智能小车寻轨.doc

目录1.引言32.任务分析32.1单片机控制模块的选定42.2驱动电机模块的选定42.3寻迹传感器模块的选定43.方案初步设计53.1红外寻迹传感器53.2采用PWM调速的直流电机53.3 CPU引脚的设定73.4整体设计84.软件设计94.1 智能小车系统总体流程94.2 智能小车驱动部分流程105.调试和测试116.总结11参考文献121.引言根据题目要求，本系统采用STC89C51单片机作为核心控制芯片，设计制作了一款通过红外光电传感器检测路径信息的智能寻迹小车。本系统由单片机控制模块、寻迹传感器模块、驱动电机模块组成。实际应用表明，该小车可以在专门设计的场地上实现自主识别路线，自主行进转弯，最终到达终点。本设计通过采用STC89C51单片机为控制核心，实现对小车的智能控制。该控制系统不仅在智能小车中有很强的实用价值，在汽车应用、智能机器人等方面都有很强的实用价值，尤其是在机器人研究方面具有很好的发展前景。所以本设计与实际相联系，具有重要的现实意义。关键词：单片机 小车 引导控制 传感器2.任务分析整个电路分为驱动电机模块、寻迹传感器模块、单片机控制模块三个模块。首先利用红外对路面信号进行探测，经过处理之后，送给单片机控制模块进行实时运算，输出相应的信号给驱动电机模块驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。系统方案框图如图1.2所示。图1.2 系统设计方案框图2.1单片机控制模块的选定考虑到整个系统的简单、方便性，控制模块采用STC89C51作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。而且STC89C51有很强的扩展性，使用简单，灵活性高且价廉。所有我们直接采用STC89C51作为主控芯片。2.2 驱动电机模块的选定采用直流电机作为该系统的驱动电机 直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。而且改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的行进状态。对于直流电机的速度调高，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。与其它调速系统相比，PWM调速系统有下列优点：1. PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。2. 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点3由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。4主电路简单，所用功率元件少。5低速性能好，稳定精度高，调速范围宽。2.3 寻迹传感器模块的选定采用红外光电对管，由于只需分辨黑白，红外光电对管有一个管发射红外线一个用于接收红外线，当红外线照射到黑线上时不会发射回来，当红外线照射到白色的地方就会返回，光电对管发射的同时也能接收红外信号，整个检测设备简单，稳定性高，速度快。缺点是检测距离短，优点是成本低，易于操作。3.方案初步设计3.1 红外寻迹传感器该智能灭火小车在画有黑线的路面上行驶，由于黑线和路面对光线的反射系数不同，可根据接收到反射红外线的强弱来判断“道路”黑线。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：利用红外线在不同颜色的物理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，如果红外光遇到地面时则发生漫发射，反射光被装在小车上的红外接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的红外接收管接收不到红外信号。传感器的选择：市场上用于红外探测法的器件较多，可以利用反射式传感器外接简单电路自制探头，也可以使用结构简单、工作性能可靠的集成式红外探头。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。RPR220价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了RPR220红外反射传感器作为红外光的发射和接收器件。经过多次测试、比较，发现把RPR220传感器安装在距离检测物表面68毫米时，检测效果最好，因为5毫米以下是它的检测盲区，而大于10毫米则很容易受另外的光电管的干扰。红外寻迹传感器原理图如图2.2所示。3.2 采用PWM调速的直流电机脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator，简称PWM，由于它的特殊性能，常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(1)，要么完全无(0)。电压或电流源是以一种通(1)或断(0)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。脉宽调制（PWM），控制方式就是采用脉冲宽度调制技术，其工作原理是：通过改变“接通脉冲”的宽度，使直流电机电枢上的电压的“占空比”改变，从而改变电枢电压的平均值，控制电机的转速。因此，我们可以通过单片机，生成固定频率的脉冲信号，通过改变脉冲信号中的“占空比”来控制电机的转速。PWM控制可分为单极性调制和双极性调制两种方式，为了实现直流伺服系统的H型单极模式同频PWM可逆控制，一般需要产生四路驱动信号来实现电机的正反转切换控制。当PWM控制电路工作时，其中H桥一侧的两路驱动信号的占空比相同但相位相反，同时随控制信号改变并具有互锁功能；而另一侧上臂为低电平，下臂为高电平。图2.2 红外寻迹传感器原理图图中可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，可方便的调节传感器的灵敏度。用此电路作为传感器检测与调理电路。路径识别方案：小车脱离轨道时，根据红外感应器的状态，做出相应的转向的调整，直到中间的红外感应器重新检测到黑线再恢复正向行驶。现场实测表明，虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆，但只要控制好行驶的速度就可保证车身基本上接近于沿轨道行驶。3.3 CPU引脚的设定如图所示，CPU的P1.2/1.6控制小车的左侧电机，P1.5/P1.6控制小车的右侧电机；P1.3/P1.4输出PWM信号，控制小车电机的转速；左P0.1 中P0.2 右P0.3为循迹传感器输入信号。下面是各引脚在含义：1. 循迹传感器：左P0.1 中P0.2 右P0.32. PWM信号：P1.3/P1.43. 电机控制：左P1.2/1.7 右P1.5/P1.6引脚设定图如图2.7所示。图2.7 引脚设定图电机转动表如表2.2所示。表2.2 电机转动表左电机右电机P1.2P1.7含义HEXP1.5P1.6含义HEX00000001前转101前转110后转210后转211停止311停止33.4 整体设计小车左右两轮为驱动轮，后万向轮为支撑轮。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动，车体后部装一个万向轮。小车的整体设计图如图2.8所示。图2.8 小车整体设计图车由三个寻迹传感器组成寻迹模块，用于检测黑白线，当中间的寻迹传感器压线时表示小车没有偏航，左右轮转速相同向前行进；当左边的寻迹传感器压线时表示小车向右偏航，这时要调节左轮的转速，使小车向左转；当右边的寻迹传感器压线时表示小车向左偏航，这时要调节右轮的转速，使小车向右转。4.软件设计在进行微机控制系统设计时，我们根据单片机的具体情况使用Keil C51软件，采用主流设计语言C语言对单片机进行编程实现各项功能。C语言功能丰富，表达能力强，目标程序效率高，可移植性好，既具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，应用十分广泛。4.1 智能小车系统总体流程此部分是小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用，具有导向和决策的功能。程序控制流程图如图3.1所示。图3.1 控制流程图系统总体流程是：小车进入驱动后，即先判断是否有寻轨信号返回，一旦检测到有信号，着从出发点沿着黑白线前进。程序不停的判断信号和行进的线路，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态，使小车按照规定的线路寻找到终点。4.2 智能小车驱动部分流程驱动模块程序首先采集寻迹传感器传回的信号，判断当前小车所在的位置，如果小车正好在线上，则小车继续前进；如果小车左侧压线，说明小车偏左，则小车右拐前进；如果小车右侧压线，说明小车偏右，则小车左拐前进；如果小车没有检测到黑线，说明前面没有路，则小车停止；如果小车三个传感器都检测到黑线，说明小车走到终点，则停止。驱动模块程序流程图如图3.3所示。图3.3 驱动模块5调试和测试1测试仪器贴有黑色引导线轨迹模拟跑道。2测试方法将小车放在跑道上，打开小车的电源，让小车接受到寻轨信号，并让小车自动驱动，到达终点。3测试数据及测试结果分析测试显示，在小车的直线运行过程中，小车会出现左右摇摆的现象，如下所示。（1）小车是初始角度的测试显示，小车的初始角度偏移越小，小车在运行中就越稳定。（2）通过用PWM调速，结果显示，小车的车速减小时，小车的稳定性提高。（3）在小车检测到偏移时有两种方案调节小车的角度：方案1，偏离侧车轮停止，偏移侧车轮前进；方案2，偏离侧车轮后退，偏移侧车轮前进。6.总结历经几个月的设计，从最初的资料查找、方案设计，经过最基本的电路设计、调试过程，再到软件设计、测试，我学习了单片机系统设计的整个过程。从传感器信号的处理，到单片机接收并处理信号，再到输出信号至外部系统，通过该作品的设计制作，使我更好的了解了各类传感器，掌握了光电三极管的使用，并熟悉了单片机的中断和定时器的控制，掌握了大功率驱动芯片LM339的使用，程序中对各种任务的合理安排，使整体系统能够更好的协同工作，增强了自己的动手能力，更好的熟悉的了解了一个单片机系统的开发过程。测试结果表明，本系统实现了设计任务要求，小车采集红外寻迹传感器信号探测线路，并根据单片机控制模块的分析结果决策和控制下一步的运动形式。该控制系统运用了单片机、红外寻迹传感器，直流电机，PWM调速等技术，基本实现了智能小车的要求。但是本系统中还存在着不足：小车的直线行进的稳定性未得到很好的解决，通过测试小车在直线行走时与小车的初始角度、小车的速度、小车的转弯，我认为小车的稳定性可能还与红外探测器之间的间距、黑带宽度的比值、小车的惯性等有关。学习的过程中虽然遇到很多困难，但经过努力克服了困难解决了问题，最终完成了设计。通过这次课程设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，同时也是对大学三年的学习成果的一个综合检验。这几个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。参考文献1胡健主编.单片机原理及接口技术实践教程M.北京:机械工业出版社,2004 2吴建平.殷战国.曹思榕.李坤垣 红外反射式传感器在自主式寻迹小车导航中的应用 J 中国测试技术2004(6) 3童诗白,华成英 主编.模拟电子技术基础(第4版) 高等教育出版社4万永伦，丁杰雄.一种机器人寻线控制系统.电子科技大学学报，20