智能尋跡小車設(shè)計說明書

1、第1章引言隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機(jī)已可以在一塊芯片上同時集成CPU存儲器、定時器/計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等多種電路，這就很容易將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合，組成智能化測量控制系統(tǒng)。這種技術(shù)促使機(jī)器人技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。單片機(jī)技術(shù)作為自動控制技術(shù)的核心之一，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器、機(jī)電產(chǎn)品、家用電器等領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)功能也越來越強(qiáng)大，本設(shè)計基于單片機(jī)技術(shù)在智能尋跡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計中，以STC89c52為核心，用LG9110驅(qū)動兩個減速電機(jī)，當(dāng)產(chǎn)生信號驅(qū)動小車前進(jìn)時，是通

2、過尋跡模塊里的傳感器管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號通過傳感器再返回到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)計的要求作出相應(yīng)的判斷送給電機(jī)驅(qū)動模塊，讓小車實(shí)現(xiàn)前近、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等基本功能，尋白線時，外部環(huán)境光線的強(qiáng)弱對小車的運(yùn)動會產(chǎn)生很大的影響，基于此原因，本實(shí)驗(yàn)中的尋跡是指在白色地板上尋黑線。1.1設(shè)計目的1了解機(jī)械部件結(jié)構(gòu)與機(jī)械安裝過程；掌握電動機(jī)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及減速原理；了解、電子元器件的基本形狀及焊接過程；掌握電子元器件的焊接步驟與檢測過程；了解2單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與程序編制方法；了解LED燈驅(qū)動方法，全面掌握流水燈/跑馬燈編程技術(shù)；了解數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握數(shù)碼顯示技術(shù)；了解鍵盤結(jié)構(gòu)原理，掌握中斷3查詢

3、技術(shù)；了解話筒電路結(jié)構(gòu)，掌握話筒輸入技術(shù);10、了解蜂鳴器驅(qū)動技術(shù)，全面體現(xiàn)音樂報警功能；11、了解光敏電阻結(jié)構(gòu)原理，充分體現(xiàn)夜間自動照明功能；12、了解紅外發(fā)射與接收技術(shù)，有力體現(xiàn)防撞檢測與智能尋跡功能13、了解直流電機(jī)驅(qū)動原理，掌握電機(jī)驅(qū)動技術(shù)；14、認(rèn)識紅外檢測傳感器，全面掌握紅外遙控編碼解碼技術(shù)；15、了解R232通信協(xié)議，掌握串口通信技術(shù)。16、通過本機(jī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，全面掌握智能自動尋跡機(jī)器人的控制方法。1. 2設(shè)計要求當(dāng)前的電動小汽車基本上采取的是基于純硬件電路的一種開環(huán)控制方法，或者是直線行使，或者是在遙控下作出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停車等基本功能。但是它們不能實(shí)現(xiàn)在某些特殊的場合下，我

4、們需要能夠自動控制的小型設(shè)備先采集到一些有用的信息的功能。本文正是在這種需要之下開發(fā)設(shè)計的一種智能的電動小車的自動控制系統(tǒng)。它以單片機(jī)STC89c52為控制核心，附以外圍電路，在畫有黑線的白紙“路面”上行使，由于黑線和白線對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”一一黑線。如圖1-1判斷信號可通過單片機(jī)控制驅(qū)動模塊修正前進(jìn)方向，以使其保持沿著黑線行進(jìn)。I/圖1-1小車尋跡圖第2章智能小車的設(shè)計流程2. 1總體方案的尋跡原理智能尋跡小車能尋跡主要是由前方的兩對紅外發(fā)射與接收探頭來完成的。根據(jù)光有反射的特性。所以說當(dāng)紅外發(fā)射出來的光線遇到物體時，就會形成反射的光線，而這個經(jīng)反射

5、的紅外光線剛好被紅外接收探頭接收到。當(dāng)紅外接收探頭接收到信號后，再將信號送到單片機(jī)由單片機(jī)內(nèi)部程序來控制電機(jī)，由電機(jī)完成小車的前進(jìn)，轉(zhuǎn)向。3. 2總體設(shè)計方案和框圖整個路系統(tǒng)分為檢測、控制、驅(qū)動三個模塊。首先利用光電對管對路面信號進(jìn)行檢測，經(jīng)過比較器處理之后，送給軟件控制模塊進(jìn)行實(shí)時控制，輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運(yùn)動。系統(tǒng)方案方框圖如圖2-1所示：控制小車驅(qū)動電機(jī)軟件控制檢測（黑線）圖2-1智能小車尋跡系統(tǒng)框該簡易智能小車在畫有黑線的白紙“路面”上行使，由于黑線和白線對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”一一黑線。判斷信可通過單片機(jī)控制驅(qū)

6、動模塊修正前進(jìn)方向，以使其保持沿著黑線行進(jìn)。當(dāng)小車脫離軌道時，即當(dāng)置于中間的一只光紅外發(fā)射接收管脫離軌道時，等待外面任意一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的紅外發(fā)射接收管重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。在該模塊中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測方法_紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)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，則小車上的接收管接收不到信號。本設(shè)計以STC89c5單片機(jī)作為檢測和控制核心。采用紅外光電傳感器檢測路面黑線及

7、障礙物，用光敏電阻檢測、判斷車庫位置，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)智能小車行進(jìn)、繞障、停止的精確控制以及檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示。通過對電路的優(yōu)化組合，可以最大限度P0口用于數(shù)碼管顯示，器地利用52單片機(jī)的全部資源。的數(shù)據(jù)采集與中斷控制。P1口用于電動機(jī)的PWM驅(qū)動控制，P2,P3口用于傳感第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)的硬件組成及設(shè)計原理小車的整體效果如圖3-1圖3-1小車視圖此系統(tǒng)的硬件部分由單片機(jī)單元、傳感器單元、電源單元、電機(jī)控制單元組成。3. 1.1單片機(jī)單元此部分是整個小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用?？刂品椒ㄓ泻芏啵蟛糠侄疾捎脝纹瑱C(jī)控制。由于51單片機(jī)具有價格低廉是使用簡單的特

8、點(diǎn)，這里選擇了ATME公司的STC89c52乍為控制核心部件。STC89C52單片機(jī)系列的存儲器用的是哈佛結(jié)構(gòu)，即將程序和數(shù)據(jù)存儲截然分開，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各有自己的尋址方式、尋址空間和控制系統(tǒng)。STC89c52的存儲器可分為五類：程序存儲器，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，特殊功能寄存器，位地址空間，外部數(shù)據(jù)存儲器。下面有詳解4. 1.2電機(jī)控制單元a.電機(jī)的選擇方案方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有

9、一定速度要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2:直流電機(jī)：直流電機(jī)的控制方法比較簡單，只需給電機(jī)的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對于直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用PW碉速方法。PW調(diào)使加在直流電機(jī)兩端的速就是電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)?；谝陨戏治觯覀冞x擇了方案二，使用直流電機(jī)作為電動車的驅(qū)動電機(jī)。b.電機(jī)驅(qū)動從單片機(jī)輸出的信號功率很弱，即使在沒有其它外在負(fù)載時也無法帶動電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們加入了電機(jī)驅(qū)動芯片提高輸入電機(jī)信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動LG9110是為控制和驅(qū)

10、動電機(jī)設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CMOSft容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機(jī)的正反向運(yùn)動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過750s800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)L5-2.0A;同時它具有較低的輸出飽和壓降與靜態(tài)電流；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。車電機(jī)驅(qū)動、自動閥門9no被廣泛應(yīng)用于玩具汽電機(jī)驅(qū)動、電磁門鎖驅(qū)動等電路上。"5:，：rp.i1WCCVOCYoean

11、t)tiiiiBjaw1-ISAA劇iBBHTM1 低靜態(tài)工作電流；、寬電源電壓范圍：2.5V12V;DP后綴塑料封;2 每通道具有800mA連續(xù)電流輸出能力;、TTL/CMO輸出電平兼容，可直接連接CPU控制和驅(qū)動集成于6單片IC之中；具備管腳高壓保護(hù)功能；工作溫度：0C80C。圖3-2LG9no管腳及功能SO后綴塑料封裝（S0P83.1.3傳感器單元在傳感器方案的選擇中，有以下兩種方案供參考：方案一：使用CCD專感器來采集路面信息。使用CCD專感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測和識別圖像復(fù)雜的路面而且抗干擾能力強(qiáng)。但是對于本項(xiàng)目來說，使用CCD

12、專感器也有其不足之處。首先使用CCD專感器需要有大量圖像處理的工作，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算。因?yàn)槭且詫?shí)現(xiàn)小車視覺為目的，實(shí)現(xiàn)起來工作量較大，電路復(fù)雜。方案二：使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，免去了復(fù)雜的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點(diǎn)是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測距離有限，而且容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其造成干擾。在本次設(shè)計中，賽道為黑色與白色兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑色就可以采集到

13、準(zhǔn)確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本設(shè)計中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。i*11fi：輪»H1Lz皿圖3-3紅外傳感器分布圖其中XI與Y1為第一級方向控制傳感器如圖3-3,一般中間的一個傳感器XY在黑線上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(jìn)時，XI、X2在黑線上，當(dāng)小車偏離黑線時，第一級傳感器XI或丫1就能檢測不到黑線時，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正。這次設(shè)計智能小車，可以按指定路線運(yùn)行，自動區(qū)分直線軌道和彎路軌道，在指定彎路處拐彎，實(shí)現(xiàn)靈活前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、倒退等功能，在軌道上劃出設(shè)定的地圖，并且車速自動可調(diào)。主

14、要是以STC89c52單片機(jī)為核心，紅外傳感器進(jìn)行目標(biāo)識別與避障，使自動尋跡小車準(zhǔn)確跟蹤軌跡路線；采用直流電機(jī)對車的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，由軟件實(shí)現(xiàn)了小車自動行駛、自動避障，并發(fā)出指示信息等功能。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計該系統(tǒng)配套的軟件程序采用模塊結(jié)構(gòu)，由C語言編寫完成。主要由初始化程序偏道調(diào)整程序、偏離光源調(diào)整程序、聲光指示子程序、讀傳感器狀態(tài)、顯示程定時器0、的中斷服務(wù)程序、定時器1的中斷服務(wù)程序、外部中斷0的服務(wù)程停車處理等模塊組序成。系統(tǒng)的主體流程如圖4T所示。流程圖說明：首先開始啟動，進(jìn)入系統(tǒng)初始進(jìn)?；x引腳，執(zhí)行主程序小車前根據(jù)小車的指示燈來判斷小車的運(yùn)行情況。如果小車偏離跑道，會給單片機(jī)一個

15、低電平信號進(jìn)入電機(jī)模式選擇，例如：小車往左跑道偏出，傳感器開始掃描，當(dāng)紅外接受探頭接受到紅外光線，給單片機(jī)底電平信號，這時經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部程序的處理設(shè)置合理的延時時間函數(shù)，同時電機(jī)左轉(zhuǎn)。直到小車跑回跑道，正常前進(jìn)。反復(fù)的重復(fù)這樣的動作就可以實(shí)現(xiàn)尋跡的功能。圖4-1系統(tǒng)總流程圖第5章指導(dǎo)教師附加任務(wù)設(shè)計要求：使小車的兩個驅(qū)動車輪同時向后轉(zhuǎn)十圈是停止，然后是LED發(fā)光二級管低四位顯示1010c原理圖繪制如下:包含51單片機(jī)相關(guān)的定義前方左側(cè)指示定義前方右側(cè)指示燈/定義前方左側(cè)紅外/定義前方右側(cè)紅外/定義前方正前方紅/定義左側(cè)電機(jī)驅(qū)/定義左側(cè)電機(jī)驅(qū)/定義右側(cè)電機(jī)驅(qū)/定義右側(cè)電機(jī)驅(qū)/定義語音識識別/定義

16、蜂鳴器端口程序?qū)崿F(xiàn)如下：#includevREG52.h頭文件sbitLeftLed=PO;燈端口sbitRightLed=P0八7:端口sbitLeftIR=口3八5;探頭端口sbitRightIR=P3八6;探頭端口sbitFontIR=P3八7;外探頭端口sbitM1A=PO八0;動A端sbitM1B=POM;動B端sbitM2A=P0A2;動A端sbitM2B=POA3；動B端sbitBl=POM;傳感器端口sbitSB仁POPftdefine RunShow Pl void Delay()轉(zhuǎn)子 時間子程序 unsigned int DelayTime=50000;while(Dela

17、yTime-);/ SB1=！SB1; return;)void ControlCar(unsigned char ConType) (M1A=O;初始化為M1B=O;初始化為M2A=0;初始化為M2B=0;初始化為switch(ConType)形式(case 1: /前進(jìn)擇形式1 M1A=1; M2A=1;轉(zhuǎn)break;)case 2: /后退擇形式2 M1B=1; M2B=1;轉(zhuǎn) break;/定義數(shù)據(jù)顯示端口/定義機(jī)器人調(diào)/定義機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時間變量/機(jī)器人轉(zhuǎn)彎循環(huán)/蜂鳴器閃響/定義電機(jī)控制子程序/將Ml電機(jī)A端/將Ml電機(jī)B端/將M2電機(jī)A端/將M2電機(jī)B端/判斷用戶設(shè)定電機(jī)/判斷用戶是否

18、選/Ml電機(jī)正轉(zhuǎn)/M2電機(jī)正/判斷用戶是否選/Ml電機(jī)反轉(zhuǎn)/M2電機(jī)反/判斷用戶是否選/M2電機(jī)正/判斷用戶是否選/Ml電機(jī)正轉(zhuǎn)/M2電機(jī)/判斷用戶是否選/退出當(dāng)前選/主程序入口/定義小車運(yùn)行標(biāo)/初始化顯示/程序主循環(huán)case 3: /左轉(zhuǎn)擇形式3(M2A=1;轉(zhuǎn)break;case 4: /右轉(zhuǎn)擇形式4M1A=1;反轉(zhuǎn)break;)case8:/停止擇形式8(break;擇)voidmain()(/bitRunFlag=0;志位/RunShow=0;狀態(tài)unsignedinti;unsignedcharflag=l;while(1)M1A=1M2A=1M1B=Ofor(i=60;i>0

19、;i-) Delay();M2B=0M1A=OM2A=0M1B=OM2B=0Pl=0X05;while(l);總結(jié)經(jīng)過兩個星期的實(shí)習(xí)，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無不令我回味無長。通過此次課程設(shè)計，使我懂得了單片機(jī)和許多芯片、電器元件的作用，也懂得了智能小車的原理和構(gòu)造，同時使我的理論知識更加的穩(wěn)固，也使的知識和實(shí)踐結(jié)合了起來，可以說收獲頗豐。同時我認(rèn)為我們的工作是一個團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個人，個人也離不開團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。某個人的離群都可能導(dǎo)致導(dǎo)致整項(xiàng)工作的失敗。實(shí)習(xí)中只有一個人知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

20、的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導(dǎo)致整個工作失敗。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們實(shí)習(xí)成功的一項(xiàng)非常重要的保證。而這次實(shí)習(xí)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。這次試驗(yàn)從一開始的迷茫到一步步有條理的完成，從一開始的期盼到中間的著急煩躁再到最后的滿心歡喜，雖然天數(shù)不多項(xiàng)目不大，但同樣使我難以忘懷，這寶貴的經(jīng)驗(yàn)會給我?guī)頍o盡的財富。盡管有幾個問題未能弄明白，幾個目標(biāo)未能達(dá)成，但經(jīng)過自身反省找到了問題所在，相信在以后的學(xué)習(xí)實(shí)踐中，把這做得更加完美。同時我也會投入更多的精力來創(chuàng)新、創(chuàng)造。致謝雖然自己對于這門課懂的并不多，很多基礎(chǔ)的東西都還沒有很好的掌握，覺得很難，也沒有很有效的辦法通過自身去理解，但是靠著這一個多禮拜的“學(xué)習(xí)”，在小組同學(xué)的幫助和講解下，漸漸對這門課逐漸產(chǎn)生了些許的興趣，自己開始主動學(xué)習(xí)并逐步從基礎(chǔ)慢慢開始弄懂它。我認(rèn)為這個收獲應(yīng)該說是相當(dāng)大的。覺得課程設(shè)計反映的是一個從理論到實(shí)際應(yīng)用的過程，但是更遠(yuǎn)一點(diǎn)可以聯(lián)系到以后畢業(yè)之后從學(xué)校轉(zhuǎn)到踏上社會的一個過程。小組人員的配合、相處，以及自身的動腦和努力，都