寻线智能小车系统设计与调试

1、本科毕业设计文献综述寻线智能小车系统设计与调试学生：章兵伟学 号：11号专业：机械设计制造及其自动化班 级：A0811班指导教师：张为机械与材料工程学院二O年十月文献综述前言在传感器技术和自动控制技术正在飞速进展时期，机械、电气和电子信息已 经再也不明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经愈来愈重要，“智能”那 个词也已经成了热点辞汇。此刻国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的 水平，专门是日本，比如日本本田制作的Asmara机械人，其仿人双足行走已经 做得十分传神，而且具有必然的学习能力，还听说其智商已达到6岁儿童的水平。作为机械行业的代表产品一汽车，其与电子信息产业的融合速度也显著提

2、高，呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整车(专门是轿车)的价值量 比例慢慢提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向进展，汽车电 子产业也很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增加点； 二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向进展，使其不仅作为一种代步工 具、同时能具有交通、娱乐、办公和通信等多种功能。无容置疑，机电一体化人材的培育不论是在国外仍是国内，都开始重视起来， 主要表此刻大学生的各类大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地域机 械人大赛(ABU ROBCON)、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要 竞赛都能专门好的培育大学生实践能力。但很

3、现实的状况是，国内不论是在机械 仍是电气领域，与国外的差距仍是很明显的，所以作为机械设计制造及其自动化 学生，必需加倍尽力，为慢慢赶上国外先进水平并超过之而尽力。为了适应机电一体化的进展在汽车智能化方向的进展要求，提出简易智能小 车的构思，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，取 得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方式。所以立“寻 线智能小车系统设计与调试”一题作为毕业设计来锻炼自己巩固自身知识修养。正文任务及要求任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1-1所示。检测（黑线）T

4、软件控制 一驱动电机 一控制小车图1-1系统方案方框图系统设计方案小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，能够按照接收到的反射光的强弱来判断“道路”。通常采取的 方式是红外探测法。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，在小车行驶进程中不断地向地面发射红外光，当红外光碰到白色纸质地板 时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；若是碰到黑线则红外光被吸 收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是不是收到反射回来的红外光为 依据来肯定黑线的位置和小车的行走线路。红外探测器探测距离有限，控制系统整体设计自动

5、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份组成，控制系统的结构框图如图2-1所示。1、主控制电路模块：用AT89C51单片机、复位电路，时钟电路2、红外检测模块：光电传感器ST188，比较器LM3243、电机及驱动模块：电机驱动芯片L298N、两个直流电机4、电源模块：双路开关电源3.系统方案寻迹传感器模块ST系列反射式光电传感器是常常利用的传感器。那个系列的传感器种类齐 全、价钱廉价、体积小、利用方便、质量靠得住、用途普遍。咱们采用ST188作为红外检测传感器。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

6、压为4.8V，若检测到黑色区域，接收管同意到发射管 发射的红外线，电阻发生转变，所分得的电压也就随之发生转变，测的接收管的 电压为0. 5V，测试大体知足要求。判断有无黑线咱们用的一块比较器LM324，比较基准电压由30K的变阻器调 节，各个接收管的参数都不一致，每一个传感器的比较基准电压也不尽相同，咱 们为每一个传感器配备了一个变阻器。3.1.1红别传感器ST188简介含一个反射模块（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，看接收信号转变判断检测物体状态的转变。A、K之间接发光二极管， C、E之间接光敏三极管（二者在电路中均正接，但要串联必然阻值的电阻）口口口 w：网b

7、 5I2 5i底视图 泠部电路图3-1 ST188实物图图3-2 ST188管脚图及内部电路3.1.2比较器LM324简介LM324为四运放集成电路，采用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330V, 或正负双电源1. 5V15V工作。在黑线检测电路顶用来肯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，LM324的一个输入端需接滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的 阻值来提供适合的比较电压。图3-3 LM324内部电路1 2 3 4 5 G 7图3-4集成运放的管脚图3.1.3具体电路通过ST188检测黑线，输出接

8、收到的信号给LM324，接收电压与比较电压比 较后，输出信号变成高低电平，再输入到单片机中，用以判定是不是检测到黑 线。图3-5传感器模块电路图3.1.4传感器安装在小车具体的循迹行走进程中，为了能精准测定黑线位置并肯定小车行走的方向，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 循迹的靠得住性。这4个红外探头的具体位置如图3-6所示。图3-6传感器安装图图中循迹传感器全数在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器， X2与Y2为第二级方向控制传感器，而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，始终维持（如图3-6中所示的行走轨迹黑线）在X1

9、 和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就可以检测到 黑线，把检测的信号送给小车的处置、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，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。 能够看出，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 靠得住性。控制器模块采用Atmel公司的AT89C51单片机作为主控制器。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Flas

10、h只读存储器， 具有4K的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O 口，2个8位可编程按时计 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3-7 （与单片机组成最小系统）1）采用外部时钟，晶振频率为12MHZ2）采用按键复位U1A : _F1 - Z 3 4 S 6 7S SKXTAL1PU )/ADUPO 1/AD1PO :2/AD2PO 部AD3PO 4/AD4P0.5/AD5PO G/ADRRSTP0.7/AD7P2 O/ASP2 1/A9P2 2/A10PSENP? 3侣11ALEP2 4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A

11、15PI 0O/RXDP1.1P3.irr.xDPI.2P3.2/IFTT0PI.3P3.IFTT1Pl.4PS.4/T0P1.5PS STIP1 6P?P1.7P3.7/RD39豆T-二二 图3-7时钟电路和复位电路电源模块电源采用双路开关电源。明伟牌D-30W双路开关电源。输出（5V、12V）。实物图如图3-8所示。图3-8双路开关电源该开关电源尺寸为129X98X38mm,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、高靠得住。输入电压范围85132VAC/175264VAC, 4763Hz开关选择；冲击电流冷起动电流15A/115V 30A/230V；直流电压可调

12、范围额定输出电压的10%；启动、上升、维持时刻200ms, 100ms,30ms；耐压性输入输出间；输入与外壳，输出与外壳，历时一分钟；工作温度、湿度10C+60C，20%90%RH；安全标准 符合CE标准；EMC标准符合CE标准；连接方式7位9.5mm接线端子；质量/包装0.41Kg,45PCS19.5Kg-30A4.04A1.0A16cm %314? 3.4.2F3.4：_3L3.5.1】2 3 3SENSA,OLT4SENSE GbJD角OQB+AO3.5.2件设计?伽控制本系统采用PWM来调节直流电机的速度PWM是通过控制固定电压的直流电源 开关频率，从而改变负载两头的电压，进而达到控

13、制要求的一种电压调整方式。 PWM能够应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源,并按照 需要改变一个周期内“接通”和“断开”时刻的长短。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,PWM又 被称为“开关驱动装置”。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 按必然规律,改变通、断电的时刻，即可让电机转速取得控制。本系统中通过控制51单片机的按时器T0的初值，从而能够实现和输出口输 出不同占空比的脉冲波形。按时计数器若干时刻（比如）中断一次，就使或产生

14、一个高电平或低电平。将直流电机的速度分为100个品级，因此一个周期就有 个100脉冲，周期为100个脉冲的时刻。速度品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 电机两头的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大，加在电机两头的电压越 大，电机转动越快。电机的平均速度等于在必然的占空比下电机的最大速度乘以 占空比。当咱们改变占空比时，就可以够取得不同的电机平均速度，从而达到调 速的目的。精准地讲，平均速度与占空比并非是严格的线性关系，在一般的应用 中，能够将其近似地看成线性关系。整体软件流程图小车进入寻迹模式后，即开始不断地扫描与探测器连

15、接的单片I/O 口，一 旦检测到某个I/O 口有信号转变，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4-1所示:小车循迹流程图小车进入循迹模式后，即开始不断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，即进入判断处置程序，先肯定4个探测器中的哪个 探测到了黑线，若是左面第一级传感器或左面第二级传感器探测到黑线，即小车 左半部份压到黑线，车身向右偏出，现在应使小车向左转；若是是右面第一级传 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，小车向左偏出 了轨迹，则应使小车向右转。在通过了方向调整后，小车再继续向前行走

16、，并继 续探测黑线重复上述动作。循迹流程图如图4-2所示由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个品级间的转向力度必需彼此 配合。第二级一般是在超出第一级的控制范围的情形下发生作用，它也是最后一 层保护，所以它必需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 Turn_left2 Turn_left1,Turn_right2 Turn_right1 （其中 Turn_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1为小车转向力度，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取得。中断程序流程图这里利用的是51单

17、片机的T0按时计数器，从而让单片机P0 口的和引脚输 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。按时计数器若干时 刻（比如）比如中断一次，就使或产生一个高电平或低电平。中断程序流程图如 图4-3所示参考文献参考文献章政,吴怀宇，程磊.大学生智能汽车设计基础与实践.电子工业出社2008,7张建民，机电一体化系统设计（第三版），高等教育出版社2007,7熊和金.智能汽车系统研究的若干问题.交通运输工程学报，2001,2:3740漆汉宏.PLC电气控制技术.机械工业出版社.2010,3黄开胜,金华民,蒋狄南.韩国智能模型车技术方案分析.电子产品世界,2006,5:150152唐一平,机械工程专业英语，电子工业出版社,2009,10杨路明，郭浩志C言语程序设计教程.北京邮电大学出版社,2005,5郁有文,常建,程继红.传感器原理及工