基于MCS-51单片机系统——智能小车报告.doc

智能小车报告制作人：许晓建、林文舜制作时间：2010年11月13日星期六摘 要（关键词：智能小车 AT89S52 单片机 红外线发射/接收管 TIP41/42c）智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能电动车就是其中的一个体现。本次设计的简易智能电动车，采用AT89S52单片机作为小车的检测和控制核心；采用红外线发射/接收管来检测路上黑线，从而把反馈到的信号送单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车在各区域按预定的速度行驶，并且单片机选择的工作模式不同也可控制小车顺着S形黑线行驶；采用tip41/42c三极管作为电机的控制机构；采用lm340t5作为稳压机构。本设计结构涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科，具有高度的智能化、人性化，是机电一体化技术的产物。制作智能小车为机电一体化专业学科的学生学习和掌握机电一体化技术有很大的帮助，对机电一体化专业学科的学生进一步巩固已学知识加深已学知识起到促进作用，引导和激励学生实事求是、刻苦钻研、勇于创新、多出成果、提高素质，发现和培养一批在学术科技上有作为、有潜力的优秀人才。目录 车模结构介绍 研究项目介绍 赛道及比赛规则 电源及稳压机构介绍 关于电机驱动 关于舵机驱动 关于赛道检测方式 最佳路线问题 单片机模块及最小系统介绍 智能车系统程序 致谢 参考文献 附录车模结构介绍车模调校的主要参数 ：后倾角 、外倾角 、前束 、减震弹簧预紧力研究项目介绍 汽车动态分析 车速控制系统 方向控制系统 赛道检测系统 电子控制系统 策略规划系统 行为决策系统 数据传输系统赛道及比赛规则赛道材料： KT板、高密度、白色、0.5厘米厚。中心黑线： 为黑色即时贴经过裁减而成。用指定车模沿黑线跑两圈取单圈最快者为胜。电源及稳压机构介绍电池:电压：1.26=7.2 v、容量：2000mAh放电曲线（在3A的大电流放电条件下得到的结果）正确充电：推荐使用比赛选配的充电器。该充电器是为玩具电池设计的廉价的充电器，内部没有智能充电控制电路，只能采用恒功率充电模式，最大充电电流为700mA，平均充电电流300mA，涓流充电电流小于100mA，充电时间约为10小时。正确放电： 由于镍镉电池具有记忆效应，对电池的不完全放电将会人为的降低电池的电容量； 从放电曲线可以看出，随着电池电量的减少，其电压也会逐渐降低，当电压降低到某个阈值后继续放电，电池电压将很快的跌落。这个阈值就是电池的放电下限电压。厂家给出了放电下限电压为6V。因此，在使用时，建议在动力车的电源设计中加入电池保护电路，当电池电压低于6V时切断电路，用来保护电池。如果没有保护电路，要注意，电池接通时人不要离开。因为当电池电压降到接近6V时，电池已经给不出多少电流，已经没有能力驱动电机了，此时一定要及时断开电路，到了给电池充电的时候了。稳压电路：一号端输入7.2-8.5v电压，在3号端输出5v电压，用作单片机、路劲检测、舵机的供电。关于电机驱动电机特性：驱动电路 图4.12中所示为直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4.12 H桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图4.14 H桥驱动电机逆时针转动关于舵机驱动伺服马达原理与控制1、 伺服马达内部结构伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低 伺服马达内部结构图2、伺服马达的工作原理伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：伺服马达工作原理图减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。3、如何控制伺服马达标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格，下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系：4、伺服马达的电源引线电源引线有三条，如图中所示。伺服马达三条线中白色的线是控制线，接到控制芯片上。中间的是SERVO工作电源线（红色），一般工作电源是5V。第三条是地线。5、伺服马达的运动速度伺服马达的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变，例如，我们可把动作幅度为90o的转动细分为128个停顿点，通过控制每个停顿点的时间长短来实现0o90o变化的平均速度。对于多数伺服马达来说，速度的单位由“度数/秒”来决定。 6、使用伺服马达的注意事项除非你使用的是数码式的伺服马达，否则以上的伺服马达输出臂位置只是一个不准确的大约数。 普通的模拟微型伺服马达不是一个精确的定位器件，即使是使用同一品牌型号的微型伺服马达产品，他们之间的差别也是非常大的，在同一脉冲驱动时，不同的伺服马达存在10o的偏差也是正常的。 正因上述的原因，不推荐使用小于1ms及大于2ms的脉冲作为驱动信号，实际上，伺服马达的最初设计表也只是在45o的范围。而且，超出此范围时，脉冲宽度转动角度之间的线性关系也会变差。 要特别注意，绝不可加载让伺服马达输出位置超过90o的脉冲信号，否则会损坏伺服马达的输出限位机构或齿轮组等机械部件。舵机电机调速原理及如何加快电机速度 常见舵机电机一般都为永磁直流电动机，如直流有刷空心杯电机。直流电动机有线形的转速-转矩特性和转矩-电流特性，可控性好，驱动和控制电路简单，驱动控制有电流控制模式和电压控制两种模式。舵机电机控制实行的是电压控制模式，即转速与所施加电压成正比，驱动是由四个功率开关组成H桥电路的双极性驱动方式，运用脉冲宽度调制（PWM）技术调节供给直流电动机的电压大小和极性，实现对电动机的速度和旋转方向（正/反转）的控制。电机的速度取决于施加到在电机平均电压大小，即取决于PWM驱动波形占空比（占空比为脉宽/周期的百分比）的大小，加大占空比，电机加速，减少占空比电机减速。所以要加快电机速度：1、加大电机工作电压；2、降低电机主回路阻值，加大电流；二者在舵机设计中要实现，均涉及在满足负载转矩要求情况下重新选择舵机电机。舵机控制死区、滞环、定位精度、输入信号分辨率、回中性能的认识每一个闭环控制系统由于信号的振荡等原因，输入信号和反馈信号不可能完全相等，这就涉及到控制死区和滞环的问题，系统无法辨别输入信号和反馈信号的差异范围就是控制死区范围。舵机自动控制系统由于信号震荡、机械精度等原因造成控制系统在控制死区范围外的小范围老是做调整，为使舵机在小范围内不对震荡做调整，这就需要引入滞环的作用了。滞环比控制死区大，一般控制死区范围为0.4%，滞环可设置为2%，输入信号和反馈信号的差值在滞环内电机不动作，输入信号和反馈信号的差值进入滞环，电机开始制动-停止。定位精度取决于舵机系统的整体精度：如控制死区、机械精度、反馈电位器精度、输入信号分辨率。输入信号分辨率指舵机系统对输入信号最小分辨范围，数码舵机输入信号分辨率大大优于模拟舵机。回中性能取决于滞环和定位精度。关于赛道检测方式本小车采用光电管阵列进行路径探测本小车采用的路径探测电路最佳路线问题单片机模块及最小系统介绍本小车采用AT89S52单片机作为处理器。智能车系统程序ORG 0000HLJMP STARTORG 000BH ;中断入口LJMP T0INTORG 0030H;START:MOV SP,#2FH ;中断堆栈入口MOV R1,#200 ;舵机信号20msMOV R2,#15 ;舵机高电平时间（转向角度）MOV R3,#50 ;马达PWM周期5ms（太大了会引起电机抖动）MOV R4,#20 ;马达PWM高电平时间（转速）MOV 11H,#15 ;舵机角度的暂存地址（可自己定义），赋值R2MOV 12H,#20 ;马达速度的暂存地址（可自己定义），赋值R4MOV 13H,#0FFHMOV TMOD,#02H ;8位自动填充计时器0MOV TH0,#048HMOV TL0,#048HSETB EA ;开中断SETB ET0SETB TR0;扫描传感器KEY:MOV 10H,P1 ;对比传感器的数据有无变化MOV A,R5CJNE A,10H,KEY0SJMP KEYKEY0:MOV R5,10H ;把传感器的数据给R5KEY1:CJNE R5,#11110000B,KEY2 ;将传感器数据与已知数据对比，可知小车所处的状况MOV 11H,#19 ;舵机转向数值MOV R7,#15 ;刹车时间（可调）LCALL SHACHE ;调用刹车子程序MOV 12H,#15 ;转弯速度（可调）LJMP KEY ;返回扫描传感器KEY2:CJNE R5,#10000111B,KEY3 ;以下同上MOV 11H,#11MOV R7,#15LCALL SHACHEMOV 12H,#15LJMP KEYKEY3:CJNE R5,#11100000B,KEY4MOV 11H,#19MOV R7,#15LCALL SHACHEMOV 12H,#15LJMP KEYKEY4:CJNE R5,#10000011B,KEY5MOV 11H,#11MOV R7,#15LCALL SHACHEMOV 12H,#15LJMP KEYKEY5:CJNE R5,#10110000B,KEY6MOV 11H,#19MOV R7,#15LCALL SHACHEMOV 12H,#15LJMP KEYKEY6:CJNE R5,#10000110B,KEY7MOV 11H,#11MOV R7,#15LCALL SHACHEMOV 12H,#15LJMP KEYKEY7:CJNE R5,#11000000B,KEY8MOV 11H,#19MOV R7,#10LCALL SHACHEMOV 12H,#20LJMP KEYKEY8:CJNE R5,#10000001B,KEY9MOV 11H,#11MOV R7,#10LCALL SHACHEMOV 12H,#20LJMP KEYKEY9:CJNE R5,#10100000B,KEY10MOV 11H,#18MOV R7,#5LCALL SHACHEMOV 12H,#25LJMP KEYKEY10:CJNE R5,#10000010B,KEY11MOV 11H,#12MOV R7,#5LCALL SHACHEMOV 12H,#25LJMP KEYKEY11:CJNE R5,#10010000B,KEY12MOV 11H,#17MOV 12H,#30LJMP KEYKEY12:CJNE R5,#10000100B,KEY13MOV 11H,#13MOV 12H,#30LJMP KEYKEY13:CJNE R5,#10001000B,KEY14MOV 11H,#15MOV 12H,#35KEY14:LJMP KEY;刹车子程序SHACHE:MOV 12H,#1 ;电机正转高电平时间为0MOV 13H,#00H ;对应中断中的刹车识别 SHACHE1:MOV R6,#200 ;计时累计20msSHACHE2:CJNE R6,#00H,$ ;判断是否达到20msDJNZ R7,SHACHE1 ;刹车时间等于20ms乘以R7MOV 13H,#0FFH ;去除刹车识别RET ;子程序返回;T0INT:DEC R6 ;对应刹车子程序，每100us减1DJNZ R1,SB1 ;判断是否达到20msSETB P0.0 ;舵机高电平MOV R1,#200 ;赋值MOV A,11HMOV R2,ASB1:DJNZ R2,SB2 ;判断时间CLR P0.0 ;舵机低电平MOV R2,#255 ;赋值，在20ms内不动作SB2:MOV A,13HCJNE A,#00H,SB3 ;判断是否在执行刹车CLR P0.1 ;禁止正转（重要）SETB P0.2 ;电机反转