【《基于单片机自动寻迹小车控制系统设计》13000字（论文）】

[13]芯片可以输入高达35V的电压,能够输出不超过1.5A的电流。在器件的使用过程中，需要注意的是：需要转换的电压和输出的电压，差别不能太大，否则芯片的电压转化会受到影响，器件也容易烧坏。其输入输出电压相差过小也会引起稳压效率的降低，如果需要输出大电流，器件的发热情况会变得严重，在散热器的选取上，不能选择规格较小的散热片，否则芯片容易被烧坏或者是触发芯片的过热保护，L7805稳压器引脚如图3-4所示。图3-4L7805稳压器引脚图3.3.2电源模块电路设计小车的电源使用6节1.5V的干电池，在接入SW1开关后，先引出9V的电压供电机驱动模块使用，然后接入芯片的输入端，在经过L7805芯片的电压转化后，输出稳定的电压供小车使用。在电路中，两个电容起到过滤杂波的作用，LED灯为电源指示灯。图3-5给出了电源模块电路。图3-5电源模块电路图3.4驱动模块设计3.4.1L298驱动芯片简介L298N驱动芯片内部有2个桥式驱动器，能过驱动46V以下的电机。工作电压为5V。驱动电机时，电流能够达到2A，芯片L298N芯片各个引脚的功能定义如图3-6,芯片的逻辑输出供电与负载的供电必须完全分离,通过此种方式，如果逻辑电压比较低，芯片也能正常的工作。L298N驱动芯片控制直流电机时，通过改变输入端的电平，就能实现对直流电机的控制。图3-6L289N驱动芯片引脚图3.4.2L298驱动芯片工作原理图3-7桥式电路图L298N驱动芯片内部有4个简单的H桥式驱动电路,图3-7是一个用来控制电机的桥式电路结构图,因为这个电路的类型像是一个简单的字母H,所以被人们称为H桥式驱动电路,从这个电路结构图可以清楚地看到,电路有4个晶体三极管，中间是直流电机,当我们需要驱动电机时,导通两个三极管Q1和三极管Q4形成一个回路，电机就会实现正转，导通三极管Q3和三极管Q2，电机就会实现反转。通过导通H桥电路的对角三极管就可以完成电机的驱动。从图3-7可以看出，如果同时导通Q3和Q4，电流从Q3直接流向Q4而没有经过电机，那么其流过的电流值会很大，有可能会造成三极管的损坏。为了避免这种情况，再实践运用中，构建与非门加到电上。非门负责提供导通信号，防止H桥式电路同一侧导通，与门与使能信号合并成一个信号，用来控制电路。3.4.3驱动电路设计小车电机驱动电路是基于H桥式电路设计出的，驱动电路如图3-8所示。将两个直流电机接入L298N的4个输出引脚端，将芯片的四个输入端IN1、IN2、IN3、IN4和使能信号端连接到单片机上，当需要控制J1电机时，将芯片的IN1端接入高电平信号，将低电平信号接到IN2端上。J1电机就可以实现正转操作，但需要J1电机实现反转操作时，只需要将IN1接低电平，在IN2端上接入高电平。如果需要停止电机，将两个输入端同时接入同等电位的电平。具体控制逻辑详见表3-1。图3-8驱动电路图表3-1电机控制逻辑表小车状态J1电机J2电机IN1IN2IN3IN4小车进行前进电机正转电机正转1010小车进行左转电机正转电机反转1001小车原地顺时针旋转电机正转停1011小车进行右转电机反转电机正转0110小车原地逆时针旋转停电机正转1110小车进行后退电机反转电机反转01013.5寻迹模块设计3.5.1S178红外对管检测原理本次设计是用S178红外对管检测道路的信息，S178红外对管由两大部分构成，分别是红外光线的发射管和红外光线的接收管。图3-9分别为S178实物图(a)和内部电路图（b）。S178红外对管的检测距离为4-10mm。实物图(b)内部电路图图3-9S178红外对管图S178红外对管的工作原理：在红外对管接入电压正常工作后，发射管就会不断的发出特定频率的红外光线。在自然界中，光都是会被反射的，通过这一原理，红外光线在照射到物体后，就会被反射回来，被接收管接收到，当照射到黑色胶带等反光率低的介质上时，大部分的红外光线就会被黑色胶带吸收到，无法被反射，接收管没有红外光的充分照射，就会处于截止状态。如果红外光照射到其他反光率高的介质上时，红外光的反射率就会很高，红外光线反射回来，充分的照射到接收管，就会处于通路的状态，在经过寻迹电路的转化后。就可以输出高、低两种电平信号，从而实现循迹功能。3.5.2LM339N电压比较器工作原理LM339N电压比较器内部拥有多个比较器，有14个引脚，工作电压为2-36V,该芯片输出端的电位使用范围广，对于比较信号源的内阻要求不高，图3-10为LM339引脚图。图3-10LM339引脚图LM339N比较器工作原理：LM339N共有四个比较器，每一个比较器两个输入端，通过符号“+”“-”就能辨别出来，带有“+”符号的是同相端，“-”符号的则是反相端。当需要进行电压的比较时，选取任意一个输入端，输入一个不变的电压值，剩下的一个输入端接入要比较的电压。如果两个输入端中，“+”号同相端的输入电压比较高，“-”号反向端的输入电压比较低，信号输出端就会输出高电位信号，当“-”号反相端输入电压高于“+”号同相端输入电压，输出端就会输出一个低电位信号。3.5.3循迹电路设计电路小车的循迹电路是以S178红外对管和LM339N电压比较器为主要元器件构建出的电路，本次设计的小车有五对红外对管，LM339N内部的比较器只有四个，无法满足小车的设计需求，所以加了一个同类型的LM393电压比较器，两个比较器的参数和作用是一样的，这里就不多加阐述了，循迹电路图如3-11所示。图3-11循迹电路图循迹电路以5V直流电压作为电源，以一组比较电路为例，电路中电阻R4和R3作为限流电阻，R10为可调电位器，起分压作用，负责调节比较器的门限电压，R1作为上拉电阻，，其大小会影响比较器输出端的电平信号的大小。本设计以同相端接入固定电压作为参考电压。在接通电源后，S178红外对管不断的发出红外光线照射到地面上，在照射到黑色胶带后，光线被吸收，没有反射回来，接收管处于关闭状态,红外对管接入比较器的那一端，其电压处于低值，比较器通过电压的比较后，就会输出一个低电平信号，红色LED灯亮。在检测白色等其他光反射率高的颜色时，光线被放射回来，接收管接收到后，其状态处于饱和状态，比较电压就会升高，超过参考电压。LM339会输出高电平，同时红色LED灯熄灭。3.6避障模块硬件设计3.6.1HC-SR04超声波传感器介绍HC-SR04超声波传感器探测的范围是2cm到4m，工作电压为5V，拥有检测灵敏，精度高、能耗低、检测稳定性高的优点，可以应用在多个领域上。图3-12给出了HC-SR04实物图。HC-SR04引脚定义如表3-2所示：图3-12HC-SR04实物图表3-2HC-SR04引脚定义名称定义VCC引脚电源端GND引脚接地端TRIG引脚信号输入端ECHO引脚信号输出端3.6.2超声波测距的原理超声波是由物质的振动而产生的。具有两个振动方向，能够在不同的物质中传播，例如水，木材，空气等，超声波在扩散过程中，会出现不同程度的损耗。超声波传感器内部主要由压电元件组成，超声波传感器的时序图如图3-13所示。图3-13超声波时序图通过时序图可以看到，只要向传感器输出时间为10us的高电位信号，传感器内部就会持续不断的发出40000Hz的方波，当超音波遇到物体时，超音波折射回传感器，传感器检测到返回的超音波后，持续不断的输出电平信号，电平信号的时间长短与检测的距离成正比例，只要记录超声波发射到回传的时间，通过超声波距离公式（3-1）的公式换算，就能得出传感器和物体之间的距离。s（3-1）s=物体与传感器的距离v=超声波在空气中的速度（340m/s）t=定时器的记录时间3.6.3超声波电路设计本设计通过单片机P1.6、P1.7口连接传感器的输入端和输出端，但需要发射超声波时，单片机通过P1.6口向传感器输出高电位信号，信号保持的时间为10us。超声波传感器在接收到单片机发出的高电平信号后，会立即发出方波信号，发出的方波频率为40KHz，总体数目为8个。同时单片机的T0定时器会启动，开始记录方波发射的时间，在遇到障碍物后，当超音波被反射回来时，定时器停止，不再记录超音波发射时间，传感器的输出端会不断的输出一个高电位信号。高电平信号的时间是T0定时器的计时时间。在通过测距公式（3-1）的计算，最终得出障碍物离小车的距离。图3-14给出了超声波接口电路。图3-14超声波接口电路3.7红外遥控模块3.7.1红外遥控器的原理按下红外遥控器的任意一个按键，红外发射端就会发送出一段载波信号，载波信号的频率为38kHz，，这段信号的本质是由0和1组成的编码，也被称为一帧数据，图3-15给出了一帧数据的构成情况，引导码代表着代码开始发送，数据码是为了防止不同的遥控器之间出现干扰现象。用户反码其实是用户码的取反，通过两个相反的代码之间的比较，就能识别出其发出的遥控指令是否是正确的。键数据码和键数据反码是操作码，在红外接收头接收到代码，单片机的解码程序成功解码后，就会执行相应的操作，图3-16为遥控器实物图。图3-15一帧数据的构成图3-16遥控器实物图3.7.2红外接收电路设计本设计采用VS1838B红外接收头，具有抗干扰强、长距离接收信号的优点，该接收头有3个端子，图3-15为红外接收电路。在该电路中，接入5V电源到红外接收头的电源端（VSS），信号输出端（OUT）接到单片机的P3.2口，将接地端接入公共端。在接收头没有受到信号时，其输出端输出高电平信号，当收到红外信号时，则输出代码到单片机上，图3-17为红外接收电路，图3-17红外接收电路4软件设计4.1主程序流程图小车的程序是采用C语言编写成的，在小车行驶过程中，各模块的传感器收集路面的信息转化为电平信号传到单片机I/O口。单片机接收到传感器提供的信号后，结合相关的程序对数据进行处理。最后将结果反馈到各个模块上，小车软件部分的构成为：循迹子程序、避障子程序、红外遥控程序等，还有延时调用、外部中断程序等。本文的程序设计是通过不同模块所要实现的功能来设计不同的子程序，通过这样的编程结构，在调试的时候更加的简单。主程序流程如图4-1所示。初始化初始化中断服务中断服务遥控信号遥控信号 Y N 红外遥控控制自动红外遥控控制自动循迹避障结束结束图4-1主程序流程图4.2电机驱动程序设计电机驱动程序负责实现小车的前进、转向等行驶功能。通过单片机输出电平信号给电机驱动电路中的L298驱动芯片，结合电机驱动电路就能实现对电机的驱动。在设计驱动程序时，应对单片机连接L298芯片的I/O口进行定义。在再将小车的前进、左转等功能定义函数，方便其他子程序的调用。下面为小车前进功能的部分程序，在程序中，通过对L298驱动芯片的4个信号输入端接入不同的电平信号，即可控制2个电机的正反转，具体控制逻辑见表3-1。sbitqu_ll=P2^0; //左边电机信号输入端IN1sbitqu_zl=P2^1; //左边电机信号输入端IN2sbitqu_zr=P2^2; //右边电机信号输入端IN1sbitqu_rr=P2^3; //右边电机信号输入端IN2voidgo(){qu_ll=1;qu_zl=0;qu_zr=0;qu_rr=1; }4.3循迹模块程序设计小车循迹功能是通过红外传感器检测路面信息，采集到的信息通过循迹电路转化为电平信号传输到单片机上，再通过单片机程序进行处理，最终实现小车的寻迹功能，在循迹程序的设计时，将循迹电路连接单片机的5个I/O口进行定义，在通if语句的形式来判断位置，然后调用驱动子程序，从而实现小车的循迹，循迹流程如图4-2所示。下面为小车的前进和右转程序，其中xun_ll、xun_l、xun_z、xun_r、xun_rr分别是小车从左到右的五个红外传感器。寻到黑线为0，白线为1。从程序中可以看到，当中间的传感器检测到黑线而其他传感器没检测到黑线时，说明小车处于黑线的正上方。不需要调整小车的行驶轨迹。满足if语句的执行条件，执行小车的前进子程序，小车实现前进功能。当小车在寻黑线行驶中需要进行转弯时，通过五个传感器检测情况的不同，从而判断出小车是否需要转向，将需要右转的情况统计出来，作为if语句的执行条件，当条件满足时，执行右转子程序。通过这样的编程思路，实现小车的寻迹行驶。voidxunji(){ if((xun_ll==1)&&(xun_l==1)&&(xun_z==0)&&(xun_r==1)&&(xun_rr==1)) { go(); //小车前进 } if(((xun_ll==1)&&(xun_l==1)&&(xun_z==0)&&(xun_r==0)&&(xun_rr==1))|| ((xun_ll==1)&&(xun_l==1)&&(xun_z==1)&&(xun_r==0)&&(xun_rr==1))|| ((xun_ll==1)&&(xun_l==1)&&(xun_z==1)&&(xun_r==0)&&(xun_rr==0))|| ((xun_ll==1)&&(xun_l==1)&&(xun_z==1)&&(xun_r==1)&&(xun_rr==0))) { right();//小车右转 }}启动循迹程序启动循迹程序黑线检测黑线检测是否检测到黑线？是否检测到黑线？ N Y程序判断 程序判断驱动小车沿黑线行驶驱动小车沿黑线行驶图4-2循迹程序流程图4.4避障模块程序设计小车在行驶过程中通过传感器发出超音波，同时89C52RC单片机的定时器开始记录时间，在超音波遇到物体后，被反射回传感器上，同时定时器停止记录时间，此时传感器会持续输出高电平，其持续时间为定时器所记录的时间，再通过测距公式（3-1）进行距离的计算。得出障碍物的距离。在程序中，当计算出小车与障碍物的距离后，通过if语句来判断小车是否需要执行避障操作，本设计中，设20cm为小车的避障临界点，当小于20cm后，程序执行条件成立，执行下面的程序。可以看到，小车先停一下，让车体稳定下来，然后右转90度后前进，让小车行驶出障碍物范围，当前进800ms后，再左转后前进1650ms，越过障碍物。最后再左转后前进，让小车回到黑色轨道上，继续寻迹行驶。总的来说，小车的避障行驶轨迹为半个正方形。voidbizhang(){ if(distance<20)//距离 { stop(); //停止 delay_1ms(200); right_90(); //小车右转90度 go(); //小车前进 delay_1ms(800); stop(); //小车停止 delay_1ms(200); left_90(); //小车左转90度 go();//小车前进 delay_1ms(1650); stop(); //小车停止 delay_1ms(200); left_90();//小车左转90度 go();//小车前进 delay_1ms(100); while((xun_l==1)&&(xun_r==1));//等待回到轨道 right_s_90_while(); //右转90度，让小车回到黑线上 }}测距程序启动测距程序启动检测到障碍物检测到障碍物避障程序启动避障程序启动小车小车右转后前进800ms左转后前进1左转后前进1650ms左转后前进，检测到黑线，继续行驶。左转后前进，检测到黑线，继续行驶。图4-3避障流程图4.5红外遥控程序设计在没有遥控信号输入时，单片机I/O口P3.2平常是高电平，当有遥控信号输入，VS1838B红外接收头接收到引导码，然后判断1和0，当解码成功后，红外遥控程序执行条件满足，就可以通过按下不同的按键来进行小车的遥控。红外遥控流程如图4-4所示。红外遥控的部分程序如下。voidhongwai_dis(){ if(flag_jiema_en==1)//解码成功 { flag_jiema_en=0; stop(); //停下 if(hw_table[2]==0x40) { go(); //小车前进 } 发出遥控指令发出遥控指令中断发生中断发生进行红外解码进行红外解码执行红外遥控子程序执行红外遥控子程序小车动作小车动作图4-4红外遥控流程5小车制作与调试5.1小车制作在制作小车前，首先检查各个元器件是否能正常工作，其规格是否正确，在元器件检查无误后，先进行电路元器件的排版，元器件排版如图5-1所示。图5-1元件排版图电路制作完毕后，使用万用表检查电路是否有虚焊、短路的现象，检查各个模块的芯片电压是否正常,如检查LM339N电压比较器时，用万用表红表笔和黑表笔分别接LM339N电压比较器的电源端和接地端是否有电压,如果有的话，说明电路连接正确,如果没有的话说明电路有问题。应断开电源检査电路。在修改电路后再进行上电检测，直到LM339N电压比较器上有电压为止。以类似的方法检査其他模块的电路。在电路检查无误后，即可烧写程序到单片机程序上，进行各个模块功能的调试。图5-2电路焊接图5.2循迹功能的调试循迹模块是用红外传感器进行黑线的检测，先做出贴有黑色胶带的跑道，将小车放到黑色胶带上，调整红外传感器与黑线之间的位置，以2cm左右合适，再通过改变电位器的阻值来改变比较器的基准电压，调试过程如图5-2所示，当比较器输出低电平信号，红色指示灯亮起，代表红外传感器检测到黑线。通过反复的调试，让小车能稳定的进行黑线检测，从而使小车能够稳定的寻黑线行驶。电位器调试(b)检测指示灯图5-2循迹模块调试过程5.3避障功能的调试在对小车的避障功能进行调试时，在小车寻迹行驶道路上放一个障碍物，观察小车的避障反应速度，根据小车避障反应的快慢，修改程序中的避障程序执行条件参数，如在避障过程中，小车没有成功绕开避障物，调节延时参数，调试过程如图5-3所示，通过不断的修改，最终使小车合理的进行避障操作。图5-3避障模块调试过程5.4红外遥控功能的调试声当红外遥控器发出指令后，如小车没有接收到代码，利用万用表检查外部硬件，当外部硬件没有问题时，检查程序是否出现错误，如程序的红外遥控I/O口是否定义错误，当发现错误时，在修改程序后，重新烧入单片机内，经过不断调试，最终实现小车的红外遥控功能。当遥控器按下“+”按钮，小车前进，当按下“-”按钮，小车后退。当按下快进键，小车实现转向。当按下MENU按钮，小车切换为自动寻迹模式，当按下电源键，小车关闭自动寻迹模式。6结论随着社会的不断发展，智能车辆的应用越来越广泛，在汽车行业，智能车辆能够保障社会大众的出行安全，在航天航空领域，能够对其他星球进行探索，在其他领域也有着广泛的应用。本文正是基于此背景，展开对自动寻迹小车控制系统的研究和设计。将红外对管检测黑线的原理、超声波传感器测距原理和红外通讯原理成功的运用在本次设计中，实现了自动寻迹小车的寻迹功能、避障功能、红外遥控功能。在本次设计中，主要完成了以下工作。（1）首先论述了智能车辆的发展前景和发展状况。（2）提出系统的框架和方案的设计，提出各个模块的硬件设计方案，在经过反复比较后，确定各个模块的元器件。采用STC89C52RC作为小车主要处理核心，运用S178红外对管和HC-SR04超声波传感器作为小车寻迹功能和避障功能的传感器。（3）介绍自动寻迹小车的硬件设计。首先对各个模块的芯片参数和工作原理进行阐述。设计小车各个模块的电路原理图，并阐述了电路的工作原理。（4）在自动寻迹小车的硬件设计基础上进行各个功能的程序流程设计。（5）在各个模块的软硬件设计完成后，并说明了小车的制作和寻迹功能、避障功能、红外遥控功能的调试。参考文献[1]唐继贤.51单片机工程应用实例.北京:北京航空航天大学出版社.2009,79-88[2]GoldsteinA,O'ConnorD.AnAGVDevelopmentProgram[M]//Electroniccommercefordevelopment.DevelopmentCentreoftheOrganisationforEconomicCo-operationandDevelopment,2002.[3]梁凯淋，单片机技术的发展及应用.中小企业管理与科技(下旬刊)2009-04-25[4]牛月兰.单片机原理及应用技术[M].机械工业出版社,2014.[5]魏鸿磊.单片机原理及应用（C语言编程）[M].同济大学出版社,2015[6]张文杰,李东吉.单片机系统设计与应用.北京:机械工业出版社,2000,122-130[7]谢泽林,罗新