基于单片机的简易寻迹机器人设计 (毕业论文).doc

目录 摘 要 .i abstract ii 1.绪论 .1 1.1 课题背景 1 1.2 国内外的研究现状分析 1 1.3 课题研究的目的和意义 2 2.系统方案设计 .3 2.1 循迹原理 3 2.2 系统总体框图 3 2.3 轨迹检测模块 4 2.3.1 传感器模块 4 2.3.2 检测放大器方案 4 2.4 mcu 控制模块 6 2.5 电机及驱动模块 7 2.5.1 转向和动力 7 2.5.2 电动机模块 7 2.5.3 调速系统 8 2.5.4 电机驱动模块 9 2.6 电源模块 9 2.7 显示模块 .10 2.8 系统工作原理 .10 3.硬件设计 11 3.1 电源模块设计 .11 3.1.1 智能车电源设计要点 .11 3.1.2 低压差稳压芯片 lm2940 简介 .11 3.2 单片机最小系统设计 .12 3.3 前向通道设计 .14 3.4 后向通道设计 .20 3.4.1 后向通道简介 20 3.4.2 后轮电机驱动模块设计 21 4.软件设计 25 4.1 系统总体流程图 .25 4.2 pwm 调速简介以及实现 .26 4.3 程序的模块化设计 .27 4.3.1 小车循迹原理流程图 .27 4.3.2 定时器中断程序流程图 .29 4.3.3 部分程序设计 .30 5.仿真结果分析及结论 33 5.1 proteus 软件仿真结果 33 5.2 仿真结果分析 .35 6.结束语 36 致 谢 37 参考文献 38 附 件 39 文献综述 45 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 i 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总体方案设计、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。 该设计重点介绍循迹小车如何解决轨迹检测和路线跟随问题。系统以 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 st188 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：80c51 单片机、光电检测器、pwm 调速、电动小车 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 ii abstract intelligent vehicle is a new product of modern society， and product development based on intelligent vehicle has become a key equipment automation logistics transportation， flexible production organization system， research and development of intelligent vehicle is becoming the focus of attention. the design is a simple car auto tracing system based on single-chip microcomputer control， system design mainly includes design， as the scheme of hardware and software design， where each part adopts modular design makes the design principle， readable， easy to modify， extend. the design focuses on how to solve the problem of trajectory tracking car detection and route to follow problem. system uses at89c51 as the control core， using the timer t0 timer interrupt through pwm waveform generation， by adjusting the duty cycle control vehicle speed and steering. for tracing using infrared photoelectric sensor st188， and the pavement detection signals back to the scm， scm to analysis signal collected， timely control left and right wheel motor speed to adjust the car steering， so that the car can along the ring shaped black trajectory automatically， to achieve the purpose of automatic tracing. keyword: 80c51 microcontroller， photoelectric detector， pwm speed， electric car 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 1 1.绪论 1.1 课题背景 目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智 能车辆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。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设 计。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等 功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动 保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情 况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能 车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备: 1) 计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、 分析、识别等工作。 2) 摄像机，用来获得道路图像信息。 3) 传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前 方、侧方、后方障碍物等信息。 智能车辆作为移动机器人的一个重要分支正得到越来越多的关注。 1.2 国内外的研究现状分析 智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的 模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到 的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退， 比较先进的遥控车还能控制其速度，而智能小车，则可以通过计算机编程来实现 其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预，是一个集环境感知、规划 决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、 通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。 国外智能车辆的研究历史较长。它的发展历程大体可以分成三个阶段： 第一阶段 20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国barrett electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统agvs（automated guided vehicle system）。 第二阶段 从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有 成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目开始在这个领域的探索。在美洲，美国成 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 2 立了国家自动高速公路系统联盟（nahsc）。在亚洲，日本成立了高速公路先进 巡航/辅助驾驶研究会。 第三阶段 从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。 最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（carnegie mellon university）机器人 研究所一共完成了navlab系列的10台自主车（navlab1navlab10）的研究，取 得了显著的成就。 而我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且 大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面 的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一 系列的成果，主要有： 1) 中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年 研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。 2) 南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等 多所院校联合研制了7b.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光 雷达、陀螺惯导定位等传感器。 可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔 的前景。因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深课堂上学到的理论 知识，更能将理论转化为实际运用，为将来打下坚实的基础。 1.3 课题研究的目的和意义 目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对 特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现， 如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数 据的速度变得很快甚至可以达到实时处理。 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、执行部分、cpu。机器人要实现循迹功能，还可以扩展自动避障等功 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。 通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程 中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路， 采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识， 联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深 对控制理论的理解和认识。 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 3 2.系统方案设计 按照题目要求，本次设计的系统是利用主控芯片控制电机，通过相关传感器 对路面的轨迹信息进行检测，并将检测信号传输给控制器，然后控制器做出相应 的处理，实现小车的寻迹前行。设计的首要问题即解决路径检测和小车转向。 2.1 循迹原理 采用与地面颜色有较大差别的线条(例如白色路面上画一条黑色曲线)作引导 线，由于不同颜色对光线的反射系数不同，因此可根据反射光的强弱来判断路径 是否正确。 在该模块中可选用一种简单有效、应用较普遍的检测方法红外探测法 1。 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。 正是基于光电传感器对是否接收到反射信号所产生的电压信号原理，经过后 续电路处理来判断行车路径是否正确，通过单片机控制系统调节寻迹小车的转向 使其能够自动检测到引导线，并沿此引导线移动。 2.2 系统总体框图 根据设计要求，小车系统主要分为以下几个模块: 单片机控制模块、轨迹检 测模块、电机驱动模块。系统框架图如图2.1所示 电机驱动模块单片机 控制 模块 电机 轨迹检测模块 小车 图2.1 系统框架图 单片机控制系统相当于寻迹机器人的大脑，轨迹检测系统相当于寻迹机器人 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 4 的眼睛，电机系统相当于机器人的腿脚。由轨迹检测系统检测曲线的位置并输出 检测信息，对检测信息进行处理后将其输入到控制系统，控制系统根据输入信息 进行判断，并根据判断结果输出指令给移动系统，移动系统根据指令驱动寻迹机 器人左转、右转、前行等，从而实现寻迹功能。 2.3 轨迹检测模块 根据引导线与路面的反射系数不同，通过以光电传感器为核心的光电检测电 路对路面两种颜色进行区分，并将传感器信号转化为不同电平信号，将此电平信 号送单片机，由单片机控制转向电机作相应的转向，确保小车沿引导线行驶。 2.3.1 传感器模块 方案一：采用光敏电阻组成光敏传感器。光敏电阻原理简单，使用方便，价 格低廉，但受光照强度影响很大，可靠性不高。 方案二：采用角度传感器。实用角度传感器来测量车体水平方向和竖直方向 的角度，感测到的倾角信号经编码后传感给单片机，由单片机控制电动机的运行。 角度传感器灵敏度合适，响应速度好，但使用复杂，价格高昂，且不易购买。 方案三：采用光电传感器。光电传感器原理简单，实现方便，价格低廉，可 集发射器和接收器于一体。使用这类光电传感器电路简单，工作性能稳定，能完 成需要的信号检测功能。 考虑到小车和路面的相对位置，本设计选择方案三，采用红外线反射式光电 检测电路。选择st188红外光电传感器，它的特点是尺寸小、使用方便、工作状 态受温度影响小、工作较稳定、外围电路简单。 2.3.2 检测放大器方案 由于传感器的输出信号很微弱且带有噪音，因此必须先将该信号进行放大整 形，整成高低电平形式再供单片机读取，在放大电路上有以下三种方案可供选择： 方案一：使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格 低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。 方案二：采用差动放大电路。选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达 到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。例如，在测量本设计中的光电 检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 5 号具有相当强的抑制能力。这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。 但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和； 为获得单片机能识别的ttl电平却又无法抑制共模干扰。 方案三：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如 将一个信号电压ui和一个参考电压ur进行比较，在uiur和ui turn_left1，turn_right2 turn_right1 (其中 turn_left2，turn_left1， turn_right2 ， turn_right1为小车转向力度，其 大小通过改变单片机输出的占空比的大小来改变)，具体数值在实地实验中得到。 小车的具体运行状况如表4-1所示。 表4-1：小车运行状况表 左轮转速 左 2 传感 器 左 1 传感 器 右 1 传感 器 右 2 传感 器 右轮转速 运行方式 30 0 0 0 0 30 直行 5 0 1 0 0 50 左转 5 1 1 0 0 60 加速左转 50 0 0 1 0 5 右转 60 0 0 1 1 5 加速右转 0 其它 其它 其它 其它 0 停止 4.3.2 定时器中断程序流程图 利用51单片机的t0定时计数器，让单片机p2口的p2.4和p2.5引脚输出占空比 不同的方波， 然后经驱动芯片放大后控制直流电机。程序开始时，初始化定时 器to，设置定时定时计数器若干时间（本次设计采用0.1ms）中断一次， 就使p2.4 或p2.5产生一个高电平或低电平。中断程序流程图如图4.4所示 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 30 图 4.4 定时器中断程序流程图 4.3.3 部分程序设计 1) 延时子程序。制作一个延时子程序，让指令执行足够长的时间。 void delay_1ms(uint d) uint i; while(d-) for(i=0;i=100) t=0; th0=(65536-100)/256; tl0=(65536-100)%256; 3) 转向子程序。通过控制左右电机的转速来实现转向，即利用不同占空比 的 pwm 波控制左右轮的转速。 void qianjin( ) zkb1=30;zkb2=30; void turn_left1( ) zkb1=5;zkb2=50; void turn_left2( ) zkb1=5;zkb2=60; void turn_right1( ) zkb1=50;zkb2=5; void turn_right2( ) zkb1=60;zkb2=5; 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 32 4) 主程序。 void main( ) init( ); zkb1=30; zkb2=30; error1=1; start1=0; while(1) in1=1;in2=0;in3=0;in4=1; ena=1;enb=1; while(1) xunji( ); 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 33 5.仿真结果分析及结论 在本设计中主要利用keil软件进行程序的调试，生成.hex文件，通过 proteus电路仿真及程序调用实现联合仿真以观察实验效果。 5.1 proteus 软件仿真结果 利用proteus软件仿真设计。通过仿真试验程序和器件是否能完成设计的要 求。软件仿真可以随意修改源程序。利用proteus软件绘制仿真图，利用keil软 件将全部程序装换成hex类型，载入后仿真。 图 5.1 电机运行结果仿真图 p2.5p2.4p2.3 p2.2p2.1p2.0 in15 in27 ena6 out1 2out2 3 enb1 out3 13out4 14 in310 in412 sensa1 sensb15 gnd 8 vs4vc9 u2 l298 左 轮 右 轮 +6v p0. p0.3p0.2 p0.132 141u3:alm324 56 741u3:blm324 109 841u3:clm324 1213 1441u3:dlm324 5vr7 10k r810k r910k r1010k 左 1 左 2 右 1 右 2 r120 r1220 r1320 r1420 sw5sw-sptsw6sw-spt sw7sw-spt sw8sw-spt 87%rv21k 58% rv3 1k 65412u4 optocupler-np 65412u5 optocupler-np 65412u6 optocupler-np 65412u7 optocupler-np p0. 41%rv410kr46.k r210k r310k r510k r151k r1610k 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 34 图 5.2 四路光电传感器输入仿真图 1) 小车直走（未偏离黑色引导线），左右轮按相同速度转动，即左右轮的 pwm 波占空比相同。仿真结果如图 5.2。（黄色波形为左轮 pwm 波形，蓝 色为右轮 pwm 波形） 图 5.2 小车直行时的 pwm 波形 当左右两级传感器均未检测到黑线时，小车两轮的 pwm 波形占空比相同均为 30%，即左右轮以 30:30 的转速匀速前行。 2) 小车转向（偏离预设轨道），若左转则右轮相对于左轮转速增大，此时 右轮的 pwm 波占空比较左轮宽，其仿真图如图 5.3。 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 35 图 5.3 小车转向时的 pwm 波形 当右边第一级传感器检测到黑线时，小车左轮的 pwm 波形占空比提高到 50%，右轮的 pwm 波形占空比下降到 5%，即左右轮以 50:5 的转速实现右转。 测试方法与仪器： 1) 测试仪器 测试仪器包括数字万用表、信号发生器、示波器、mcs51 仿真机、直流稳压 电源等。 2) 测试方法 数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状 态等参数； 信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输； mcs51 仿真机用于测试软件； 直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电； 5.2 仿真结果分析 利用 kiel 进行程序调试，再通过 proteus 进行电路仿真，由仿真结果可知 当传感器检测电路检测到轨迹时，即仿真中对应开关闭合，单片机通过定时器中 断函数控制 p2.4 和 p2.5 输出相应 pwm 波形，由此控制电机转速，仿真中各功能 模块均能正常工作。 该设计在理想条件下仿真无误，即能够实现寻迹功能。在制作实物时须考虑 元器件所产生的误差，如温漂、电磁干扰、元器件自身与理论值的偏差，在选用 电阻时尽量选取可调电阻，以方便调试。 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 36 6.结束语 论文首先介绍了自动寻迹小车设计的背景和要求，讨论了小车实现的可能。 然后论文讨论了自动寻迹小车的结构，其主要由传感器模块，控制器模块和电动 小车模块组成，对各个模块的功能进行了介绍画出整体原理图。并对各个模块的 设计方案进行了对比分析，并确定了各个模块主要成分的设计方案。 论文对自动寻迹小车的系统进行了分析和设计，包括系统硬件分析、软件分 析。对小车的系统功能设计及模块划分做了进一步介绍。 硬件方面，针对自动寻迹小车的特点和对系统的功能要求，选用了红外线传 感器收集数据，选用 at89c51 作为控制器，选用了 l298n 作为直流电机的驱动芯 片。并对每个模块的功能和硬件组成进行了详细介绍，并画出了主要元器件的应 用原理图。展示小车自动寻迹全部实现细节，包括红外线传感器如何对路面情况 进行采集和传输，at89c51 如何查询路面情况并由此对电动机进行控制，小车如 何转弯等。 软件方面，画出程序流程图。利用 c 语言进行编程，使得程序具有可读性。 作者对整个程序经模块化划分，把整个程序划分成主程序定时子程序、障碍检 测程序寻迹子程序构成。使得程序具有了可移植性。 总的来说，此次毕业设计完成了任务书规定的各项要求，在学习 c 语言、 proteus 等的基础上，进一步学习并实践了程序编写、调试，原理图的制作， proteus 的软件仿真，成功的完成了设计。既学习了不少新的知识和技术，由亲 身体验软件设计、开发的过程，个人觉得收获颇丰。 当然，这次设计还只是一个初级产品，还可以从以下几方面进一步完善： （1）智能调速。 本系统中只实现了以较低的速度前进。若用 pwm，步进电机等实现小车，可 以使小车直道高速行驶，在弯道低速行驶。大大提高小车速度。 （2）多种传感器结合。 本系统中只用了红外线传感器。这对环境和路面有严格要求。可以把超声波 传感器、热红外传感器等加入系统，增加小车识别路面的能力，提高小车的实用 性。 （3）电源。 本设计使用的是 4 节普通 5 号电池供电。供电能力有限。且电动机和单片机 是同一电源。可以安装多电压电源，使电动机和单片机分开供电。 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 37 致谢 这次的毕业设计是在陈老师的悉心指导下完成的。从课题的选择、设计到论 文的撰写以至最终定稿，期间遇到很多很多问题，都得到了陈老师全力细心的指 导。在此，向陈老师表示衷心的感谢！ 感谢电子学院测控系的所有老师和领导多年来对我的培养、帮助，使本人在 本科学习中不仅学到了必备的专业知识技能和思考解决问题的方法，还学到了严 谨治学的科研精神和积极进取的人生态度。谢谢各位老师的精心培养，热心帮助 和鼓励。 感谢陈老师所带毕业设计小组的所有同学，正是大家衷心的鼓励和热情的帮 助，才使我能够顺利地完成本次设计。 同时，感谢测控专业的所有同学，给我创造了一个团结进取，充满温暖，充 满爱的大集体，使我快乐而且充实地渡过了人生中最美好的大学时光。 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 38 参考文献 1王化祥，张淑英.传感器原理及应用m.天津：天津大学出版社，1999 2李群芳.单片微型计算机与接口技术m.北京：电子工业出版社，2001 3 宋健，姜军生，赵文亮. 基于单片机的直流电动机 pwm 调速系统j . 农 机化研究，2006 ， (1) :102 - 103. 4 边春元，李文涛，江杰，杜平. c51 单片机典型模块设计与应用.机械工业出 版社；2008.4 5 李华. mcs- 51 系列单片机实用接口技术m.北京:航空航天大学出版社， 2003 6 楼然苗.51 单片机设计实例m.北京:航空航天大学出版社，2005.8 7 王晶，翁显耀，梁业宗 自动寻迹小车的传感器模块设计.武汉理工大学自动 化学院 湖北武汉 8 刘迎春. 传感器原理设计与应用m . 长沙:国防科技大学出版社，1992. 9 何立民，单片机应用系统设计，北京：航天航空大学出版社，25，4650 10 李广弟，单片机基础，北京：北京航空航天大学出版社，2001，5664 11 jierey j，radar c m，radar c m，gold b.a digital frequeney synthesizer. ieee trans on audio eltroacountj，1971，august1971:4857 12 陈伯时，电力拖动自动控制系统，第二版，北京:机械工业出版社，2000 年 6 月，127130 13altera corporation. cyelone device handbookz，1999:307345 14advanced digital design with the verilog hdl by michael d.ciletti.publishing house of electronics industryz，2004:46165 15 何希才，新型实用电子电路 400 例，电子工业出版社，2000 年，6065 16 赵负图，传感器集成电路手册，第一版，化学工业出版社， 2004，590591 17 张毅刚，彭喜元，新编 mcs-51 单片机应用设计，第一版，哈尔滨工业大学 出版社，2003，2527，411417 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 39 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 40 附件 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int unsigned char zkb1=0 ; /*左边电机的占空比*/ unsigned char zkb2=0 ; /*右边电机的占空比*/ unsigned char t=0; /*定时器中断计数器*/ sbit rsen1=p10; sbit rsen2=p11; sbit lsen1=p12; sbit lsen2=p13; sbit in1=p20; sbit in2=p21; sbit in3=p22; sbit in4=p23; sbit ena=p24; sbit enb=p25; sbit start1=p26; sbit error1=p27; /*延时函数*/ void delay_1ms(uint d) uint i; while(d-) for(i=0;i=100) t=0; th0=(65536-100)/256; tl0=(65536-100)%256; /*直行*/ void qianjin() zkb1=30; zkb2=30; /*左转函数 1*/ void turn_left1() zkb1=5; zkb2=50; /*左转函数 2*/ void turn_left2() zkb1=5; zkb2=60; 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 42 /*右转函数 1*/ void turn_right1() zkb1=50; zkb2=5; /*右转函数 2*/ void turn_right2() zkb1=60; zkb2=5; /*出错*/ void turn_error() ea=0; et0=0; tr0=0; zkb1=0; zkb2=0; while(1) start1=1; error1=0; ena=0; enb=0; /*循迹函数*/ void xunji() uchar flag; if(rsen1=1) /*直行*/ else if(rsen1=0) /*左偏 1，右转 1*/ else if(rsen1=0) /*左偏 2，右转 2*/ else if(rsen1=1) /*右偏 1，左转 1*/ else if(rsen1=1) /*右偏 2，左转 2*/ else flag=5; switch (flag) case 0:qianjin(); break; case 1:turn_right1(); break; case 2:turn_right2(); break; case 3:turn_left1(); break; case 4:turn_left2(); break; case 5:turn_error(); break; default: break; /*主程序*/ void main() init(); zkb1=30; zkb2=30; error1=1; start1=0; while(1) in1=1; /*给电机加电启动*/ in2=0; in3=0; 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 44 in4=1; ena=1; enb=1; while(1) xunji(); /*寻迹*/ 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 45 p0.p0.1p0.2p0.3 p0. p0.3 p2.5p2.4p2.3p2. p2.1p2.0p2.0 p2.1p2.p2.3p2.4 p2.5 xtal1 xtal2 rst p0.2 p0.1 rst xtal2xtal1xtal218xtal19 ale30ea31psen29 rst9 p0./ad039p0.1/a138p0.2/ad237p0.3/a336 p0.4/ad435p0.5/a534p0.6/ad63p0.7/a732 p2.7/a1528 p2.0/a821p2.1/a92p2./a1023p2.3/a124 p2.4/a1225p2.5/a1326p2.6/a1427 p1.01p1.2p1.23p1.34 p1.45p1.56p1.67p1.78 p3.0/rxd10p3.1/tx1p3.2/int012p3./it113 p3.4/t014p3.7/rd17p3.6/w16p3.5/t115 u1 80c51 rk x1crystalc130pc2 30p in15i27 ena6 out12out23eb1 out313out414in310i412sensa1 sesb15 gnd8 vs4vc9 u2 l298 d1led-redd2led-gren r6250 32 14 1 u3:a lm324 56 7 4 1 u3:b lm324 109 84 1 u3:c lm324 1213 144 1 u3:d lm324 5v r710k r810k r910k r1010k 左 轮 右 轮 左 1 左 2 右 1 右 2 +6v r120 r1220 r1320 r1420 sw5sw-spstsw6sw-spst sw7sw-spst sw8sw-spst 87% rv2 1k 5 8%rv31k 65 4 12u4 optocoupler-npn 65 4 12u5 optocoupler-npn 65 4 12u6 optocoupler-npn 65 4 12u7 optocoupler-npn p0. 41% rv4 10k r46.k r210k r310k r510k r151k r1610k crs 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 46 基于单片机的简易寻迹机器人综述 （何金星） 摘 要：智能汽车在智能运输系统中扮演着十分重要的角色，针对在有导航线环 境下自主寻迹问题，介绍了有关电磁场检测，ccd 传感器，摄像头检测路径的原 理设计和实现方案。小车完成的主要功能是能够自主识别黑色引导线并根据黑线 走向实现快速稳定的寻线行驶。 关键词：智能车，路径识别，自动寻迹 abstract：smart car in the intelligent transportation system plays a very important role, for the autonomous tracing line navigation environment problem, introduces the related electromagnetic detection, ccd sensor and camera testing path, the principle of design and implementation scheme. completed cars main function is to be able to independently identify black guide line and according to the black line to achieve rapid and stable line. keywords: intelligent vehicle, path identification, automatic tracing 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 47 1 引言 车辆和我们的社会生活息息相关，然而当今车辆的智能化发展还不是很迅速， 特别是在安全性，智能性，车与路之间交互信息等方面当今的车辆技术与未来 的智能车辆技术还存在着巨大的差距。几天的汽车工程师正面临着巨大的挑战， 需要在新旧技术之间建立一座桥梁，通过应用先进的电子技术，信息技术，电子 通信技术推动车辆技术的进步。 智能车辆是当今车辆工程领域研究的前沿，它体现了车辆工程、人工智能、 自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋 势。本文所述的智能寻迹模型车系统采用几种方式识别道路中央黑色的引导线， 自动控制小车前进和转向，从而实现快速稳定的寻线行驶。为保证智能车在行驶 过程具有良好的操稳性和平顺性，控制系统对转向舵机控制和直流电机驱动控制 提出了较为理想的解决方案。为了在比赛中取得良好的成绩，我们更加关注此智 能车对弯直道的判断，从而实现安全过弯，快速通过直道。 为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小 车的构想，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获 得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。所以立 “寻线智能小车系统设计与调试”一题作为毕业设计来锻炼自己巩固自身知识修 养。 1)智能技术的应用及发展趋势 如今知识工程、计算机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨论 智能系统，人们要求系统变得越来越智能化。显然传统的控制观念是无法满足人 们的需求，而智能控制与这些传统的控制有机的结合起来取长补短，提高整体的 优势更好的满足人们的需求。随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的 迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。计算机控制与电子技术融合为电 子设备智能化开辟了广阔前景。 2) 直流电机概述 直流电机在当今生活的各方面应用越来越广泛，直流电机的调速控制是电机 应用的一个重要技术保障。直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过 载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。 目前，直流电机调速控制方法很多，随着计算机进入控制领域以及新型的电 力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation，简称 pwm)2已成为直流电动机新的调速方式。这种调速方法 具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 48 种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，硬件比较简单，运算速度快，精度 高，因此具有很好的发展前景。本设计采用单片机产生 pwm 脉宽信号来控制直流 电机的转速。 2 路径检测方案 2.1 电磁场检测 智能寻迹车采用通电导线产生的电磁场进行引导。使用路径导航的交流电流 频率为 20khz，产生的电磁波属于甚低频（vlf）电磁波。使用磁场信号引导车 4 沿一定轨迹行走的优点主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性，不受光线、 温度、湿度等环境因素的影响。根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产 生交变的电磁场。导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布，如图 2.1 所示， 通过检测相应电磁场的强度和方向即可获得检测装置相对指引导线的空间位置。 图 2.1 电流周围的电磁场 由毕奥萨伐尔定律知：通有稳恒电流 i 长度为 l 的直导线周围会产生磁场， 距离导线为 r 处点 p 的磁感应强度为 由此得： 本文顺着电流方向竖直放置电磁场检测线圈，这是由于对于放置在导线上方 处的、与导线水平距离为 x 的线圈中产生的感应电动势大小与线圈水平位置有关。 ?di?21sin4u0 tmau1704?co2104?ri 重庆理工大学毕业设计 基于单片机的简易寻迹机器人设计 49 采用单个线圈时，感应电动势 e 是位置 x 的偶函数，只能反映到水平位置的绝对 值 x 的大小，无法分辨方向。文中设计使用相距长度为 l 的两个感应线圈，计算 两个线圈感应电动势的差值，设定 l300mm，两个线圈电动势差值 ed 与位置 x 之间关系如图 2.2 所示。信号 ed 经放大，送至 a/d 转换器，控制系统按照标定 曲线即可识别指引导线的位置。 图 2.2 感应电动势差值 ed 与位置 x 之间的函数 2.2 ccd 传感器 路径识别模块采用 320 线黑白 ccd 摄像头作为赛道黑线的检测元件。利用