智能循迹小车毕业论文

开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文1目录摘要2一、绪论3（一）智能小车的作用和意义3（二）智能小车的现状4二、方案设计与论证4（一）循迹模块4（二）主控系统5（三）电机驱动模块7（四）机械系统8五电源系统8三、硬件设计9（一）信号检测模块9（二）主控电路9（三）驱动电路11（四）总体设计11四、软件设计13一总体结构框图13二总体程序流程图14（三）总程序15（四）软件仿真21五、印刷电路板的设计22六、安装和调试22结束语25致谢25参考文献26开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文2摘要本设计主要有三个模块包括信号检测模块、主控模块、电机驱动模块。信号检测模块采用红外光对管，用以对黑线进行检测。主控电路采用宏晶公司的8051核心的STC89C52单片机为控制芯片。电机驱动模块采用意法半导体的L298N专用电机驱动芯片，单片控制与传统分立元件电路相比，使整个系统有很好的稳定性。信号检测模块将采集到的路况信号传入STC89C52单片机，经单片机处理过后对L298N发出指令尽心相应的调整。小车速度由单片机输出的PWM波控制。控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹的功能。关键词智能小车STC89C52单片机L298N红外光对管开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文3单片机智能循迹小车的设计基于STC89C52单片机郭东卫（开封大学机电工程学院应用电子专业）一、绪论（一）智能小车的作用和意义自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，机器人的感系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVGAUTOGUIDEVEHICLE）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分传感器检测部分、CPU、执行部分。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文4来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。（二）智能小车的现状现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几节的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。二、方案设计与论证根据要求，确定如下方案在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，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。这种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。（一）循迹模块小车循迹原理是小车在贴有黑胶带的地板上行驶，由于黑色和白色对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理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，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号。（电路图如图21）。开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文5图21红外光对管原理图市面上有很多红外传感器，在这里我选用飞思卡尔大赛常用的TCRT5000型光对管（如图22）。图22TCRT5000红外光对管（二）主控系统根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体有如下两种方案开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文61采用PLC作为主控系统，PLC虽然性能稳定但是价格昂贵，为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。2采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了STC89C52单片机如图23作为本设计的主控装置，51系列单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。图23STC89C52引脚图开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文7（三）电机驱动模块电机驱动模块拟用两种解决方案，分别如下1采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。2采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路（如图24）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。图24H桥式电路实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N如图25。开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文8图25L298N（四）机械系统本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，因此采用前驱，后轮采用两个万向轮。小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。五电源系统采用4节普通15V干电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。电机在运行过程中产生的反向电动势可能会影响单片机的正常工作。所以决定独立供电，即单片机控制系统和光对管与电机分开供电。由于单片机为低功耗元件而可采用普通15V电池（共4节）供电，电机为大功耗器件因而单独采用锂电（900MAH）供电（如图26）。图26锂电池开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文9三、硬件设计（一）信号检测模块为了防止因传感器太少引起的误动作，因而在车体前段安装了5个红外光对管（如图31），有效的减小了误动作的发生，减小了小车冲出跑道的几率。VCC1OUT2GND3U4L_SWP11VCC1OUT2GND3U5L_SWP12VCC1OUT2GND3U6L_SWP13VCC1OUT2GND3U7L_SWP14VCC1OUT2GND3U1L_SWGNDP10VCC图315路光对管（二）主控电路本模块主要是对采集信号进行分析，同时控制电机起停、正反转。（原理图如图32），该模块包括电源模块，串口电平转换模块，以及I/O口扩展模块。电源模块为系统提供稳定的电源，串口电平转换模块可以将电脑与单片机串口相连从而实现程序的下载以及串口打印DEBUG调试功能。I/O扩展排针将单片机的管脚引出，可以实现灵活的扩展功能。开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文10图32主控电路图P42/INT31P10/T22P11/T2EX3P124P135P146P157P168P179RST10P30/RXD11P43/INT212P31/TXD13P32/INT014P33/INT115P34/T016P35/T117P36/WR18P37/RD19XTAL220XTAL121GND22P4023P2024P2125P2226P2327P2428P2529P2630P2731P4432ALE/P4533P4134P4635P0736P0637P0538P0439P0340P0241P0142P0043VCC44U3STC89C52110592MHZY1VCC123GND4USB123456789RS1P00P01P02P03P04P05P06P07P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P3712345678P312345678P212345678P512345678P4P40P41P42P43P44P45P461234567P6P15P16P17P30P43P31P32P33P34P35P36P3722PFC922PFC8GNDP40P20P21P22P23P24VCCGND10KR4P04P05P06P07P46P41P45P44P27P26P25P14P13P12P11P10P42P00P01P02P03C11VDD2C13C24C25VEE6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U10MAX232CPEVCCGND1UFC101UFC111UFC121UFC131UFC14GNDGNDGNDS1VCCGNDGNDIN3OUT2GND1U2AMS111733100UFC1100UFC2GNDGNDVCC123456789101112131421234561GNDGNDK1D2LEDGNDVCC123456J1VCC1KR7电源电路121N5819D1I/O口排针最小系统串口通信电平转换P31P301210UFC3开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文11（三）驱动电路本模块主要是对单片机传送过来的高低电平信号进行处理，控制电机起停、正反转。（原理图如图33）IN15IN27IN310IN412ENA6ENB11SENSA1SENSB15GND8VCC9VS4OUT12OUT23OUT313OUT414U1L298N12U1A74HC0434U1B74HC0456U1C74HC041312U1D74HC041110U1E74HC0498U1F74HC04M1DCMOTORM2DCMOTORD21N5408D41N5408D61N5408D81N5408D71N5408D11N5408D31N5408D51N5408GNDGND6V100UFC401UFC3GND12U2A74HC0434U2B74HC0456U2C74HC041312U2D74HC041110U2E74HC0498U2F74HC04D9LED1D10LED2J1J21KR11KR2DIR1DIR2PWM1PWM212345678910P1NCGND5VVCCVCCDIR1PWM1DIR2PWM2GND5V100UFC101UFC2GND图33驱动模块原理图（四）总体设计智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。将循迹光对管分别装在车体下的左右。当车身下左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，车向右修正。由于系统采用模块化结构，各个模块之间采用杜邦线连接（总原理图如图34）。开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文12图34总原理图P42/INT31P10/T22P11/T2EX3P124P135P146P157P168P179RST10P30/RXD11P43/INT212P31/TXD13P32/INT014P33/INT115P34/T016P35/T117P36/WR18P37/RD19XTAL220XTAL121GND22P4023P2024P2125P2226P2327P2428P2529P2630P2731P4432ALE/P4533P4134P4635P0736P0637P0538P0439P0340P0241P0142P0043VCC44U3STC89C52110592MHZY1VCC123GND4USB123456789RS1P00P01P02P03P04P05P06P07P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P3712345678P312345678P212345678P512345678P4P40P41P42P43P44P45P461234567P6P15P16P17P30P43P31P32P33P34P35P36P3722PFC922PFC8GNDP40P20P21P22P23P24VCCGND10KR4P04P05P06P07P46P41P45P44P27P26P25P14P13P12P11P10P42P00P01P02P03C11VDD2C13C24C25VEE6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U10MAX232CPEVCCGND1UFC101UFC111UFC121UFC131UFC14GNDGNDGNDS1VCCGNDGNDIN3OUT2GND1U2AMS111733100UFC1100UFC2GNDGNDVCC123456789101112131421234561GNDGNDK1D2LEDGNDVCC123456J1VCC1KR7电源电路121N5819D1I/O口排针最小系统串口通信电平转换P31P301210UFC3IN15IN27IN310IN412ENA6ENB11SENSA1SENSB15GND8VCC9VS4OUT12OUT23OUT313OUT414U9L298N12U8A74HC0434U8B74HC0456U8C74HC041312U8D74HC041110U8E74HC0498U8F74HC04M1DCMOTORM2DCMOTORD31N5408D41N5408D51N5408D61N5408D101N5408D71N5408D81N5408D91N5408GNDGND6V100UFC601UFC7GND12U11A74HC0434U11B74HC0456U11C74HC041312U11D74HC041110U11E74HC0498U11F74HC04D11LED1D12LED2J1J21KR81KR9DIR1DIR2PWM1PWM212345678910P1NCGND5VVCCVCCDIR1PWM1DIR2PWM2GND5V100UFC501UFC4GNDVCC1OUT2GND3U4L_SW红外光对光电机驱动电路P11主控电路信号检测电路VCC1OUT2GND3U5L_SWP12VCC1OUT2GND3U6L_SWP13VCC1OUT2GND3U7L_SWP14VCC1OUT2GND3U1L_SWGNDP10VCC开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文13四、软件设计一总体结构框图STC89C51循迹红外对管时钟电路复位电路电机驱动电源电路图41总体结构框图开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文14二总体程序流程图左/右侧检测到黑线前进扫描I/O口，是否检测到黑线是否左/右转图42总体程序流程图开始开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文15（三）总程序/程序功能智能循迹小车作者郭东卫时间20111224实现原理光对管遇到黑线输出高电平，遇到白线输出低电平单片机采集信息并做出响应/INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHAR/采用5路光对管输入，传感器从左向右依次为INPUT1INPUT5/DEFINEINPUT1P1_0DEFINEINPUT2P1_1DEFINEINPUT3P1_2开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文16DEFINEINPUT4P1_3DEFINEINPUT5P1_4/4路电机控制/DEFINEDIR1P2_0DEFINEPWM1P2_1DEFINEDIR2P2_2DEFINEPWM2P2_3VOIDDELAYMSUCHARTVOIDGO_FORWARDVOIDTURN_LEFTVOIDTURN_RIGHTVOIDMAIN开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文17GO_FORWARD/启动直走WHILE1WHILEINPUT31/中间光对管检测到黑线，直走GO_FORWARDIFINPUT11/左侧光对管检测到黑线，左转TURN_LEFTDELAYMS1IFINPUT21/左侧光对管检测到黑线，左转TURN_LEFTDELAYMS1IFINPUT41/右侧光对管检测到黑线，右转开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文18TURN_RIGHTDELAYMS1IFINPUT51/右侧光对管检测到黑线，右转TURN_RIGHTDELAYMS1ELSEGO_FORWARD/直走VOIDGO_FORWARD/前进开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文19DIR10PWM11DIR20PWM21VOIDTURN_LEFT/左转DIR11PWM11DIR20PWM21VOIDTURN_RIGHT/右转DIR10PWM11DIR21开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文20PWM21VOIDDELAYMSUCHART/延时UCHARIWHILETFORI0I120I开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文21（四）软件仿真图43PROTEUS仿真图开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文22五、印刷电路板的设计印刷电路板的设计软件有ALTIUMDESIGNER,PADS,ALLEGRO等软件。这里我采用简单易学的ALTIUMDESIGNER进行原理图以及PCB的绘制。图51主控板PCB图六、安装和调试表61元器件清单COMMENTDESCRIPTIONDESIGNATORFOOTPRINTLIBREFQUANTITYHEADER3X2HEADER,3PIN,DUALROW1HDR2X3HEADER3X21HEADER7X2HEADER,7PIN,DUALROW2HDR2X7HEADER7X21CAPPOL1POLARIZEDCAPACITORC1,C2极性电容65CAPPOL12开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文23RADIALCAPPOL1POLARIZEDCAPACITORRADIALC3极性电容43CAPPOL11CAPCAPACITORC4,C7RAD03CAP2CAPPOL1POLARIZEDCAPACITORRADIALC5,C6RB7615CAPPOL12CAPCAPACITORC8,C9,C10,C11,C12,C13,C1466254MMCAP7DIODEDEFAULTDIODED1二极管DIODE1LEDTYPICALINFRAREDGAASLEDD2LEDLED011N54081AMPGENERALPURPOSERECTIFIERD3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10DO41DIODE1N40078LED1TYPICALINFRAREDGAASLEDD11LED0LED01LED2TYPICALINFRAREDGAASLEDD12LED0LED01HEADER3X2AHEADER,3PIN,DUALROWJ1HDR2X3_CENHEADER3X2A1KEYK1KEYKEY1DCMOTORM1,M2DCMOTOR2HEADER5X2HHEADER,5PIN,DUALROW,RIGHTANGLEP1HDR2X5HHEADER5X2H1HEADER8HEADER,8PINP2,P3,P4,P5HDR1X8HEADER84HEADER7HEADER,7PINP6HDR1X7HEADER71RES2RESISTORR4,R7762236MMRES22RES2RESISTORR8,R9AXIAL04RES22DCONNECTOR9RECEPTACLEASSEMBLY,9POSITION,RIGHTANGLERS1DB9插座DCONNECTOR91开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文24SWSPSTSINGLEPOLE,SINGLETHROWSWITCHS1自锁开关8585SWSPST1L_SWU1,U4,U5,U6,U7L_SW5AMS111733U2AMS1117AMS1117331STC89C52U3PLCC44底座51174HC046反向门U8,U1174HC042L298NU9L298N1MAX232CPE5VPOWEREDRS232DRIVER/RECEIVERU1016PIN底座MAX232CPE1USBUSB1USB插座USB1J1JUMPERWIREW1RAD02JUMPER1J2JUMPERWIREW2RAD02JUMPER1XTALCRYSTALOSCILLATORY1晶振XTAL1采用螺丝将循迹板及电机等安装组合成车体。通过改变光对管可调电位器