循迹小车第十一组

1、南京工程学院 工程基础实验与训练中心 本科课程设计说明书（论文）题 目： 自动循迹小车3 专 业： 自动化（系统集成) 班 级： d自集成091 学生姓名： 刘绪欢 （233090140） 李文彬 （233090143） 包李杰 （233090152） 指导教师： 陈国军 起迄日期： 2011.6.132011.7.8 设计地点： 基础实验楼 b209 22 目 录一.智能循迹小车的设计分析31.设计要求31.1基本要求31.2发挥部分32.方案论证与比较42.1.电源设计方案42. 2电机驱动设计方案5 2.3传感器设计方案5 2.4显示模块设计方案5 3.总体设计6 3.1总体设计流程图6

2、二.智能循迹小车的硬件设计61.机械设计62.各模块电路设计8三.智能循迹小车的软件设计151.系统主程序流程图152.源程序15四开发总结与新得201.开发与调试过程20 1.1总体方案确立20 1.2各分立模块的制作与调试20 1.3总体的装备与调试202.总结与展望20五参考文献21自动循迹小车摘要：本寻迹小车是以at89c52单片机为控制核心，加以直流电机、光电传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由at89c51通过io口控制小车的前进、加速、减速、显示时间和所行路程。寻迹由rpr220型光电对管完成。关键词： 直流电机 光电传感器 自动寻迹车abstract: the smart

3、car is aluminum alloy for the chassis, at89c52 mcu as its core, including motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. mcu controls the car turning back forward or running on the white line. rpr220 reflective photo sensor seeks the trace. far infrared

4、 flame sensor tracks the flame. in addition, the scm system with sunplus for voice broadcast can remind current status. the system transmits information through df module. the cars status will be transmitted to the remote console. ocmj4x8c lcd display and 2 keys for start control.keywords: motor pho

5、to sensor electrical fire engines 引言： 随着科技的进步，生活水平的提高，人们对汽车的依赖是越来越多。同时，伴随着汽车的普及，交通拥堵和交通意外成了社会的大问题。为了解决这些问题，我们的研究人员做了大量的细致认真的工作，其中一个方面就是希望让机器人取代人来驾驶汽车，通过机器人精确的判断和快速的反应使汽车更合理更安全的行驶，这样既能减少交通事故发生的概率，又能让道路得到合理高效的利用。智能车设计就是要求我们能够去进行这样的研究，通过对所掌握知识的熟练运用，达到让车模能够自动寻迹运动，并且同时使得循迹运动的时间最短。此类比赛加深了我们对科技促进生活水平的理解，也在

6、一定程度上推动了这方面的研究。一、智能循迹小车的设计分析1.设计要求1.1基本要求 设计一个基于直流电机的自动寻迹小车，使小车能够自动检测地面黑色轨迹，并沿着黑色车轨迹行驶。系统方案方框图如图1-1所示。检测（黑线）驱动电机软件控制控制小车图1-1 系统方案方框图 （1） 车辆从起跑线出发开始计时（出发前，车辆不得超出起跑线），能到达终点线并且停止在终点线。全程行驶时间应力求最短（从合上小车电源开关开始计时）。（2） 到达终点线小车停止后，停车位置离终点线偏差应最小（以小车中心点与终点线之间距离作为偏差的测量值）。（3）在行驶过程中小车检测到加速线后开始加速并发出声光报警信号，检测到减速线后开

7、始减速并发出声光报警信号。1.2发挥部分（1）从起跑线开始计时，自动记录、时时显示全程行驶时间（记录显示装置要求安装在小车上），误差尽可能小。（2）从起跑线开始，自动记录、显示行驶距离x3（记录显示装置要求安装在小车上），误差尽可能小。（3）从起跑线开始，自动记录、显示金属片1、2离起跑线的距离x1，x2，误差尽可能小。2.方案论证与比较2.1电源设计方案（1） 供电 碱性电池 vs 铅蓄电池 vs 锂电池 用碱性电池来作为小车的动力及控制供电 ， 有体积小 ， 重量轻的优点 ，放电曲线比教稳定 ， 可以通过加减电池节数 （ 单节 1.5v ） 来调节所需电压。但是，由于小车的开发阶段需要不断

8、地调试，势必消耗大量的电能。碱性电池又是一次性电池，不得不更换电池，成本自然就上来了，并且不利于环保。铅蓄电池作为二次电源元老级的代表，具有价格低廉，寿命长久（一般可达 4 年之久 ） ，耐贮藏（ 尤其适于干式荷电贮存 ） ，充放电性能极为突出，抗摔抗撞能力较好等的优点。其制造工艺成熟，生产产品线完善 ， 可以方便地买到各种规格的产品 。 但是其能量密度较低 ， 导致其体积大，质量大，不便于携带。锂电池是一种新型的二次电源，是电源界的后起之秀，也是目前使用最广泛的便携式二次电源。 具有高储存能量密度 （是铅蓄电池的 6 7倍 ） ， 使用寿命长 （ 可达 6 年 ） ， 额定电压高 （ 单节

9、3.7v ） ， 且 具备高功率承受力 ， 自放电率很低 ， 绿色环保 等的优点。 缺点 是锂 电池均存在安全性差。需保护线路，防止电池被过充过放电。生产要求条件高，成本高。综合考虑其优缺点，锂电池有着较强的供电能力和较轻的质量，锂电池为本次设计的最佳供电方案，但考虑到成本和小车负载能力决定放弃本方案。（2） 稳压 7805+7905 由于本次设计电源分动力和逻辑电路两部分，均需稳定的电压以保证其精度，所以必须有较强的电源管理法案。目前市面上较常用的稳压芯片主要要有 7805系列和 7905 列 ，带负载能力比较弱，但转化效率高（ 70%90% ） ，稳压效果好等的优点。 78xx 系列为线性

10、稳压芯片 ， 稳压效果好，外围电路简单，应用电路成熟可靠等的优点。但是其带负载能力较弱 ， 电流输出差 ， 效率低 （ 最高 50% ） 。 根据其各自性能优势 。2. 2电机驱动方案（1） 购买专用电机驱动模块 市面上有专门的双电机驱动芯片 l298 ， 经测试性能可以满足小车的电机控制求，而且外围电路比较简单，稳定性较好，驱动能力够强。能够很好的保证两机的同步，但是考虑到本次设计主要是锻炼我们的能力所以不采用芯片。（2） 自己搭建桥式电机驱动 电机加减速以及正反转的典型电路是 h 桥驱动电路，根据需要分析，可用功三极管或者 cmos 管来搭建 ， 这样有助于提高我们的动手能力和知识融汇通的

11、能。 虽然很有难度，但是致力于提高自身水准和知识的前提下我们决定采用此方案。2.3传感器设计方案（1） 使用 ccd 传感器来采集路面信息 使用 ccd 传感器 ， 可以获取大量的图像信息 ， 可以全面完整的掌握路径信息 ，以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且抗干扰能力强。但是对于项目来说，使用 ccd传感器也有其不足之处。首先使用 ccd 传感器需要有大图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为的，实现起来工作量较大，相当繁琐。（2） 使用光电传感器来采集路面信息 使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁的图像处理工作，反应灵敏，

12、响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰，所以我们决定使用光电传感器来进行循迹。2.4显示模块设计方案（1） l ed 数码管显示 数码管显示具有亮度高，色彩选择多的优点，但是数码管占用 i/o 资源多，制复杂，功耗较大，显示信息量较少且单一。（2） 1602 液晶显示 液晶显示驱动简单，易于控制，功耗小，且显示信息量大，可以直观地观测小车的位置及速度信息。综合考虑，决定用 1602 液晶显示作为本

13、次设计的显示模块。3. 总体设计3.1总体设计流程图单片机lcd1602显示器光电管循迹模块左电机驱动电路右电机霍尔检测金属模块声光报警电路 电 源 我们硬件电路总共由六大模块组成，分别为主控制器模块、电源模块、lcd显示模块、检测模块（光电管循迹检测和霍尔测速检测）、声光报警模块、电机驱动模块。其系统结构图引言中有涉及到，各模块功能接下来会一一介绍。二智能循迹小车的硬件设计1.机械设计 小车机械部分设计有以下几个要求：符合机械力学性能，能够很好地完成各机械动作；易于组装拆卸以便于维护维修；方便扩展布局，面向以后学习研究的扩展开发；总体布局有一定的电气隔离性能，尽量减少互相干扰；美观大方。1.

14、1小车实际搭建图 以采购的小车为基础车，然后在上面搭建主控制器模块、电源模块、lcd显示模块、检测模块（光电管循迹检测和霍尔测速检测）、声光报警模块、电机驱动模块等电路以实现小车的各项功能。如上图，右边是小车的头部，伸出最长的部分即为小车的循迹电路，在前轮正上方是小车的电机驱动电路，在这两个电路之前搭有测速和声光报警电路，在小车的正上方是lcd1602显示器，小车尾部则是单片机最小控制系统。小车的总体布局应以尽量减少互相干扰为原则，兼顾美观整齐。基于这两点，通过调试，在小车底板下面只安放了两个减速电机，防止电机磁对电气信号的干扰。小车的后面安放电源，有利于电流的方向一致以较少对信号的影响。电机

15、驱动紧挨着电源部分 ，同在小车的尾部，这样有利于大电流的直接输送，减少干扰。对与我们设计的这辆小车，显然整体还不能达到以上的布局要求，有待改进。1.2小车传感器分布 如上图所示，小车采用三个光电传感器对黑线进行循迹，每个传感器之间相距18mm20mm，传感器宽不大于10mm，黑线宽约15mm，速度快的话不太可能循的起来，但是放慢速度的话还是可以的。中间的传感器主要用于小车在黑线正上方正常行驶时检测，左右2个主要用于小车行驶过程中发生偏转给予小车行驶路线的纠正的。 这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。通常采

16、取的方法是红外探测法。  红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体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，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，在3cm以内。光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特

17、性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来。图3.5 光电传感器原理1.3霍尔测速 测速我们采用霍尔传感器。将金属磁块嵌于车轮之中，在车轮附近绑定霍尔测速电路，当小车车轮每转动一次霍尔传感器就会感应一次，小车车轮周长x，我们可通过公式计算出小车行驶的距离，速度和时间。2.各模块电路设计2.1电源2.1.1电源实图 2.1.2电源原理图电源采用 lm7805、lm7905三端线性稳压芯片，具有较好的线性稳压效果，外围电路十分简单，所以在本次设计中选为逻辑供电稳压芯片，为了得到理想的电压，在输出端用大的滤波电容和小电

18、容并联的方式进行整波。2.2单片机控制电路2.2.1单片机控制电路实图2.2.2单片机控制电路原理图系统控制电路采用单片机at89c52作为主控单元，负责整个电路的资源分配以及对各电路信号的采集、分析及处理。配置了外部晶振以及复位电路。单片机控制电路原理图如右图：2.3循迹模块2.3.1循迹原理图循迹采用三个光电对管，上面已有介绍。2.3.2循迹pcb板2.4驱动电路2.4.1驱动电路实物图2.4.2驱动电路原理图 驱动电路采用h桥搭建，以代替芯片298驱动电机。2.4.3驱动电路pcb板2.5声光报警电路2.5.1声光报警原理图 蜂鸣器用于小车位置指示，用三极管驱动， 小车到站后，单片机给蜂

19、鸣器一个方波信号，蜂鸣器鸣叫提示。2.6lcd1602显示器2.6.1lcd1602显示器实拍图 2.6.2lcd1602显示器原理接线图液晶由单片机控制，实时显示小车行驶的时间和路程，由于其内部集成了显示处理模块，所以外围电路十分简单。三智能循迹小车的软件设计1.系统主程序流程图2.源程序#include"reg52.h"#define uchar unsigned char sbit r1=p14;sbit r2=p15;sbit r3=p16;sbit r4=p17;sbit g1=p00;sbit g2=p01;sbit g3=p02;uchar k,t,j,m,b

20、;void delay(uchar t)for(k=0;k<=100;k+)for(j=0;j<=t;j+);uchar i;void qianjin()r1=1;r2=0;r3=1;r4=0;delay(10);r1=1;r2=0;r3=0;r4=0;delay(10);r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;void zhuozhuan()r1=0;r2=1;r3=1;r4=0;/*delay(5);r1=0;r2=1;r3=0;r4=0;delay(5);r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;delay(5);*/void youzhuan()r1=1;r2=0;r3=0;

21、r4=1;/*delay(5);r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;*/void xunji() if(g1=0&&g2=1&&g3=1)/while(g2)/ zhuozhuan();/ if(g1=1&&g2=1&&g3=1)zhuozhuan();if(g1=1&&g2=0&&g3=1)zhuozhuan();if(g1=1&&g2=1&&g3=0)zhuozhuan();i=1;if(g1=1&&g2=1&&g3=0)you

22、zhuan(); if(g1=1&&g2=1&&g3=1) youzhuan(); if(g1=1&&g2=0&&g3=1) youzhuan(); if(g1=0&&g2=1&&g3=1) youzhuan();i=2;if(g1=1&&g2=0&&g3=1)while(g1&&g3)qianjin();i=3;if(g1=1&&g2=1&g3=1)if(1=i) zhuozhuan();else if (2=i)youzhu

23、an();else if(3=i)qianjin(); void main() while(b!=2) if(g1=0&&g2=0&&g3=0)qianjian();m=1;if(g1=0&&g2=0&&g3=0&&m=1)r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;delay(200);if(g1=1&&g2=0&&g3=1)r1=0;r2=0;r3=0; r4=0;delay(600);r1=0;r2=0;r3=0;r4=0;delay(500);b=2;xunji();r1=0;r

24、2=0;r3=0;r4=0;四、开发总结与新得1.开发与调试过程1.1总体方案确立 在这一阶段。我们主要任务是根据大赛要求对小车的总体结构进行初步设计，对系统进行模块化 ， 对各部分资源做出分配。确定软件的主要思路一阶段上主要解决的问题有： 确定小组各成员的分工，各取所长，分头进行前期资料的准备 确定小车的开发流程，规划小车的开发进度； 将电气部分划分为了电源 、 驱动 、 单片机和传感器四大模块 ， 并确定 各案。 分配各模块资源，确定各模块的主要参数。 采购所需元器件，为下一阶段做准备。1.2各分立模块的制作与调试 在这一阶段，我们的主要任务是，完成各个模块的搭建，并调试使之达到预的参数指

25、标。 根据大赛的要求我们确定的各部分模块的参数， 一一制作出各部分模块， 并对进行了调试确定其各方面性能均能达标。电源设计所用的 2576+7805 方案在测中发现，7805 所提供的 5v 在正常工作情况下，电流有所欠缺，于是我们便用两7805 并联提供稳定可靠的 5v 电源。单片机最小系同开始时因资源口分配的不，进分析发现，会使以后的编程以及走线有很大的影响，于是根据实际要求重设计了电路。 传感器设计中， 我们根据资料重点选择rp220、st16 8 和 tcrt5000，实际测试发现，tcrt5000 效果最好，所以选用了这个型号的产品。由于空间的制，测速用的传感器一直很难找到合适的型号

26、。经过实验发现用普通的光电对组合可以满足要求。由于产品生产的个体差异性，电机的调试是最困难的，经多次的硬件调试实验和上电磨合，两电机的转速依然很难同步，所以最后通过难软件的控制调试，终于使之达到基本同步。1.3总体的装配与调试 在这个阶段，我们的主要任务是务必使车完全达到大赛的性能指标。使各个模块之间协调可靠，互不影响，按预计完成任务。 在调试的过程中我们才发现 。 所有的情况并非是想象中的那么符合常理 ， 每一次的转弯。每一次的位置信息的获取都是在慢慢的反复调试中完成的。我们要对之前的各种方案进行不断地修改，我们要仔细分析每一次出错的情况并找出原因所在。一次次地修正程序的漏洞，一步步地完善传感器的排布情况，一点点地校正小车的行驶轨迹。对控制算法的每一次优化。2.总结与展望 在这次设计中，我们初步完成了小车的制作，达到了基本要求，但由时间有限，小车各方面的性能还有待提高，设计方案还可以进一步扩展，如传器采用 ccd 与红外相结合，控制采用模糊控制等，这些需要我们以后进一步完善。 通过这次的课程设计，我们获得不少的收获，不光是知识和经验上的收获，更有在生活态度上的收获。做事不能想当然，在大部分事情的处理中，不会有理想状态的出现，我们必须积极面对所有可能发生的情况，并努力地解决它