完整word版基于单片机循迹小车的设计.docx

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完整word版基于单片机循迹小车的设计

[摘要]本文介绍采用红外光电传感器（rpr220）的循迹小车的设计与实现.采用与白色地面反差很大的黑色绝缘胶带路线引导小车按照既定路线循迹。

用两个直流减速电机控制小车的行驶状态，通过安装在直流电机上的光电对射管实现对电机速度的测量，并以AT89C52单片机芯片作为控制核心。

本文同时也介绍了ITR8104的红外光电测速管，光电对管安装在光电测速盘上小圆孔经过的圆弧上,通过专门的检测电路将输入信号输入到单片机内的行处理,处理后进行显示处理.

随着科学技术的发展，对智能小车的要求也越来越高，其中各种传感器的应用是实现智能小车“智能”的关键因素。

伴随着智能小车技术的发展，该项技术可广泛应用于自动巡逻、无人生产线、自动循迹等。

［关键词]循迹直流减速电机光敏电阻传感器、红外传感器、光电传感器。

第一章绪论

1.1智能小车的来源

自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。

近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。

人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想.

随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件.视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标.视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。

但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。

在历届全国大学生电子设计竞赛中多次出现了集光、机、电于一体的简易智能小车题目，比较有影响力的有飞思卡尔智能车大赛。

循迹是智能小车的基本功能，单片机通过安装在小车底部的光敏电阻传感器将信号反馈给单片机进行处理，从而控制小车在白色路面上循黑线行走。

1。

2研究智能小车的目的和意义

智能小车要实现自动导循迹功能就必须要感知导引线，感知导引线相当给机器人一个视觉功能,选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作。

该智能小车可以作为机器人的典型代表.它可以分为三大组成部分：

传感器检测部分、执行部分、CPU.机器人要实现自动循迹功能，还可以扩展测速等功能，感知导引线和车速。

可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线.基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像,只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的光敏电阻传感器来充当.智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。

单片机驱动直流电机一般有两种方案:

第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，采用专业的电机驱动芯片进行控制，可以实现精确调速、转向，同时单片机型号的选择余地较大.考虑到实际情况,本文选择第二种方案。

CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现.

1.3智能小车的现状及未来

现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果.其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几节的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展,比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。

未来的智能小车的发展方向主要是面向自动行驶与导航，小车也进一步更加智能化。

第二章方案的设计与论证

根据要求,确定如下方案：

在现有玩具电动车的基础上,加装红外传感器、光电检测器，实现对小车的行驶路线、速度状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行相应处理，单片机采用目前应用比较广泛的AT89C52单片机。

然后由单片机根据所检测的各种数据实现对小车的智能控制.这种方案能实现对小车运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足系统的各项要求。

2.1主控系统

根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。

据此,拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证,具体如下:

方案一：

选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。

CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点,可利用VHDL语言进行编写开发。

但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。

同时，CPLD的处理速度非常快而小车的行进速度不可能太高,那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上MCU就已经可以胜任了。

若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题

方案二:

采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。

充分分析我们的系统,其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。

这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。

因此，这种方案是一种较为理想的方案。

针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统,需要擅长处理多开关量的标准单片机,而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。

根据这些分析我们选用了MCS—51单片机。

51单片机具有功能强大的位操作指令,I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉.在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。

对比以上两种方案，我们选用方案二。

2.2电源模块

方案一：

采用干电池提供5V的电压进行电路供电，考虑到整个系统的正常工作时的额定电压，我们选用了方案二；

方案二：

系统整体上采用DC+9V干电池经LM7805三端稳压管稳压后输出DC+5V电压供电。

电机驱动模块电源采用4节干电池输出DC+6V电压供电。

2。

3电机驱动模块设计

方案一：

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短，可靠性不高.

方案二:

主要采用L298N，通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对直流电机进行正反转,停止的操作，输入引脚与输出引脚的逻辑关系图如图1所示:

EnA

In1

In2

运转状态

0

1

1

1

1

Ⅹ

1

0

1

0

Ⅹ

0

1

1

0

停止

正转

反转

刹停

停止

电机驱动采用一片集成电机驱动芯片L298N。

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

其引脚排列图如图2所示。

OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机MG1、MG2.IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机输入控制电平,控制电机正饭转。

ENA、ENB接控制使能端,通过pwm波形控制电机的转速.L298N的逻辑功能表如下图所示，

对于电机的速度，我们采用pwm调速的方法。

其原理就是开关管在一个周期内的导通时间为t，周期为T,则电机两端的平均电压U=VCC*（t/T）=a＊VCC。

其中，a=t/T（占空比）,VCC是电源电压。

电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比,因此电机的速度与占空比成比例.

占空比越大,电机转速越快。

在硬件电路上,我们将单片机的P1^0~P1^3口分别连接到L289N芯片的IN1～IN4上，通过改变P1^0～P1^3口的高低电平变换以控制小车的前进方向与停转，通过改变P1^0～P1^3口上的高低电平的占空比以控制电机的转速。

Pwm配合桥是驱动电路L298N，实现直流电机调速，简单且调速范围大。

因此，我们选用了方案二。

另外，我们特别在直流电机的电枢两端并联一个瓷片电容104，以稳定电机的电压不至于对单片机造成干扰。

2.4检测模块

本模块分为两个部分,分别为检测循迹模块和测速模块。

第一部分，检测循迹模块

方案一:

寻迹模块我们可以用光敏电阻组成，光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化.当光线照射到黑线上面时，光线反射较弱，光线照射到白色地面上时,光线反射较强。

因此当光敏电阻在白色路面和黑线上方时,阻值会发生明显的变化将阻值的变化值转化为高低电平的变化。

但是这种方式受环境光影响较大，实际测试中采用三路光敏检测循迹模块,为了减少可见光的干扰，在信号的输出端加上了一个非门输出信号（减小环境光的干扰）.但在实际测试中发现该电路输出并不稳定,电路图如图六所示，其中发光二极管D1在电路中只是作为电路的辅助光源补充器件，以便于小车在夜间循迹。

方案二：

在这里我们实际采用的是RPR220型反射式传感器制作的寻迹模块RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管,而接收器是一个高灵敏度,硅平面光电三极管当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通并输出低电平.

对比以上两种方案，我们选用方案二。

该器件有如下特点：

1。

塑料透镜以提高灵敏度；

2。

内置的可见光过滤器以减少离散光的影响;

3。

体积小，结构紧凑.

第二部分，测速模块

方案一：

采用目前技术比较先进的霍尔传感器作为测速的核心元件。

该器件的优点是体积小,测速精准，误差小,芯片集成度高.但，由于成本较高，因此,未选用该器件。

方案二：

采用目前技术比较成熟的红外光电对射管作为本模块测速核心元件.此处我们选用型号为ITR8104的光电对管。

光电对管安装在光电测速盘上小圆孔经过的圆弧上。

该传感器具有测速精准、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。

将红外对射管安装在光电盘上圆孔的圆弧上，电机每旋转一周,安装在光电盘上的光电传感器检测4次信号，并将检测的信号送到单片机的外部中断I/O，对外部中断进行中断次数的计数，进而通过程序算法将小车的行驶速度显示在数码管上。

2。

5显示模块

方案一：

采用LCD1602液晶显示器作为显示模块电路显示器件.此方案的优点是可以对小车的行使信息，包括行驶速度、路程、状态等的显示，功能强大.但，考虑到该器件成本较高，且体积较大，因此没有采用。

方案二：

采用四位共阳极数码管作为模块电路的显示器件。

通过外部安装在单片机上的光电对射管对光电盘（安装在直流电机转子上）进行单片机的外部中断计速,进而送数码管显示，其中,数码管的高两位显示小车行驶的路程,低两位显示小车的行驶速度。

该电路结构简单,成本较低，并且基本满足设计的要求。

对比以上两种方案以及实际设计要求,我们选择方案二

第三章硬件设计

3.1总体设计

整个系统基于玩具小车的机械结构，并利用了小车的底盘、转向控制电机、行驶状态控制电机，能够平稳跟踪路面黑色轨迹运行,并能实时的根据小车的行驶情况对小车的状态进行调整,此部分通过专业的电机驱动芯片L298N控制。

小车控制系统总体结构如下图所示.以AT89C52单片机为控制核心，主要由电源模块、寻迹检测模块、红外对射测速模块、直流电机驱动模块、数码管显示模块等功能模块组成。

首先利用光电传感器对路面信号进行检测，经过比较器处理后，送给单片机进行实时控制，单片机输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动,从而控制整个小车的运动。

与此同时，红外对射管传感器开始对小车的行驶速度进行检测，并通过程序算法将小车的行驶速度与行驶距离实时的显示在数码管上。

CPU控制