基于51單片機的智能循跡避障小車+C源程序.doc

項目名稱：智能小車系別： 信息工程系專業(yè)：11電氣工程及其自動化姓名：劉亮、崔占闖、韓康指導(dǎo)老師： 王蕾崔占闖聯(lián)系郵箱：1308253761qq.com目錄摘要：.3關(guān)鍵詞：.3緒論：.3一、 系統(tǒng)設(shè)計.41.1、任務(wù)及要求.41.2車體方案認證與選擇.4二、硬件設(shè)計及說明.52.1循跡+避障模塊.52.2主控模塊.62.3電機驅(qū)動模塊.62.4機械模塊.72.5 電源模塊.7三、自動循跡避障小車總體設(shè)計.7四、軟件設(shè)計及說明.84.1系統(tǒng)軟件流程圖.94.2系統(tǒng)程序.9五、系統(tǒng)測試過程.12六、總結(jié).13七、附錄：系統(tǒng)元器件.13摘要本設(shè)計主要有三個模塊包括信號檢測模塊、主控模塊、電機驅(qū)動模塊。信號檢測模塊采用紅外光對管，用以對有無障礙與黑線進行檢測。主控電路采用宏晶公司的8051核心的STC89C52單片機為控制芯片。電機驅(qū)動模塊采用意法半導(dǎo)體的L298N專用電機驅(qū)動芯片，單片控制與傳統(tǒng)分立元件電路相比，使整個系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。信號檢測模塊將采集到的路況信號傳入STC89C52單片機，經(jīng)單片機處理過后對L298N發(fā)出指令進行相應(yīng)的調(diào)整。通過有無光線接收來控制電動小車的轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)自動循跡避障的功能。關(guān)鍵詞：智能循跡避障小車，STC89C52單片機，L298N驅(qū)動芯片，信號檢測模塊，循跡避障緒論（一）智能小車的作用和意義自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的感系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當發(fā)達，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航一種實用有效的方法。機器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引循跡功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當給機器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作。該智能小車可以作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、cpu、執(zhí)行部分。機器人要實現(xiàn)自動循跡避障功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價廉物美的紅外光電傳感器來充當。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機來充當?shù)?，主要控制小車的行進方向。單片機驅(qū)動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有PWM功能的單片機，這樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機資源，難以精確調(diào)速，但單片機型號的選擇余地較大。考慮到實際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用STC89C52單片機，配合軟件編程實現(xiàn)。（二）智能小車的現(xiàn)狀現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質(zhì)成果。其基本可實現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計主要實現(xiàn)循跡避障這兩個功能一、系統(tǒng)設(shè)計本組智能小車的硬件主要有以STC89C52單片機作為核心的主控器部分、自動循跡+避障部分、電機驅(qū)動部分。電機驅(qū)動部分和其他部分由一個電源通過串聯(lián)供電。小車硬件系統(tǒng)示意圖如下：自動循跡+避障模塊電機驅(qū)動模塊STC89C52單片機電源5V供電途徑功能控制1.1、任務(wù)及要求設(shè)計一個基于直流電機的自動循跡避障小車，使小車能夠自動檢測地面黑色軌跡和道路兩側(cè)的擋板（沒有黑線時），并沿著黑色軌跡和擋板行駛。檢測（黑線）驅(qū)動電機軟件控制控制小車1.2、車體方案認證與選擇方案一：自己動手制作電動車，一方面材料缺少，另一方面制作過程要花費大量的時間，而且同學(xué)中手藝也不好，制作出來的小車還可能機械性能不好?？紤]到時間與性能這兩方面，我們放棄了這一方案方案二：購買小車全套零件，購買的小車全套零件具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅(qū)動電路。易改裝，好控制。機械性能有保障。小車圖片如下：綜合考慮，最終選擇方案二二、硬件設(shè)計及說明2.1循跡+避障模塊我們選擇四路紅外探測 尋跡光電傳感器此模塊是為智能小車、機器人等自動化機械裝置提供一種多用途的紅外線探測系統(tǒng)的解決方案。使用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，并使用LM339 電壓比較器（加入了遲滯電路更加穩(wěn)定）做為核心器件構(gòu)成中控電路。此系統(tǒng)具有的多種探測功能能極大的滿足各種自動化、智能化的小型系統(tǒng)的應(yīng)用。此模塊的特點：易于安裝，使用簡便； 4 路分別獨立工作，工作時不受數(shù)量限制； 中控板與探頭分開，安裝位置不受限制； 模塊高度10 毫米；安全工作電壓范圍在 3伏特至 6 伏特之間； 4 路全開工作電流 30 毫安至 55 毫安之間。2.2主控模塊我們采用宏晶公司的STC89C52單片機作為主控制器。STC89C52是一個高速，低功耗，超強抗干擾的8位單片機，片內(nèi)含32k 空間的可反復(fù)擦寫100,000 次Flash 只讀存儲器，具有4K 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32 個I/O口，2個8位可編程定時計數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。時鐘電路和復(fù)位電路（與單片機構(gòu)成最小系統(tǒng)）1）采用外部時鐘，晶振頻率為12MHZ2）采用按鍵復(fù)位2.3電機驅(qū)動模塊電機電機采用直流減速電機，直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力?？蛇x用減速比為1：74 的直流電機，減速后電機的轉(zhuǎn)速為100r/min。若車輪直徑為6cm，則小車的最大速度可以達到V=2rv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。驅(qū)動驅(qū)動模塊采用專用芯片L298N 作為電機驅(qū)動芯片，L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機。以下為L298N的引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。 圖L298N外部引腳 表1 L298N輸入輸出關(guān)系驅(qū)動電路的設(shè)計如圖2 所示：圖2 L298N電機驅(qū)動電路L298N 的5、7、10、12 四個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速控制。2.4電源模塊采用4節(jié)普通1.5V干電池單電源供電，采用串聯(lián)方式同時給單片機與電機供電。三、自動循跡避障小車總體設(shè)計31 總體電路圖四、軟件設(shè)計及說明4.1系統(tǒng)軟件流程圖 開始前進否否掃描I/O口，是否檢測到黑線掃描I/O口，是否檢測到障礙是是左/右檢測到黑線左/右檢測到障礙右/左行進左/右行進4.2循跡避障程序#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned char zkb1=0 ; /*左邊電機的占空比*/unsigned char zkb2=0 ; /*右邊電機的占空比*/unsigned char t=0; /*定時器中斷計數(shù)器*/sbit LSEN2=P20;sbit LSEN1=P21;sbit RSEN1=P22;sbit RSEN2=P23; /*傳感器*/sbit IN1=P10;sbit IN2=P11;sbit IN3=P12;sbit IN4=P13;sbit ENA=P14;sbit ENB=P15; /*初始化定時器中斷*/void init() TMOD=0x01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; /*中斷函數(shù)+脈寬調(diào)制*/ void timer0() interrupt 1 if(t<zkb1) ENA=1; else ENA=0; if(t<zkb2) ENB=1; else ENB=0; t+; if(t>=50) t=0; /*直行*/ void qianjin() zkb1=50; zkb2=50; /*左轉(zhuǎn)函數(shù)1*/ void turn_left1() zkb1=0; zkb2=50; /*左轉(zhuǎn)函數(shù)2*/ void turn_left2() zkb1=0; zkb2=50; /*右轉(zhuǎn)函數(shù)1*/ void turn_right1() zkb1=50; zkb2=0; /*右轉(zhuǎn)函數(shù)2*/ void turn_right2() zkb1=50; zkb2=0; /*循跡函數(shù)*/ void xunji() uchar flag; if(RSEN2=1)&&(RSEN1=0)&&(LSEN1=0)&&(LSEN2=1) flag=0; /*直行*/ else if(RSEN2=1)&&(RSEN1=1)&&(LSEN1=0)&&(LSEN2=1) flag=1; /*左偏1,右轉(zhuǎn)*/ else if(RSEN2=1)&&(RSEN1=0)&&(LSEN1=1)&&(LSEN2=1) flag=2; /*右偏1,左轉(zhuǎn)*/ else if(RSEN2=0)&&(RSEN1=0)&&(LSEN1=0)&&(LSEN2=1) flag=3; /*右偏2,左轉(zhuǎn)*/ else if(RSEN2=1)&&(RSEN1=0)&&(LSEN1=0)&&(LSEN2=0) flag=4; /*左偏2,右轉(zhuǎn)*/switch (flag) case 0:qianjin(); break;case 1:turn_right1(); break;case 2:turn_left1(); break;case 3:turn_left2(); break;case 4:turn_right2(); break;default: break; /*主程序*/ void main() init(); zkb1=50; zkb2=50; while(1) /*給電機加電啟動*/ IN1=1; IN2=0; IN3=1; IN4=0; ENA=1; ENB=1; while(1) xunji(); /*尋跡*/ 五、系統(tǒng)測試過程本小車能實現(xiàn)循跡避障功能，它能沿著地面上黑色軌跡行駛實現(xiàn)循跡功能，也能檢測到跑道兩側(cè)的擋板，沿擋板行駛實現(xiàn)避障功能。尋跡避障小車軌跡圖介紹：軌道由循跡部分（黑線）和避障部分（道路兩側(cè)加擋板）兩部分組成，小車先進入循跡軌道，沿黑線行駛，到達兩部分連接處進入避障軌道沿擋板行駛，從而實現(xiàn)尋跡和避障功能的展示。軌道示意圖如下：為保證小車能正常行駛，循跡部分的黑線寬度應(yīng)在3.5至4cm。避障軌道的寬度應(yīng)大于20cm小于25cm。六、總結(jié)測試結(jié)果表明：本組智能小車能很好的完成了循跡和避障功能，循跡跑道是由黑色膠布在白色地面上拉線完成，小車可以從O型跑道的任何段為起點，跑完全程。避障跑到是通過擺放障礙物，小車可以走出障礙區(qū)間。七、附錄：系統(tǒng)元器件L298N模塊/步進電機直流電機驅(qū)動模塊/小車電機驅(qū)動模塊/輸出5V四路紅外探測 尋跡光電傳感器 尋跡小車 循跡避障模塊 黑白線識別51單片機最小系統(tǒng)板/USB下載程序/51單片機開發(fā)板智能小車底盤/尋跡小車/機器人/帶碼盤/強磁電機/ZK-2WD四節(jié)五號電池板組 附帶四節(jié)五號干電池導(dǎo)線若干