紅外自動循跡小車

1、.PAGE 1. . . word. 目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc266915474目錄 PAGEREF _Toc266915474 h 1HYPERLINK l _Toc266915475摘要： PAGEREF _Toc266915475 h 2HYPERLINK l _Toc2669154761.任務及要求 PAGEREF _Toc266915476 h 3HYPERLINK l _Toc2669154771.1任務 PAGEREF _Toc266915477 h 3HYPERLINK l _Toc2669154782.系統(tǒng)設計方案 PAGEREF

2、_Toc266915478 h 3HYPERLINK l _Toc2669154792.1小車循跡原理 PAGEREF _Toc266915479 h 3HYPERLINK l _Toc2669154802.2控制系統(tǒng)總體設計 PAGEREF _Toc266915480 h 3HYPERLINK l _Toc2669154813.系統(tǒng)方案 PAGEREF _Toc266915481 h 4HYPERLINK l _Toc2669154823.1 尋跡傳感器模塊 PAGEREF _Toc266915482 h 4HYPERLINK l _Toc266915483紅外傳感器ST188簡介 PAGE

3、REF _Toc266915483 h 4HYPERLINK l _Toc266915484比較器LM324簡介 PAGEREF _Toc266915484 h 5HYPERLINK l _Toc266915485具體電路 PAGEREF _Toc266915485 h 5HYPERLINK l _Toc266915486傳感器安裝 PAGEREF _Toc266915486 h 6HYPERLINK l _Toc2669154873.2控制器模塊 PAGEREF _Toc266915487 h 6HYPERLINK l _Toc2669154883.3電源模塊 PAGEREF _Toc266

4、915488 h 7HYPERLINK l _Toc2669154903.4電機及驅(qū)動模塊 PAGEREF _Toc266915490 h 8HYPERLINK l _Toc266915491電機 PAGEREF _Toc266915491 h 8HYPERLINK l _Toc266915492驅(qū)動 PAGEREF _Toc266915492 h 8HYPERLINK l _Toc2669154933.5自動循跡小車總體設計 PAGEREF _Toc266915493 h 9HYPERLINK l _Toc266915494總體電路圖 PAGEREF _Toc266915494 h 9HYP

5、ERLINK l _Toc266915495系統(tǒng)總體說明 PAGEREF _Toc266915495 h 11HYPERLINK l _Toc2669154964.軟件設計 PAGEREF _Toc266915496 h 11HYPERLINK l _Toc2669154974.1 PWM控制 PAGEREF _Toc266915497 h 11HYPERLINK l _Toc2669154984.2 總體軟件流程圖 PAGEREF _Toc266915498 h 12HYPERLINK l _Toc2669154994.3小車循跡流程圖 PAGEREF _Toc266915499 h 12H

6、YPERLINK l _Toc2669155004.4中斷程序流程圖 PAGEREF _Toc266915500 h 13HYPERLINK l _Toc2669155014.5單片機測序 PAGEREF _Toc266915501 h 14HYPERLINK l _Toc2669155025參考資料 PAGEREF _Toc266915502 h 17自動循跡小車摘 要：本設計是一種基于單片機控制的簡易自動尋跡小車系統(tǒng)，包括小車系統(tǒng)構成軟硬件設計方法。小車以AT89C51 為控制核心, 用單片機產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。利用紅外光電傳感器對路面黑色軌跡進展檢測,并將路面檢測信號反響給單片機

7、。單片機對采集到的信號予以分析判斷,及時控制驅(qū)動電機以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動行駛,實現(xiàn)小車自動尋跡的目的。關鍵詞：單片機AT89C51 光電傳感器 直流電機 自動循跡小車Abstract :This design is a Simple Design of a smart auto-tracking vehicle which based on MSC control.The construction of the car ,andmethods of hardware and software design are included. The car use AT89C

8、51 as heart of centrol in this system. Then using PWM waves Producedby MCU to controlcar speed.By using infraraed sensor to detect the information of black track. The smart vehicle acquires the information and sends t hem to the MSC.Then the MSC analyzes the signals and controls the movements of t h

9、e motors.Whichmake the smart vehicle move along the given black line antomaticly.Keywords :infrared sensor ；MSC ；auto-tracking1.任務及要求1.1任務設計一個基于直流電機的自動尋跡小車，使小車能夠自動檢測地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛。系統(tǒng)方案方框圖如圖1-1所示。檢測黑線驅(qū)動電機軟件控制控制小車圖1-1 系統(tǒng)方案方框圖2.系統(tǒng)設計方案2.1小車循跡原理這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強弱來判

10、斷“道路。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外表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。紅外探測器探測距離有限，2.2控制系統(tǒng)總體設計自動循跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測模塊、電機及驅(qū)動模塊等局部組成,控制系統(tǒng)的構造框圖如圖2-1所示。穩(wěn)壓電源模塊主控芯片AT89C51L298減速電機光電傳感器電壓比較器圖2-1控

11、制系統(tǒng)的構造框圖主控制電路模塊：用AT89C51單片機、復位電路，時鐘電路紅外檢測模塊：光電傳感器ST188,比較器LM324電機及驅(qū)動模塊:電機驅(qū)動芯片L298N、兩個直流電機電源模塊：雙路開關電源3.系統(tǒng)方案3.1 尋跡傳感器模塊ST系列反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。這個系列的傳感器種類齊全、價格廉價、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。我們采用ST188作為紅外檢測傳感器。在黑線檢測的測試中，假設檢測到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到接收管，測量接收管的電壓為48V，假設檢測到黑色區(qū)域，接收管承受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化，測的接收管的

12、電壓為05V，測試根本滿足要求。判斷有無黑線我們用的一塊比較器LM324，比較基準電壓由30K的變阻器調(diào)節(jié)，各個接收管的參數(shù)都不一致，每個傳感器的比較基準電壓也不盡一樣，我們?yōu)槊總€傳感器配備了一個變阻器。3.1.1紅外傳感器ST188簡介含一個反射模塊發(fā)光二極管和一個接收模塊光敏三極管。通過發(fā)射紅外信號，看接收信號變化判斷檢測物體狀態(tài)的變化。A、K之間接發(fā)光二極管，C、E之間接光敏三極管二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻圖 3-1 ST188實物圖 圖 3-2 ST188管腳圖及部電路比較器LM324簡介LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。部有四個運算放大器，有相位

13、補償電路。電路功耗很小，工作電壓圍寬，可用正電源330V，或正負雙電源15V15V工作。在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的上下，以電平上下判定黑線有無。在電路中，LM324的一個輸入端需接滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值來提供適宜的比較電壓。圖 3-3 LM324部電路 圖 3-4 集成運放的管腳圖具體電路通過ST188檢測黑線，輸出接收到的信號給LM324 ，接收電壓與比較電壓比較后，輸出信號變?yōu)樯舷码娖?，再輸入到單片機中，用以判定是否檢測到黑線。圖3-5 傳感器模塊電路圖傳感器安裝在小車具體的循跡行走過程中，為了能準確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設4個紅外

14、探測頭，進展兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個紅外探頭的具體位置如圖3-6所示。 圖3-6 傳感器安裝圖圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中*1與Y1為第一級方向控制傳感器，*2與Y2為第二級方向控制傳感器，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。小車前進時，始終保持(如圖3-6中所示的行走軌跡黑線)在*1和Y1這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，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。假設小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續(xù)行走；假設小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩

15、個探測器的探測圍，這時第二級探測器動作，再次對小車的運動進展糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯觯诙壏较蛱綔y器實際是第一級的后備保護，從而提高了小車循跡的可靠性。3.2控制器模塊采用Atmel 公司的AT89C51 單片機作為主控制器。它是一個低功耗，高性能的8 位單片機，片含32k 空間的可反復擦寫100,000 次Flash 只讀存儲器，具有4K 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器RAM，32 個I/O口，2個8位可編程定時計數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。時鐘電路和復位電路 如圖3-7與單片機構成最小系統(tǒng)1采用外部時鐘，晶振頻率為12MHZ2采用按鍵復位圖3-7 時鐘電

16、路和復位電路3.3電源模塊 電源采用雙路開關電源。明偉牌D-30W雙路開關電源。輸出5V、12V。實物圖如圖3-8所示。圖3-8雙路開關電源該開關電源尺寸為129*98*38mm，交流輸入轉(zhuǎn)換由開關選擇，具有過流短路保護功能，能自冷散熱。低價位、高可靠。輸入電壓圍85132VAC/175264VAC，4763Hz開關選擇；沖擊電流冷起動電流15A/115V 30A/230V；直流電壓可調(diào)圍額定輸出電壓的10%；啟動、上升、保持時間200ms，100ms,30ms；耐壓性輸入輸出間；輸入與外殼1.5KVAC，輸出與外殼，0.5KVAC，歷時一分鐘；工作溫度、濕度 -10+60，20%90%RH；

17、平安標準符合CE標準；EMC標準符合CE標準；連接方法7位9.5mm接線端子；質(zhì)量/包裝0.41Kg,45PCS/19.5Kg/1.2CUFT表1型號輸出差值圍效率D-30A5V,0.5V 4.04A2%50mV72%12V,0.1 1.0A3,-7%100mV3.4電機及驅(qū)動模塊電機電機采用直流減速電機，直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其部由高速電動機提供原始動力，帶動變速減速齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。可選用減速比為1：74 的直流電機，減速后電機的轉(zhuǎn)速為100r/min。假設車輪直徑為6cm，則小車的最大速度可以到達V=2rv=2*3.14*0.03*100

18、/60=0.314m/s能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。驅(qū)動驅(qū)動模塊采用專用芯片L298N 作為電機驅(qū)動芯片，L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，其響應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機。以下為L298N的引腳圖和輸入輸出關系表。圖3-9 L298N外部引腳 表2 L298N輸入輸出關系驅(qū)動電路的設計如圖3-10所示：圖3-10 L298N電機驅(qū)動電路L298N 的5、7、10、12 四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)速控制。3.5自動循跡小車總體設計總體電路圖圖3-11 總體電路圖系統(tǒng)總體說明如圖3-11所示，當光電傳感器開場承受信號，

19、通過比較器將信號傳如單片機中。小車進入尋跡模式，即開場不停地掃描與探測器連接的單片I/O 口，一旦檢測到*個I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應的判斷程序，把相應的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。單片機采用T0定時計數(shù)器，通過來產(chǎn)生PWM波，控制電機轉(zhuǎn)速。4.軟件設計4.1 PWM控制本系統(tǒng)采用PWM來調(diào)節(jié)直流電機的速度。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率,從而改變負載兩端的電壓,進而到達控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應用在許多方面,如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中,按一個固定的頻率來接通和斷開電源,并根據(jù)需要改變一個周期“接通和“斷開時間的長短。

20、通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比來改變平均電壓的大小,從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此,PWM又被稱為“開關驅(qū)動裝置。在脈沖作用下,當電機通電時,速度增加；電機斷電時,速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律,改變通、斷電的時間,即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。本系統(tǒng)過控制51單片機的定時器T0的初值，從而可以實現(xiàn)P0.4和P0.5輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時計數(shù)器假設干時間比方0.1ms中斷一次, 就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個高電平或低電平。 將直流電機的速度分為100個等級, 因此一個周期就有個100脈沖, 周期為100個脈沖的時間。速度等級對應一個周期的高電平脈沖的個數(shù)。占空比為高電平脈沖個數(shù)占一個

21、周期總脈沖個數(shù)的百分數(shù)。一個周期加在電機兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大, 加在電機兩端的電壓越大, 電機轉(zhuǎn)動越快。電機的平均速度等于在一定的占空比下電機的最大速度乘以占空比。當我們改變占空比時, 就可以得到不同的電機平均速度, 從而到達調(diào)速的目的。準確地講, 平均速度與占空比并不是嚴格的線性關系, 在一般的應用中, 可以將其近似地看成線性關系。4.2 總體軟件流程圖小車進入尋跡模式后，即開場不停地掃描與探測器連接的單片I/O 口，一旦檢測到*個I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應的判斷程序，把相應的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖4-1所示：系統(tǒng)初始化任務計

22、數(shù)器歸零是否完成全部任務.循跡子函數(shù)是否完本錢次任務.完畢開場NYNY圖4-1主程序流程圖4.3小車循跡流程圖小車進入循跡模式后，即開場不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到*個I/O口有信號，即進入判斷處理程序，先確定4個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面第一級傳感器或者左面第二級傳感器探測到黑線，即小車左半局部壓到黑線，車身向右偏出，此時應使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級傳感器或右面第二級傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復上述動作。循跡流程圖如圖4-2所示圖4-2循跡流程圖

23、啟動循跡模式探測黑線是否檢測到黑線判斷處理程序向左轉(zhuǎn)Turn_left2向左轉(zhuǎn)Turn_left1向右轉(zhuǎn)Turn_right1向右轉(zhuǎn)Turn_Lright2繼續(xù)前進NY由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個等級間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級通常是在超出第一級的控制圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，則通常使第二級轉(zhuǎn)向力度大于第一級，即Turn_left2 Turn_left1,Turn_right2 Turn_right1 (其中Turn_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通

24、過改變單片機輸出的占空比的大小來改變)，具體數(shù)值在實地實驗中得到。4.4中斷程序流程圖這里利用的是51單片機的T0定時計數(shù)器，從而讓單片機P0口的P0.4和P0.5引腳輸出占空比不同的方波, 然后經(jīng)驅(qū)動芯片放大后控制直流電機。定時計數(shù)器假設干時間比方0.1ms比方中斷一次, 就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個高電平或低電平。中斷程序流程圖如圖4-3所示定時器賦初值技術變量賦值t=0計數(shù)值t占空比.P0.4和P0.5輸出高電平P0.4和P0.5輸出低電平計數(shù)變量t加1開場完畢YN圖4-3中斷程序流程圖4.5單片機測序*include*define uchar unsigned char*define

25、 uint unsigned intunsigned char zkb1=0 ; /*左邊電機的占空比*/unsigned char zkb2=0 ; /*右邊電機的占空比*/unsigned char t=0; /*定時器中斷計數(shù)器*/sbit RSEN1=P10;sbit RSEN2=P11;sbit LSEN1=P12;sbit LSEN2=P13;sbit IN1=P00;sbit IN2=P01;sbit IN3=P02;sbit IN4=P03;sbit ENA=P04;sbit ENB=P05;/*延時函數(shù)*/void delay(int z) while(z-); /*初始化定

26、時器，中斷*/void init() TMOD=0*01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; /*中斷函數(shù)+脈寬調(diào)制*/void timer0() interrupt 1 if(tzkb1) ENA=1; else ENA=0;if(t=100) t=0;/*直行*/void qianjin() zkb1=30;zkb2=30;/*左轉(zhuǎn)函數(shù)1*/void turn_left1() zkb1=0; zkb2=50;/*左轉(zhuǎn)函數(shù)2*/void turn_left2()zkb1=0;zkb2=60;/*右轉(zhuǎn)函數(shù)1*/void turn_right1() zkb1=50;zkb2=0;/*右轉(zhuǎn)函數(shù)2*/void turn_right2() zkb1=60;zkb2=0;/*循跡函數(shù)*/void *unji() uchar fla