【毕业学位论文】（Word原稿）自主寻迹模型车-电气工程及其自动化

黑龙江东方学院 本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 自主寻迹模型车 学 部 计算机与电气工程学部 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 班 级 05 级 1 班 学 号 054160135 指导教师 刘金琪 答辩日期 2009 年 5 月 23 日 黑 龙 江 东 方 学 院 本 科 生 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 评 语 （ 一 ） 姓名 邢延疆 学号 054160135 专业 班级 电气工程及其自 动化一班 总 成绩 毕业论文（设计）题目： 自主寻迹模型车 答 辩 委 员 会 评 语 答辩成绩 主任签字： 年 月 日 答辩委员会成员签字 学部毕业论文（设计） 领导小组意见 组长签字： 年 月 日 学部公章 黑 龙 江 东 方 学 院 本 科 生 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 评 语 （ 二 ） 姓名 邢延疆 学号 054160135 专业班级 电气工程及其自动化一班 毕业论文（设计）题目： 自主寻迹模型车 指 导 教 师 评 语 指导教师成绩 指导教师 签字： 年 月 日 黑 龙 江 东 方 学 院 本 科 生 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 评 语 （ 三 ） 姓名 邢延疆 学号 054160135 专业班级 电气工程及其自动化一班 毕业论文（设计）题目： 自主寻迹模型车 评 阅 教 师 评 语 评阅教师成绩 评阅教师 签字： 年 月 日 黑 龙 江 东 方 学 院 本 科 生 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 任 务 书 姓名 邢延疆 学号 054160135 专业班级 电气工程及其自动化一班 毕业论文（设计）题目： 自主寻迹模型车 毕业论文（设计）的立题依据 随着现代科技的飞速发展，人们对智能化的要求已越来越高。而智能化在汽车相关产业上的应用最典型的例子就是汽车电子行业，汽车的电子化程度则被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，因此，设 计单片机模型车控制系统具有重要的意义。 主要内容及要求 1) 查阅国内外资料，了解单片机模型赛车控制系统地方法，了解单片机模型赛车控制系统的国内外发展动态。 2) 进行方案论文和方案分析 3) 硬件设计 4) 软件设计 5) 安装调试 进度安排 3 月 2 日选题 3 月 2 日 5 月 29 日 接受指导老师指导 3 月 2 日 3 月 13 日 拟定论文大纲 3 月 16 日 4 月 10 日 搜集、查阅、整理相关资料 4 月 13 日 4 月 17 日 初稿形成 4 月 20 日 4 月 24 日 初稿审定 4 月 27 日 4 月 30 日 第一次修改 5 月 4 日 5 月 8 日 第 一次审定 5 月 11 日 5 月 15 日 第二次修改 5 月 18 日 5 月 22 日 定稿 5 月 25 日 5 月 29 日 论文评阅小组评审论文（设计） 5 月 23 日 毕业论文（设计）答辩 学生签字： 指导教师签字： 年 月 日 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） I 自主寻迹模型车 摘 要 随着 社会的 发展 科技的 进步，单片机在各个领域应用越来越广泛，本着以培养实用性人才的高校无不把单片机列为重要的专业课程来为学生们讲授，学生们除了在课堂上所接受的知识外学校还为同学们创造了很好的动手实践的条件，以单片机实现的自主 寻迹模型车便 是其中一项。 自主寻迹模型车 是着眼于培养学生的 独立思考解决问题的能力 ，这一课题的提出 涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉，强调了计算机软件编程、硬件控制和实际动手操作的综合 分 量， 本次设计主要核心为单片机通过赛车传感器感应赛道给单片机，随之单片机做出相应的反应控制舵机转向和调节电机转速控制模型车的速度，实现自主寻迹功能。单片机为 048F， 集成了可编程定时式样控制器；监视定时器；串行通信接口； A/D、 D/新控制器；中断控制器；总线控制器 等 。 控制车的转向和速度 方面应用了 桥原理。 关键词： 单片机；传感器； H 桥 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） of of in in to in as CU to in to in of to a of to of of is of is at to of to of an CU to of CU to of to 8/3048F, A / D, D / A . to MW H 目 录 摘 要 . . 前言 . 1 第 1 章 方案论证 . 2 径识别模块 . 2 像头传感器 . 2 射式光电传感器 . 2 力方式方案选择 . 3 向控制方案选择 . 3 第 2 章 车总体结构及原理 . 4 感器模块 . 4 传感器板 . 5 传感器板 . 5 合控制模块 . 6 片机的运作方式 . 7 服舵机模块 . 7 服舵机系统电路 . 8 机驱动控制 . 9 度控制原理 . 9 机的驱动 . 10 组成的 H 桥驱动电路 . 11 机驱动电路 . 12 第 3 章 编程调试 . 14 序分析 . 14 序的实现及调试 . 17 结 论 . 20 参考文献 . 21 附 录 . 22 致 谢 . 39黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 1 自主寻迹模型车 前 言 当今社会大学毕业生的工作越来越难找，不是用人单位不需要大学生也不是没有岗位给大学生，而是学生在学校所学的知识不能很好的应用于岗位当中，书本的理论知识与实际应用的严重脱节是当代大学教育的一大弊端也是眼前最应 解决的问题。为了解决这一问题教育部推出了一系列以加强大学生把在学校所学的知识更好的应用到实际当中的措施。 瑞萨超级 是由教育部管理信息中心主办，赛迪顾问承办、中国电脑教育报协办 的 我国规模最大的大学生技能活动 T 职业技能大赛的分赛事 。我们的自主寻迹模型车就是为了参加本次比赛而设计的，我们主要应用 048F 单片机为 该单片机是日立公司生产的集成了若干重要的系统支持功能部件的高档微控制器系列。 模型车的自主寻迹是通过传感器检测跑道信息经过单片机处理，驱动伺服舵机模块和动力模块 使模型车行驶，驱动伺服舵机模块和动力模块分别应用 术和 H 桥控制原理。模型车的方向取决于舵机在程序中各个环节都有自己的程序模块，当传感器检测到跳转条件是程序自动跳转，相应的电机的转速也作出相应的变化，进而模型车在识别赛道后可以准确的做出反应，从而自主地通过各个环节。 术的应用使伺服舵机的转角更容易控制和电机的转速精确化。 H 桥控制原理的应用使电机可以很好的在前进、制动和后退进行转换。 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 2 第 1 章 方案论证 总体方案如图 1径识别模块即传感器模块通过对赛道的识别将信息传送给单 片机模块，单片机经过计算把数据传给电机驱动模块和舵机驱动模块以控制车的速度与转向。 图 1体方案 图 径识别模块 小车通过传感器识别路径，而市场上的传感器种类繁多，我们可选择的也很多例如像头式、反射光电式、红外线式、超声波式等，我们从中选择市场比较主流的两种 像头式与反射光电式进行了比较。 像头传感器 以 像头作为传感器，透过摄像头对赛道的成像判断赛道情况，单片机做出反映控制电机调速和舵机转向。 这种传感器由于成像占用空间 比较 大对单片机的运算 能力要求 也 比较高，所以我们放弃了这种传感器。 射式光电传感器 采用反射式光电传感器来区分 路面 的黑色与白色，反射式光电传感器有光线发射端和光线接收端，白底与黑线对发射端发出光线的反射度不同，从而影响接收端产生的电压。用反射式光电传感器、可调电阻和运算放大器组成传感器模块，如图 1当二极管接收到反射回来的信号，在由放大器将信号放大输出， 实现在不同 颜色 赛道上输出高低电平 实现 自主寻迹 3。 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 3 图 1射光式传感器电路 力方式方案选择 小车的动力一定由电机提供，刚开始我们 考虑使用一个电机带动后轮，这样在直行时两个轮子有很好的同步性，但是在转弯时同样是由于两个轮子转速一样就比较麻烦，后来我们选择了两个电机的方案，左右轮各用一个电极来控制，这样转弯时可以使内侧轮的速度小于外侧轮使转外更方便，在直行时只要对两电机同步控制即可。在驱动电机方面我们就用上了 H 桥原理使电机的转速可以控制的更精确。 向控制方案选择 在方向控制方面我们最初设想只通过两后轮的转速差来控制方向，但是这种方法效果很差，后来我们选择了伺服电机作为模型车的舵机，通过伺服电机每周期内高电平的时间不同转角 方向就不同的特点，用 术使每周期高电平时间的不同来区别伺服电机的正转反转还是保持进而控制舵机的向左向右还是直行 5。 第 2章 模型车总体结构及原理 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 4 经过我们反复考虑和论证后敲定了模型车的总体结构图如下图 2 图 2体结构图 模型 车能在赛道上按规定行走 各个环节都很主要但 最重要的有 以下几 点：首先在于小车的传感器对 路面的准确 识别 ，并将信息快速地传给 行控制，使其 很短时间内的做出 相应并控制小车有很好的转向速度， 最后就是电机的转速， 电机的转速可以控制小车的 直线 速度。 感器模块 传感器 模块 分两个板子主 传感器 板和子 传感器 板 两个板子之间没有电路相连 ，靠十针引线传递信号 如 实物 图 2 图 2感器模块实物图 传感器板 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 5 上面的 是 主 传感器 板下面的是子 传感器 板，主 传感器 板主要是检测扫描作用 ， 8套传感器 即 收装置安装在主板上。 其工作原理依照 “白色反射光”和“黑色吸收光”。这一判断的根据是“白色”经过反射它可以 被 光接收单元检测到，“黑色” 它不能被反射所以检测不到。变阻器可以调节感应元件的 灵敏度。小车的赛道的颜色有灰色，应把灰色应判定为“白色”或判定 为“黑色”可以调整改变的敏感度。在标准的程序是判定为“白色”的， 红色 哪组传感器检测并接受到反射时所对应的 样指示明显 便于调试，在模型车行走时也可以对传感器所检测地面颜色的情况一目了然， 另外就是主 传感器板与 地面 的距离也能影响传感器的接收检测信号，距地面 过高时接收端接收的电压 信号会很低就 会产生误差 ，而距地面过低又会影响模型车的速度 8，传感器反射状况 如图 2传感器板电路如图 2 图 2感器反射状况图 传感器板 从输入端接收主板信号 ， 把黑色 换成逻辑 “ 1”把白色 换成逻辑 “ 0” 因为 下拉变阻器给黑色全电阻和白色零电阻 作为主板信号的输出 ， 再 利用74 输出信号通过输出端输出 给 10。 子传感器板实物如图 2传感器板电路如图 2 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 6 图 2传感器实物图 图 2传感器板和子传感器板的电路 合控制模块 综合控制模块 主要构造如 实物 板 图 2制模块主体芯片为 048F9。 图 2合控制模块实物图 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 7 该款单片机是以 00H 又集成了若干重要的系统支持功能部件的高档微控制器系列。 该 8/300的全部 57条子另外，增加了带符号乘法、带符号除法、带符号 8位和 16位数的扩展、不带符号 8位数和 16位数的扩展以及陷阱等五条指令。故 002条基本指令组成 1。 片机的运作方式 048单片机有七种运作方式 2，由 20 表 2单片机 运作 方式表 运作方式 2地址空间 初始总线方式 片内 内 0 0 0 方式 1 0 0 1 扩展方式 8 位 关闭 开放 *2 方式 2 0 1 0 扩展方式 16 位 关闭 开放 *2 方式 3 0 1 1 扩展方式 8 位 关闭 开放 *2 方式 4 1 0 0 扩展方式 16 位 关闭 开放 *2 方式 5 1 0 1 扩展方式 8 位 开放 开放 *2 方式 6 1 1 0 扩展方式 8 位 开放 开放 *2 方式 7 1 1 1 单片机方式 开放 开放 注 1：在方式 1 至 6 之下，每个存储区都可选 8 位或 16 位数据总线 。 注 2：若系统控制寄存器 ，这些地址就将成为片外地址 。 地址空间的规模有两种选择 6兆字节。外部数据总线或为 16位或为 8位，这取决于区域忠县宽度控制寄存器 方式 1至方式 4为外部扩展方式，允许访问片外存储器及外部设备，但禁止访问片内式 1和 2支持最大为 1兆字节的地址空间；而方式 3和方式 4则支持最大为 16兆直接的地址空间 、 方式 5和 6也是外部扩展方式，但他们即允许访问片外存储器和外部设备，又允许访问片内 方式 5所支持的最大地址空间为 1兆字节；方式 6则支持 16兆字节。 方式 7为单片机方式，其运作只依靠片内 有 I/式 7支持 1兆直接地址空间 4。 服舵机模块 伺服舵机模块接收 脉冲信号的时间是 16毫秒，高电平的时间宽度 决定伺服 电机转黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 8 角。 虽然会有一些误差， 但 由于单片机提供的脉冲频率能够满足伺服舵机的 采样 时间的需求 ， 所 以样本的变化关系伺服之间的旋转角和脉冲宽度，最舵机的关系如下图 2 周期为 16毫秒中心值是 90度的 利用 对舵机进行控制 ，在 图 2机 转向 服舵机系统 电路 伺服舵机系统 电路如图 2号输 入 端口 通过程序使脉冲 宽度变化。电路（ 74脚之间插入和伺服引脚 1 作为缓冲。如果引脚 1 意外接上电源或干扰进入电路和引脚被破坏，如果端口 接连接到伺服，微控制器的端口将被损坏。这将是致命的。 74一个 14 引脚的芯片，它可以很容易地更换 ，所以用它作为缓冲 可以减少对其间的损坏。 当电动机电源四个或更少的电池，电源直接连接的放空上一侧 如果电源电压交高，这将超过伺服的额定值。因此，电压 必须 固定在 6V 使用， 这样我们考虑需要稳压元件来将电压固定在 6V。我们 通过 端稳压器 稳压提供 3A 的电流 ：在这种情况下， 将 侧的 跳线 短 接，便可达到该目的。因为伺服电机的过流和过压都比较小，所以必须加保护， 利用电容接地都是起保护作用， 防止舵机被大电流、大电压击穿，通过 舵机相连 10。 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 9 图 2 服舵机电路图 度控制原理 运行电机系统必提供电压 使 电机运行。停止电机系统也只是停止适用的电压。但是，我们必须了解，系统如何实现中间速度或精确的速度控制的，例如全速的 10 或 20 如果一个电位器可以电压减少。但是由于汽车需要大电流和大电阻将是必要的。部分电压电动机将一热的形式消散在电阻上。 要解决这些问题，这个开关上的电压和关闭迅速控制电机，仿佛一个中间电压是目前适用的。开 /关的信号会受到控制，因此，它有一个固定的限额，但高低电平之间的时间不同。这就是所谓的脉冲宽度调制，并简称“ 分数该信号是相对于被称为脉冲宽度的义务（或占空比） 如图 2 图 2空比示意图 如果反复手动的接通和断开电机地电源，这也是所谓的 较长时间的电源连接，使电机转的更快。时间越长中断越慢。断开电机数最快 一个微控 制器可以执行此行动中毫秒时间单位。 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 10 考虑波形如所示，其中 0高电平（ 5V） 的时间越 长 其平均价值越大。如果整个期间设定为 5V，平均价值将在 5V，即最大电压。如果在规定时间的二分之一， 即 50 ， 平均价值将在 5V ，这样 电压值 就 改变了。如果时间在一个周期正在逐渐降低，到 90 、 80 甚至 0%，依此类推 则 平均电压 值 将 随之 下降，直到最后达到 0V，如果这个信号是连接到电动机，电动机速度也 就 可以缓慢 变慢 ，细微的速度控制成为可能。如果是连接一个 光二极管亮度可以更改。如果用 作业可在微秒或毫秒单位。 我们之所以用 和 0，但是对数字量的处理 相 对就差一些 ， 如图 2 图 2均电压调节示意图 机的驱动 我们 利用 H 桥原理驱动电机，下图用开关组成 H 桥，按照图示将 四个开关其中两个置开另两个置关状态可对电机实现正向、方向和制动， 如图 2 。 图 2 桥原理图 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 11 成的 H 桥 驱动电路 我们所用的 为两个 P 沟道两个 N 沟道 ； P 沟道管：当电源电压大于门电压时 ，允许电流从 D 流向 S； N 沟道管：当电源电压小于门电压时，允许电流从 ， 如图 2 示 。 图 2正向， 反 向和制动场效应管的状态如图 2 示 。 图 2效应管的状态图 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 12 有一点需要注意的是，这两个场效应管的右侧，或两者的 左侧 的管子 绝不能 同时 打开。这将导致 10 V 无负载 连接地 ， 因此无论是哪一端都将别烧毁 ； 在 这 两种情况下 都这是很危险的。 如果我们考虑的四个门电压，电压适用于 P 沟道和 N 沟道场效应管在左边，和电压适用于 P 沟道和 N 沟道场效应管 在右边 是相同的 ， 因此我 们考虑使用下面的排序电路 图 2 图 2效应管排序图 机驱动电路 在实际电路，除集成电路和 场效应 管电路，也增加有前进 /后退开关电路。所示的电路是左马达电路。 脚 输入 号 经过保护电路再由集成电路将信号分成两路相反信号分别跟与非门的一个引脚相连，而 入的逻辑信号也被分成两路相反信号和与非门的另一个引脚相连，与非门的输出引脚控制场效应管进而驱动电机 ， 如图 2表 2表 2 。 图 2机驱动电路图 表 2电机驱动示表 1 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 13 A B C 极 极 极 极 脚 2 脚 1 电机动作 0 0 0 10V (10V (10V (0V (0V 0V 制动 0 1 10V (0V (10V (0V (悬空 0V 空闲 1 1 0V (0V (10V (0V (10V 0V 向前 0 1 10V (0V (10V (0V (悬 空 0V 空闲 0 0 10V (10V (10V (0V (0V 0V 制动 表 2电机驱动示表 2 A B C 极 极 极 极 脚 2 脚 1 电机动作 0 0 1 10V (10V (10V (10V (0V 0V 制动 0 1 10V (10V (10V (0V (0V 悬空 空闲 1 1 10V (10V (0V (0V (0V 0V 反向 0 1 10V (10V (10V (0V (0V 悬空 空闲 0 0 10V (10V (10V (10V (0V 0V 制动 下面我们分析一下电机的空闲状态 ， 空闲 周期 由集成 电路 确定 ，以防止 P 沟道和 于这种设计，它是不可能 使电动机软空闲 。电机在电机驱动板停止 状态 都 是 制动 状态 。 要更改的时间，改变的价值电容和电阻的 集成 电路。 第 3 章 编程 调试 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 14 模型车硬件完成后 我们就进行到编程调试阶段了，该阶段是最重要也是最考验能力的阶段了。想要编出自己的程序的前提就是要读懂资料中所给的测试程序。资料中所给的测试程序是 就要求我们对 其语句类型、特点有一定的了解。 序 分析 下边一段程序为对赛车的基本设定， 第一行是对机器周期的设定， 3071所对应 1毫秒中断一次 ； 第二行为 49151所对应周期为 16毫秒 ； 第三行是对伺服舵机的调节， 4600是舵机正位置时通过软件现 实的数值 ； 第四行为步长值 6。 # 3071 # 49151 # 4600 # 26 该段程序为赛车前端传感器部分发出光线遇到地面不同颜色后反射出不同的光线被传感器感应反映在传感器部分的 8个小灯的情况，根据对地面颜色的分析可以判断出模型车是否行偏离跑道，和几个特殊的环节，例如 直角、变线 ， 跑道如图 3 /* 屏蔽值设置： ：屏蔽（禁用） 能屏蔽（启用） */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 15 图 3道各环节 该段程序为对全局变量的声明 7。 /*对于计时器职能 */ /*用于主函 数 */ /* 分支模式 */ 下面程序里考虑了几种可能出现的情况并分别编写 ,编写时还按转弯的角度和左右轮的速度分别考虑，下列为几种情况的说明。 0 ： 等待开关切换输入 。 1 ： 检查启动栏是否打开 。 11： 拐弯线检测 。 12 ：检测到要完成了一次大型右转 。 13 ：检查要完成一次大型左转 。 21 ：当第一次横线被发现 。 22 ：读跳过第 2条线拐弯线 。 23 ：左，右直角转弯开始 。 31 ：左直角急转弯处理 到稳定 。 32 ：左直角急转弯处理 41 ：右直角急转弯处理 到稳定 。 42 ：右直角急转弯处理 是否完成转弯 。 51 ：第一次右边线被发现 。 52 ：读 取、 忽略第二条 。 53 ：车道变为全黑，变右半线 。 54 ：检查完成右边变线过程 。 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 16 61 ：第一次左半线被发现 。 62 ：读 取、 忽略第 2次半线 。 63 ：车道变为全黑，变左半线 。 64 ：检查完成左边变线过程 。 ： /*等待开关切换输入 */ ) 1； 0； # *=*/ /* 符号定义 */ /*=*/ # 3071 /*定时器周期： 1毫秒中断一次 */ # 49151 /* 16毫秒 */ # 4600 /*伺服传感器 # 26 /*步值为 1*/ /* 屏蔽值设置： ：屏蔽（禁用） 能屏蔽（启用） */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ # 0 /* */ /* 全局变量声明 */ /*对于计时器职能 */ /*用于主函 */ /* 分支模式 */ /* 主要程序 */ i; /* 单片机初始化函数 */ ; /* 初始化 */ 0; /* 开放所有中断 */ /* 车状态初始化，舵机和马达不动 *