智能循跡小車(chē)實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

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摘要 本設(shè)計(jì)主要有單片機(jī)模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊組成，小車(chē)具有自主尋跡的功能。本次設(shè)計(jì)采用STC公司的89C52單片機(jī)作為控制芯片，傳感器模塊采用紅外光電對(duì)管和比較器實(shí)現(xiàn)，能夠輕松識(shí)別黑白兩色路面，同時(shí)具有抗環(huán)境干擾能力，電機(jī)模塊由L298N芯片和兩個(gè)直流電機(jī)構(gòu)成，組成了智能車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)，電源采用7.2V的直流電池，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)組裝，從而實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的自動(dòng)循跡的功能。 關(guān)鍵詞 智能小車(chē) STC89C52單片機(jī) L298N 紅外光對(duì)管 1 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的設(shè)計(jì)越來(lái)越精細(xì)，功能越來(lái)越復(fù)雜，智能小車(chē)作為其的一個(gè)分支，也在不斷發(fā)展。在近幾年的電子設(shè)計(jì)大賽中，關(guān)于小車(chē)的智能化功能的實(shí)現(xiàn)也多種多樣，因此本次我們也打算設(shè)計(jì)一智能小車(chē)，使其能自動(dòng)識(shí)別預(yù)制道路，按照設(shè)計(jì)的道路自行尋跡。 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 采用MCS-51單片機(jī)為控制芯片（也可采用其他的芯片），紅外對(duì)管為識(shí)別器件、步進(jìn)電機(jī)為行進(jìn)部件，設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠識(shí)別以白底為道路色，寬度10mm左右的黑色膠帶制作的不規(guī)則的封閉曲線為引導(dǎo)軌跡并能沿該軌跡行進(jìn)的智能尋跡機(jī)器小車(chē)。 3 方案設(shè)計(jì)與方案選擇 3.1 硬件部分 可分為四個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊。 3.1.1 單片機(jī)模塊 為小車(chē)運(yùn)行的核心部件，起控制小車(chē)的所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。由于以前自己開(kāi)發(fā)板使用的是ATMEL公司的STC89C52，所以讓然選擇這個(gè)芯片作為控制核心部件。STC89C52是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫(xiě)入程序的存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫(xiě)入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。其程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是分開(kāi)的。 3.1.2 傳感器模塊 方案一：使用光敏電阻組成光敏探測(cè)器采集路面信息。阻值經(jīng)過(guò)比較器輸出高低電平進(jìn)行分析，但是光照影響很大，不能穩(wěn)定工作。 方案二：使用光電傳感器來(lái)采集路面信息。使用紅外光電對(duì)管，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，沒(méi)有復(fù)雜的圖像處理工作，因此反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間少。但也存在不足，它能獲取的信息是不完全的，容易受很多擾動(dòng)（如背景光源，高度等）的影響，抗干擾能力較差。 方案三：使用CCD傳感器來(lái)采集路面信息。使用CCD可以獲取大量的圖像信息，掌握全面的路徑信息，抗干擾能力強(qiáng)，為以后功能的擴(kuò)展提供方便。但使用CCD需要大量的圖像處理工作，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算，因此電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)工作量大。 方案四：使用光電對(duì)管采集路面信息。RPR220結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，調(diào)整電路簡(jiǎn)單工作性能穩(wěn)定。 可見(jiàn)方案四最適宜，但僅從此項(xiàng)目考慮，方案二成本低，也能完成設(shè)計(jì)，故選用方案二。 3.1.3 電機(jī)控制模塊 3.1.3.1電機(jī)的選擇 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確定位，可實(shí)現(xiàn)小車(chē)行進(jìn)過(guò)程的精確定位。但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩低，隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，且轉(zhuǎn)速越快下降得越快。 方案二：采用直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，操作方便。速度的調(diào)節(jié)可以改變電壓也可以調(diào)節(jié)PWM。 基于以上，我們選擇了方案二，使用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 3.1.3.2電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 采用專(zhuān)用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。一片L298N就可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。 3.1.4 電源模塊 給整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定供電以保持其正常工作，包括7.2V的電源以及轉(zhuǎn)5V部分，其中7.2V的是給電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)供電，5V的用來(lái)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)及其他芯片。 以上單元連接如下圖所示： 3.2 軟件部分 3.2.1程序流程圖 此系統(tǒng)采用89C52單片機(jī)，再根據(jù)硬件連接，通過(guò)相應(yīng)的軟件來(lái)完成對(duì)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的分析，再控制小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，以下為主程序流程圖： 3.2.2程序設(shè)計(jì)思路 3.2.2.1尋跡模塊程序 通過(guò)傳感器獲得路面信息然后反饋給單片機(jī)，再通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。 3.2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序 控制兩個(gè)直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、停車(chē)等功能。 4 各部分電路的作用及電路工作原理分析 4.1 信號(hào)采集模塊 4.1.1 TCRT500結(jié)構(gòu)與工作原理 TCRT5000(L)具有緊湊的結(jié)構(gòu)發(fā)光燈和檢測(cè)器安排在同一方向上，利用紅外光譜反射對(duì)象存在另一個(gè)對(duì)象上，操作的波長(zhǎng)大約是950毫米。探測(cè)器由光電晶體三極管組成的,它由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高度靈敏光電晶體管組成。通過(guò)測(cè)試，其檢測(cè)距離在2mm-10mm。TCRT5000的發(fā)射管和接收管是一起封裝在矩形塑料殼中，為了使檢測(cè)更加準(zhǔn)確，我們用了5只TCRT5000檢測(cè)黑線，實(shí)物見(jiàn)圖4-1。 4.1.2 信號(hào)采集電路圖及原理 小車(chē)在白色地面行駛時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號(hào)被反射，接收管收到信號(hào)后，輸出端為低電平，經(jīng)過(guò)比較器比較后輸出為低電平。而當(dāng)紅外信號(hào)遇到黑色導(dǎo)軌時(shí)，紅外信號(hào)被吸收，接收管不能接收信號(hào)，輸出端為高電平，經(jīng)過(guò)比較器比較后輸出高電平。單片機(jī)通過(guò)采集每個(gè)比較器的輸出端電壓，便可以檢測(cè)出黑線的相對(duì)位置的位置，從而控制小車(chē)的行駛方向。 4.2 信息處理模塊 4.2.1 原理 檢測(cè)到白色路面的紅外接收頭處理后送出的是低電平，而檢測(cè)到黑色路線的檢測(cè)頭送出的是高電平，由此可根據(jù)這5個(gè)紅外接收頭的高低電平判斷路線情況而調(diào)整小車(chē)前進(jìn)方向。具體情況有如下幾種： a 檢測(cè)到 1 1 1 1 1 或 0 0 0 0 0小車(chē)應(yīng)該停止。 b 檢測(cè)到 1 0 0 0 0 或 0 1 0 0 0 或 1 1 0 0 0 說(shuō)明路線向左偏，小車(chē)向左轉(zhuǎn)。 c 檢測(cè)到 0 0 0 0 1 或 0 0 0 1 0 或 0 0 0 1 1說(shuō)明路線向右偏，小車(chē)向左轉(zhuǎn)。 d 檢測(cè)到 x x 1 x x（x不全為1） 說(shuō)明線路是直的，小車(chē)直走。 4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 4.3.1直流電機(jī) 給兩個(gè)電刷A和B加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過(guò)線圈abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷 B 流出。 此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過(guò)的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實(shí)用中的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，繞組形式同發(fā)電機(jī)。 4.3.2電路圖 我們采用成品L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，采用光電耦合器件隔離單片機(jī)與L298N的控制電路，工藝精度高，性能可靠。L298N模塊內(nèi)部通過(guò)H橋電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，其原理如下： 如圖4-3所示，全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開(kāi)關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則 另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、 S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí) 現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電 壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。 橋驅(qū)動(dòng)電路 4.3.3原理 L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 5 系統(tǒng)調(diào)試 5.1硬件部分 焊接完成后，首先進(jìn)行的調(diào)試是用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)電路是否焊接正常，是否有虛焊漏焊等現(xiàn)象的出現(xiàn)，以及各個(gè)電容是否是正常的未被擊穿狀態(tài)、電阻的阻值是否與設(shè)計(jì)的原理圖上的一致。接通電源，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量當(dāng)有+5V的各引腳是否有+5V的電壓，測(cè)量電路中是否出現(xiàn)了不該有的短路現(xiàn)象。接入光電傳感器模塊，使各個(gè)光電檢測(cè)器的光電對(duì)管靠近白紙，觀察對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管是否發(fā)光，不發(fā)光表示正常。 然后再使各個(gè)光電對(duì)管靠近黑線，觀察對(duì)應(yīng)的發(fā)光二級(jí)管是否發(fā)光，發(fā)光表示正常。 5.2軟件部分 我們先測(cè)試了小車(chē)的前進(jìn)，停止，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。組裝信號(hào)采集模塊后，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)循跡功能。 具體實(shí)現(xiàn)程序見(jiàn)附錄一 6 總結(jié) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如符合實(shí)驗(yàn)要求，小車(chē)按照黑膠布軌跡前進(jìn)，并能夠及時(shí)正確顯示小車(chē)的行進(jìn)狀態(tài)以及行進(jìn)距離。具體現(xiàn)象如下： 左邊傳感器檢測(cè)到黑線，小車(chē)左轉(zhuǎn)； 右邊傳感器檢測(cè)到黑線，小車(chē)右轉(zhuǎn)； 中間傳感器檢測(cè)到黑線，小車(chē)直行。 從而就可以完成對(duì)黑膠布的循跡功能。 7 參考文獻(xiàn) [1]電子信息專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教程 趙剛 李佐儒 四川大學(xué)出版社 [2]單片機(jī)C語(yǔ)言教程 郭天祥 電子工業(yè)出版社 [3]模擬電子技術(shù) 童詩(shī)白 清華大學(xué)出版社 附錄一 程序： #include sbit DJ_left_s = P1^0; //直流電機(jī)控制 sbit DJ_left_n = P1^1; sbit DJ_right_s = P1^2; sbit DJ_right_n = P1^3; //左轉(zhuǎn)函數(shù) void Turn_right() { DJ_left_s = 0; DJ_left_n = 1; DJ_right_s = 1; DJ_right_n = 0; } //右轉(zhuǎn)函數(shù) void Turn_left() { DJ_left_s = 1; DJ_left_n = 0; DJ_right_s = 0; DJ_right_n = 1; } //前進(jìn)函數(shù) void Go_ahead() { DJ_left_s = 1; DJ_left_n = 0; DJ_right_s = 1; DJ_right_n = 0; } //停止函數(shù) void Stop() { DJ_left_s = 0; DJ_left_n = 0; DJ_right_s = 0; DJ_right_n = 0; } //循跡函數(shù) void xunji(unsigned int m) { if(m==0x7c) { Turn_right(); return; } if(m&0x10) { Go_ahead(); return; } if(m&0x0c) { Turn_right(); return; } if(m&0x60) { Turn_left(); return; } } //主函數(shù) void main() { while(1) { xunji(P2&0x7c); } } 附錄二 實(shí)物圖： 12