目錄Q.摘 要： 錯誤!未定義書簽。1 .任務(wù)及要求1.1.1 任務(wù)1.2 .系統(tǒng)設(shè)計方案1.2.1 小車循跡原理 1.2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計2.3 .系統(tǒng)方案2.3.1 尋跡傳感器模塊2.3.1.1 紅外傳感器ST188簡介23.1.2 比較器 LM324K介33.1.3 具體電路3.3.1.4 傳感器安裝4.3.2 控制器模塊4.3.3 電源模塊5.3.4 電機(jī)及驅(qū)動模塊5.3.4.1 電機(jī)5.3.4.2 驅(qū)動6.3.5 自動循跡小車總體設(shè)計 7.3.5.1 總體電路圖錯誤!未定義書簽。3.5.2 系統(tǒng)總體說明7.4 .軟件設(shè)計7.4.1 PWM 控制7.4.2 總體軟件流程圖 8.4.3 小車循跡流程圖8.4.4 中斷程序流程圖 1.04.5 單片機(jī)測序1.15 .參考資料1.1智能循跡小車小組成員：韋韜，林紹輝，吳尚平1 .任務(wù)及要求1.1 任務(wù)設(shè)計一個基于直流電機(jī)的自動尋跡小車，使小車能夠自動檢測地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛。系統(tǒng)方案方框圖如圖1-1所示。檢測（黑線）一軟件控制 f驅(qū)動電機(jī)*控制小車圖1-1系統(tǒng)方案方框圖2 .系統(tǒng)設(shè)計方案2.1 小車循跡原理這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走， 由于黑線和白色地板對光線 的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路” 。通常采取的 方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的 特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸 收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依 據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計自動循跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測模塊、 電機(jī)及驅(qū)動模塊等部分組成，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。世圖1、主控制電路模塊：用 AT89C51I片機(jī)、復(fù)位電路，時鐘電路2、紅外檢測模塊：光電傳感器 ST188,比較器LM3243、電機(jī)及驅(qū)動模塊：電機(jī)驅(qū)動芯片L298N兩個直流電機(jī)4、電源模塊：9V干電池。3 .系統(tǒng)方案3.1 尋跡傳感器模塊STS列反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。這個系列的傳感器種類齊 全、價格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。我們采用ST188乍為紅外檢測傳感器。在黑線檢測的測試中，若檢測到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到 接收管，測量接收管的電壓為4. 8V ,若檢測到黑色區(qū)域，接收管接受到發(fā)射管 發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化， 測的接收管的 電壓為0. 5V,測試基本滿足要求。判斷有無黑線我們用的一塊比較器LM324 比較基準(zhǔn)電壓由30K勺變阻器調(diào) 節(jié)，各個接收管的參數(shù)都不一致，每個傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡相同， 我們 為每個傳感器配備了 一個變阻器。3.1.1 紅外傳感器ST188簡介含一個反射模塊（發(fā)光二極管）和一個接收模塊（光敏三極管）。通過發(fā)射紅外信號，看接收信號變化判斷檢測物體狀態(tài)的變化。A、K之間接發(fā)光二極管,G E之間接光敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻）圖3-1 ST188實(shí)物圖© 國怎口 ©早甲軍口口匚口"：川媼底視圖 1；部電路圖3-2 ST188管腳圖及內(nèi)部電路3.1.2 比較器LM324簡介LM32妁四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運(yùn)算放 大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源 330V, 或正負(fù)雙電源± 1. 5V±15VU乍。在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的高低，以電平高低判定黑線圖3-3 LM324內(nèi)部電路C反相輸入端）（同相輸入端】0圖3-4集成運(yùn)放的管腳圖有無。在電路中，LM324勺一個輸入端需接滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的 阻值來提供合適的比較電壓。3.1.3 具體電路通過ST188僉測黑線，輸出接收到的信號給LM324,接收電壓與比較電壓比 較后，輸出信號變?yōu)楦叩碗娖?，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測到黑線。圖3-5 傳感器模塊電路圖3.1.4 傳感器安裝在小車具體的循跡行走過程中，將紅外傳感器放置在車頭前方，提前對路 況采集信息，再由單片機(jī)控制兩輪轉(zhuǎn)速來進(jìn)行兩級方向糾正控制， 提高其循跡的 可靠性。小車前方循跡傳感器全部在一條直線上。其中中間連個傳感器為第一級方 向控制傳感器，旁邊兩個為第二級方向控制傳感器， 并且黑線同一邊的兩個傳感 器之間的寬度不得大于黑線的寬度。 小車前進(jìn)時，始終保持軌跡黑線在中間兩個 第一級傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測 的信號送單片機(jī)處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正。 若小 車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續(xù)行走；若小車由 于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級探 測器動作，再次對小車的運(yùn)動進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第 二級方向探測器實(shí)際是第一級的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。3.2 控制器模塊采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為主控制器。它是一個低功耗，高性 能的8位單片機(jī)，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(jī)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(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。時鐘電路和復(fù)位電路 如圖3-7 （與單片機(jī)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XTAL2RSTNE E-SMAIEA01-4567 11 ,fl fl fl fl rfj 1 .1 p p p p p p p pPii AT'fl PO VAD1 P0二華口管PO 4iy>D4 PO *'AL'5 PO 5/AD6 PO.HADTP2 0/ASPS 1/A& P2 2/A10P2 >A nP2 1/A12 P2 HAi3 P2 的 14 P2 了伊 FP3C.-RXD P3 1HXD P3.2flNrrr P-.i'iNTlP3 4ZT0PS5TT17 G/V7PP3 7/RD圖3-7時鐘電路和復(fù)位電路3.3 電源模塊采用6節(jié)1.5V南孚電池供電?？梢怨┙o小車正常行駛。3.4 電機(jī)及驅(qū)動模塊3.4.1 電機(jī)電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)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(jī)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(jī)，減速后電機(jī)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(dá)到V=2 < v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。3.4.2 驅(qū)動驅(qū)動模塊采用專用芯片 L298N作為電機(jī)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，具響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電 機(jī)。以下為L298N的引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。ENA111510+ VSSSENSFASENSEB1N1IN2IN40UT2OUT4GXDENAIN2電機(jī)運(yùn)行情況HHL臊H1H反轉(zhuǎn)HNM快研止LXX停止圖3-9 L298N外部引腳表2 L298N輸入輸出關(guān)系驅(qū)動電路的設(shè)計如圖3-10所示:圖3-10 L298N電機(jī)驅(qū)動電路L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機(jī)上，通過對單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個直流電機(jī)的PWM0速控制。3.5 自動循跡小車總體設(shè)計3.5.1 系統(tǒng)總體說明當(dāng)光電傳感器開始接受信號，通過比較器將信號傳如單片機(jī)中。小車進(jìn)入尋 跡模式，即開始不停地掃描與探測器連接的單片 I/O 口，一旦檢測到某個I/O 口 有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機(jī)從而糾正小車 的狀態(tài)。單片機(jī)采用T0定時計數(shù)器，通過來產(chǎn)生PW峽,控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。4 .軟件設(shè)計4.1 PWM控制本系統(tǒng)采用PWM調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度。PWM通過控制固定電壓的直流電源 開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。 PWM以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù) 需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上 電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,PWIMC 被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。在脈沖彳用下，當(dāng)電機(jī)通電時，速度增加；電機(jī)斷電時，速度逐漸減少。只要 按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。本系統(tǒng)中通過控制51單片機(jī)的定時器T0的初值，從而可以實(shí)現(xiàn)P0.4和P0.5 輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時計數(shù)器若干時間（比如0.1ms）中斷一次，就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個高電平或低電平。將直流電機(jī)的速度分為100個等級，因此一個周期就有個100脈沖，周期為100個脈沖的時間。速度等級對 應(yīng)一個周期的高電平脈沖的個數(shù)。占空比為高電平脈沖個數(shù)占一個周期總脈沖個 數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大，加在電機(jī)兩端的電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)動越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占 空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時，就可以得到不同的電 機(jī)平均速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。精確地講，平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的 線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。4.2 總體軟件流程圖小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片 I/O 口, 且檢測到某個I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送 給電動機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖 4-1所示：4.3 小車循跡流程圖小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機(jī) I/O 口, 且檢測到某個I/O 口有信號，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面第一級傳感器或者左面第二級傳感器探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一 級傳感器或右面第二級傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左 偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走， 并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動作。循跡流程圖如圖4-2所示由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個等級間的轉(zhuǎn)向力度必須相互 配合。第二級通常是在超出第一級的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，則通常使第二級轉(zhuǎn)向力度大于第一級，即 Turn_left2 > Turn_left1,Turn_right2 > Turn_right1 （其中Turn_left2 , Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通過改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來改變），具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。4.4 中斷程序流程圖這里利用的是51單片機(jī)的T0定時計數(shù)器，從而讓單片機(jī) P0 口的P0.4和 P0.5引腳輸出占空比不同的方波，然后經(jīng)驅(qū)動芯片放大后控制直流電機(jī)。定時 計數(shù)器若干時間（比如0.1ms）比如中斷一次,就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個高電 平或低電平。中斷程序流程圖如圖 4-3所小4.5 單片機(jī)測序#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*電機(jī)控制端口 */ sbit in1=P2A7;sbit in2=P2A6; /* 左電機(jī) *7/ sbit ena=P2A1； sbit in3=P2A5;sbit in4=P2A4; /* 右電機(jī) */ sbit enb=P2AQ;/*傳感器檢測端 口 */ sbit L_1=P1A0; 左內(nèi)傳感器sbit L_2=P1A1； / 左外傳感器 /sbit R_1=PW2; 右內(nèi)傳感器sbit R_2=PW3; 右外傳感器uchar i,j;uint w0,w1;uint p1;/uint k=0;/*1毫秒延時函數(shù) */void delay(uint z)/延時一毫秒uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);/* 定時器初始化函數(shù) */ void chuhua (void)TMOD=0x11;TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%256;TH1=(65535-100)/256;TL1=(65535-100)%256;EA=1;/總中斷開ET0=1;/定時器T0中斷TR0=1;/允許T0中斷ET1=1;/定時器T1中斷TR1=1;ena=1;enb=1;/允許T1中斷/* 主函數(shù) */ void main(void)chuhua();in1=1;in2=0;in3=1;in4=0;while(1)p1=P1|0xf0;/ if(p1=0xf0)/ k+;switch(pl)(case 0xff:/未檢測到黑帶直行(w0=11;w1=11;)break;case 0xfe:/左大拐彎(w0=1;w1=12;) break;case 0xf7:/右大拐彎(w0=12;w1=1;)break;case 0xfd:/左小拐彎(w0=4;w1=9;) break;case 0xfb:/右小拐彎(w0=9;w1=4;)break;/* case 0xf0:/加減速帶(if(k=1)w0=25;w1=18;delay(200);w0=7;w1=7;delay(200);w0=11;w1=11;) break; */)/* 定時器T0中斷服務(wù)函數(shù)*/void t0(void) interrupt 1 定時器T0用來對左電機(jī)的調(diào)節(jié)(TH0=(65535-500)/256;/定時器重裝初值TL0=(65535-500)%256;i+；if(i=w0)/PWM 波的占空比 W0/21*100%(ena=0;else if(i=21) /PWM 波的周期為 21*500us(ena=1;i=0;/*定時器T1中斷服務(wù)函數(shù)*/void t1(void) interrupt 3 定時器T1用來對左電機(jī)的調(diào)節(jié)(TH1=(65535-500)/256;/定時器重裝初值TL1=(65535-500)%256;j+;if(j=w1)/PWM 波的占空比 W1/21*100%(enb=0;)else if(j=21)/PWM 波的周期為 21*500usenb=1;j=0;)5.參考資料1徐煜名，C51單片機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.電子工業(yè)出版社，2009.22金建設(shè) 于曉海；C51單片機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用試驗(yàn)教程；北京郵電大學(xué)出版社;2010.33單成祥 牛彥文 張春.傳感器原理與應(yīng)用.國防工業(yè)出版社2006.9