自动循迹小车 毕业论文.doc

自自 动动 循循 迹迹 小小 车车 项目名称：项目名称： 自动循迹小车自动循迹小车 学院：学院： 机电工程学院机电工程学院 专业：专业： 测控技术与仪器测控技术与仪器 姓名：姓名： 自动循迹小车自动循迹小车 摘要：摘要：本组的智能小车是以 atmel 公司设计的 at89s52 单片机为控制核心，结 合多种传感器以及 pid 算法实现循迹功能的智能小车。利用反射式光电传感器 检测黑线实现小车循迹，整个系统具有自动寻迹、寻光和速度测试功能。其中， 控制部分采用 at89s52，at89s52 是一款 8 位单片机，它的易用性和多功能性受 到了广大使用者的好评。电机驱动采用常用的 pwm 方式进行电机的调速控制， 整个系统的电路结构较简单，可靠性能高，能满足各种设计的要求。 关键词关键词: :单片机，传感器，pwm 调速，循迹，光源探测 abstractabstract：our intelligent car uses at89s52 scm which the atmel company design as control core, combine with multiple sensors and pid control algorithm to achieve the function that find track .the electrical car uses reflective photoelectric sensor to detect black line to achieve track-finding .the entire system has the function that trace route automatically and find light .among them, at89s52 which has 8-bit single-chip is used as the control part .because of using easily and having multi-function ,it suffers large users. the motor driver uses the common way-pwm for the motor controlling speed. the circuit structure of the whole system is relatively simple, high reliability, and it can meet the requirements of the various design . keykey words:words: scm，sensor， pwm speed adjusting，track finding，light source detection 目录 1 总体设计方案选择总体设计方案选择4 2 方案论证及设计4 2.1 车体方案论证4 2.2 单片机控制电路系统方案论证4 2.3 电机驱动系统方案论证4 2.4 循迹检测系统方案论证5 2.5 光源检测系统方案论证5 3 硬件设计硬件设计.5 3.1 单片机控制电路5 3.2 电机驱动电路5 3.2.13.2.1 驱动电路驱动电路 5 5 3.2.23.2.2 pwmpwm 调速原理调速原理 6 6 3.3 循迹检测电路 .6 3.4 光源探测电路7 3.5 系统供电单元电路7 4 软件设计软件设计.8 4.1 系统控制流程8 4.2 循迹算法设计8 4.3 探测光源算法设计8 5 系统调试系统调试.8 6 测试结果与分析 .9 6.1 测试结果测试结果.9 6.2 基本要求基本要求.9 6.3 发挥部分发挥部分.9 参考文献参考文献.9 附附 录录.10 一一、总总体体设设计计方方案案选选择择 根据题目要求确定如下方案： 在做好的小车基础上，加装反射式红外光电传感器和光敏二极管阵列，实 现对外界环境的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片 机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。本方案能实现对电动车的 运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。 系统整体方框图如下图所示。 二、方案论证及设计二、方案论证及设计 单片机 at89s52 循线检测模块 电机驱动模块 电源模块 光源检测模块 1.1.车体方案论证车体方案论证 根据题目设计左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用 两个转速和力矩基本相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样， 当两个直流电机转向相反同时转速相同 时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车的转弯。在安装时 我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了 三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使 左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑 作用。对于车架材料的选择，我们选择了废用的电路板，变废为宝。 2.2.单片机控制电路系统方案论证单片机控制电路系统方案论证 此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。 控制的方法有很多，大部分都采用单片机控制。单片机要完成电机控制、循线 控制和光源检测控制等工作。本设计中小车的主控采用我们最为熟悉的 at89s52 单片机。虽然这款单片机本身没有 pwm 模块，但若采用本身有 pwm 模 块的单片机就会产生资源浪费。我们可以通过软件编程产生 pwm，既能充分利 用可用资源，又不浪费。且能很好的满足题目要求。 3.3.电机驱动系统电机驱动系统方案论证方案论证 方案一：方案一：使用直流电机，直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。 直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变 电机的速度。常用的驱动方式是 pwm 方式，即脉冲宽度调制方式，此方法性能 较好，电路和控制都比较简单，但也有其缺点，就是其控制精度较差，开动起 来惯性力较大，较难控制。 方案二：方案二：使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一 个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位 置控制。与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点 脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。而且其转动不受电压波动和负 载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关。但 步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成且成本较高。具体 差别见下表 1 表 1 电机控制方式对比 直流电机步进电机 调速性能较好较差 位置控制精度较差好 驱动简单复杂 稳定性较好好，仅与控制脉冲有关 由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精 确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精 确，直流电机即可满足小车要求的精度。且直流电机易于控制、简单，故选择 方案一。 4.4.循迹检测系统循迹检测系统方案论证方案论证 循迹检测常用到传感器。根据小车功能的要求有两种方案，一种是使用红 外光电传感器，另一种是使用 ccd 传感器。这两种方案都可以达到小车循迹要 求，目前使用最为普遍的循迹检测方法是红外探测法。两种方案的主要区别是 使用的传感器不同。具体区别见表 2。 表 2 循迹检测方案对比 类型红外光电传感器ccd 传感器 受外界干扰程度小较小 实时性好差 对主控芯片要求较低较高 成本较低高 从上表中可以很明显的看出，红外传感器相对于 ddc 传感器来说，在实时 性和对主控芯片的要求方面都比 ccd 传感器要好。基于这些优势以及处于成本 的考虑，本设计采用传感器放置在小车底部距地面高度合适位置，可以达到很 好的检测效果。 5.5.光源检测系统光源检测系统方案论证方案论证 方案一：方案一：光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻 值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增 大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。 方案二：方案二：利用光敏二极管对光源变换的敏感反映，检测外部光源。当有光照射 时，光敏二极管呈强电阻，经比较器输出一个高电平，反之则输出低电平。我 们可以再外接一个 led 作为检测指示灯，则可以明显观察到这个变化。即有光 照时 led 亮，无时则灭。 考虑到光敏二极管的输出电流较小，所以选择方案一。 三、硬件设计三、硬件设计 1.1.单片机控制电路单片机控制电路 单片机是控制单元的核心。起着控制小车所有运行状态的作用。单片机控 制模块使用的是 atmel 公司生产的 at89s52，使用该芯片很容易实现对其他模 块的控制。通过对单片机 at89s52 写入程序，可以方便的用软件来控制整个过 程. at89s52 单片机最小系统包括了一路复位开关，用于小车复位。p1.0 输出 pwm 信号，p1.1p1.5 分别控制电机驱动。其他 p 口用外接控制小车的各种控制 开关。 。 2.2.电机驱动电路电机驱动电路 2.12.1 驱动电路驱动电路 小车使用的是直流电机。从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它 外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高 输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。直流电机常用 pwm 方 式驱动。本设计中电机驱动采用 l298 集成 h 桥芯片。l298 中有两套 h 桥电路， 刚好可以控制两个电机。它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进 行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。 另外，l298 的驱动功率较大，在 646v 的电压下，可以提供 2a 的额定电 流，并且具有过热自动关断和电流反馈检测功能，安全可靠；为了保证 l298 正 常工作，我们另外安装了续流二极管。电路如图 2 所示。能根据输入电压的大 小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。利用单片机调整出 pwm 脉冲和高低电平对直流电机进行驱动和控制。 图 2 电机驱动电路 2.22.2 pwmpwm 调速原理调速原理 考虑到电机控制要使用 pwm 波形，而 at89s52 单片机本身不能产生 pwm， 需要外加电路或使用软件的方式实现，为减少硬件电路，这里选用软件产生 pwm 方式，脉冲宽度调制（pulse width modulation） ，简称 pwm。脉冲周期不 变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。pwm 的 理论基础是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基 本相同。采用 pwm 进行电机的调速控制，实际是保持加在电机电枢上的脉冲电 压频率不变，调节其脉冲宽度。电机是一个惯性环节，它的电枢电流饿转速均 不能突变，很高的频率的 pwm 加在电机上，效果相当于施加一个恒定电压的直 流电。 使用 pwm 方式可以很容易的实现调速。pwm 信号由单片机软件产生，使用 非常方便。前进时， 驱动两个直流电机都正转,后退时，则两电机都反转。左转前进时，左电机不转 动而右电机正转，右转前进时，则右电机不转动而左电机正转。进入减速区时, 由单片机控制进行 pwm 变频调速,通过软件改变脉冲宽度波形的占空比,实现调 速。所有这些都是通过软件编程实现控制。 3 3 循迹检测电路循迹检测电路 该智能小车在铺有约两厘米宽黑纸的路面行驶，路面可看作白色。由于黑 纸和白色路面对光线的反射系数不同，可以根据接收的反射光的强弱来判断道 路黑纸轨迹。本设计利用红外线在不同颜色的物表面具有不同的反射性质 的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外线遇到白色地面 时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑纸则红外光被 吸收，小车上的接收管接收不到信号。考虑到 st 系列集成红外探测头价格便宜。 体积小。简便易用，性能可靠。所以本设计选择了 st178 反射式红外线光电传 感器作为红外光的发射和接受器件，一般检测距离可达 410cm,其内部结构和 外接电路均较为简单.鉴于小车底部聚地面的距离不超过五厘米，故用红外光电 传感器足以满足要求。其内部结构和外接电路均较为简单，检测电路如图 4 所 示。 图 4 循迹检测电路 4.4.光源探测电路光源探测电路 光敏电路如图 6 所示。通过调节 rv1 可以改变电路检测的灵敏度。这里采 用多个光敏阵列管。本设计使用四套下面的电路。按照一定的方式排列。为了 达到较好的探测，这里选择将光敏阵列排成一个放射状。本设计采用四个光敏 管组成。考虑到提高小车的光源搜索效率，将光敏阵列安装在小车的顶部，靠 车头的位置，当光敏电阻探测到光时，小车停止行驶，且对应发光二级管亮， 蜂鸣器响，用以探测光源，实际用途可以用于对火源的寻找及报警。 图 6 光敏电路 5.5.系统供电单元电路系统供电单元电路 智能车控制系统中，不同电路模块需要的工作电压和电流容量各不相同。 芯片需要提供 5v 的工作电压，而电机所需的电压为 12v，本设计中用到的是 12v 的电源供电，然后通过三端稳压器 lm7805 将电压变换为 5v 电压供给电路 系统。电源系统的电路图如图 8 所示。 图 8 稳压电源提供电路 四软件设计四软件设计 1.1. 系统控制流程系统控制流程 2.2.循迹算法设计循迹算法设计 根据传感器的布局，可以将传感器位置用数字标记，检测到黑线用数字 0表示，没有检测到，也即检测到白线用数字1表示。为不漏掉状态， 我们先考虑了四个传感器的所有十六种状态，刚好可以用四位二进制数来表示。 在初始状态下，黑线应位于传感器的中间，此时 2、3 传感器检测到黑线， 即四个传感器的状态分别为 1、0、0、1，表示为二进制数是 1001，此时小车前 进。当小车从中间逐渐往左偏离轨道黑线时，即黑线在小车右边，对应的状态 有 1000、1100、1110、0100。此时小车应左转。当小车往右偏离时，对应的状 态有 0001、0011、0111、0010，此时小车应左转。还有最后一种状态就是四个 传感器都检测到黑线，此时说明小车已行驶到终，其余状态皆是当由于种种原 因小车脱离跑道，小车将后退以重新探测跑道，继续沿跑道行驶。 3.3.探测光源算法设计探测光源算法设计 对于实现探测光源这项功能，在设计中通过利用光敏电阻的独特性质，即 在强光照射下，光敏电阻阻值变小，在弱光照射或没有光照的情况下阻值很大， 再通过调节探测光源电路的滑动变阻器来调节光敏电阻对光源的灵敏度，从而 实现仅对光照达到一定强度才进行提示和警报，具体原理为：当光照达到一定 强度时，通过光源电路的输出端输出一个+5v 的高电平，并与单片机 p0 口的高 四位连接，向单片机 p0 口的高四位输入数据，让单片机处理，并控制接在 p2 口高四位的的发光二极管亮灭以及控制接在 p15 的蜂鸣器响。通过定时器 0 来 实现对光敏电阻光照强度的不断刷新与扫描。 五系统调试五系统调试 由于整个车体和电路板布线设计、焊接都是人工操作的，并没有使用 pcb 布线画板子，旨在锻炼自己的动手能力，这也带来了车子电路受外界因素影响 较大，为了克服这个缺点，经过测试，得出当四个传感器的状态为 1011、1101 时，仍然直走来提高车子的行驶速度，增加小车行驶的流畅性。由于本次实验 需要捍接的电路模块较多，特别是直流电机驱动模块，对于电源电流的需要极 大，若用 12v 电池，由于小车相当耗电，12v 的干电池用不了多久，就会出现 开关器件很难稳定地给单片机送正确值的情况。只有当更换新电池或小车刚刚 启动时才会很准确，经过思考，这都是开关元件消耗电量很大的原因，一旦电 池电量不足其工作将会萎靡