基于52单片机的智能循迹小车的设计与制作

1、 本文由贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 基于 52 单片机的智能循迹小车的设计与制作 谭世伟 张云 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院 班 摘要： 摘要：以自主设计的底盘为基础，以直流减速电机及其控制电路为驱动，以 AT89S52 单 片机为控制核心，以红外对管为探测系统，加以外围电路组成的智能小车在特定的程序下 实现走“8”字及循迹的功能；基于阿克曼原理设计的平面等腰梯形连杆机构及差速器能够 实现小车的完美转向；基于 52 单片机、光耦、L298、稳压器 7805 的控制电路能够实现对 直流减速电机与舵机的整体控制；电路部分与机械部

2、分的有机结合在特定程序下经过多次 调试便能实现上述功能。 关键词： 关键词：AT89S52；L298；直流电机； 平面等腰梯形连杆机构；红外放射式原理 引言： 引言： 随着控制技术及计算机技术的发展，智能车系统将在未来工业生产和日常 生活中扮演重要的角色，是以后的发展方向。 智能小车的巡线功能在生产生活中都有着广泛的用途。例如：可以用在大 的生产车间的物流系统中，按照预先设定的路线来传输货物；可以用在赛车比 赛中能够按照轨道行驶，从而更加安全；还可以用在导航系统中等等。 国内高校间年年举办的机器人大赛大多选择以小车为载体来实现特定功 能 ， 小 车 这 种 简 单 而 又 常 见 的 玩 具

3、得 到 了 越 来 越 多 的 。 随着大学期间知识的积累，所学的东西完全可以在程控小车这个项目上得到实 现。 本次设计的简易智能小车采用 AT89S52 单片机为小车的检测和控制核心， 辅以 L298、光耦、7805 等器件构成的外围电路能够实现对直流减速电机与舵机 的控制。随着编程语言的导入，及多次的调试，小车便能实现走“8”字的功能。 在此基础上安装红外对管组成的探测系统，可以把反馈的信号送入单片机，使 单片机按照预定的工作模式控制小车沿着设置的黑线行驶，便完成了循迹的功 能。 本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度 1 上体现了智能化。 1.设计任务 1.设计

4、任务 要求：用已有器件设计一个简易智能小车，其行驶路线满足要求。 2.总体设计方案 2.总体设计方案 总体设计 根据设计任务要求及扩展功能，智能小车是以 AT89S52 单片机为检测和 控制核心，由轨迹探测模块、后轮驱动模块和前轮导向模块及电源模块等四大 模块组成。设计如图 1 所示： 图 1 智能小车系统结构模块 2.1 轨迹探测模块 该模块采用红外对管 GP2A25 来检测信号送给单片机， 其原理图接线如图 2 所示： 图2 红外对管引脚接线 红外对管构成的探测系统原理如图 3 所示： 2 图3 探测系统电路图 2.2 前轮驱动模块 该模块是以平面等腰梯形连杆机构为机械机构，由舵机进行控制

5、驱动。 连杆转向机构及驱动体系的工作的原理框图如图 4 所示： 图 4 连杆转向机构 2.3 后轮驱动模块 该模块以差速器为机械基础，由电机来驱动。差速器结构图 5 所示： 3 图5 差速器结构图 2.4 整体装配图： 有了驱动系统与转向系统，加上其它小车零件，就可以的到如图 6 所示的 程控小车装配图。 图 6 整体装配图 3.程序框图： 3.程序框图： 程序框图 3.1 走 8 字型程序流程图如图 7 所示： 4 图 7 程序流程图 其 中 子 函 数 drive 决 定 舵 机 的 转 向 转 角 和 电 机 的 转 速 转 向 ； 子 函 数 init0_time 是定时器 0 初始化

6、函数，在设计中使定时器 0 每 100Us 中断一次； 子函数 motor_run 决定电机的转速和转向；子函数 time0_pwm 为定时器 0 中断 服务程序，包括舵机部分、直流电机 PWM 调速部和较精确延时部分。 2循迹程序流程图如图 8 所示： 图8 5 4.方案的论证与实现 方案的论证与实现 4.1 轨迹探测模块 该智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶由于黑线和白纸对光线的反 射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线判断信 号可通过单片机控制驱动模块修正前进方向，以使其保持沿着黑线行进。 所用的黑线宽度大约为 1 cm，判断黑线的方案采用红外反对管作为传感 器，三

7、个红外对管并排放置于小车的前部进行线路跟踪正常行驶时，中间 一个红外对管都应位于黑线之内，而左右两个红外对管应位于白色轨道上。 电开关脱离轨道时，等待外面任意一只检测到黑线后，做出相应的转向调 整，直到中间的光电开关重新检测到黑线(即回到轨道)再恢复正向行驶。 4.2 后轮驱动模块 小车的主体结构包括底盘、车身、转向机构等，对于小车而言，转向机构 与驱动系统的设计是很重要的，只有严格按照阿克曼原理设计出合理的零件长 度才能使小车平稳的转向，而不至于出现打滑现象。由于平面等腰梯形连杆机 构最常见且加工方便，所以设计采用平面等腰梯形连杆机构小车的转向机构。 转向机构的设计能够实现所采用的原理阿克曼

8、原理 阿克曼原理： 沿着弯道转弯时，利用四连杆的相等曲柄使内侧轮的转向角比外侧轮大 大约 24 度，使四个轮子路径的圆心大致上交会于后轴的延长线上瞬时转向 中心，让车辆可以顺畅的转弯。 公式：cot-cot=M/L; ：外轮轴线与后轮轴线之间的夹角； ：内轮轴线与后轮轴线之间的夹角； M：前车轮之间的距离； L:前轴与后轴之间的距离； 其具体的参数如图 9 所示： 当汽车转向时,内轮轴心与后轮轴线之间的夹角大于外轮轴心与后轮 轴线之间的夹角时,就能保证车轮与地面之间为纯滚动,汽车便能够平稳实 现转向。 6 图9 按照阿克曼原理设计出连杆、连架杆的具体长度之后，选取合适的板料即可 加工出转向机构

9、所需的全部零件。 4.3 后轮驱动模块 该模块以差速器机械机构为基础，由直流电机驱动。普通差速器由行星齿 轮、行星齿轮架、半轴齿轮等部件组成。 发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动 左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足： （左半轴转速） +（右半轴转速）=2（行星轮架转速） 。 后轮支座设计时应该注意的细节： 后轮支座由于内部要安装轴承，轴承与后轮支座之间采用的是过盈配合， 所以设计加工时应该特别注意。 后轮支座的零件图如图 10 所示： 图 10 7 具体加工的时候选取 525210 的铝板作为材料， 选取铣床位加工机床， 按照图示的规格进行铣

10、削加工即可得到支座的外形，然后用钻孔工具按照要 求钻孔即可得到所需的零件。 其它容易加工的零件，按照设计图纸进行加工，并将所需的标准件及库 存零件列表，到库房领取即可。所有的机械零件都有后，按照整体的装配图 进行装配即可。 4.4 电控部分总体方案 智能小车采用 AT89S52 单片机作为控制器，通过控制电路控制舵机转向和 直流减速电机的转速、转动方向，使小车能够按照预设定的路径行驶。 系统控制框图如图 11 所示： 图 11 系统控制框 智能小车电控部分电路图如图 12 所示，现介绍能够实现小车按照预设定 路径行驶所用的关键器件的作用： 8 U1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1

11、1 12 13 14 15 16 17 18 19 20 R2 1K STC89C52-DIP40 VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VDD P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 JP2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PAIZU JP1 1 2 3 4 5 6 7 8 JP3 P00 P0

12、1 P02 P03 P04 P05 P06 P07 1 2 3 4 5 6 7 8 C6 104 + C8 220u VCC VCC U3 1 Vin 7805 GND Vout 3 C7 + C9 220u 104 5V JP10 1 2 D12 IN4007 R18 1K D7 IN4007 D10 LED OUT4 OUT3 D5 IN4007 VDD C3 10U R1 1K C1 30P Y1 11. 0592M C2 30P S1 SW-PB + P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/I

13、NT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD X2 X1 GND 2 D8 IN4007 D6 IN4007 JP11 1 2 3 4 5 6 MOTOR VCC VDD 5V 9V JP19 R7 R6 R5 R4 1K 1K 1K 1K JP7 1 VCC IN1 VCC IN2 VCC IN3 VCC IN4 TLP521-4 OUT1 GND OUT2 GND OUT3 GND OUT4 GND 16 15 14 13 12 11 10 9 D4 IN4007 D2 IN4007 IN1 12V JP20 IN2 IN3 IN4 1 2 3

14、 4 12V OUT2 OUT1 D3 IN4007 D1 IN4007 R8 R9 R10 R11 1K 1K 1K 1K 1 2 3 4 9V JP18 1 2 3 4 SGND P00 P01 JP4 DGND VCC VCC 1 2 3 4 5 6 P02 P03 R22 1K R21 10K R23 10K R24 10K 2 3 4 5 6 7 8 GP2A25 P05 VDD OPTOISO1 6 5 4 3 2 1 VDD 5V U2 R19 R14 R13 R12 1K 1K 1K 1K R15 R16 R17 R20 1K 1K 1K 1K 15 14 13 12 11 1

15、0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 JP14 1 2 L298 OUT4 OUT3 IN4 EB IN3 IN2 EA IN1 OUT2 OUT1 VCC 5V JP9 1 2 3 C4 104 C5 104 duoji GP2A25 P06 JP5 VDD OPTOISO1 D9 R3 GP2A25 P07 1K D11 IN4007 OPTOISO1 VDD JP6 1 2 JP13 2 1 LED P05 P06 4 5 6 7 8 P04 1 2 3 JP8 VCC IN1 VCC IN2 VCC IN3 VCC IN4 R?A 1 16 TLP521-4 RESPACK1 OUT

16、1 GND OUT2 GND OUT3 GND OUT4 GND 16 15 14 13 12 11 10 9 EB EA duoji 图 12 电路图 1) 单片机： 单片机是此电路的核心部分。设计采用的 52 单片机，其工作电压为 5V（20 引脚接 5V，40 引脚接地） 。单片机根据程序输出逻辑电压从而完成控制作用。 本设计使用单片机的 P0.0 到 P0.6 引脚，其中 P0.2 和 P0.3,P0.0 和 P0.1 为直 流减速电机的控制线接口， 分别控制左右电机的正转、 反转和刹停； P0.4 和 P0.5 为电机的使能端接口，分别控制左右电机的转速；P0.6 为舵机的控制线接口

17、， 控制舵机的转向及转角大小。 2) 光耦： 光耦的作用是隔离数字电路和模拟电路。 设计采用的光耦是 TLP521-4， 它主 要由发光二极管和光敏三极组成。其工作原理如下：当光耦的输入端（如 IN1） 接收到高电压时，发光二极管没有导通不发光，光敏三极管呈高阻态（可以认 为其为断路） ，此时输出端（如 OUT1）输出高电压；当光耦的输入端接收到低电 压时，发光二极管导通发光，光敏三极管导通呈低阻态（可以认为其短路） ，此 时输出 端输出低电压。由此可以看出通过光耦可以顺利地将数字电路的逻辑电压信号 转换到模拟电路中。 3) 7805： 9 7805 是一种固定电压(5V)三端集成稳压器，其适

18、用于很多应用场合。其卓 越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况。 在此电路中 78L05 的作用是保证提供给 L298 的电压是稳定 5V 以使 L298 正常工作。 4) L298： L298 是双 H 高电压大电流功率集成电路直接采用 TTL 逻辑电平控制可 以驱动继电器、直流电动机、步迸电动机等电感性负载。在此电路中 L298 连接 保护电路根据单片机提供的逻辑电压对电机进行驱动。具体驱动方式如下：当 使能端为高电平时输人端 1N1(IN3) 为高电平信号，IN2(IN4)为低电平信号时，电机正转；输人端 IN1 （IN3)为低电平信号，IN2(IN4)为高电平信号时，电机

19、反转；IN1(IN3)与 IN2 （IN4)相同时，电机快速停止。当使能端为低电平时电动机停止转动。将上 述原理总结如表 1 所示（其中 1 代表高电平，0 代表低电平） ： 表1 L298驱动方式 使能端 IN1（IN3） IN2（IN4） 电机转动方式 1 1 0 正转 1 0 1 反转 1 1 1 刹停 1 0 0 刹停 0 停止 5) 直流减速电机： 直流减速电机是智能小车的动力来源，可以通过改变电机电枢电压接通时 间与通电周期的比值（占空比)来控制电机的转速。这种方法称为脉冲宽度调制 即PWM控制。电动机电枢得到的电压波形如图6所示。电压平均值描述为 t U av = 1 U s =

20、 U s （1） T t 1 通电时间； T周期； t1 ； T 由（1）式可知。当电源电压不变的情况下，电枢端电压 U av 取决于占空比 占空比， = 的大小改变 就可以改变端电压的平均值从而达到调速的目的。 10 图 6 PWM 控制波形围 6) 舵机： 舵机是智能小车转向机构的动力来源。舵机根据单片机提供逻辑电压的占 空比通过比较电路进行比较，从而确定其转角，这样舵机就能做出左转、右转 和居中，小车也在舵机带动下完成相应动作。 7) 红外对管 采用的是型号为 GP2A25，红外对管是由发射器、接收器和检测电路三部分 组成。其发射出红外线经反射将探测的信号送入单片机。 5检测调试 结合电路图将电路板焊接完成之后，连接各所需电压，进行检测。先检测 单片机各引脚电压，符合要求；再检测光耦左右各引脚与 L298 各引脚，也符合 理论要求。 在调试的过程中，开始由于用的是 7805 的 5V 电压给舵机供电，导致小 车前轮只往一个方向偏，最后经查阅应用单片机 5V 供电。 最后烧入程序，小车可以走 8 字型。 结论： 结论： 本智能小车通过机电部分的有机结合使小车最终能够走出“8”字。在设计 和制作中小车的转向部分和电路的调试是难点， 也是决定最终结果的重要因素， 必 须 认 真 做 好 。 在 对 电 路 的 调 试 中 发 现 如 果 把 原