(gè)人為一組，分別進(jìn)行小車行走的幾種路線。一開始，老師給我們講解了這次課程設(shè)計(jì)中的一些難點(diǎn)，這樣方便我們在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候少走很多彎路。在老師講解完之后，我們就開始做起實(shí)驗(yàn)，一開始按著步驟做，但是在測試中發(fā)現(xiàn)很多目的都不能達(dá)到，于是我們又回頭檢查錯(cuò)誤，經(jīng)過多次檢查，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中很多器材有問題，這些壞器材讓我們浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力。我們這次實(shí)驗(yàn)里小車按要求是兩個(gè)車輪一個(gè)前進(jìn)一個(gè)后退來達(dá)到原地旋轉(zhuǎn)360度的目的，但是在實(shí)驗(yàn)過程中，我們組用的小車不能進(jìn)行這種行為，于是我們只能選擇單輪旋轉(zhuǎn)，使其達(dá)到旋轉(zhuǎn)360度的目的，但途中

17、又發(fā)現(xiàn)一次脈沖只能使小車旋轉(zhuǎn)320度左右，脈沖一旦過大，小車就停止運(yùn)動，最后我們又添加了一次脈沖，使其達(dá)到旋轉(zhuǎn)360度的目的。這次課程設(shè)計(jì)教會我們?nèi)绾瓮瓿蓤F(tuán)隊(duì)任務(wù)，合理分配任務(wù)。讓我們學(xué)會了相互合作，相互學(xué)習(xí)。參考文獻(xiàn)1 蔡美琴，MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用（第二版），高等教育出版社,20042 李華，MCS一51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)，北京：航空航天大學(xué)出版社，20033 蔡方凱，單片機(jī)原理及基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：中國水利水電出版社，2007設(shè)計(jì)者： 夏 衡 日 期： 2014 年 7 月 3 日附錄步進(jìn)電機(jī)控制程序：#include #include Global.h#i

18、nclude delay.h#include qti.h#include motion.h#include main()/主要是完成黃點(diǎn)旋轉(zhuǎn)135度，白點(diǎn)旋轉(zhuǎn)360度，中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90度 while(1) motor_motion(1470,1530,1); /直走 if(P22_state()&(!P23_state()|(P21_state()&(!P22_state()&(!P23_state()&(!P24_state() motor_motion(1470, 1700,1); /左轉(zhuǎn)修正 if(!P22_state()&P23_state()|(!P21_state()& (!P22_

19、state()&(!P23_state()&P24_state() motor_motion(1300, 1550,1); /右轉(zhuǎn)修正 /黃點(diǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)135度 if(!P21_state() & (!P22_state()& (!P23_state() & (!P24_state() ) motor_motion(1300,1500,255); motor_motion(1300,1500,35); motor_motion(1300,1700,10); /白點(diǎn)旋轉(zhuǎn)360度 if(!P21_state() & (P22_state()& (P23_state() & (P24_state() ) motor_motion(1300, 1500,120); /中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90度后，跳出循環(huán)，以便停止 if(P21_state() & (P22_state()& (P23_state() & (P24_stat