智能循跡小車實驗報告.doc

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摘要 本設(shè)計主要有單片機模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊以及電源模塊組成，小車具有自主尋跡的功能。本次設(shè)計采用STC公司的89C52單片機作為控制芯片，傳感器模塊采用紅外光電對管和比較器實現(xiàn)，能夠輕松識別黑白兩色路面，同時具有抗環(huán)境干擾能力，電機模塊由L298N芯片和兩個直流電機構(gòu)成，組成了智能車的動力系統(tǒng)，電源采用7.2V的直流電池，經(jīng)過系統(tǒng)組裝，從而實現(xiàn)了小車的自動循跡的功能。 關(guān)鍵詞 智能小車 STC89C52單片機 L298N 紅外光對管 1 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的設(shè)計越來越精細，功能越來越復(fù)雜，智能小車作為其的一個分支，也在不斷發(fā)展。在近幾年的電子設(shè)計大賽中，關(guān)于小車的智能化功能的實現(xiàn)也多種多樣，因此本次我們也打算設(shè)計一智能小車，使其能自動識別預(yù)制道路，按照設(shè)計的道路自行尋跡。 2 設(shè)計任務(wù)與要求 采用MCS-51單片機為控制芯片（也可采用其他的芯片），紅外對管為識別器件、步進電機為行進部件，設(shè)計出一個能夠識別以白底為道路色，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的智能尋跡機器小車。 3 方案設(shè)計與方案選擇 3.1 硬件部分 可分為四個模塊：單片機模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊以及電源模塊。 3.1.1 單片機模塊 為小車運行的核心部件，起控制小車的所有運行狀態(tài)的作用。由于以前自己開發(fā)板使用的是ATMEL公司的STC89C52，所以讓然選擇這個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、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。其程序和數(shù)據(jù)存儲是分開的。 3.1.2 傳感器模塊 方案一：使用光敏電阻組成光敏探測器采集路面信息。阻值經(jīng)過比較器輸出高低電平進行分析，但是光照影響很大，不能穩(wěn)定工作。 方案二：使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外光電對管，其結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，沒有復(fù)雜的圖像處理工作，因此反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時間少。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（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，為以后功能的擴展提供方便。但使用CCD需要大量的圖像處理工作，進行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算，因此電路復(fù)雜，實現(xiàn)起來工作量大。 方案四：使用光電對管采集路面信息。RPR220結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，調(diào)整電路簡單工作性能穩(wěn)定。 可見方案四最適宜，但僅從此項目考慮，方案二成本低，也能完成設(shè)計，故選用方案二。 3.1.3 電機控制模塊 3.1.3.1電機的選擇 方案一：采用步進電機，其轉(zhuǎn)過的角度可以精確定位，可實現(xiàn)小車行進過程的精確定位。但步進電機的輸出力矩低，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，其轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，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，使用直流電機作為驅(qū)動電機。 3.1.3.2電機的驅(qū)動 采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片，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直流電機。 3.1.4 電源模塊 給整個系統(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的是給電機和其驅(qū)動供電，5V的用來驅(qū)動單片機及其他芯片。 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，再根據(jù)硬件連接，通過相應(yīng)的軟件來完成對信號的采集和數(shù)據(jù)的分析，再控制小車的運行狀態(tài)，以下為主程序流程圖： 3.2.2程序設(shè)計思路 3.2.2.1尋跡模塊程序 通過傳感器獲得路面信息然后反饋給單片機，再通過單片機來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。 3.2.2.2電機驅(qū)動模塊程序 控制兩個直流電機，實現(xiàn)前進、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、停車等功能。 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)光燈和檢測器安排在同一方向上，利用紅外光譜反射對象存在另一個對象上，操作的波長大約是950毫米。探測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。通過測試，其檢測距離在2mm-10mm。TCRT5000的發(fā)射管和接收管是一起封裝在矩形塑料殼中，為了使檢測更加準(zhǔn)確，我們用了5只TCRT5000檢測黑線，實物見圖4-1。 4.1.2 信號采集電路圖及原理 小車在白色地面行駛時，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號被反射，接收管收到信號后，輸出端為低電平，經(jīng)過比較器比較后輸出為低電平。而當(dāng)紅外信號遇到黑色導(dǎo)軌時，紅外信號被吸收，接收管不能接收信號，輸出端為高電平，經(jīng)過比較器比較后輸出高電平。單片機通過采集每個比較器的輸出端電壓，便可以檢測出黑線的相對位置的位置，從而控制小車的行駛方向。 4.2 信息處理模塊 4.2.1 原理 檢測到白色路面的紅外接收頭處理后送出的是低電平，而檢測到黑色路線的檢測頭送出的是高電平，由此可根據(jù)這5個紅外接收頭的高低電平判斷路線情況而調(diào)整小車前進方向。具體情況有如下幾種： a 檢測到 1 1 1 1 1 或 0 0 0 0 0小車應(yīng)該停止。 b 檢測到 1 0 0 0 0 或 0 1 0 0 0 或 1 1 0 0 0 說明路線向左偏，小車向左轉(zhuǎn)。 c 檢測到 0 0 0 0 1 或 0 0 0 1 0 或 0 0 0 1 1說明路線向右偏，小車向左轉(zhuǎn)。 d 檢測到 x x 1 x x（x不全為1） 說明線路是直的，小車直走。 4.3 電機驅(qū)動模塊 4.3.1直流電機 給兩個電刷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轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。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，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。 此時載流導(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)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實用中的直流電動機轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機。 4.3.2電路圖 我們采用成品L298N電機驅(qū)動模塊，采用光電耦合器件隔離單片機與L298N的控制電路，工藝精度高，性能可靠。L298N模塊內(nèi)部通過H橋電路實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，其原理如下： 如圖4-3所示，全橋式驅(qū)動電路的4只開關(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，一組導(dǎo)通則 另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時，S3、 S4關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實 現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時，S1、S2關(guān)斷，電機兩端為反向電 壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。 橋驅(qū)動電路 4.3.3原理 L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動兩臺直流電機。 5 系統(tǒng)調(diào)試 5.1硬件部分 焊接完成后，首先進行的調(diào)試是用數(shù)字萬用表測量各個電路是否焊接正常，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)計的原理圖上的一致。接通電源，用數(shù)字萬用表測量當(dāng)有+5V的各引腳是否有+5V的電壓，測量電路中是否出現(xiàn)了不該有的短路現(xiàn)象。接入光電傳感器模塊，使各個光電檢測器的光電對管靠近白紙，觀察對應(yīng)的發(fā)光二極管是否發(fā)光，不發(fā)光表示正常。 然后再使各個光電對管靠近黑線，觀察對應(yīng)的發(fā)光二級管是否發(fā)光，發(fā)光表示正常。 5.2軟件部分 我們先測試了小車的前進，停止，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。組裝信號采集模塊后，實現(xiàn)小車的自動循跡功能。 具體實現(xiàn)程序見附錄一 6 總結(jié) 實驗結(jié)果如符合實驗要求，小車按照黑膠布軌跡前進，并能夠及時正確顯示小車的行進狀態(tài)以及行進距離。具體現(xiàn)象如下： 左邊傳感器檢測到黑線，小車左轉(zhuǎn)； 右邊傳感器檢測到黑線，小車右轉(zhuǎn)； 中間傳感器檢測到黑線，小車直行。 從而就可以完成對黑膠布的循跡功能。 7 參考文獻 [1]電子信息專業(yè)實驗教程 趙剛 李佐儒 四川大學(xué)出版社 [2]單片機C語言教程 郭天祥 電子工業(yè)出版社 [3]模擬電子技術(shù) 童詩白 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 實物圖： 12