【毕业学位论文】（Word原稿）自动循迹小车-计算机技术

目 录 目 录 . 0 摘 要： . 1 . 2 务 . 2 . 2 车循迹原理 . 2 制系统总体 设计 . 2 . 3 迹传感器模块 . 3 外传感器 介 . 3 较器 介 . 4 体电路 . 4 感器安装 . 5 制器模块 . 6 源模块 . 6 机及驱动模块 . 7 机 . 7 动 . 8 动循迹小车总体设计 . 9 体电 路图 . 9 统总体说明 . 11 . 11 制 . 11 体软件流程图 . 12 车循迹流程图 . 12 断程序流程图 . 13 片机测序 . 14 5 参考资料 . 17 自动循迹小车 1 自动循迹小车 摘 要 ： 本设计是 一种基于 单片机控制的简易自动寻迹小车 系统 ，包括小车系统构成软硬件设计方法 。 小车以 控制核心 , 用单片机 产生 ， 控制小车速度 。 利用红外光电传感器对路面 黑色轨迹进行检测 ,并将路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的 信号予以分析判断 ,及时控制驱动电机以调整小车转向 ,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶 ,实现小车自动寻迹的目的。 关键词： 单片机 光电传感器 直流电机 自动循迹小车 is a of a SC of of as of in WM CU to By to of t to SC of t he 动循迹小车 2 务 设计一个基于直流电机的自动寻迹小车， 使小车能够自动检测 地面黑色轨迹 ，并沿着黑色 车轨迹 行驶 。 系统方案方框图如图 1示。 图 1统方案方框图 车循迹原理 这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走， 由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。 通常采取的方法是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜 色的物体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，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限， 制系统总体设计 自动循迹小车 控制系统由主控制电路模块 、 稳压电源 模块 、 红外 检测模块 、电机及驱动模块等部分组成 ,控制系统的结构框图如图 2示 。 检测（黑线） 驱动电机 软件控制 控制小车 自动循迹小车 3 1、 主控制电路模块 ：用 片机、复位电路，时钟电路 2、 红外 检测模块 ： 光电 传感器 较器 、 电机及驱动模块 :电机驱动芯片 个直流电机 4、 电源 模块： 双路开关电源 迹传感器模块 个系列的传感器种类齐全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。 我们采用 在黑线检测的测试中 ， 若检测到白色区域 ， 发射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管的电压为 4 8V ，若检 测到黑色区域 ， 接收管接受到发射管发射的红外线 ， 电阻发生变化 ， 所分得的电压也就随之发生变化 ， 测的接收管的电压为 0 5V， 测试基本满足要求。 判断有无黑线我们用的一块比较器 比较基准电压由 30 各个接收管的参数都不一致 ， 每个传感器的比较基准电压也不尽相同 ， 我们为每个传感器配备了一个变阻器 。 外传感器 介 含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。 A、 、 二者在电路中均正接，但要串联一定阻值的电阻） 稳压电 源模块 主控芯片 298 减速电机 光电传感器 电压比较器 图 2制系统的结构框图 自动循迹小车 4 图 3 图 3较器 介 用 14脚双列直插塑料封装。 内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，工作电压范围宽，可用正电源 3 30V，或正负双电源 1 5V 15V 工作。 在黑线检测电路中用来确定红外接收信号电平的高低，以电平高低判定黑线有无。在电路中， 过改变滑 动 变 阻器 的阻 值来提供合适的比较电压。 图 3部电路 图 3集成运放的管脚图 体电路 通过 出接收到的信号给 接收电压与比较电压比较后，输出信号变为高低电平，再输入到单片机中，用以判定是否检测到黑线。 自动循迹小车 5 图 3传感器模块电路图 感器安装 在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设 4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提 高其循迹的可靠性。这 4个红外探头的具体位置如图 3 图 3感器安装图 图中循迹传感器全部在一条直线上。其中 1为第一级方向控制传感器，2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 3在 1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，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，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，自动循迹小车 6 这时第二级 探测器 动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。 制器模块 采用 司的 片机作为主控制器。它是一个低功耗，高性能的 8 位单片机，片内含 32k 空间的可反复擦写 100,000 次 读存储器，具有 4K 的随机存取数据存储器（ 32 个 I/O 口， 2 个 8 位可编程定时 计数器，且可在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。 时钟电路和复位电路 如图 3单片机构成最小系统） 1）采用外部时钟，晶振频率为 12）采用按键复位 图 3钟电路和复位电路 源模块 电源采用双路开关电源。 明伟牌 路开关电源。输出（ 5V、 12V）。 自动循迹小车 7 实物图如图 3示。 图 3路开关电源 该开关电源 尺寸 为 129交流输入转换由开关选择 ， 具有过流短路保护功能 ，能 自冷散热 。 低价位、高可靠 。 输入电压范围 13275 26447 63关选择 ； 冲击电流 流 15A/115V 30A/230V； 直流电压可调范围 0%； 启动、上升、保持时间 1000 耐压性 入与外壳 输出与外壳， 历时一分钟 ； 工作温度、湿度 10 +60 ， 20% 90% 安全标准 E 标准 ； 准 E 标准 ； 连接方法 线端子 ； 质量 /包装 5 1 型号 输出 差值 范围 效率 V, 2% 502% 12V, 3,100机及驱动模块 机 电机采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）自动循迹小车 8 齿轮组，可以产生较大扭力。 可选用减速比为 1： 74 的直流电机，减速后电机的转速为 100r/车轮直径为 6小车的最大速度可以达到 V=2rv=2*00/60=s 能够较好的满足系统的要求。 动 驱动模块采用专用芯片 为电机驱动芯片， 一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片 以分别控制两个直流电机。以下为 引脚图和输入输出关系表。 图 3298N 外部引脚 表 2 入输出关系 驱动电路的设计如图 3示： 自动循迹小车 9 图 3298N 电机驱动电路 5、 7、 10、 12 四个引脚接到单片机 上，通过对单片机的编程就可实现两个直流电机的 速控制。 动循迹小车总体设计 体电路图 自动循迹小车 10 图 3体电路图 33142721 220014 111 220074 111 220011 22003144 11车轮自动循迹小车 11 统总体说明 如图 3示，当 光电传感器开始接受信号，通过比较器将信号传如单片机中。小车 进入寻迹模式 ，即开始不停地扫描与探测器连接的单片 I/O 口，一旦检测到某个 I/O 口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态 。单片机采用 时计数器，通过来产生 ，控 制电机转速。 制 本系统采用 从而改变负载两端的电压 ,进而达到控制要求的一种电压调整方法。如电机调速、温度控制、压力控制等。 在 按一个固定的频率来接通和断开电源 ,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小 ,从而控制电动机的转速。因此 ,关驱动装置”。 在脉冲作用下 ,当电 机通电时 ,速度增加；电机断电时 ,速度逐渐减少。只要按一定规律 ,改变通、断电的时间 ,即可让电机转速得到控制。 本系统中通过控制 51单片机的定时器 而可以实现 定时计数器若干时间（比如 断一次 , 就使 生一个高电平或低电平。 将 直流电机的速度分为 100个等级 , 因此一个周期就有个 100 脉冲 , 周期为 100 个脉冲的时间。速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电 机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大 , 加在电机两端的电压越大 , 电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时 , 就可以得到不同的电机平均速度 , 从而达到调速的目的。精确地讲 , 平均速度与占空比并不是严格的线性关系 , 在一般的应用中 , 可以将其近似地看成线性关系。 自动循迹小车 12 体软件流程图 小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片 I/O 口，一旦检测到某个 I/O 口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状 态。软件的主程序流程图如图 4示： 车循迹 流程图 小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机 I/O 口，一旦检测到某个 I/O 口有信号，即进入判断处理程序 ， 先确定 4 个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面第一级传感器或者左面第二级传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是右面第一级传感器或右面第二级传感器探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左系统初始化 任务计数器归零 是否完成全部 任务？ 循迹子函数 是否完成 本次 任务 ？ 结束 开始 N Y N Y 图 4程序流程图 自动循迹小车 13 偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过了方向 调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。 循迹流程图如图 4示 由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个等级间的转向力度必须相互配合。第二级通常是在超出第一级的控制范围的情况下发生作用，它也是最后一层保护，所以它必须要保证小车回到正确轨迹上来，则通常使第二级转向力度大于第一级， 即 其中 小车转向力度，其大小通过改变单片机输出的占空比的大小来改变 )，具体数值在实地实验中得到。 断程序流程图 这里利用 的是 51 单片机的 时计数器 ，从而 让单片机 的 脚输出占空比不同的方波 , 然后经驱动芯片放大后控制直流电机。定时图 4迹流程图 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 左转 右转 右转 续前进 N Y 自动循迹小车 14 计数器若干时间 （比如 比如中断一次 , 就使 生一个高电平或低电平。 中断程序流程图如图 4示 片机测序 # ; /*左边电机的占空比 */ ; /*右边电机的占空比 */ t=0; /*定时器中断计数器 */ 10; 11; 12; 13; 00; 01; 02; 定时器赋初值 技术变量赋值 t=0 计数值 t=100) t=0; /*直行 */ 0; 0; /*左转函数 1*/ ; 0; /*左转函数 2*/ ; 0; 自动循迹小车 16 /*右转函数 1*/ 0; ; /*右转函数 2*/ 0; ; /*循迹函数 */ 1)&(1)&(1)&(1) ; /*直行 */ 0)&(1)&(1)&(1) ; /*左偏 1,右转 1*/ 0)&(0)&(1)&(1) ; /*左偏 2,右转 2*/ 1)&(1)&(0)&(1) ; /*右偏 1，左转 1*/ 1)&(1)&(0)&(0) ; /*右偏 2，左转 2*/ :; :; :; :; :; /*主程序 */ ; 0; 0; ) ; /*给电机加电启动 */ 自动循迹小车 17 ; ; ; ; ;