自动循迹小车毕业设计

1、xxxxxx学院之答禄夫天创作创作时间：二零二一年六月三十日xxx系xxx 专业 xx 级结业设计（论文）姓名xx 学号 xxxxxxxx 指导教师（签名）xxx二。年 月曰烟台工程职业技术学院结业设计（论文）诚 信 承 诺 书自己慎重许诺：我所撰写的设计（论文）是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或剽窃他人的论文或功效.如有剽窃、 剽窃，自己愿意为由此引起的后果承当相应责任.结业论文（设计）的研究功效归属学校所有.学生（签名）年 月曰目录错误!未定义书签。摘要：2一.任务要求4（一）任务4系统设计方案5（一）小车循迹原理5（二）控制系统总体设计6系统方案7（一）寻迹传感器模块7红外传感器ST1

2、88简介7比力器LM324简介8具体电路9传感器装置10（二）控制器模块11（三）电源模块13（四）机电及驱动模块14机电14驱动14（五）自动循迹小车总体设计16总体电路图16系统总体说明18软件设计18（一）PWM控制18（二）总体软件流程图19（三）小车循迹流程图19（四）中断法式流程图21（五）单片机测序22五.致谢.25六.参考资料27自动循迹小车摘要：本设计是一种基于单片机控制的简易自动寻迹小车系统，包 括小车系统构成软硬件设计方法.小车以AT89C51为控制核心， 用单片机发生PWM波，控制小车速度.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

3、对收 集到的信号予以分析判断,及时控制驱念头电以调整小车转向，从创作时间：二零二一年六月三十日而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹的目的.关键词：单片机AT89C51光电传感器 直流机电 自动循迹小 车前言随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人 关注.全国电子年夜赛和省内电子年夜赛几乎每次都有智能小车这 方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究.可见其研究意 义很年夜.本设计就是在这样的布景下提出的，指导教师已经有充 沛的准备.本题目是结合科研项目而确定的设计类课题.设计的智 能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻 迹、寻光、避障功能，可程控行驶

4、速度、准确定位停车.根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础 上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电 动车的速度、位置、运行状况的实时丈量，并将丈量数据传送至 单片机进行处置，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.本设计采纳MCS- 51系列中的80C51单片机.以80C51为控制核心，利用超声波传 感器检测路途上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行 驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻 迹和寻光功能.80C51是一款八位单

5、片机，它的易用性和多功能性 受到了广年夜使用者的好评.它是第三代单片机的代表.第三代单片机包括了 Intel公司发展MCS-51系列的新一代产 物，如 8xC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8xC451、8 x C452, 还包括 了 Philips、Siemens ADM、Fujutsu、OKI、Harria- Metra、ATMEL等公司以80C51为核心推出的年夜量各具特色、与 80C51兼容的单片机.新一代的单片机的最主要的技术特点是向外 部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任, 将一些外部接口功能单位如A/D、PWM、PCA（可编程计

6、数器阵列） 、WDT（监视按时器）、高速I/O 口、计数器的捕捉/比力逻辑等.这 一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方 式.Philips公司还为这一代单片机80C51系列8x6592单片机引 入了具有较强功能的设备间网络系统总线一一CAN（ControllerArea Network BUS）.新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的 扩展与配置打下了良好的基础.任务要求（一）任务设计一个基于直流机电的自动寻迹小车，使小车能够自动检测 空中黑色轨迹，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（

7、黑一件控制驱念头电一*控制小车图1-1系统方案方框图系统设计方案（一）小车循迹原理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分歧，可以根据接收到的反射光的强 弱来判断“路途”.通常采用的方法是红外探测法.红外探测法，即利用红外线在分歧颜色的物体概况具有分 歧的反射性质的特点，在小车行驶过程中不竭地向空中发射红外 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.小车供电后，红外

8、光电二极管发出红外光，光线照在路面上反 射回来被光电二极管接收，半导体二极管在电场作用下发生电势, 将光信号转换成电信号.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分歧，可根据接收到 的反射光的强弱来判断“路途”一一黑线.当小车检测到黑线时，红外线部份被黑线吸收，反射回的红 外线极少被光电二极管接收，转换成比力弱的电信号；当小车未 检测到黑线时，红外线年夜部份被反射，反射回的红外线被光电 二极管接收，转换成比力强的电信号.最终，这些电信号经过比力 器处置后传入单片机，再由单片机进一步做信号处置.（二）控制系统总体设计自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源

9、模块、 红外检测模块、机电及驱动模块等部份组成,控制系统的结构框图 如图2-1所示.1、1、整个系统主要由主控中心（单片机）、复位电路、时钟电路、按键控制电路、数码管显示电路及LED模仿交通信号灯电路等功 能模块组成.遇到特殊情况时可以通过按键电路控制实时交通实际 情况，系统框图如图1所示.2、红外检测模块：光电传感器ST188,比力器LM324红外线光电传感器（简称光电传感器，又称光电开关）是通 过把光强度的变动转换成电信号的变动来实现控制的.光电开关是 传感器年夜家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变 动转化为电流的变动以到达探测的目的.由于光电开关输出回路和 输入回路是电隔离的（

10、即电缘绝），所以它可以在许多场所获得 应用.3、机电及驱动模块:机电驱动芯片L298N、两个直流机电L298N是SGS公司的产物，内部包括4通道逻辑驱动电路. 是一种二相和四相机电的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压 年夜电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动 46V、2A以下的机电.其引脚排列如图1中U4所示，1脚和15脚 可独自引出连接电流采样电阻器，形成电流传号.L298可驱动2 个机电，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电念头.5、 7、10、12脚接输入控制电平，控制机电的正反转，ENA, ENB接 控制使能端，控制机电的停转.在许多场所获得应用.4

11、、电源模块：双路开关电源模块电源是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其 特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处置器（DSP）、微 处置器、存储器、现场可编程门阵列（FPGA）及其他数字或模拟 负载提供供电.一般来说，这类模块称为负载点（POL）电源供应 系统或使用点电源供应系统（PUPS）.由于模块式结构的优点甚多， 因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通 讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等.系统方案（一）寻迹传感器模块ST系列反射式光电传感器是经常使用的传感器.这个系列的传 感器种类齐全、价格廉价、体积小、使用方便、质量可靠、用途 广泛.我们

12、采纳ST188作为红外检测传感器.在黑线检测的测试中，若检测到白色区域，发射管发射的红 外线没有反射到接收管，丈量接收管的电压为4. 8V,若检测到黑 色区域，接收管接受到发射管发射的红外线，电阻发生变动，所 分得的电压也就随之发生变动，测的接收管的电压为05V，测试 基本满足要求.判断有无黑线我们用的一块比力器LM324，比力基准电压由 30K的变阻器调节，各个接收管的参数都纷歧致，每个传感器的比 力基准电压也不尽相同，我们为每个传感器配备了一个变阻器.1.红外传感器ST188简介含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极 管）.通过发射红外信号，看接收信号变动判断检测物体状态的变

13、 动.A、K之间接发光二极管，C、E之间接光敏三极管（二者在电路 中均正接，但要串连一定阻值的电阻）图3-1 ST188实物图图3-2 ST188管脚图及内部电路LM324为四运放集成电路，采纳14脚双列直插塑料封装.内部 有四个运算放年夜器，有相位赔偿电路.电路功耗很小，工作电压 范围宽，可用正电源330V，或正负双电源1. 5V15V工作.在黑线检测电路中用来确定红外接收信号电平的高低，以电 平高低判定黑线有无.在电路中，LM324的一个输入端需接滑动变 阻器，通过改变滑动变阻器的阻值来提供合适的比力电压.图3-3 LM324内部电路图 3-4 集成运放的管脚图通过ST188检测黑线，输出

14、接收到的信号给LM324 ,接收电 压与比力电压比力后，输出信号酿成高低电平，再输入到单片机 中，用以判定是否检测到黑线.图3-5传感器模块电路图在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确 定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两 级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性.这4个红外探头的具体位 置如图3-6所示.图3-6传感器装置图图中循迹传感器全部在一条直线上.其中X1与Y1为第一级方 向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，而且黑线同一 边的两个传感器之间的宽度不得年夜于黑线的宽度.小车前进时， 始终坚持（如图3-6中所示的行走轨迹黑线）在X1和Y1这两个

15、第一级 传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线， 把检测的信号送给小车的处置、控制系统，控制系统发出信号对 小车轨迹予以纠正.若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测 到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过年夜依旧偏离轨 道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级探测器举 措，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去.可以看 出，第二级方向探测器实际是第一级的后备呵护，从而提高了小 车循迹的可靠性.（二）控制器模块采纳Atmel公司的AT89C51单片机作为主控制器.它是一个 低功耗，高性能的8位单片机，片内含32k空间的可反复擦写 100,000次Flash

16、只读存储器，具有4K的随机存取数据存储器 （RAM）, 32个I/O 口，2个8位可编程按时计数器，且可在线编程、调试，方便地实现法式的下载与整机的调试.时钟电路和复位电路 如图3-7 （与单片机构成最小系统）1）采纳外部时钟，晶振频率为12MHZ.没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行法 式代码，单片机就无法工作.单片机工作时,是一条一条地从 RoM中取指令,然后一步一步地执行.单片机访问一次存储器的 时间,称之为一个机器周期，这是一个时间基准.一个机器周期 包括12个时钟周期.如果一个单片机选择了 12MHz晶振，它的 时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12X（1/12

17、）us，也就 是1us. MCS51单片机的所有指令中，有一些完成得比力快， 只要一个机器周期就行了，有一些完成得比力馒，得要2个机 器周期，还有两条指令要4个机器周期才行.为了衡量指令执 行时间的长短，又引入一个新的概念：指令周期.所谓指令周期 就是指执行一条指令的时间.提供时序的频率！提供单片机 工作的时序,其实就相当于你电脑CPU主频一个原理的.2）采纳按键复位.单片机的复位有上电复位和按钮手动复位两种.如图（a）所 示为上电复位电路，图（b）所示为上电按键复位电路.上电复位是利用电容充电来实现的，即上电瞬间RST真个电位 与VCC相同，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降.图（a）

18、 中的R是施密特触发器输入真个一个10K下拉电阻，时间常数为 10X10-6X10X103=100ms.只要VCC的上升时间不超越1ms,振 荡器建立时间不超越10ms,这个时间常数足以保证完成复位把持. 上电复位所需的最短时间是振荡周期建立时间加上2个机器周期 时间，在这个时间内RST的电平应维持高于施密特触发器的下阈 值.上电按键复位（b）所示.当按下复位按键时，RST端发生高电 平，使单片机复位.复位后，其片内各寄存器状态改变，片内RAM 内容不变.由于单片机内部的各个功能部件均受特殊功能寄存器控制，法 式运行直接受法式计数器PC指挥.各寄存器复位时的状态决定了 单片机内有关功能部件的初

19、始状态.另外，在复位有效期间（即高电平），80C51单片机的ALE引 脚和 引脚均为高电平，且内部RAM不受复位的影响.图要点一下检查年夜图才清楚哦Q（n_n）o向左转|向右转图3-7时钟电路和复位电路（三）电源模块电源采纳双路开关电源.明伟牌D-30W双路开关电源.输出 （5V、 12V）.实物图如图3-8所示.图图3-8双路开关电源该开关电源尺寸为129X98X38mm，交流输入转换由开关选择, 具有过流短路呵护功能，能自冷散热.低价位、高可靠.输入电压范围85132VAC/175264VAC，4763Hz开关 选择；冲击电流冷起动电流15A/115V 30A/230V；直流电压可调范围额

20、定输出电压的10%;启动、上升、坚持时间200ms, 100ms,30ms；,历时一分钟；工作温度、湿度10C+60C, 20%90%RH；平安标准 符合CE标准；EMC标准符合CE标准；表1型号输出差值范围效率D-30A2%50mV72%3,-7%100mV（四）机电及驱动模块机电采纳直流减速机电，直流减速机电转动力矩年夜，体积小, 重量轻，装配简单，使用方便.由于其内部由高速电念头提供原始 动力，带动变速（减速）齿轮组，可以发生较年夜扭力.可选用减速比为1： 74的直流机电，减速后机电的转速为100r/min.若车轮直径为6cm,则小车的最年夜速度可以到达V=2 n r 能够较好的满足系统

21、的要求.驱动模块采纳专用芯片L298N作为机电驱动芯片，L298N是 一个具有高电压年夜电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片 L298N可以分别控制两个直流机电.以下为L298N的引脚图和输入 输出关系表.图3-9 L298N外部引脚表2 L298N输入输出关系驱动电路的设计如图3-10所示：图3-10 L298N机电驱动电路L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单 片机的编程就可实现两个直流机电的PWM调速控制.（五）自动循迹小车总体设计图3-11总体电路图如图3-11所示，当光电传感器开始接受信号，通过比力器将 信号传如单片机中.小车进入寻迹模式，即开始不竭地扫描与探

22、测 器连接的单片I/O 口，一旦检测到某个I/O 口有信号变动，就执 行相应的判断法式，把相应的信号发送给电念头从而纠正小车的 状态.单片机采纳T0按时计数器，通过来发生PWM波，控制机电 转速.软件设计4.1 PWM控制本系统采纳PWM来调节直流机电的速度.PWM是通过控制固定电 压的直流电源开关频率，从而改变负载两真个电压，进而到达控制 要求的一种电压调整方法.PWM可以应用在许多方面，如机电调速、 温度控制、压力控制等.在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断 开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长 短.通过改变直流机电电枢上电压的“占空比”来改变平均

23、电压的 年夜小，从而控制电念头的转速.因此，PWM又被称为“开关驱动装 置”.在脉冲作用下，当机电通电时，速度增加；机电断电时,速度逐 渐减少.只要按一定例律,改变通、断电的时间，即可让机电转速获 得控制.本系统中通过控制51单片机的按时器T0的初值，从而可以 实现P0.4和P0.5输出口输出分歧占空比的脉冲波形.按时计数器 若干时间（比如0.1ms）中断一次，就使P0.4或P0.5发生一个 高电平或低电平.将直流机电的速度分为100个品级，因此一个 周期就有个100脉冲，周期为100个脉冲的时间.速度品级对应一 个周期的高电平脉冲的个数.占空比为高电平脉冲个数占一个周期 总脉冲个数的百分数.

24、一个周期加在机电两真个电压为脉冲高电压 乘以占空比.占空比越年夜，加在机电两真个电压越年夜，机电转 动越快.机电的平均速度即是在一定的占空比下机电的最年夜速度 乘以占空比.当我们改变占空比时，就可以获得分歧的机电平均速 度，从而到达调速的目的.精确地讲，平均速度与占空比其实不是 严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关 系.4.2总体软件流程图小车进入寻迹模式后，即开始不竭地扫描与探测器连接的单 片I/O 口，一旦检测到某个I/O 口有信号变动，就执行相应的判 断法式，把相应的信号发送给电念头从而纠正小车的状态.软件的 主法式流程图如图4-1所示：N是否完玉成部 任务？是否完本

25、钱次 任务？YY任务计数器归零_1N_循迹子函数N是否完玉成部 任务？是否完本钱次 任务？YY任务计数器归零_1N_循迹子函数系统初始化结束开始图4-1主法式流程图小车进入循迹模式后，即开始不竭地扫描与探测器连接的单 片机I/O 口，一旦检测到某个I/O 口有信号，即进入判断处置法 式，先确定4个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面第一 级传感器或者左面第二级传感器探测到黑线，即小车左半部份压 到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是右面第一 级传感器或右面第二级传感器探测到了黑线，即车身右半部压住 黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转.在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，

26、并继续探测黑线重复上述举措.循迹 流程图如图4-2所示图4-2循迹流程图由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个品级间的转向 力度必需相互配合.第二级通常是在超越第一级的控制范围的情况 下发生作用，它也是最后一层呵护，所以它必需要保证小车回到 正确轨迹上来，则通常使第二级转向力度年夜于第一级，即 Turn_left2 Turn_left1,Turn_right2 Turn_right1 （其 中 Turn_left2, Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1 为小车 转向力度，其年夜小通过改变单片机输出的占空比的年夜小来改 变），具体数值在实地实验中获得.,

27、然后经驱动芯片放年夜后控制直流机电.按时计数器若干时 间（比如0.1ms）比如中断一次，就使P0.4或P0.5发生一个高 电平或低电平.中断法式流程图如图4-3所示#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*左边机电的占空比/*左边机电的占空比*/*右边机电的占空比*/*按时器中断计数器*/unsigned char zkb2=0unsigned char t=0;sbit RSEN1二P0;sbit RSEN2=P1;sbit LSEN1二P2;sbit LSEN2=P3;sbit IN1=P0”0;sbit I

28、N2=P0”1;sbit IN3=P0”2;sbit IN4=P0”3;sbit ENA=P04;sbit ENB=P05;/* 延时函数 */void delay(int z)( while(z-); /* 初始化按时器，中断 */void init()( TMOD=0 x01;TH0=(65536-100)/256;TL0=(65536-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;/* 中断函数+脉宽调制 */void timer0() interrupt 1( if(tzkb1)ENA=1;elseENA=0;if(t=100)t=0;/* 直行 */void qianjin()

29、( zkb1=30;zkb2=30;/* 左转函数 1*/void turn_left1()( zkb1=0;zkb2=50;/*左转函数 2*/void turn_left2()(zkb1=0;zkb2=60;/* 右转函数 1*/void turn_right1()( zkb1=50;zkb2=0;/*右转函数 2*/void turn_right2()( zkb1=60;zkb2=0;/* 循迹函数 */void xunji()( uchar flag;if(RSEN1=1)&(RSEN2=1)&(LSEN1=1)&(LSEN2=1)( flag=0; /* 直行 */elseif(RS

30、EN1=0)&(RSEN2=1)&(LSEN1=1)&(LSEN2=1)( flag=1; /* 左偏 1,右转 1*/elseif(RSEN1=0)&(RSEN2=0)&(LSEN1=1)&(LSEN2=1)( flag=2; /*左偏 2,右转 2*/elseif(RSEN1=1)&(RSEN2=1)&(LSEN1=0)&(LSEN2=1)( flag=3; /*右偏 1,左转 1*/elseif(RSEN1=1)&(RSEN2=1)&(LSEN1=0)&(LSEN2=0)( flag=4; /*右偏 2,左转 2*/switch (flag)( case 0:qianjin();brea

31、k;case 1:turn_right1();break;case 2:turn_right2();break;case 3:turn_left1();break;case 4:turn_left2();break;default: break;/ /*X* *X* *X* *X* I-* / I . . A *X *X* *X* *X *X* *X* *Jx *X *X* *X* *Jx *X *X* *X* / /*土法式*不*不不*不不*不不*不不*/void main() init();zkb1=30;zkb2=30;while(1)( IN1=1; /* 给机电加电启动 */IN2=

32、0;IN3=1;IN4=0;ENA=1;ENB=1;while(1)( xunji(); /* 寻迹 */本论文是在张华老师的指导下完成的.在智能小车系统的 设计、调试及论文的写作过程中，他给予了无数的指导和年夜 力的支持.他不单教了我知识还教了我治学的态度，那就是严 谨，把知识酿成己有，弃其糟粕留其精华，用自己的方式去解 决问题，而不是人云亦云.由于对硬件这方面比力感兴趣，尤 其对单片机这块.张老师可谓我的启蒙老师，他那套共同的编 程分析理念对我的影响颇为深刻，那就是软件与硬件分离、功 能自力、功能分层、分时处置与实时处置、充沛利用C语言的 宏界说.这改变了我以前编程时想到哪编到哪没有一点思

33、绪的 编程方式，编程前理出框架这一理念对我经后的学习必有很年 夜帮手.由于刚接触单片机，问题特别多，从硬件的认识到软 件的理解，都碰到了很多的问题.每次张老师和院凯学长总是 悉心的指导并提出了很多贵重的意见和建议，张老师还通过授 课的方式教会了我们很多知识，在他循循善诱的悉心教诲、无 微不至的关怀和指导下，我对基于单片机智能循迹小车的设置 理念和运作过程都了解得非常清楚.对我论文的完成也提供了 不小的帮手.在此再次向张老师和院凯学长暗示忠心的感谢.在结业设计中，我学会了对本专业所学的一些理论知识 的应用，学会了在应用中发现问题和解决问题的方法，加深 了对专业知识的撑握和理解，所取得的这些进步都与老师们 的仔细、耐心指导分不开.他们的严谨、细心、勤奋的工作态 度也给我留下了深刻印象，对我以后的学习工作有很好的指 导作用.在此，对老师暗示衷心的感谢.在系统设计、调试阶段，获得了陈文湘同学、蔡汝斌同 学等一些同学的帮手，在这里也暗示感谢.在结业设计的过程 中和同学们的讨论