單片機(jī)智能小車控制課件

智能小車控制電氣與電子工程系2010.10.20設(shè)計(jì)目的熟練掌握單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與調(diào)試方法；掌握智能小車控制原理；掌握光電開關(guān)、超聲模組的工作原理及使用方法；掌握電子產(chǎn)品組裝、制作與調(diào)試技術(shù)。設(shè)計(jì)內(nèi)容1．利用提供的小車套件組裝一輛小車，設(shè)計(jì)循跡線路并組裝循跡傳感器和避障裝置；2．設(shè)計(jì)小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、尋跡模塊、避障模塊電路，繪制電路原理圖并制作PCB電路板；3．組裝小車硬件部分：包括小車底盤、控制電機(jī)、循跡模塊、超聲波模塊、控制板、電源等；4．編寫單片機(jī)控制程序、使其完成如下功能：1）基本功能：小車能夠在設(shè)計(jì)的線路上完成尋跡功能；2）拓展功能：在循跡線路上設(shè)置障礙物，小車遇到障礙物能夠自動(dòng)繞道行駛，完成避障功能；

智能小車結(jié)構(gòu)底盤尺寸：130*80*35mm

電池盒（2A）130馬達(dá)（3-9V）車體基板橡膠輪胎塑料齒輪組

電機(jī)固定座電源模塊方案1：采用6節(jié)1.5V干電池供電，電壓達(dá)到9V給直流電機(jī)供電，然后用7805降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。方案2：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機(jī)供電，經(jīng)過(guò)7809的電壓變換后給直流電機(jī)供電，然后用7805降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。方案3：采用12V蓄電池降壓后為直流電機(jī)供電，再將其降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。穩(wěn)壓模塊方案1：采用兩片7809將電壓穩(wěn)壓至9V后給直流電機(jī)供電，然后采用一片7805將電壓穩(wěn)至5V，給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。方案2：采用兩片7809將電壓穩(wěn)壓至9V后給直流電機(jī)供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。2576的輸出電流最大可至3A。尋跡傳感器模塊方案1：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。方案2：用紅外發(fā)射管和接收管制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò)3cm。方案3：用RPR220型光電對(duì)管。RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案1：采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。方案2：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。光電傳感器（一）NPN常開型光電傳感器，檢測(cè)距離為0-3厘米。主要用于檢測(cè)，短距離或近距離物體的存在或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；作用類似于接近開關(guān)，但檢測(cè)物體材質(zhì)不局限于金屬，亦可為不透明的非金屬。工作電壓：5V工作電流：10mA信號(hào)輸出：TTL電平接線圖：輸出外加上拉電阻特點(diǎn)：輸出信號(hào)穩(wěn)定，不受可見光影響，壽命長(zhǎng)

黑白線檢測(cè)傳感器TK-20黑白線檢測(cè)傳感器有效探測(cè)距離達(dá)5cm。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10cm，受可見光干擾小，輸出信號(hào)為開關(guān)量，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，使用非常方便外，還增加了探測(cè)距離調(diào)節(jié)器、改進(jìn)了探測(cè)距離、加強(qiáng)了探測(cè)精度。電氣特性：

U:5VDCI:20mASn:0－5CM外形寸：

L*W*H:20mm*9mm*9mm注意事項(xiàng)：

1、該傳感器為開關(guān)量傳感器，輸出為TTL電平，可以直接和單片機(jī)連接，但需要在輸出端加上拉電阻。（如不加上拉電阻會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則電平輸出）

2、一定不要把線接錯(cuò)，否則容易燒掉傳感器。應(yīng)用領(lǐng)域：

白底黑線或黑底白線的檢測(cè)；

完成小車或機(jī)器人尋跡功能；

超聲波測(cè)距模塊可提供3cm--3.5m的非接觸式距離感測(cè)功能，該模塊包括了超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理為給予此超聲波測(cè)距模塊一觸發(fā)信號(hào)后發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波投射到物體而反射回來(lái)時(shí)，模塊輸出一回響信號(hào)，以觸發(fā)信號(hào)和回響信號(hào)間的時(shí)間差，來(lái)判定物體的距離。工作電壓：DC5V工作電流：15mA工作頻率：40Hz規(guī)格尺寸：45*20*15mm測(cè)量范圍：3cm—350cm觸發(fā)信號(hào)：10uS的TTL脈沖輸出信號(hào)：輸出TTL電平信號(hào)，與距離成比例

超聲波測(cè)距模塊接線圖只需要5V電源供應(yīng)、0V地線連接、觸發(fā)信號(hào)輸入、與信號(hào)輸出等四個(gè)管腳于MCU連接即可使用，非常簡(jiǎn)單。由于需要IO口少，而且價(jià)格便宜，可多個(gè)模塊組合使用。非常適合用于機(jī)器人、智能車距離和障礙物檢測(cè)。

提示：此模塊不宜帶電連接，若要帶電連接，則先讓模塊的GND端先連接，否則會(huì)影響模塊的正常工作。超聲波測(cè)距模塊時(shí)序圖

從模塊時(shí)序圖可以看出，只需要提供一個(gè)短期的10uS脈沖觸發(fā)信號(hào)，超聲波即可進(jìn)行距離測(cè)量工作。

該模塊被觸發(fā)后，超聲波發(fā)射頭將發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平，同時(shí)檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。

回響信號(hào)是一個(gè)脈沖的寬度成正比的距離對(duì)象?？赏ㄟ^(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。

公式:uS/58=厘米；或者uS/148=英寸。建議測(cè)量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。大家想一下，小車的控制方式吧小車怎么轉(zhuǎn)彎呢？怎么直行？小車安裝的時(shí)候需要注意哪些問(wèn)題呢？小車安裝在安裝時(shí)我們保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸。當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與后萬(wàn)向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)。為了防止小車重心的偏移，后萬(wàn)向輪起支撐作用。系統(tǒng)工作原理黑色和白色路面對(duì)光的反射程度不同，白色反射程度強(qiáng)，而黑色反射程度弱。仔細(xì)想想循跡小車的工作原理吧恍然大悟了嗎？小車光電采樣電路8931214U1CLM33910KR21560R1310KR141KR154.7KR17VCCVCCR18200輸出端紅外發(fā)射管紅外接收管無(wú)遮擋物/白色接收管導(dǎo)通AA點(diǎn)為高電平輸出端為低電平有遮擋物/黑色接收管截止A點(diǎn)為低電平輸出端為高電平現(xiàn)在，大家開動(dòng)腦筋，想想它的設(shè)計(jì)方法吧？流水線運(yùn)行方向減速電機(jī)控制方法采用PWM（PulseWidthModulation脈沖寬度調(diào)制）驅(qū)動(dòng)方法占空比越大，電機(jī)的速度越快電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可以采用L298N，18200MC33886等。1.當(dāng)高電平等于1.5ms時(shí)，兩小車車輪處于停止；2.當(dāng)高電平大于1.5ms時(shí)，車輪會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；3.當(dāng)高電平小于1.5ms時(shí)，車輪會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。舵機(jī)/伺服電機(jī)控制方法利用伺服電機(jī)控制，小車需要零校準(zhǔn)步驟：（1）由單片機(jī)定時(shí)器程序在P1.4、P1.5引腳產(chǎn)生1.5ms高電平20ms低電平的脈沖信號(hào)（2）用螺絲刀調(diào)節(jié)伺服電機(jī)內(nèi)馬達(dá)上的電位器，使伺服電機(jī)保持靜止，即完成相應(yīng)調(diào)零過(guò)程。尋跡流程圖P2.７P2.６P2.５P2.４P2.３P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3小車狀態(tài)控制方法01110軌跡居中前進(jìn)11100小車偏右左轉(zhuǎn)110001000000111小車偏左右轉(zhuǎn)000110000100000沒在軌跡上后退問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制提示：位置不同，轉(zhuǎn)彎速度應(yīng)該不同P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3小車狀態(tài)