基于单片机控制的循迹小车比赛论文.doc

小组名称（智能车组）末日方舟组长胡奥组员李文钊组员韩甲宝指导人三英卓越电子协会比赛论文哈尔滨理工大学第五届“电子设计大赛”技术报告基于单片机控制的智能循迹小车设计报告摘要 本系统是通过红外检测器采集道路信号，以单片机STC12C5A60S2为控制核心，与L298一起控制电机，使智能小车按照比赛中所设计的赛道上行驶，即在跑道中智能的进行转弯、排除干扰，顺利地通过整个赛道。它要求实时采集传感器信号，智能分析路径信息，自动实现方向控制.小车在整个跑道行驶中，利用红外检测器所检测到跑道上的信号传送到单片机，再通过单片机对步进电机控制，实现小车车轮的转动，进而控制小车的前进、转弯、停止等状态。本系统的模块主要有：红外循迹模块、单片机最小系统模块（控制器模块）、电源模块、L298芯片驱动步进电机模块。关键词：智能小车 单片机 红外传感 步进电机 Abstract The system is through the infrared detector acquisition road signal with the single chip processor of STC12C5A60S2 as a control core, SCM and L298 together control the motor, so that it makes intelligent car drive on the track designed according to thecompetition . that is the intelligence car can runway, turn around obstructions and through the whole circuit smoothly .It needs to Acquire sensor data signal at anytime and analysisy the path information intelligently and realize the direction control automatically . In the entire runway the car uses infrared detector to detect the signals sent to the chip microcomputer and then controls the stepping motor through the monolithic integrated circuit to realize the car wheel rotation so that the car can realizes some functions like moving forward ,turnning around and stoping and so on. The system consists of the following modules : the tracing module, the single-chip microcomputer infrared followed the smallest system module (controller module), the power modules and stepping motor module with the chip of L298. Key words: Intelligent car SCM Infrared sensor Stepping motor目 录1. 任务概述.11.1作品简介.11.2详细功能列表.11.3总体简易关系图.11.4方案论证.12. 硬件电路描述.22.1电源模块.22.2驱动模块.32.3循迹模块.52.4控制模块.63. 软件描述.63.1接口说明.63.2操作流程.64. 综合调试.75. 总结.85.1智能小车的研究意义与前.85.2制作的心得体会.85.3更远发展的设想.96. 参考书.97. 附录.10 2任务概述主要包含以下要素：作品简介（概述）、（函数说明书可以不提供）、功能详细列表等。摘要：循迹小车是系统控制以单片机为核心, 通过对前向通道红外传感器信号，较好地实现了后向通道驱动及转向电机的运动控制和相关信息的处理.通过电源模块、驱动模块、循迹模块实现黑色线条轨道的寻踪。详细功能列表：智能小车共分四个模块: 电源模块、驱动模块、控制模块、循迹模块。 电源模块：由12伏电源供电，运用LM2596,LM1117实现降压，达到供其他模块工作的目的。驱动模块：由控制模块对其控制，从而实现对车轮的控制。循迹模块：由5个红外灯不断地发出接收信号，从而实现对黑线条的循迹。控制模块：由单片机实现对其它各模块的控制。总体简易关系图：控制模块循迹模块驱动模块电源模块方案论证：（1）小车循迹时遇到如下图形时程序调用延时函数，使小车能停下来。 方案一：程序编写时遇到上图时，按推理应5个灯同时能检测到低电平，因此编程时当5个灯同时检测到低电平时调用停止函数并延时。方案二：由于小车可能不会正正好好的到达横线，也许会倾斜，这样就不能5个灯同时检测到低电平，当小车检测到最左面两灯同时检测到高电平或最右面两灯同时检测到高电平时小车调用停止函数并延时。方案比较：方案一的想法过于完美，5个灯同时接收到高电平的条件过于死板，不容易达到，因此容易出错，遇到上图轨迹时不易停下来。相比于方案一，方案二更具灵活性，为上图轨迹的停止提供了更大的可能性。（2）小车循迹时遇到锐角弯儿。方案一：按推理当中间灯与左（右）外侧灯同时检测到低电平时，进行拐弯。方案二：由于小车可能会左（右）偏离轨迹，所以就应该让内侧右（左）灯或中间灯与外侧左（右）灯同时检测到低电平，进行拐弯。方案比较：方案一想的过于理想化，程序死板，容易出错。相比于方案一，方案二更具有实际操控能力，提高了小车转弯成功的几率。（3）小车循迹时遇到十字线。方案一：当小车遇到十字线时，按推理，应该让小车继续向前走，因此编程时当5灯同时检测到低电平时调用前进函数。方案二：由于小车过十字线遇到一线时，与停止线情况重合，这样程序就会产生矛盾。 因此当5个灯同时检测到低电平时继续往前走一段，直到五个灯同时检测到高电平则调用停车函数，或直到内侧左右灯或中间灯检测到低电平时调用前进函数。方案比较：方案一想的太不周全，没有考虑到小车整个行进过程中的各种复杂情况。相比方案一，方案二能处理更多复杂路面，为小车成功通过十字线提高了几率。硬件电路描述主要包含以下要素：硬件开发环境（包含产品标配与选配清单）、软件开发环境、各个硬件电路原理图、模块介绍等。一、电源模块电路板1LM11171LM259614.7K电阻4二极管3220uf8100nf810K电位器3LED1开关1插头插座套件1排针若干电源模块原理图：1-1电源模块选择12伏的蓄电池作为小车的供电所设备，通过LM2596,LM1117将其转换成所需电压，达到对其它模块供电的目的。二、驱动模块裸板L298N二极管排针5pin排针2pin11823L298N 2-1 2-2 L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大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以下的电机。以下是L298的内部原理图：L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，上图中6V为逻辑电源，12V为动力电源。J4接入逻辑电源，J6接入动力电源，J1与J2分别为单片机控制两个电机的输入端，J3与J5分别与两个电极的正负极相连。ENA与ENB直接接入6V逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过J1与J2两个接口。由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。以下是二项励磁顺序表：STEPA0BA1B116进制11000821100C301004401106500102600113700011810019三、循迹模块裸板LEDLM358电位器203红外对管电阻151电阻103电容100nf电容10uf 排针7pin1535555111(1) 红外探头工作原理当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么途中光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较其输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机的I/O 口，当I/O 口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了；同理，当I/O 口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。(2) 传感器的安装正确选择检测方法和传感器件是决定寻迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是寻迹电路好坏的一个重要因素。从简单、方便、可靠等角度出发，同时在底盘装设5个红外反射式光电传感器，进行两级方向纠正控制，将大大提高其寻迹的可靠性，具体位置分布如图4-1 所示：X2X1zY1Y2 4-1 图4 -1红外探头的分布图图中光电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，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持如图所示的行走轨迹黑线，在X1 和Y1 这两个第一级传感器之间，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理，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，则小车会继续前进；第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动进行纠正，从而提高了小车寻迹的可靠性。四、控制模块裸板蜂鸣器USB接口电容100ufLF10193ASTC12C5A60S2晶振发光二极管排针5pin排针2pin1112112231以单片机STC12C5A60S2为核心，通过烧进去的程序对其它各个模块进行控制、处理。为其它模块功能的实现提供数据源。 STC12C5A60S2实物图： 5-1软件描述主要包含以下要素：接口说明、跳线说明、操作流程等。接口说明：电源模块:由12伏电源供电，运用LM2596,LM1117实现降压，达到供其他模块工作的目的。驱动模块: 通过控制模块的P10、P11、P12、P13、 P14、P15、P16、P17运用芯片L298N分别对L(IN1、IN2、IN3、IN4)和R(IN1、IN2、IN3、IN4)进行控制。且由电源提供6伏的驱动电机电源和5伏的控制电源。循迹模块: 通过控制模块的P20、P21、P22、P23、P24分别对五个红外感光灯进行控制。且由电源提供5伏控制电源。操作流程：开始 发出接收红外线控制模块处理数据小车转动直到收到信号循迹寻踪轨道 综合调试调试过程以及出现的问题等。调试过程：电源模块、驱动模块和控制模块通过连接后观察其是否能正常工作即可，如果不能正常工作检查线路是否正常。循迹模块通过调节电位器观察红外探头是否发光，连接后是否能正常工作。问题一：将前走的程序烧进控制模块中时，小车不能直走。分析：小车行走跟控制模块和驱动模块有关以及车轮有关。解决方案：检查模块和检测轮子转速以及车轮是否安得不恰当（车轮倾斜）。结果:发现轮子的转速不同，及电机的转速不同，更换电机后可以直走。问题二：LM2596很烫手，电池仅能用12分钟。分析：可能是电池坏了。也可能是有短路的现象出现。解决方案：换一块电池或用万用表检测个模块，观察是否有短路。结果：发现控制模块的STC12C5A60S2的VCC与GND短路。修正后正常。问题三：锐角弯不知该怎样编程。分析：当轨道是锐角时（如下图），小车循迹模块的5个灯中有中间灯或内侧左灯与外侧右灯收到低电平，而外侧左灯收到高电平。解决方案：当小车循迹模块的5个灯中有中间灯或内侧左灯与外侧右灯收到低电平，而外侧左灯收到高电平，小车调用右拐函数。 结果:小车可以实现拐弯。问题四：循迹模块内侧左灯亮，但从黑纸上移动到白纸上输出电压无变化，调节电位器仍不管用。分析：灯亮，说明灯是好的，电位器可能坏了，也许是运放坏了。解决方案：判断电位器好坏时，调节电位器时，观察灯亮暗是否有变化。判断运放时，换一块运放试试，看是否正常。结果：电位器出问题了，换了一块电位器，情况正常了。总结结果分析：小车有循迹轨道时循迹，没有时可执行前进。如果小车遇到十字路口时或小车遇到停止线时，执行ahead();delayms(80);语句，这样就可以继续判别怎样走。这样小车就能成功的跑完整个赛道，达到比赛的要求。智能小车的研究意义与前景:随着计算机技术、控制技术、信息技术的快速发展，工业的生产和管理进入了自动化、信息化和智能化的时代，智能化已经成为时代发展的需要。在自动化生产线智能仓储管理及物流配送等领域中，当生产现场环境恶劣时，人工不能完成的任务如物料运输和装卸等，可采用智能循迹小车完成相应任务。因此基于生产现场和日常生活的实际需要，研究和开发循迹小车具有十分重要的意义。该项目的研究可以应用于机车头灯自动寻迹、工厂自动化、仓库管理、智能玩具和民用服务等领域，可提高劳动生产效率，改善劳动环境。制作的心得体会：在整个智能循迹小车的制作阶段，我们学到了许多有关单片机的知识以及团队合作的重要性，也明白了学好了课本上的知识而没有实际的动手能力也是不行的。虽然在焊件时将手烫伤过，调试硬件、软件调试不出来烦躁过，但没放弃过。制作小车需要的不仅仅是兴趣，更多的是耐心。刚开始时，由于第一次焊件，我们焊接的循迹模块并没有想象的那样，可以正常循迹。经过一个一个的调试，一遍又一遍的检查，最后终于可以实现正常循迹。看到小车能够沿着轨道正常的行驶，那种成就感更是我们今后学习的不竭动力。虽然实体焊接时已经有了电路图，在焊接过程中，我们还是遇到了很多问题，刚开始时，对焊接很不熟悉，焊接器件往往达不到要求，许多时候都有虚焊，对于芯片焊接，还经常引脚粘连在了一起，但在不断焊接中，我们终于可以达到焊接要求完成焊接。由于在掐杜邦线时，学长热心指导，很清晰的看到整个操作，我们也很快完成了杜邦线制作。组装好车体，我们进行了硬件调试，由于在前面刚开始时我们焊接的不是特别好，红外循迹模块调试费了很大功夫，但经过不懈努力，我们完成了硬件调试。最困难的要数软件编程了，起初毫无头绪，但凭借着以前的少许积累和最近看了的书籍知识，我们三人最终攻克了编程的难关。其中，我们学到了许多编程上的小技巧，例如，模块思想，渐变思想，自编函数思想等等。这些将来定会为将来的学习及工作奠定一定的基础。当然最要感谢的还属三英电子协会的朋友们，有了他们的悉心教导，我们才能不断进步，对电子设计大赛保持一个火热的心。其实参加此次比赛，获奖并不是我们的初衷，我们只是想通过比赛学到一些课堂上接触不到的知识，丰富我们的课余生活。无论此次是否能过初赛，我们对电子设计的心不会减热，在这条电子设计的道路上，让我们一起进步，共同进取！更远发展的设想： （1） 该车的速度不是很快，如果有可能可以使其正常时能提速，在拐弯处能适当减速进行拐弯,实现又快又稳行走。（2）程序执行速度些慢，如果将单片机换成ARM板，也许会达到更好的效果。参考书籍（1）马忠梅.单片机的c 语言应用程序设计M. 北京:北京航空航天大学出版社，2007（2）陈永甫.红外探测与控制电路M. 北京:人民邮电出版社，2004.（3）李华等.MCS-51 系列单片机实用接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社，2003.（4）王晓明.电动机的单片机控制M.北京:北京航空航天大学出版社，2002.（5）来清民.传感器与单片机接口及实例M. 北京:北京航空航天大学出版社，2008. （6）李建忠.单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学，2002年.（7）阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，1997年.（8）吴运昌.模拟电子线路基础著M.广州：华南理工大学出版社，2004年.附录程序#include typedef unsigned char uint8;typedef unsigned int uint16; sbit xj1=P20;sbit xj2=P21;sbit xj3=P22;sbit xj4=P23;sbit xj5=P24; /循迹模块连接到控制模块uint8 t; /定义全局延时变量l_w_go(uint8 i) /左轮前进一步函数switch(i)case 0x10:i=0x30;break;case 0x30:i=0x20;break;case 0x20:i=0x60;break;case 0x60:i=0x40;break;case 0x40:i=0xc0;break;case 0xc0:i=0x80;break;case 0x80:i=0x90;break;case 0x90:i=0x10;break;default:break;return i;l_w_back(uint8 i) /左轮后退一步函数switch(i)case 0x90:i=0x80;break;case 0x80:i=0xc0;break;case 0xc0:i=0x40;break;case 0x40:i=0x60;break;case 0x60:i=0x20;break;case 0x20:i=0x30;break;case 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