基于c语言感应小车巡线控制系统的设计

I基于c语言感应小车巡线控制系统的设计摘要：本次设计的重点是介绍怎样解决智能小车地轨迹检测，路线跟随的问题。系统以基于c语言的AT89C51为控制核心，用定时器T0通过定时器的中断产生的PWM波形，调整占空比来控制小车转向和速度。用红外光电传感器ST188对黑线进行检测，将探测得到的信号及时的反馈给单片机，对得到的信号进行解析，控制小车左右轮的电机的转速来调整小车的转向，使小车能够方便的沿着黑色轨迹行驶，来达到寻迹的目的。关键词：80C51单片机,光电检测器,PWM调速,电动小车IIBasedonclanguagedesignofthecontrolsystemofinductionpatrolcarAbstract：Thefocusofthisdesignistointroducehowtosolvetheintelligentcartrackdetection,pathtofollow.SystembasedonclanguageofAT89C51asthecontrolcore,usingthetimerT0PWMwaveformproducedbytimerinterrupt,adjustthedutyratiocontrolthecarsteeringandspeed.ST188withinfraredelectricsensortotesttheblackline,willgetthesignaldetectionandtimelyfeedbacktothesingle-chipmicrocomputer,parsedtogetthesignal,controlthecarwheelaroundthemotorspeedtoadjustthecarssteeringandmakethecarcaneasilyalongtheblacktrack,toachievethepurposeoftracing.Keywords:80c51microcontroller、Photoelectricdetector、Theelectriccar、PWMspeedIII目录1绪论.11.1课题背景.11.2国内外的现状分析.11.3课题研究的目的和意义.22系统方案设计.22.1循迹原理.22.2系统总体框图.32.3轨迹检测模块.32.3.1传感器模块.32.3.2检测放大器方案.42.4电机及驱动模块.52.4.1动力和转向.52.4.2电动机模块.62.4.3调速系统.62.4.4电机驱动模块.72.5主控制器.72.6电源模块.72.7显示模块.72.8系统工作原理.83.硬件设计.83.1电源模块设计.93.2单片机最小系统设计.93.3前向通道设计.103.4后向通道设计.153.4.1后向通道简介.153.4.2后轮电机驱动模块设计.154.软件设计.174.1系统总体流程图.17IV4.2PWM调速简介以及实现.184.3程序的模块化设计.184.3.1小车循迹原理流程图.194.3.2定时器中断程序流程图.20结论.22参考文献.23致谢.24附录.2501绪论1.1课题背景目前，在生产技术不断上升、对自动化控制技术的要求不断加深的环境下，智能车与在智能车的基础上发明出的物品已经成了自动化物流运输等系统的重要部分。许多国家都进行智能车的研究和设计。智能车是一种集合多辅助，感知环境，驾驶一体的系统。有自己报警、自己启动和停止运动、自己识别道路中的障碍、巡航车速的控制、自己和别的车主动保持安全的距离等功能。智能车辆在原先车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备:1)摄像机来获取道路图像信息。2)计算机的处理系统是实现对来源于摄像机所得得图像预处理、识别、分析、增强等工作。3)车速传感器和传感器设备用来获得现在的车速。1.2国内外的现状分析未来的发展是智能车，据从前给好的模式自动进行工作，达到自己想要的目的。它和遥控小车不一样，人去控制遥控小车前进和后退，控制它的方向和的启动和停止。智能车两由C语言的设定程序来控制它的前进方向、行进的快慢和它的启动和停止。外国智能车的研究历史相对来说较长。它的发展可以分3个阶段：第1阶段二十世纪中期刚开始开发智能车。第2阶段二十世纪末，世界上发达国家在智能车的开发上取得了很大的成效。第3阶段之后智能车进入更加详细深入的开发阶段。我们国家在智能车两的技术研究总体落后于那些发达国家，有很大差距，但是我们国家也取得了很多的成果，主要有：1)国内的好多大学都开发了军用的室外智能车，像浙江大学，北京理工大学等。12)第一辆无人驾驶车于2003年由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开发成功。我们国家经济实力的快速上升使得智能车的研究方向更加广阔。对智能车两的不断开发，不仅仅加深了课上学到的基本理论知识，并且将理论运用到实际中去，为将来的工作奠定良好基础。1.3课题研究的目的和意义现在国内外的好多学府和研究场所都在研究发明在不一般环境下可以使用的安全监测系统。其中就包括研究使用远程、无人的方法来进行实现。无线传输研究让测量变得容易而且使的处理数据的速度变得更快还可以达到实时处理。智能车可以分成基于C语言的单片机、检测反馈部分、实现小车运动部分。使得小车能够自己识别和走正确的路线。也可从开发智能车控制系统来养成设计实现自控系统的能力。在设计小车的步奏中，熟悉以基于C语言的单片机为核心来设计智能小车的运行的电路，由智能控制的算法实现智能小车循迹。用机电相关科目理论知识，并且和实际的电路设计相结合的实现方法，从而来达到实践理论的相统一8.2系统方案设计2.1循迹原理因光纤对不同颜色的反射系数不一样，所以可根据反射的光强度来判断前进方向正确与否。可用一种应用相对比较普遍的方法红外探测法11。红外探测法是用在不一样颜色的物体表面上红外线有不一样的反射强度的原理，在智能小车前进的路上时刻向地面射出红外线，红外线和地面会形成漫反射，智能小车上的接受管就会接受到反射光；而红外光则会被黑线吸收，接收管会接收不到。基于光电传感器对是否接收到反射的信号产生的电压信号原理，经过电路处理2来判别行车路径正确与否，通过单片机控制系统来调节巡线小车转向使它能自动检测到黑线，且沿黑线移动。2.2系统总体框图小车系统如图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小车系统上面这轨迹检测的系统就是巡线智能小车的眼睛，而基于C语言得单片机控制系统就是智能巡线小车的脑子，电机系统就是智能巡线小车的脚。通过这种轨迹检测系统检测黑线的位置和输出检测信息，对检测信息处理之后输入到控制系统，并且控制系统根据其输入信息来判断并给电机输出指令，电机根据指令驱动智能巡线车转向和前进后退。2.3轨迹检测模块据红外线对黑线和路面反射强弱的不相同，通过光电检测电路来识别路面的黑色和白色，将传感器信号转化成不一样的电平信号，并且将其送给51单片机，后单片机就会指挥转向电机作转向，使的智能小车沿着黑线前进。2.3.1传感器模块模块采用光电传感器。光电传感器的原理简单，便于实现，价钱很低，集发射器和接收器一体。用这种光电传感器电路简单，性能稳定，能完成所需要的信号检3测功能。ST188红外光电传感器优点：很容易用、体积小、适应环境强、电路容易、性能很好。2.3.2检测放大器方案因传感器的输出信号很小且还有噪音，所以须先将信号进行整形放大，变成高低电平形式再由单片机读取。电压比较器可作为检测放大器。在电压Ui小于Ur，Ui大于Ur的情况下，它就会输出两种不一样的电平。Ur变化经过Ui的时候，比较器的输出将会从这个电平变到那个电平。比较器有很多的类型。前提是：抗干扰能力相对较强，能够准确识别电压大小，反应速度快，并且有保护措施，防止因过电流或过电压使器件损坏。比较器特点：1)开关特性比较器输出一般的情况下只有高低电平，等同于受输入信号所控制的开关，当其所输入电压经过一个阈值时开关会启动，这样它的输出会从一个电平变到另一个电平。因其输入信号是模拟量，输出的电平是离散的，所以电压比较器可用作作为数字、模拟电路的过渡电路。2)工作在开环或正反馈状态为实现放大、运算电路性能稳定和满足特殊精度要求，电路中运放都引入了深度负反馈；为了提高比较器的灵敏度、反应速度，所采用的运放不仅没有引入负反馈，有得时候还加上正反馈。所以比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不一样的。3)非线性因比较器中的运放处于开环、正反馈状态，两个输入端之间的电位差乘积和开环电压放大倍数一般情况下超过最大输出电压，使内部的管子进入饱和区或截止区，在大多数得情况下输入与输出不会成为线性关系。对比较器的分析不能像针对放大电路那样去计算放大倍数，当然也不可以像分析运算电路那样来计算输出和输入的关系，要抓住输出从这个电平变到那个电平的临界条件下的输入电压值来算出他们的关系。电压比较器输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。4缩短比较器响应时间的方法有：方案一：集成电压比较器。方案二：用集成运放所构成的比较器，如图2.2：图2.2电压比较器电路在本次的设计中，我们采用一个滞回比较器。电压比较器的构造简单，且反应速度快，但是受到外界干扰影响很大，若是输入信号因为受到干扰在阈值的附近有点变化，比较器的输出就重复从这个电平跳到那个电平。假若用这样的输出电压控制继电器或者电机，就会长生启停或频繁动作现象，这是不允许的。滞回比较器就解决了这个问题。滞回比较器有两个不同数值的阈值，当输入信号因为受外界干扰变化的时候，只要两阈值之差大于变化量的值，则滞回比较器的输出电压就不会往复变化。因此抗干扰能力强。然而滞回比较器终究是模拟器件，温度漂移是无法消除的。方案四：施密特触发器。结合考虑系统各项性能，我们决定采用数字器件施密特触发器。施密特触发器是另一种形态的触发器，包含有两种稳定状态，电平的触发为其触发方式，只需外加的触发信号的最大值增到很大的时候，就会变成另外一种稳态。施密特触发器抗干扰能力比滞回比较器的更为强大。2.4电机及驱动模块2.4.1动力和转向动力与转向组合的智能巡线小车是用两个没有直接联系的电动机各自带动一轮5子于车的两面，由两轮子速度快慢的改变来控制车的前进方向。所用程序相对较少，相对控制起来简单。并且装上保持平衡的轮子来实现小车的平衡。2.4.2电动机模块为了让智能车能走正确的路线，采用直流电机。它的优点是的占得空间小，反应速度快，体重小，有大的转动力矩，价钱也很低。直流电机的减速比1：74，机转速减速后电为100r/min。若轮子半径为3cm，那么小车最大速度可达到能较好满足系smvrV/314.06/103.42统要求。2.4.3调速系统脉宽调速系统采用晶闸管直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这其不受相位的控制，是工作在开关状态。晶闸管在被触发导通的时候，电源电压加在电动机上，晶闸管在被打断的时候，电动机与直流电源会断开，电动机经二极管的续流，两端的电压就会接近零。脉冲宽度调制PWM。脉冲周期不变，只变化晶闸管导通时间，直流调速就是由变化脉冲宽度来运行。就可以在直道高速，弯道低速，行进间变速7。和V-M系统相比较，PWM有下面的优点：1)因为PWM开关频率相对来说较高，依靠电枢电感滤波作用就会得到脉动相对来说较小的直流电流，电枢电流连续容易，系统可以平稳低速的运行，调速范围可到1：10000附近。因为电流波形相对V-M系统好，在一样的平均电流下，电动机的发热、损耗比较小。2)因为其开关的频率相对来说较高，快速响应性能很好，动态的抗扰能力很强。3)因为电力电子器件只工作于开关状态，所以其损耗小、效率高。PWM产生可由51单片机中的定时器来实现，但其驱动能力相对有限，因此PWM的输出需由驱动电路才可以驱动电机正常的运转。这次设计主要是目的是寻迹，而且6PWM波可通过软件来直接弄出来，所以选择本方案。2.4.4电机驱动模块用集成芯片L298N驱动的直流电机。L298N是种电流打和电压高的电机驱动芯片。它的奇特之处是：工作电压可以达到46伏；瞬时的峰值电流可以达到3安，连续工作电流为2安；额定的功率为25瓦。包含全桥式驱动器（两个H桥高电压大电流的），可以用来驱动感性负载；运用标准逻辑电平信号控制；含有两使能控制端，在输入的信号不影响的状况中控制器件工作的启停，还有一逻辑电源输入端，使其里面的逻辑部分电路在低电压的情况下工作；外接检测电阻，并将变化量实时反馈回去。2.5主控制器采用c语言编程的51单片机为主控制器。它是一种耗能很低，性能很好的的8位单片机，它方便使用，价钱低廉。编程的难度低，适用于来实现系统控制功能。2.6电源模块采用电池串联6-8V的电压，连接后续的稳压电路，大电流器件与单片机分开供电。防止大电流器件对单片机造成的干扰。并且在不超过单片机的工作电压的前提下，还能再驱动直流电机。这种电源的构造简单，很便宜，很容易就买到了。2.7显示模块本系统通过红色和绿色的的LED灯来看出系统的运行状况，P2.7口去接绿色的灯，P2.6口去接红色灯。系统正常运行的时候，P2.7口就会输出高电平，相应的P2.6口就会输出低电平，绿色的灯就会熄灭，红色的LED灯就会亮。当系统发生问题的时候，P2.7就会输出低电平，P2.6就会输出高电平，红色的灯灭掉，绿色的灯打亮，电机7AT89C51LN289N直流电机晶振复位ST188放大电路电源也会停止其转动，必须得复位以后才可以正常运行。2.8系统工作原理这次设计采用ST188红外传感器担任路经检测的元件，因为传感器输出的信号微弱并且带有干扰噪音，所以传感器输出接施密特触发器进行滤波整形，将传感器的信号转变为稳定的高低电平来供单片机查询。系统刚接上电，单片机就不断地扫描和检测与电路连接的I/O口状态。若是检测得到某个有信号变化，就会执行相应的判断程序，并且利用电机驱动LN298N来驱动左、右电机。在驱动的过程中，单片机用T0定时计数器产生PWM波，并通过这来控制电机的速度。左边和右边电机的转速相同的时候小车直走，若是不相同则实现转向的功能。由两种不一样占空比的PWM波来驱动电路控制左边和右边轮子链接的电机的转动速度从而改变小车的前进方向，占空比的不同使得两个轮子的转速不相同，若是左边轮子快就会向右转反之向左转来纠正智能小车运行的状态，使的智能巡线小车回到其预定轨道上19。系统原理如图2.3图2.3系统原理图3.硬件设计8据各个模块方案的选择结果，这次设计所涉及的硬件部分包括：1)前向通道模块，包含放大电路和传感器电路。2)电源模块，电源用干电池连接后续稳压电路来为各个模块独立提供电。3)后向通道模块，利用c语言编辑的单片机通过驱动芯片L298N来驱动直流电机。4)单片机最小系统模块，目的使单片机能够正常的工作13。3.1电源模块设计这次设计给控制电路和单片机供电的选5V的，给L298N的+VSS、+VS供电选5V，9V的。对于智能小车来说电源的设计应该注意两点：1.大电流器件须与单片机分开供电，防止大电流器件对单片机造成的干扰，使单片机不能稳定运行。2.巡线智能小车一般用6-8v的电池，一定要用低压差的稳压芯片，用经常见的LM2940-5.0为核心器件。3.2单片机最小系统设计AT89C51构成的最小系统可靠高、结构也简单。可以将单片机连接上复位电路还有时钟电路来形成最小系统。其特点：有可以供给用户使用的大量的I/O口线，内部的存储器容量不是很大，应用系统的开发有特殊性12。1)时钟电路AT89C51要形成时钟，必须在外部附加电路。这次设计采用AT89C51里面的振荡电路，外接定时元件于XTAL2、XTAL1的引脚上，产生自激振荡于其内部振荡电路。这次设计用内部时钟方式，就是电容与外接晶体组合而成的并联谐振回路。这次设计中，电容选择30pF，振荡晶体选择11.0592MHZ。2)复位电路9AT89C51是通过外部的复位电路来实现复位的。复位电路采用按钮复位，有脉冲方式和电平方式两种。其中电平复位是邮RST端经电源Vcc与电阻接通来实现的。按钮手动复位电路见图3.1。时钟的频率选用6MHZ时，Rs取200，RK取1K，C取22uF。图3.180C51复位电路3)程序存储器MCS-51中程序存储器寻址空间有64KB，主要用于存放程序。MCS-51系列有16位寄存器程序计数器PC，还有64KB的寻址能力18。3.3前向通道设计单片机总是要有与被测对象相联系的前向通道才能运用于测控系统。所以，前向通道设计和被测对象的特点、状况、周围的环境有密切的关系。1)前向通道的设计这次设计采用ST188红外传感器来作为智能小车前进方向的探测元件。红外线传感器利用反射接收原理，1个红外线传感器配置了1个红外线发接受器、1个红外线接受器及其上拉电阻。应用电路如图3.2所示。红外线发射器接电后会不断发射一定强度的红外线照射物体。红外线接收器在收到一定强度的红外线会导通。由在红外线的正极接出一信号来判断接收器是否已经导通。通了的时候，输出的信号为零；否则为一。在不一样颜色物体上红外线的反射程度是不一样的，黑色物体吸收了大量的红外线，反射很少，不足以导通，输出信号为一。白色物体吸收红外线的量少，反射的很多，导通了红外线接收器，输出信号为零。所以这次设计用红外线传感器RSTRKC230pCRS10模块和有黑线的路面组合使用。图3.2红外线传感器的应用电路2)红外传感器ST188简介ST188包含一个反射模块和一个接收模块，由发射红外信号，看接收信号的变化来判断和检测物体状态变化。K、A与E、C之间分别接发光二极管和光敏三极管（均应正接并且串联一定大小的电阻），其特点如下：由很高的发射功率的红外光电二极管与高灵敏度的光电晶体管构成。检测距离：4-13mm。光电特性如表3-1：（Ta=25）16红外线红外线接收器发射器VCCR215KR1220GND输出信号1112表3.1：ST188光电特性（Ta=25）项目符号测试条件最小典型最大单位输入正压降VFIF=20mA-1.251.5V反电流IRVR=3V-10uA集电极暗电流IceoVce=20V-1uAL30.30-mAL40.40-mA集电极亮电流ILVce=15VIF=8mAL50.50-mA输出饱和压降VceIF=8mA，Ic=0.15mA-0.4VTr-10-us传输特性响应时间TfIF=200mA，Vce=5VRc=100-10-us13左X2左X1右Y1右Y2右轮左轮3)传感器的安装为能够更加准确测定黑线的位置和纠正巡线小车前进方向，在底盘需要同一时刻装上4个红外线探测头，改正控制小车方向，提高循迹可靠性。4个红外探头的位置如图3.3所示：图3.3传感器安装图在这图中循迹传感器全都在一条直线上。Y1与X1（Y2和X2）是第一（二）级方向的控制传感器，黑线宽度也不能小于智能小车一边的传感器之间宽度。小车前进的时候，时时刻刻保持在X1和Y1两个第一级传感器中间，若是小车偏离开黑线的时候，第一级的传感器就可以检测到黑线，并把检测的到的信号发给控制处理系统，之后控制系统发出信号小车改到正确的轨迹上。若是4个探测器都没测到黑线则证明小车回到了轨道上，将继续前进；若小车因为惯性仍然离开正确的前进路线，超出了第一级测器的探测范围，第二级开始探测器运作，改正小车的前进轨迹回到正确的道路上。第二级方向探测器是第一级的后续保护，提升了智能循迹小车的可靠性8。这次设计中用滞回比较器解决简单的电压比较器抗干扰能力差的问题，当滞回比较器输入信号由于受到大干扰的时候，两个阈值之差大于变化量，其输出电压就不会往复变化。14图3.4迟滞比较器若是用迟滞比较器处理图（a）所示的输入信号，当上升并且超过上Vinin参考电压时，迟滞比较器会跳变（A点）：当下降并且小于下参考电VHREF)(压时，迟滞比较器会再一次跳变（C点）。这样可看出，对输入信号的上升L)(段和下降段迟滞而言比较器的跳变时间不一样：输入信号上升的时候，迟滞比较器在超过之后就会发生跳变；输入信号下降的时候，小于之后迟滞HREF)(LREF)(比较器会发生跳变。对于图（b）所示的迟滞比较器电路，上、下参考电压可以用下面2个公式确定：据实际+V=+5V并且光电传感器会有最大0.4V的输出压降，故范围可VLREF)(以是+4.0V+4.6V，这样的阻值约为：321R、）（21)(132)(VRVLREF）（)(2)(HREF+4.0V+4.6V+5.0V15k6.3k102k1RR、放大器LM324在检测黑线的电路中用来确定红外接收信号的电平的高低，从而来判定是否踩到黑线。它的一个输入端需要接电阻箱，通过电阻箱来获得合适的电压。图3-5前向通道电路结构图3.4后向通道设计3.4.1后向通道简介计算机对其控制运算的处理之后，计算机对控制的对象的输出通道接口是后向通道。后向通道应该解决的问题：1)数/模转换。二进制输出数字量用D/A变换器；频率量的输出可以用PWM变换器。2)功率驱动。要想匹配伺服驱动的功率要求，必须将51单片机的输出信号来进行功率放大。P0.032141U3:ALM3245vR710K左1R120SW6SW-SPST65412U4OPTOCOUPLER-NPNP0.0R46.6kR151kR1610k163.4.2后轮电机驱动模块设计由于单片机的驱动能力不足以驱动一些大功率的器件，所以外加L298N驱动器（驱动效率高，设计简单）作为电机驱动芯片。L298N的引脚图和为输入输出关系表。图3.6L298N外部引脚表3.2L298N输入输出关系单片机P2口控制的电机驱动电路如图所示。图3.7电机驱动电路图P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0IN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB1OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VC9U2L298左轮右轮+6V17驱动电路中，主利用单片机P2.5和P2.4端口输出PWM波形来控制电机转速。P2.0P2.3输出的状态值来控制电机转向。4.软件设计这次毕业设计的软件设计重要是来利用程序实现，就是包含读取传感器信号与PWM波的产生。4.1系统总体流程图18图4.1系统程序流程图4.2PWM调速简介以及实现PWM脉冲宽度调制，就是占空比可以变化的脉冲波形21。PWM是智能循迹车设计中一个最为重要的应用，首先转向控制就是给一定占空比的方波来实现不同转角的，之后后轮电机的调速亦通过不同占空比的方波来实现。如图4.2产生PWM波，T为定时周期，D为预设占空比。在设置定时器时应注意以下两点：外部器件的规格决定了计数上限和PWM波频率合理的选择进入中断时间和计数上限。19图4.2PWM时序图为了实现P2.5、P2.4输出不一样的占空比的脉冲波形需通过控制定时器T0的初值，。定时计数器若干时中断一次，就使P2.5或P2.4产生一个低电平或者高电平。1个周期中电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。若是占空比越大，则加在电机两端电压越大。电机平均速度等同于在一定的占空比下最大速度乘以占空比。4.3程序的模块化设计在对设计控制系统的时候，除对系统硬件设计外，就是怎样据每个生产对象的实际要求设计程序。为完成设计，进行软件设计的时候，一般把整个过程分割成很多个部分，每部分叫1个模块。所谓的“模块”，就是完成一定的功能，相对独立的程序段。模块程序设计法的优点是：1)模块程序中设计者可分割程序还可以用已有的程序；2)每个模块相对一个完整程序易编写和调试；3)模块可共存。4.3.1小车循迹原理流程图20启动循迹模式探测黑线是否检测到黑线判断处理程序向左转Turn_left2向左转Turn_left1向右转Turn_right1向右转Turn_right2继续前进NY图4.3循迹原理流程图小车具体运行状况如表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30000030直NY21行5010050左转5110060加速左转5000105右转6000115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程序开始时，初始化定时器TO，设置定时定时计数器0.1ms中断一次，就使P2.5或P2.4产生一个高电平或低电平。中断程序的流程图如图4.4所示22YN定时器赋初值计数变量赋值t=0计数值t#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuchartemp,signal,t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6;sbitP20=P20;/最右边传感器sbitP21=P21;/右边传感器sbitP22=P22;/左边传感器sbitP23=P23;/最左边传感器sbitP24=P24;/避障传感器voiddelay_1ms(uintd)uinti;while(d-)for(i=0;i75;i+);voidmotor_run()/电机起动P1=0x35;/0011,0101delay_1ms(110);P1=0x53;/0101,0011delay_1ms(10);voidmotor_run2()/电机起动P1=0x35;/0011,0