紅外自動循跡小車實驗報告

-.z.摘要本實驗完成采用紅外反射式傳感器的自尋跡小車的設計與實現。采用與白色地面色差很大的黑色路線引導小車按照既定路線前進，在意外偏離引導線的情況下自動回位，并能顯示小車停頓的時間。本設計采用單片機STC89C51作為小車檢測、控制、時間顯示核心，以實驗室給定的車架為車體，兩直流機為主驅動，附加相應的電源電路下載電路，顯示電路構成整體電路。自動尋跡的功能采用紅外對管LTH1550實現，信號經三極管9012放大，經LM339電壓比擬器比擬之后將信號送給單片機，由單片機通過控制驅動芯片L298N驅動電動小車的電機，實現小車的動作。同時還可以將小車的停留時間通過四位數碼管顯示。關鍵詞：STC89C51單片機；紅外對管LTH1550；紅外傳感器；尋跡一、系統(tǒng)設計任務與要求小車從上坡處開場行駛，到達坡頂停留5秒，由數碼管顯示停留時間，然后繼續(xù)行駛，到達坡底開場沿黑線行駛，直到終點寬黑線停頓。二、方案分析與論證總體方案設計：根據題目，我們設計了以下方案并進展了綜合的比擬論證，自動尋跡電動小車系統(tǒng)由小車主體局部、微控制器模塊、尋跡傳感器模塊、電機驅動模塊、顯示模塊、電源模塊構成。2.1總體方案論證與比擬方案一：采用數字電路來組成小車的各局部系統(tǒng)，實現各局部功能。本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴展，設計困難。

方案二：采用單片機來作為整機的控制單元。黑線檢測采用紅外對管對光源信號進展采集，再經過三極管放大，電壓比擬使輸出轉化為數字信號送到單片機系統(tǒng)處理。此系統(tǒng)比擬靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路局部，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實現，能很好地滿足題目的要求。

方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能到達題目的設計要求，因此采用方案二來實現。方案二的根本構造圖如下：圖１總體系統(tǒng)構造框圖２.2尋跡檢測方案的選擇方案一：采用CCD傳感器。利用CCD傳感器進展自動導航的機器人已得到初步應用。但CCD傳感器價格較高，體積較大，數據處理復雜，不適合本次實驗使用。方案二：用紅外對管作為尋跡傳感器。紅外反射式傳感器由1個紅外發(fā)射管(發(fā)射器)和1個光電二極管(接收器)構成。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強的物體(外表為白色或近白色)后被折回，被光電二極管接收到，引起光電二極管光生電流的增大。將這個變化轉為電壓信號，該電壓通過比擬器LM339后轉換為高電平〔單片機的有效電平〕，檢測出白線；假設接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則輸出為低電壓，該電壓通過比擬器LM339后轉換為低電平〔單片機的有效電平〕，檢測出黑線。方案可行，且紅外對管使用方便，所以選用方案二。原理圖見圖２。圖２正確選擇檢測方法和傳感器件是決定循跡效果的重要因素，而且正確的器件安裝方法也是循跡電路好壞的一個重要因素。從簡單、方便、可靠等角度出發(fā)，同時在底盤裝設5個紅外探測頭，進展兩級方向糾正控制，將大大提高其循跡的可靠性。２.3電機驅動方案的選擇方案一：采用繼電器對電動機的開或關進展控制,通過開關的切換對小車的進展調整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用專用芯片L298N作為電機驅動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片L298N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動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。因此決定采用方案三．２.4電機的選擇方案一：采用步進電機，步進電機具有快速啟動和停頓能力，其轉換靈敏度比擬高，正轉、反轉控制靈活。但是步進電機的價格比擬昂貴，且該實驗對小車速度等沒有特殊要求，因而，不選用該方案。

方案二：采用普通的直流電機。直流電機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便。調整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無極快速啟動、制動和反轉?？梢詽M足實驗要求。2.5穩(wěn)壓模塊的選擇7805穩(wěn)壓芯片使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源,使其輸出電壓恰好為5v，到達邏輯電路電壓要求，因此，直接選用7805作為穩(wěn)壓芯片，將電壓穩(wěn)壓至5V給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。2.6顯示模塊方案的選擇方案一：使用液晶顯示屏顯示時間。液晶顯示屏〔LCD〕優(yōu)點是：低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等。缺點是：液晶顯示屏是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)立字符庫。編程工作量大，控制器的資源占用較多，在使用時，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶的顯示芯片，不易維護，其本錢也偏高。并且本系統(tǒng)只需要顯示時間，信息量比擬少，因此并不適于選用液晶顯示屏。方案二：使用數碼管顯示行駛時間。數碼管具備數字接口，顯示清晰，價格較低，作為時間顯示的器件性價比非常高，方便易行。決定采用數碼管顯示行駛時間．三、單元電路設計3.1控制局部設計：小車控制單元是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有運行的作用。本實驗采用的是STC89C51單片機?？刂凭植吭O計包括單片機的復位電路及起振電路。單片機晶體振蕩模塊采用最常用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路。振蕩晶體選擇11.0592MHz。具體電路見圖3。單片機啟動運行時，都需要先復位，單片機本身是不能自動進展復位的，必須配合相應的外部電路復位。復位電路采用按鍵手動復位，電路見圖4。圖3圖43.2尋跡局部設計題目要求小車要沿著畫出的黑線運動，但在運動過程中，車體不可防止地會偏離運動軌跡，為了能使車體在偏離后可以自動調整方向，重新回到運動軌跡上，系統(tǒng)需要將車體的運動狀態(tài)及時地以電信號的形式反應到控制局部，控制局部控制兩個電機的左轉，右轉，使小車重新回到軌跡上。本設計中共使用５個集成的紅外對管LTH1550裝在車體的前方。當檢測到黑線時，紅外對管的接收端接收到黑白線反射回來的紅外光，其輸出經LM339電壓比擬器后立即發(fā)生上下電平轉換，該信號經9012放大后送到單片機進展分析處理。然后將處理后的結果發(fā)送到電機驅動模塊，進展校正。電路見圖５。圖53.3．驅動局部設計由于單片機輸出的信號不僅點壓偏低，而且負載能力不夠，不能用來直接驅動電機L298N驅動芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機驅動芯片之一。它可被用來驅動二個直流電機。在4—6V的電壓下，可以提供2A的驅動電流。L298N還有過熱自動關斷功能，并有反應電流檢測功能，符合電機驅動的需要。因此需要使用驅動芯片L298N，單片機輸出的信號，經過L298N實現功率的放大，從而驅動電機工作。L298N芯片是一種高壓，大電流雙全橋式驅動器，其設計是為承受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的．電路圖見圖6．圖63.4穩(wěn)壓局部設計直流電機需要6V供電，但是單片機需要的電壓是5V，這就需要穩(wěn)壓片將6V左右的電壓較為準確的控制為5V，而6V的電壓直接給直流電機供電，保證用一路信號實現兩路功能。首先將電壓源輸出的6V轉換為5V直流穩(wěn)壓電源，實現方法是應用濾波電路(電解電容)使電壓變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電，然后通過穩(wěn)壓電路即7805使輸出5V直流穩(wěn)壓供應單片機及驅動芯片的相應電壓。電路見圖７。圖73.5．顯示局部設計本實驗采用四位共陽極數碼管進展數碼顯示，它有四個位選，由于本實驗只需顯示小車停頓行駛的時間，因而只需選通一位位選線，當各段陰極上的電平為"0〞時，該段點亮，電平為"1〞時，該段熄滅。數碼管與單片機之間通過反相器74LS04連接，具體電路見圖8。圖83.6下載電路設計下載電路用來下載程序，其中用MA*232實現電平轉化，將PC機輸出的RS-232〔12V〕電平轉化為標準的TTL電平〔5V〕。電路見圖9。圖9四、系統(tǒng)軟件設計4.1主程序流程圖開場開場系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化前進前進坡頂停留５秒坡頂停留５秒繼續(xù)前進繼續(xù)前進沿黑帶尋跡沿黑帶尋跡否檢測到全為黑帶？否檢測到全為黑帶？是是完畢完畢尋跡子程序中紅外對管與小車偏轉方向關系如表一.：表一五、系統(tǒng)功能測試5.1測試儀器及設備測試儀器及設備如表2：儀器名稱型號數量電源HH1713直流穩(wěn)壓電源１雙蹤示波器COS5040CH１電腦方正科技１萬用表DT9025A１導線假設干5.2安裝調試及測量數據分析整機焊接完畢，首先對硬件進展檢查聯線有無錯誤，再逐步對各模塊進展調試。我負責的電源局部，驅動局部，黑線尋跡局部，具體測試過程如下：電源測試過程6V電壓輸入，經穩(wěn)壓片7805之后的電壓為４.80Ｖ，電壓在4.8~5.2V之間，所以該局部符合要求。驅動局部測試過程將驅動局部與單片機正確連接之后，在單片機中寫入電機控制小程序，控制其轉動與停頓，用萬用表測試輸出電壓正常。黑線尋跡局部測試首先，通過調每一路的電位器(50K)，使9012的C管腳輸出電壓為4.7V~4.8V,然后調節(jié)10K的電位器,使其兩端的電壓為2.9V左右,作為閾值電壓。設置好閾值電壓之后，將電路板上有紅外對管的那一面朝下，分別對著白紙和黑線，測每個紅外對管的輸出信號經電壓比擬器之后的電壓，數據記錄如表3：紅外對管白紙電壓〔v)黑帶電壓〔v)最左邊１0.054.95左邊２0.054.93中間３0.054.95右邊４0.054.91最右邊５0.054.93表3由測量結果可知，每個紅外對管檢測到白紙和黑線的輸出電壓均位于閾值電壓兩側，且相差較大，經反相器比擬后可以立即發(fā)生上下電平的轉換，符合要求。至此，這三局部硬件調試完畢。整體綜合調試將所有模塊連接〔參加最小系統(tǒng)，顯示局部〕，檢查連接無誤之后，寫入總程序。開場整車測試，數碼管有顯示，但是小車電機不轉，但有很輕的聲音從電機中發(fā)出，想到可能是驅動電路局部電壓不夠，在輸入電壓加到6.4V后測試過程一切正常。六．結論完成了控制局部各模塊的焊制及連接,以及51版的程序下載,數碼管按照既定的方案輪換閃亮.七：完畢語在實驗過程中,由于焊接的工藝不是很到位,初次完成電路板的焊制并下載程序后,數碼管并沒有亮,通過檢查焊點并更換排針排線,克制了接觸不良的故障,由于是自己完成實驗的控制局部,故小車實際上并沒有真正按照設計目的行駛,但同樣在這次實驗中,熟悉了MCS51的功能及焊制方法,以及程序的下載方法,在教師的幫助下,感覺收獲很大.八．附錄1.總電路圖〔見圖9，圖10〕圖9圖102.元件表〔見表三〕表三元件表元件名稱規(guī)格數量STC89C511MA*232174LS041四位一體數碼管LG5641BH19針串口1晶振11.0592MHz1按鍵1直流電機6V2L298N1W78051LED1電源開關1LM3392紅外對管LTH15505三極管90125電阻2405電阻5K5電阻1K6電位器50K5電位器10K1電解電容100uF1電解電容10uF1電容1046電容30pF23.程序#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//定義用uint表示無符號整形常量sbitwei0=P2^0;sbitwei1=P2^1;sbitwei2=P2^2;sbitwei3=P2^3;/*****電機控制局部的數據定義********/sbita0=P1^0; //分別用a0,b0,a1,b1替代P1口的P0到sbitb0=P1^1;//P3引腳sbita1=P1^2;sbitb1=P1^3;/*********尋跡局部的變量定義**********/sbitlefter_det=P3^2; //最左邊的紅外信號傳給P3^2sbitleft_det=P3^3; //左邊的紅外信號傳給P3^3sbitmid_det=P3^4; //中間的紅外信號傳給P3^4sbitright_det=P3^5; //右邊的紅外信號傳給P3^5sbitrighter_det=P3^6; //最右邊的紅外信號傳給P3^6bitmid,left,lefter,right,righter,stop; //一些標志位，用來表示偏向哪邊，從而做出適當的調整voidstatus(void); voidrun_forward(void);voidturn_left(void);voidturn_lefter(void);voidturn_righter(void);voidturn_right(void);voidstop_run(void);ucharcodedis_7[10]={0*C0,0*F9,0*A4,0*B0,0*99,0*92,0*82,0*F8,0*80,0*90};/***********尋跡模塊***************///voidstatus(void) //高電平說明檢測到信號{if(lefter_det&&righter_det)//全都檢測到信號，說明小車到達終點{left=0;lefter=0;mid=0;right=0;righter=0;stop_run();}elseif(mid_det) {left=0;lefter=0;mid=1;right=0;righter=0;run_forward();}elseif(left_det) {left=0;lefter=0;mid=0;right=1;righter=0; turn_left();}elseif(right_det) {left=1;lefter=0;mid=0;right=0;righter=0; turn_right();}elseif(lefter_det) {left=0;lefter=0;mid=0;right=0;righter=1; turn_lefter();}elseif(righter_det) {left=0;lefter=1;mid=0;right=0;righter=0; turn_righter();}else { left=0; lefter=0; mid=1; right=0; righter=0; run_forward(); }}voidrun_forward(void){P1=0*cc;}voidturn_left(void)