基于单片机控制的寻迹小车

1、 光电信息综合设计 第 1 页光电综合设计报告基于单片机控制的寻迹小车基于单片机控制的寻迹小车院（系）名称专 业 名 称学 生 姓 名指 导 教 师 2017 年 6 月 07 日 光电信息综合设计 第 2 页摘 要智能车辆作为现代社会的新产物，以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备，智能小车的研究和开发正成为广泛关注的焦点。本设计是一种基于单片机控制的简易自动寻迹小车系统，系统的设计主要分为各个模块方案的设计与对比、硬件和软件设计，其中每一部分均采用模块化设计原则，使得设计易读、易修改、易扩充。本实验分三步进行。首先对主控系统、电机驱动、寻迹避障

2、及机械系统与电源等各个模块方案进行对比，选择确定自己的方案。其次，对硬件进行设计，即对寻迹检测电路及信号检测模块电路的设计。最后，对软件设计，实现寻迹程序，电机驱动程序，以 AT89C51 为控制核心，利用定时器 T0 通过定时器中断产生 PWM 波形，通过调整占空比控制小车速度和转向。利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测，并将路面检测信号反馈给单片机，单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制左右轮电机的转速以调整小车转向，从而使小车能够沿着环形黑色轨迹自动行驶，达到自动寻迹的目的。关键词：AT80C51 单片机、光电检测器、PWM 调速、电动小车 光电信息综合设计 第 3 页目录1.前

3、期准备.32.方案的设计与对比.32.1 主控系统.32.2 电机驱动模块.42.3 寻迹模块.52.4 避障模块.62.5 机械系统和电源模块.63.硬件设计.73.1 寻迹检测电路.83.2 信号检测模块.94.软件设计.94.1 电机驱动程序.104.2 循迹总程序.10结论.14 光电信息综合设计 第 4 页1.前期准备前期准备当选择这个题目时，对所要做的课程设计一无了解，无从下手，硬件不知道怎么设计，软件也一头茫然。所以在起初阶段查阅了大量的关于基于单片机控制的寻迹小车资料。去百度文库，中国知网，学校图书馆等地方查阅了大部分所要的资料。从一无了解到明白小车各个模块的设计、寻迹的原理（

4、左转，右转，还是直线前进） 。通过不同方案的对比，找到属于自己的设计方案。由此可见，知识还是成功的基石，没有前期的准备，就没有最后的收获。2.方案的设计与对比方案的设计与对比根据要求，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。 2.1 主控系统主控系统方案一：选用一片 CPLD（如 EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。

5、CPLD 具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用 VHDL 语言进行编写开发。但 CPLD 在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD 的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU 就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：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

6、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。 光电信息综合设计 第 5 页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 P89C52RA 单片机作为本设计的主控装置，52 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，更可贵的是 52 单片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，决定采用一片单片机，充分利用 STC89

7、C52 单片机的资源。2.2 电机驱动模块电机驱动模块方案一：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。方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案三：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。用单片机控制达林顿管使之工作

8、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。这种调速方式有采用 16 引脚 DIP 封装，其内部集成了双极型 H-桥电路，所有的开量都做成 n 型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正 光电信息综合设计 第 6 页反向时的静摩摩擦死区：低速平稳性好等。我选取第三种方案来实现循迹。2.3 寻迹模块寻迹模块方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测

9、，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二：采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。方案三：采用四只红外对管，两只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的两只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，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。现场

10、实测表明，小车在循迹过程中有一定的左右摇摆不定，但能够很成功的寻迹。我选取第三种方案来实现循迹。2.4 避障模块避障模块方案一：采用一只红外对管置于小车中央，其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。方案二：采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的几率很小，所以最终未采用。 光电信息综合设计 第 7 页方案三：采用超声波置于小车前端。通过测试此种方案就能很好的实现

11、小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。通过比较我采用方案三。2.5 机械系统机械系统和电源模块和电源模块驱动部分：由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、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。电池的安装：将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。简单，而三轮运动系统具备以上特点。电源模块方案一：采用 4 支 1.5V 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。方案二：采用 12V 蓄电池给单片机与电机供电可解决方案一

12、的问题且能让小车完成其功能。所以，我选择了方案二来实现供电。3.硬件设计硬件设计智能小车采用前后轮驱动，前后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。将循迹光电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。避障的原理和循线一样，在车身右边装一个光电对管，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号报警并控制车子倒退,转向，从而避开障碍物。直流电机的驱动：该驱动板可驱动2路直流电机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，控制方式及直流电机状态表如下所

13、示： 光电信息综合设计 第 8 页表 1 控制方式及直流电机状态表ENAIN1IN2直流电机状态0XX停止100制动101正转110反转111制动若要对直流电机进行PWM 调速，需设置IN1和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为0时，电机处于自由停止状态；当使能信号为1，且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动状态，阻止电机转动。驱动原理如图1。图 1 电机驱动电路3.1 寻迹检测电路寻迹检测电路TCRT5000 传感器的工作原理与一般的红外传感器一样,一传一感.TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管。当发射管的红外信号经反射被

14、接收管 光电信息综合设计 第 9 页接收后,接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电压的变化形式体现出来,而经过 ADC 转换或 LM324 等电路整形后得到处理后的输出结果。电阻的变化起取于接收管所接收的红外信号强度,常表现在反射面的颜色和反射面接收管的距离两二方面。硬件参考原理如图 2。图 2 驱动原理图3.2 信号检测模块信号检测模块小车循迹原理是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。笔者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

15、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，再通过 LM324 作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。避障亦是此原理。电路图如图 3。市面上有很多红外传感器，在这里我选用 TCRT5000 型光电对管 光电信息综合设计 第 10 页图 3 循迹原理图4.软件设计软件设计根据总体设计的思想及本系统实现的功能，在设计中完成以下功能。1、循迹模块主程序：由是否遇到黑线，测到光源，测到挡板产生信号的操作，信号返回到单片机，再通过单片机来实现相应的功能。2、电机驱动模块主

16、程序：主要用来控制两个直流减速电机，实现前进、后退、前左转、前右转、后左转、后右转、停止等功能。4.1 电机驱动程序电机驱动程序void forward_turn1()/电机 1 前进IN1=0;IN2=1;void reverse_return1()/电机 1 后退IN1=1;IN2=0;void forward_turn2()/电机 2 前进IN3=0;IN4=1; 光电信息综合设计 第 11 页void reverse_return2()/电机 2 后退IN1=1;IN2=0;4.2 循迹总程序循迹总程序总程序如下：#includesbit IN1=P10;/以下是点击驱动芯片 L298

17、 管脚位声明sbit PWM1=P11;sbit IN2=P12;sbit IN3=P13;sbit PWM2=P14;sbit IN4=P15;sbit RPR1=P16;/此处是传感器 RPR220 管脚位声明sbit RPR2=P17;int count1=0;/用于定时计数的两个全局变量位声明int count2=0;void forward_turn1()/电机 1 前进IN1=0;IN2=1;void reverse_return1()/电机 1 后退IN1=1;IN2=0;void forward_turn2()/电机 2 前进 光电信息综合设计 第 12 页IN3=0;IN4=

18、1;void reverse_return2()/电机 2 后退IN1=1;IN2=0;void speed1(int ct,int sd)/电机 1 速度控制函数，其中参数 sd 为生成PWM 波形的比较基准if(ct=sd)PWM1=1;elsePWM1=0;void speed2(int ct,int sd)/电机 2 速度控制函数，其中参数 sd 为生成PWM 波形的比较基准if(ct=1000)/周期是 1scount1=0;void time1()interrupt 3TH0=(65536-1000)/256;/定时 1msTL0=(65536-1000)%256;count2+;if(count2=1000)/周期是 1scount2=0; 光电信息综合设计 第 15 页结论结论整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。本系统能够基本满足设计要求，小车能够较快较平稳的沿着引导线行驶，但由于经验能力有限，该系统还存在着许多不尽人意的地方有待进一步