简易智能小车.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除简易智能小车制作报告指导教师：张新莲作者：锡林 邱科鹏 杨明北京化工大学 测控技术与仪器专业摘要本小车以STC89C52RC单片机为核心，完成循迹、避障、测速等功能，本小车在结构上一个电机驱动一个车轮，在转弯时灵敏度较高。采用PWM驱动芯片L298N控制直流电机，光电传感器TCRT5000完成小车在直道区、弯道区的循迹，霍尔传感器实现速度测量并通过LCD夜间屏实时显示小车行驶的时间和距离，超声波发射和接收一体化超声波传感器HC-SR04实现小车避障。关键词：STC89C52RC、L298N、循迹、HC-SR04AbstractThe trolley to STC89C52RC microcontroller core, complete tracking, obstacle avoidance, speed and other functions, the structure of a car in a motor-driven wheels when cornering higher sensitivity. Using PWM controlled DC motor driver chip L298N, photoelectric sensors TCRT5000 completed car in a straight area, the tracking curve area, Hall sensors for speed measurement and real-time display through the LCD screen car driving at night time and distance, one ultrasonic transmitter and receiver HC-SR04 ultrasonic sensor technology to achieve car obstacle avoidance.Keywords: STC89C52RC, L298N, tracking, HC-SR041. 方案论证1.1、设计要求本系统要求电动车按照给出的行使路线，在直道区能够按正确的轨迹行驶；通过弯道区后能够到达指定的地点并暂停5秒；在障碍区能够准确的躲避障碍物；在行驶过程中实时显示行驶时间和行驶路程。1.2、各部分方案论述（1）调速模块方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压来调速。但电阻网络只能实现有级调速，而且数字电阻的元器件价格比较昂贵。尤其是所使用的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，实现也很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调节。此方案电路较简单，但继电器的响应时间有限，机械结构易损坏，寿命不长，可靠性也不太好。方案三：采用脉冲宽度调制电路。用单片机控制信号的高低电平时间完成调速，用对两个信号的不同控制完成电机的转向和起停的控制。这种电路由于工作在管子的饱和截止状态下，效率非常高，经试验发现，此方法调速简单可行，方便可靠。基于上述理论分析，拟选择方案三。（2）转向装置选择方案一：双电机控制。采用两个直流电机控制小车后轮，直行时两轮转速相等，需要向左转时，增加右轮转速，降低左轮转速；需要向右转时，增加左轮转速，降低右轮转速。但此种方法必须精确控制两车轮转速直行时相等，否则将会出现小摇摆及抖动，达不到平滑运动的效果。方案二：步进电机控制前轮。步进电机将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机，步进电机的显著特点是快速启动能力，测到障碍物时能够快速转向；另外步进电机的精度高，每步可以小至0.72度，不会失步，在负荷不超过动态转矩值时，可以瞬间启动和停止。逆转时能够精确返回原始位置。外加机械机构可以把角度变成直线位移。 小车结构原因，采用双电机控制转向。（3）外部传感器选择校正车行方向即寻迹传感器：采用红外线光电反射传感器，由于车底盘较低，采用近距离（16mm）有效的光电传感器。使CPU根据光电信息精确调整小车的行车方向，使小车运行时达到最小的横向抖动。CPU根据信号发出前轮左转，右转和保持方向的指令，实现自动校正行车方向的目的。检测两个障碍物传感器：有两种方案可供选择。方案一：采用超声波测距。超声波传感器测距时有足够的精度，可以达到1cm的近距离，对远距离也有较快的响应信号。但是，本题目的要求是绕过障碍物，这就要求小车在较远距离时即做出绕障的反应，因此没有必要采用精确近距的超声波传感器。方案二：采用反射式红外线光电开关。本设计采用的光电开关有效距离为113cm（对白色障碍物），小车前方只要有障碍，即输出一个开关量，向CPU申请中断，CPU 响应中断即控制电机做出转向反应。所以拟采用此方案。测车行程传感器：为使小车可以测量并显示小车中心至起点的距离，测小车的圈数换算即可得到。方案一是采用投射式光电传感器如光电码盘，但对轮子的机械加工较难精确实现。方案二是采用开关式光电传感器，在车轮上安装一个小磁铁即可实现测圈数，进而得到距离值，为此采用此方案。2.系统设计与硬件电路2.1总体设计2.2硬件各模块设计（1）电机转速控制 本系统使用L298N电机驱动模块来控制转速，使用STC89C52RC单片机通过定时器产生PWM脉冲信号，将PWM脉冲信号接至L298N的使能端口ENA、ENB便可控制电机转速，通过单片机可调节PWM脉冲信号的占空比。可实现在一定范围内的转速调节。（2）电机转向控制 这个设计中电机的转向主要有两个作用，一是在直道区和弯道区根据地面黑线使小车按照指定的路线行使，不偏离跑道，并到达要求的位置；二是在障碍区控制小车前轮转向使其准确地躲避障碍物。将前轮A和后轮C接在一起在接到L298N的OU1和OUT2端口，将前轮B和后轮D接在一起在接到L298N的OU3和OUT4端口。当需要小车左转的时候只需减慢A和C轮的转速即可，B和D轮的速度比A和C轮速到快；当需要小车右转的时候只需减慢B和D轮的转速即可，A和C轮的速度比B和D轮速到快。（3）循迹控制本小车循迹模块采用3个光电传感器TCRT5000模块来实现循迹控制。传感器阵列通过三个光电传感器的输出来控制小车前进、左转、右转。（4）避障控制本小车采用2个超声波传感器模块HC-SR04来测量障碍物与小车之间的距离，从而实现小车避障，当检测到障碍物时通过L298N电机驱动模块来控制小车转向，进而到达避障目的。通过STC89C52产生一个10uS以上脉冲触发信号，将该信号接到HC-SR04的Tr1g端口，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则Echo输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。公式： S/58=厘米或者S/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340m/s）/2。3.软件设计 控制程序的主要任务是：（1） 判别旋转方向；（2）检测障碍物；（3）寻地面黑线；（4）速度快慢控制。各部分程序流程如下：以上程序全部用C语言来编写，调试时，经过语法查错和逻辑查错，与硬件联合调试，先单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统。经过最后的调试，总程序可以顺利执行。4.测试4.1测试所用仪器设备：PC机数字式万用表：Fluke 175示波器：Instek GOS-620 51单片机开发板模拟跑道：直道长2m,弯道半径0.8m卷尺：精度0.001m秒表：精度0.01s障碍物：用白纸包裹的纸盒两个。小车部件：4.2小车各部分代码分析（1）LCD夜间屏显示模块 /* 1602显示模块 功能：显示小车运行时间和距离 说明：包括写命令操作和写数据操作*/void write_com(uchar com) /写命令函数lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date) /写数据函数lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void lcdinit() /1602初始化dula=0;wela=0;lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);void T1_time() interrupt 3 /T1定时1s刷新TH1=(65536-45872)/256;TL1=(65536-45872)%256;num1+;if(num1=20)num1=0;j+;bai=j/100;shi=j%100/10;ge=j%10;（2）速度测量部分void INT0_M() interrupt 0 /外部中断0测量轮子转数M+;N=88*M;qian1=N/10000;bai1=N/1000%10;shi1=N/100%10;ge1=N/10%10;houyi=N%10;（3）电机部分控制/* 电机控制模块 功能：前进，左转，右转 说明：通过PWM脉冲调制速度*/void qianjin() /小车前进IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;dj1=90;dj2=90;void right()/小车右转IN1=0;IN2=1;IN3=1;IN4=0;dj1=60;dj2=80;void left() /小车左转IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=1;dj1=80;dj2=60;（4）PWM脉冲信号void timer0() interrupt 1 using 1/PWM控制TH0=(65536-500)/256;TL0=(65536-500)%256;t+;if(tdj1)ENA=1;elseENA=0;if(t50)t=0;4.3误差分析及改善措施小车转向控制采用二相步进电机不同步的思想，由于寻线，测障有不同的精度要求，所以按照寻线，测障，将校车的转弯时的偏转角度改为较小，较大。这通过在多次试验中确定小车前轮的步进电机的步数而得到。当小车一旦检测到偏离中间黑先后STC89C52RC并会送给L298N的两个使能端不同的PWM信号，一致达到转向目的。一开始时我们所给的PWM脉冲信号占空比都很高，这样小车在转弯过程中根本就来不及转弯，后来通过降低占空比，并实现了小车转弯。5.结论与心得5.1 结论我们采用STC89C52RC单片机进行电动车的脉冲宽度调速控制和步进电机的转向控制，用3个TCRT-5000光电传感器模块进行循迹。但是由于小车前轮与横杆之间有一定的间隙，所以小车在行驶过程中车轮难免会有一定的晃动，但是，我们在程序中进行实时的黑线检测，使小车一离开黑线前轮便小幅转向，这样便使小车始终不离开黑线。在测障方面我们采用了两个放在车两侧的传感器，可以使小车检测的前方障碍物，从而倒车并继续检测，直到绕过障碍物。测速方面用了霍尔传感器，便用LCD