智能循跡小車報告

1、西京學院自動化1002班概要本尋跡小車是以萬能板為車架，STC12C5A60S2單片機為控制核心，將各傳感器的信號傳至單片機分析處理，從而控制L293D電機驅(qū)動，控制小車，速度由單片機提供的PWM波控制。利用紅外傳感器檢測黑線，紅外對管來實現(xiàn)循跡功能，利用超聲波傳感器進行檢測避障。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。根據(jù)小車各部分功能，模塊化硬件電路，并調(diào)試電路。將調(diào)試成功的各個模塊逐個地“融合”成整體，再進行軟件編程調(diào)試，直到完成。關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2直流電機紅外對管傳感器尋跡小車L293D電機驅(qū)動1、循跡小車的系統(tǒng)的要求和總體方案設(shè)計1.1 設(shè)計要求1.1.1 基本要求利用單片

2、機實驗板，并制作一定的外圍電路，編寫程序設(shè)計制作一個智能循跡壁障的小車，具體要求如下：(1)具有啟動、停止功能；(2)能夠完成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)單獨動作和復(fù)合動作；(3)能按照規(guī)定路線循跡行駛；1.1.2 發(fā)揮要求利用超聲波或紅外等方式實現(xiàn)避障功能1.2 智能循跡小車的工作原理我們知道小車的循跡原理是根據(jù)實現(xiàn)電位的高低來實現(xiàn)對前進方向的控制的。在這里我們設(shè)定了白色和黑色的通道界面來行駛，而根據(jù)我們所學的知識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表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝

3、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(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。通過查資料我們知道紅外探測器探測距離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。1.2.1 恒壓恒流橋式驅(qū)動芯片L293D驅(qū)動電機原理本L293D驅(qū)動模塊，采用ST公司原裝全新的L293D芯片,采用SMT工藝穩(wěn)定性高，采用高質(zhì)量鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作?？梢灾苯域?qū)動4路3-16V直流電機，并提供了5V輸出接口（輸入最低只要6V）,可以給5V單片機電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)），支持3.3VMCUARM控制，可以方便的控制直流電機速度和方向，也可以控制2相步進電

4、機，5線4相步進電機，是智能小車必備利器。本模塊可以51,AVR,PIC,ARM等控制器連接，下圖MCU_GNDMCU_+5V是指可以用驅(qū)動輸出+5V的電源給控制系統(tǒng)供電。當然，也可以不用，當不用的時候懸空。但它們一定要共地。即MCU_GND要與驅(qū)動模塊GND相連（這點至關(guān)重要）。IO是指MCU的普通的輸入輸出接口。這里特別指出的是EN1EN2這里我們已經(jīng)用跳線帽直接插到5V了，直接使能，如果有PWM調(diào)速可以去掉跳線帽直接從這里輸入PWM信號，調(diào)節(jié)電機速度。從左至右接口定義為：+5GNDIN1IN2IN3IN4EN1EN2EN1EN2為電機1電機2使能端+5GNDIN5IN6IN7IN8EN1

5、EN2EN1EN2為電機3電機4使能端如下圖1、圖2所示：圖1L293D驅(qū)動電路實物圖以下舉例：控制緊邏輯。這里一路其它的，其它三路類推INiIN2EN1電機000不轉(zhuǎn)010不轉(zhuǎn)100不轉(zhuǎn)110不轉(zhuǎn)001不轉(zhuǎn)011正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111不輕圖2電機驅(qū)動使能端子1. 3模塊方案比較與論證根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由主控模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、直流電機及其驅(qū)動模塊、電壓比較模塊等模塊構(gòu)成。為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計了幾種方案并分別進行了論證。1.1.1 主控制器模塊萬案一：采用凌陽公司的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)

6、簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領(lǐng)域。但是當凌陽單片機應(yīng)用語音處理和辨識時，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務(wù)的速度和能力降低。本系統(tǒng)主要是進行尋跡運行的檢測以及電機的控制。如果單純的使用凌陽單片機，在語音播報的同時小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。萬案一：采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機作為主控制器。STC12C5A60S2是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速

7、度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。由于STC12C5A60S2單片機的資源已經(jīng)可以滿足設(shè)計需要，且此單片機價格上有優(yōu)勢。從方便實用不浪費資源的角度考慮，我們選擇了方案二。1.1.2 尋跡傳感器模塊萬案一：采用簡易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測，但實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測幾率較大，易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。萬案一：采用兩只st188紅外對管，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受

8、到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。方案二:采用五只st188紅外對管，一只置于軌道中間，其他四只置于軌道外側(cè)，當小車脫離軌道時，即當置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線(即回到軌道)再恢復(fù)正向行駛。現(xiàn)場實測表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，但是不影響小車的整體行駛效果。通過比較，我們選取第三種方案來實現(xiàn)循跡。1.1.3 電機驅(qū)動模塊萬案一：采用專用芯片L293D作為電機驅(qū)動芯片。L293D是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它

9、相應(yīng)頻率高，一片L293D可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。萬案一：對于直流電機用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。因此，我們選用了方案一。1.4小車總體設(shè)計的最終方案經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：(1)車體用原有的小車(2)采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器。(3)采用12V直流電池為直流電機供電。(4)用st188型光電對管進行尋跡。(5)L293D作為直流電機的驅(qū)動芯片。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：電壓比較器直流電機光

10、電對管組循跡或避障圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框二、小車硬件實現(xiàn)及模塊電路的設(shè)計2.1、 主控制器模塊的設(shè)計采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機作為主控制器，不用燒寫器而只用USB串口下載線就可以往單片機中下載程序。我們在開發(fā)過程中使用開發(fā)版，方便程序的調(diào)試和整機的測試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機從開發(fā)板安裝在小車底座板上方便及時調(diào)試。匚 G J 二 3 456 /丁 d3.43,*1 J 辦 rinhm 制 gfvcAtfSG_lDl£ _IE*單片機最小系統(tǒng)的應(yīng)用(1)時鐘電路系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益

11、反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz,電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為22M更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。(2)復(fù)位電路復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST!過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器

12、周期的S5Pz由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路，如圖所示。當時鐘頻率選用6MHz寸，C取22pF,Rs約為200Q,Rk約為1K2.2、 跡傳感器模塊傳感用st188型光電對管，st188是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個神化錢紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管當發(fā)光圖5光電對管檢測電路1vcc圖5光電對管檢測電路2而且經(jīng)試驗驗證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調(diào)節(jié)電路。2.3、 尋光模塊采用光敏二極管作為光源探測模塊的傳感器，由于光敏二極管感光后，內(nèi)阻

13、有較大的變化，通過一定的電路轉(zhuǎn)化為電壓的變化。采用LM358比較器對5個二極管的輸出電壓進行比較，光敏二極管引起的電壓變化送到比較器的反相端與基準信號進行比較，將結(jié)果輸入到單片機執(zhí)行判斷?；贚M358的尋光電壓比較電路：LM358的二號管腳為基準電壓輸入端，將需要進行比較的電壓輸入到三號管腳，如果比基電壓的值大，則一號管腳輸出為高電平，反之為低電平。2.4、 電機驅(qū)動模塊2.4.1 電機驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動模塊采用專用芯片L293D作為電機驅(qū)動芯片，L293D是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，具響應(yīng)頻率高，一片L293D可以分別控制兩個直流電機，驅(qū)動電路的設(shè)計如圖L293D的571012四

14、個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)控制。業(yè)Hhiznpi廣取r*1cum.1:<Itt2CTO1ST"DIFT"xs"Qf££lHEWHKJT+IJUIHJILULIJFUT+faOTffiJEUUWUDHFOQihubVWi&FTP?n。kHlK)JO/KJ)理aR3前金收H.f儂相ZDOElJH.4XH3MPDHSa；HF4.7UIEJOE。我2IZHDEJ./OH：BWiJBJEBIM1J03H5A1JTa®43.£>14IKB.J3JjfJ3WB.i且

15、SQMLDF5733#J1)£UI23OWL1口1的國口RD腕33三"r-35"mot>nnLULH.HLULH-in-眄ukd301aBCOTHJEUJLHJUMRJT2HTOTUEt%HXU工曲E】乙武14CCT-2CiULli：1J1Q-L_BKHUWMWMWujiMjii(Li.nH.rn加加加曲_曲CCHCT2UJIWUnjhnffuisVEHFS£1<W13IEinnooUEii13CUDoo11曲amd11OOTM切7一§加一圖6L298驅(qū)動原理圖三、小車軟件設(shè)計與實現(xiàn)3.1主程序流程圖小車進入尋跡模式后，即開始不停地

16、掃描與探測器連接的單片機I/O口，且檢測到某個I/O有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。四、小車系統(tǒng)功能測試和調(diào)試見實物五、結(jié)束語基于STC型單片機的自動循跡小車控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，抗干擾能力強，我們的尋跡小車在完成設(shè)計要求的前提下，充分考慮到了外觀、成本等問題，在性能和價格之間作了比較好的平衡。由于設(shè)計要求并不復(fù)雜，我們沒有在電路中增加冗余的功能，但是我們保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴展和進一步的開發(fā)。六、設(shè)計心得通過這幾天的項目設(shè)計，我們對一些專業(yè)知識和單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計有了更深的了解，同時也嘗試著去應(yīng)用自己的所掌握的知識。本次

17、電子大賽主要是對已學習的單片機應(yīng)用技術(shù)，單片機程序流程圖的綜合應(yīng)用，同時加上電路等知識，設(shè)計完成了利用軟件的檢測程序運行調(diào)試。經(jīng)過幾天的奮戰(zhàn)，我們感受很深.我們?nèi)齻€人分工合作，設(shè)計過程中深感自己在培養(yǎng)動手能力這方面欠缺很大。同時，這次我們積極的通過上網(wǎng)查資料，查閱單片機方面書籍等資源。在我們共同努力下，我們圓滿完成了從項目設(shè)計，電路焊接，單片機程序設(shè)計等環(huán)節(jié)。這個項目設(shè)計作為一次鍛煉，培養(yǎng)了我們或多或少善于動手，樂于動手的習慣。單片機應(yīng)用課程設(shè)計不僅給我們提供了一個很好的展現(xiàn)自己所學知識的平臺，又是對自己所學知識的一次考核、檢驗。我們運用各自在各方面的優(yōu)勢，化腐朽為神奇，形成了一個團隊。通過團隊合作的力量，使設(shè)計得以順利完成?？梢哉f，我們?nèi)齻€人是一個不可或缺的整體，少了任何一個人都是無法把任