智能循跡小車實驗報告

...wd......wd......wd...摘要本設(shè)計主要有單片機(jī)模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊以及電源模塊組成，小車具有自主尋跡的功能。本次設(shè)計采用STC公司的89C52單片機(jī)作為控制芯片，傳感器模塊采用紅外光電對管和比較器實現(xiàn)，能夠輕松識別黑白兩色路面，同時具有抗環(huán)境干擾能力，電機(jī)模塊由L298N芯片和兩個直流電機(jī)構(gòu)成，組成了智能車的動力系統(tǒng)，電源采用7.2V的直流電池，經(jīng)過系統(tǒng)組裝，從而實現(xiàn)了小車的自動循跡的功能。關(guān)鍵詞智能小車STC89C52單片機(jī)L298N紅外光對管緒論隨著科學(xué)技術(shù)的開展，機(jī)器人的設(shè)計越來越精細(xì)，功能越來越復(fù)雜，智能小車作為其的一個分支，也在不斷開展。在近幾年的電子設(shè)計大賽中，關(guān)于小車的智能化功能的實現(xiàn)也多種多樣，因此本次我們也打算設(shè)計一智能小車，使其能自動識別預(yù)制道路，按照設(shè)計的道路自行尋跡。設(shè)計任務(wù)與要求采用MCS-51單片機(jī)為控制芯片〔也可采用其他的芯片〕，紅外對管為識別器件、步進(jìn)電機(jī)為行進(jìn)部件，設(shè)計出一個能夠識別以白底為道路色，寬度10mm左右的黑色膠帶制作的不規(guī)那么的封閉曲線為引導(dǎo)軌跡并能沿該軌跡行進(jìn)的智能尋跡機(jī)器小車。方案設(shè)計與方案選擇硬件局部可分為四個模塊：單片機(jī)模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊以及電源模塊。單片機(jī)模塊為小車運行的核心部件，起控制小車的所有運行狀態(tài)的作用。由于以前自己開發(fā)板使用的是ATMEL公司的STC89C52，所以讓然選擇這個芯片作為控制核心部件。STC89C52是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。其程序和數(shù)據(jù)存儲是分開的。傳感器模塊方案一：使用光敏電阻組成光敏探測器采集路面信息。阻值經(jīng)過比較器輸出上下電平進(jìn)展分析，但是光照影響很大，不能穩(wěn)定工作。方案二：使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外光電對管，其構(gòu)造簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，沒有復(fù)雜的圖像處理工作，因此反響靈敏，響應(yīng)時間少。但也存在缺乏，它能獲取的信息是不完全的，容易受很多擾動〔如背景光源，高度等〕的影響，抗干擾能力較差。方案三：使用CCD傳感器來采集路面信息。使用CCD可以獲取大量的圖像信息，掌握全面的路徑信息，抗干擾能力強(qiáng)，為以后功能的擴(kuò)展提供方便。但使用CCD需要大量的圖像處理工作，進(jìn)展大量數(shù)據(jù)的存儲和計算，因此電路復(fù)雜，實現(xiàn)起來工作量大。方案四：使用光電對管采集路面信息。RPR220構(gòu)造緊湊，體積小，調(diào)整電路簡單工作性能穩(wěn)定?？梢姺桨杆淖钸m宜，但僅從此工程考慮，方案二成本低，也能完成設(shè)計，應(yīng)選用方案二。電機(jī)控制模塊3.1.3.1電機(jī)的選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)過的角度可以準(zhǔn)確定位，可實現(xiàn)小車行進(jìn)過程的準(zhǔn)確定位。但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩低，隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，且轉(zhuǎn)速越快下降得越快。方案二：采用直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，操作方便。速度的調(diào)節(jié)可以改變電壓也可以調(diào)節(jié)PWM?；谝陨?，我們選擇了方案二，使用直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。3.1.3.2電機(jī)的驅(qū)動采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動芯片，其操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。一片L298N就可以分別控制兩個直流電機(jī)。電源模塊給整個系統(tǒng)穩(wěn)定供電以保持其正常工作，包括7.2V的電源以及轉(zhuǎn)5V局部，其中7.2V的是給電機(jī)和其驅(qū)動供電，5V的用來驅(qū)動單片機(jī)及其他芯片。以上單元連接如以以下圖所示：軟件局部3.2.1程序流程圖此系統(tǒng)采用89C52單片機(jī)，再根據(jù)硬件連接，通過相應(yīng)的軟件來完成對信號的采集和數(shù)據(jù)的分析，再控制小車的運行狀態(tài)，以下為主程序流程圖：3.2.2程序設(shè)計思路3.2.2.1尋跡模塊程序通過傳感器獲得路面信息然后反響給單片機(jī)，再通過單片機(jī)來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。3.2.2.2電機(jī)驅(qū)動模塊程序控制兩個直流電機(jī)，實現(xiàn)前進(jìn)、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、停車等功能。各局部電路的作用及電路工作原理分析信號采集模塊TCRT500構(gòu)造與工作原理TCRT5000(L)具有緊湊的構(gòu)造發(fā)光燈和檢測器安排在同一方向上，利用紅外光譜反射對象存在另一個對象上，操作的波長大約是950毫米。探測器由光電晶體三極管組成的,它由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高度靈敏光電晶體管組成。通過測試，其檢測距離在2mm-10mm。TCRT5000的發(fā)射管和接收管是一起封裝在矩形塑料殼中，為了使檢測更加準(zhǔn)確，我們用了5只TCRT5000檢測黑線，實物見圖4-1。信號采集電路圖及原理小車在白色地面行駛時，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號被反射，接收管收到信號后，輸出端為低電平，經(jīng)過比較器比較后輸出為低電平。而當(dāng)紅外信號遇到黑色導(dǎo)軌時，紅外信號被吸收，接收管不能接收信號，輸出端為高電平，經(jīng)過比較器比較后輸出高電平。單片機(jī)通過采集每個比較器的輸出端電壓，便可以檢測出黑線的相對位置的位置，從而控制小車的行駛方向。信息處理模塊原理檢測到白色路面的紅外接收頭處理后送出的是低電平，而檢測到黑色路線的檢測頭送出的是高電平，由此可根據(jù)這5個紅外接收頭的上下電平判斷路線情況而調(diào)整小車前進(jìn)方向。具體情況有如下幾種：a檢測到11111或00000小車應(yīng)該停頓。b檢測到10000或01000或11000說明路線向左偏，小車向左轉(zhuǎn)。c檢測到00001或0010或00011說明路線向右偏，小車向左轉(zhuǎn)。d檢測到xx1xx〔x不全為1〕說明線路是直的，小車直走。電機(jī)驅(qū)動模塊4.3.1直流電機(jī)給兩個電刷A和B加上直流電源，如上圖〔a〕所示，那么有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定那么判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖〔b〕所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定那么判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實用中的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機(jī)。4.3.2電路圖我們采用成品L298N電機(jī)驅(qū)動模塊，采用光電耦合器件隔離單片機(jī)與L298N的控制電路，工藝精度高，性能可靠。L298N模塊內(nèi)部通過H橋電路實現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，其原理如下：如圖4-3所示，全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通那么另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時，S3、S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。橋驅(qū)動電路4.3.3原理L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或制止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路局部在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反響給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件局部焊接完成后，首先進(jìn)展的調(diào)試是用數(shù)字萬用表測量各個電路是否焊接正常，是否有虛焊漏焊等現(xiàn)象的出現(xiàn)，以及各個電容是否是正常的未被擊穿狀態(tài)、電阻的阻值是否與設(shè)計的原理圖上的一致。接通電源，用數(shù)字萬用表測量當(dāng)有+5V的各引腳是否有+5V的電壓，測量電路中是否出現(xiàn)了不該有的短路現(xiàn)象。接入光電傳感器模塊，使各個光電檢測器的光電對管靠近白紙，觀察對應(yīng)的發(fā)光二極管是否發(fā)光，不發(fā)光表示正常。然后再使各個光電對管靠近黑線，觀察對應(yīng)的發(fā)光二級管是否發(fā)光，發(fā)光表示正常。5.2軟件局部我們先測試了小車的前進(jìn)，停頓，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。組裝信號采集模塊后，實現(xiàn)小車的自動循跡功能。具體實現(xiàn)程序見附錄一總結(jié)實驗結(jié)果如符合實驗要求，小車按照黑膠布軌跡前進(jìn)，并能夠及時正確顯示小車的行進(jìn)狀態(tài)以及行進(jìn)距離。具表達(dá)象如下：左邊傳感器檢測到黑線，小車左轉(zhuǎn)；右邊傳感器檢測到黑線，小車右轉(zhuǎn)；中間傳感器檢測到黑線，小車直行。從而就可以完成對黑膠布的循跡功能。參考文獻(xiàn)[1]電子信息專業(yè)實驗教程趙剛李佐儒四川大學(xué)出版社[2]單片機(jī)C語言教程郭天祥電子工業(yè)出版社[3]模擬電子技術(shù)童詩白清華大學(xué)出版社附錄一程序：#include<reg52.h>sbitDJ_left_s=P1^0;//直流電機(jī)控制sbitDJ_left_n=P1^1;sbitDJ_right_s=P1^2;sbitDJ_right_n=P1^3;//左轉(zhuǎn)函數(shù)voidTurn_right(){ DJ_left_s=0; DJ_left_n=1; DJ_right_s=1; DJ_right_n=0;}//右轉(zhuǎn)函數(shù)voidTurn_left(){ DJ_left_s=1; DJ_left_n=0; DJ_right_s=0; DJ_right_n=1;}//前進(jìn)函數(shù)voidGo_ahead(){ DJ_left_s=1; DJ_left_n=0; DJ_right_s=1; DJ_right_n=0;}//停頓函數(shù)voidStop(){ DJ_left_s=0; DJ_left_n=0; DJ_right_s=0; DJ_right_n=0;}//循跡函數(shù)voidxunji(unsigned