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智能循迹小车设计报告


智能循迹小车项目 设计报告

组 成 班 系

别:

第四组

员:刘彪 匡善华 陈叶芳 唐慧峰 级: 别: 智能电子 092 电气工程系 刘彤

指导老师:



间:2011 年 4 月 22 日
1

概要
本寻迹小车是以万能板为车架,AT89S51 单片机为控制核心,将各传感器的 信号传至单片机分析处理,从而控制 L298N 电机驱动,控制小车,速度由单片机 提供的 PWM 波控制。 利用红外传感器检测黑线,红外对管来实现循迹功能。接 近式开关传感器检测薄铁片,集成红外线传感器即光电开关进行避障。整个系统 的电路结构简单,可靠性能高。根据小车各部分功能,模块化硬件电路,并调试 电路。将调试成功的各个模块逐个地 “融合” 成整体,再进行软件编程调试, 直到完成。 关键词:AT89S51 直流电机 红外对管传感器 寻迹小车 L298N 电机驱动

2

一、循迹小车的系统的要求和总体方案设计
1.1 设计要求
1.1.1 基本要求 利用单片机实验板, 并制作一定的外围电路, 编写程序设计制作一个智能循迹 壁障的小车,具体要求如下: (1) 具有启动、停止功能; (2) 能够完成前进、后退、左转、右转单独动作和复合动作; (3) 能按照规定路线循迹行驶; 1.1.2 发挥要求 利用超声波或红外等方式实现避障功能

1.2 智能循迹小车的工作原理
我们知道小车的循迹原理是根据实现电位的高低来实现对前进方向的控制的。 在 这里我们设定了白色和黑色的通道界面来行驶, 而根据我们所学的知识通常采取的方 法是红外探测法。 红外探测法,即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点, 在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光, 当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反 射,反射光被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收,小车上的接 收管接收不到红外光。 单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置 和小车的行走路线。通过查资料我们知道红外探测器探测距离有限,一般最大不应超 过 3cm。 1.2.1 恒压恒流桥式驱动芯片 L298N 驱动电机原理 L298N 驱动芯片是由 SGS 公司的产品,比较常见的 15 脚 Multiwatt 封装,内部 有 4 通道逻辑驱动电路。它的内部结构如图 1。从内部结构图可知,用三极管组成 H

型平衡桥,驱动功率大,驱动能力强。同时 H 型 PWM 电路工作在晶体管的饱和状 态与截止状态,具有非常高的效率。

上图看出该驱动芯片有两路 H 型 PWM 电路, 用 PWM 控制直流电机调速的基本 原理,现在来看电路的具体实现。In1 为高电平,In2 为低电平,EnA 为高电平时, U1、U4 输出为高电平,U2、U3 输出为低电平。在 OUT1、OUT2 接上电机后,T1、 T4 管导通,T2、T3 管截止,电机向一个方向转。In1 为低电平,In2 为高电平,EnA 仍旧为高电平,T1、T4 管截止,T2、T3 管导通,电机向相反方向转。In1、In2 同 时为高电平或低电平,T1 与 T3 同时导通或截止,T2 与 T4 也是同时导通与截止, 但与前者相反,也就是 OUT1 与 OUT2 电压相同。电机会快速停转。如果 EnA 端为 低电平,整个 H 型 PWM 电路关闭。电机当然也就不会转。

1. 3 模块方案比较与论证
根据设计要求,本系统主要由主控模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其 驱动模块、电压比较模块等模块构成。 为较好的实现各模块的功能,我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。

1.3.1 小车车体选择 由于项目设计资金和资源的有限性。我们为了节约成本,决 定应用原有的带四个电机的小车。 1.3.2 主控制器模块
方案一: 采用凌阳公司的 16 位单片机,它是 16 位控制器,具有体积小、驱动能力高、集 成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度 高,尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时, 由于其占用的 CPU 资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降 低。 本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片 机,在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的 简洁性考虑,我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。 方案二: 采用 Atmel 公司的 AT89S51 单片机作为主控制器。AT89S51 是一个低功耗,高 性能 CMOS 8 位单片机,片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技 术制造, 兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构, 芯片内集成了通用 8 位中央 处理器和 ISP Flash 存储单元,功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控 制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51 具有如下特点: 40 个引脚,4k Bytes Flash 片内程序存储器,128 bytes 的随机存取数据存储器 (RAM) ,32 个外部双向输入/输出(I/O)口,5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断,2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟 振荡器。 由于 stc12c5a60s2 单片机的资源已经可以满足设计需要,且 51 单片机价格上有 优势。从方便实用不浪费资源的角度考虑,我们选择了方案二。

1.3.3 电源模块
由于本系统需要电池供电,我们考虑了如下集中方案为系统供电。 此模块借用网络资料。 方案一: 采用 10 节 1.5V 干电池供电,电压达到 15V,经 7812 稳压后给直流电机供电, 然后将 12V 电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有 限,使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便,因此,我们放弃了这种方案。 方案二: 采用 3 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 12.6V 给直流电机供电, 经过 7812 的电压 变换后给支流电机供电,然后将 12V 电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯 片供电。锂电池的电量比较足,并且可以充电,重复利用,因此,这种方案比较可行。 但锂电池的价格过于昂贵,使用锂电池会大大超出我们的预算,因此,我们放弃了这 种方案。 方案三: 采用 1 块充电锂电池为直流电机供电,将 12V 电压降压、稳压后给单片机系统 和其他芯片供电。充电电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然 充电电池的体积过于庞大,在小型电动车上使用极为不方便,但由于我们的车体设计 时留出了足够的空间,并且充电电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。 综上考虑,我们选择了方案三。

1.3.4 稳压模块
方案一: 采用两片 7812 将电压稳压至 12V 后给直流电机供电,然后采用一片 7809 将电 压稳定至 9V,最后经 7805 将电压稳至 5V,给单片机系统和其他芯片供电,但 7809 和 7805 压降过大,使 7809 和 7805 消耗的功率过大,导致 7809 和 7805 发热量过大, 因此,我们放弃了这种方案。 方案二: 采用一片 2576 芯片和电池相结合的方式, 将电压稳压至 12V 后给直流电机供电, 然后采用 2576 芯片将电压稳至 5V,给单片机系统供电。2576 的输出电流最大可至 1.5A,完全满足系统要求。 综上考虑,我们选择了方案二。

1.3.5 寻迹传感器模块
方案一: 采用简易光电传感器结合外围电路探测,但实际效果并不理想,对行驶过程中的 稳定性要求很高,且误测几率较大,易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易 出现问题,而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。 方案二: 采用两只 st188 红外对管,分别置于小车车身前轨道的两侧,根据两只光电开关 接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向,测试表明,只要合理安装好两 只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。 方案三: 采用三只 st188 红外对管,一只置于轨道中间,两只置于轨道外侧,当小车脱离 轨道时,即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时,等待外面任一只检测到黑线后, 做出相应的转向调整,直到中间的光电开关重新检测到黑线(即回到轨道)再恢复正 向行驶。现场实测表明,小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定,虽然可以正确的 循迹但其成本与稳定性都次于第二种方案。 通过比较,我们选取第二种方案来实现循迹。 其具有如下特点: 塑料透镜可以提高灵敏度。 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 体积小,结构紧凑。 当发光二极管发出的光反射回来时,三极管导通输出低电平。此光电对管调理电 路简单,工作性能稳定。

1.3.6 电机驱动模块
方案一: 采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片。L298N 是一个具有高电压大电流的全 桥驱动芯片,它相应频率高,一片 L298N 可以分别控制两个直流电机,而且还带有 控制使能端。用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良。 方案二: 对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路,结构简 单,价格低廉,在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。

因此,我们选用了方案一 。

1.2 小车总体设计的最终方案
经过反复论证,我们最终确定了如下方案: (1)车体用原有的小车 (2)采用 AT89S51 单片机作为主控制器。 (3)采用直流电池为直流电机供电,将 12V 电压经 2576 降压、稳压后为单片 机系统和其他芯片供电。 (4)用 st188 型光电对管进行寻迹。 (5)L298N 作为直流电机的驱动芯片。 系统的结构框图如图 3 所示:

电源模块

AT89S51 最 小系统 主控芯片

L298N

电压比较器

直流电机

循迹或壁障

光电对管组 图 3 系统结构框

二、小车硬件实现及模块电路的设计
2.1、主控制器模块的设计 采用 Atmel 公司的 AT89S51 单片机,不用烧写器而只用串口或者并口下载线就 可以往单片机中下载程序。 我们在开发过程中使用开发版,方便程序的调试和整机的测试,待系统调试完成 后,将单片机从开发板安装在小车底座板上方便及时调试。积木式连接还方便拆卸以 便于其他项目的开发与调试。

单片机最小系统图

单片机最小系统的应用

2.2.1、时钟电路 系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。AT89 单 片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此 放大器的输入端和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一 个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路,接在放大器的 反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器频率 的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此,此系统电路的晶体 振荡器的值为 12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值约为 22μ F。更好地保 证震荡器稳定和可靠地工作。 2.2.2、复位电路

复位是由外部的复位电路来实现的。 片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个斯密 特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期的 S5P2,由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式, 此电路系统采用的是上电与按钮复位电路,如图所示。当时钟频率选用 6MHz 时,C 取 22μ F,Rs 约为 200Ω ,Rk 约为 1K。 2.2 寻迹传感器模块 传感用 st188 型光电对管, st188 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, 三极管导通输出低电平, 电路如图 2[1]可调电阻 RS1/2 可以调节比较器的门限电压,经示波器观察,输出波形相当规则,可以直接给单片机 查询使用。

图 4 光电对管检测电路 1

图 5 光电对管检测电路 2

而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。 因此我们选择此电路作为我们 的传感器检测与调节电路。

2.3、寻光模块
采用光敏二极管作为光源探测模块的传感器,由于光敏二极管感光后,内阻有较 大的变化,通过一定的电路转化为电压的变化。采用 LM358 比较器对 5 个二极管 的输出电压进行比较,光敏 二极管引起的电压变化送到比较器的反相端与基准信号进行比较, 将结果输入到 单片机执行判断。基于 LM358 的寻光电压比较电路: LM358 的二号管脚为基准电 压输入端,将需要进行比较的电压输入到三号管脚,如果比基电压的值大,则一号管 脚输出为高电平,反之为低电平。 2.4、电机驱动模块 2.4.1 电机驱动电路的设计 驱动模块采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片, L298N 是一个具有高电压 大电流的全桥驱动芯片,其响应频率高,一片 L298N 可以分别控制两个直流电机, 驱动电路的设计如图 L298N 的 5 7 10 12 四个引脚接到单片机上, 通过对单片机的编程就可实现两个 直流电机的 PWM 调速以及正反转控制。

2.4.2 L298 驱动电机介绍: L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱 动芯片,内部包含 4 信道逻辑驱动电路,是一种二相和四相步进电机的专用驱动器, 可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机,内含二个桥式的高电压、大电流双全桥式 驱动器,接收标准 TTL 逻辑准位信号,可驱动 46V、2A 以下的步进电机,且可以直 接透过电源来调节输出电压; 此芯片可直接由单片机的 I/O 端口来提供模拟时序信号, 但在本驱动电路中用 L298 来提供时序信号,节省了单片机 I/O 端口的使用。L298N 之接脚如图 9 所示,Pin1 和 Pin15 可与电流侦测用电阻连 接来控制负载的电路; OUTl、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接 2 个步进电机;in1~in4 输入控制电位来 控制电机的正反转;Enable 则控制电机停转。

L298 内部电路

L298 驱动原理图

三、小车软件设计与实现
3.1 主程序流程图
小车进入寻迹模式后,即开始不停地扫描与探测器连接的单片机 I/O 口,一旦检测到某个 I/O 口 有信号变化,就执行相应的判断程序,把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。

我们所设计的软件的主程序流程图如图 7 所示:

图 7 主程序流程图

3.2 传感器数据处理及寻迹程序流程
我们用一个字节来代表车底的 6 个光电传感器。 用每一个位来代表当前传感器的 检测状态。 我们把小车直线行进时分成三种状态,当中间四个传感器都检测到白线时,小车 在跑道的正上方,这时控制两电机同速度全速运行。当检测到有一个传感器或者同侧 的两个传感器偏出白线时,小车处于微偏状态,这时将一个电机速度调慢,另一电机

速度调快,完成调整。当检测到有三个电机偏出时,小车处于较大的偏离状态,这时 把一个电机的速度调至极低, 另一电机全速运行, 从而在较短时间内完成路线的调整。 用这种三级调速的寻迹算法同单纯的判断检测到对管的位置并作出判断的方法 相比,程序思路清晰,程序执行结果较好。 该检测传感器子程序的流程图和循迹子程序流程图如图 8、图 9 所示; 把小车直线行进时分成三种状态,当中间三个传感器都检测到白线时,小车在跑 道的正上方,这时控制两电机同速度全速运行 当检测到有一个传感器或者同侧的两 个传感器偏出白线时,小车处于微偏状态,这时将一个电机速度调慢,另一电机速度 调快,完成调整 当检测到有三个光电传感偏出时,小车处于较大的偏离状态,这时 把一个电机的速度调至极低, 另一电机全速运行, 从而在较短时间内完成路线的调整。

图 8 传感器信息处理子程序流程图

图 9 循迹子程序流程图

四、小车系统功能测试和调试
见实物

五、测试项目报告
一阶段,进行驱动电路的驱动测试。 二阶段,进行循迹电路的测试。 三阶段,进行整体电路的测试。

六、结束语
基于 51 型单片机的自动循迹小车控制系统运行平稳可靠,抗干扰能力强,我们 的寻迹小车在完成设计要求的前提下,充分考虑到了外观、成本等问题,在性能和价 格之间作了比较好的平衡。由于设计要求并不复杂,我们没有在电路中增加冗余的功 能,但是我们保留了各种硬件接口和软件子程序接口,方便以后的扩展和进一步的开 发。

七、循迹小车项目方案分工和流程安排:
1、分工 刘彪:负责项目的总体安排协调,负责项目的前期工作,焊板子,电路图设计, 匡善华:负责项目方案的设计和项目设计报告的撰写以及部分程序编写 陈叶芳:PPT 的制作以及协作各成员的工作 唐慧峰:焊接部分电路板,项目方案设计中的材料的收集。 2、流程 (1)设计线路板的焊接工艺、布局; (2)将板子焊接好; (3)组装电路和线路板; (4)驱动电路的调试; (5)编写主程序,各子程序; (6)循迹电路安装和调试; (7)整个电路的调试、试车; (8)实物展示。 (9)撰写设计报告 (10)PPT 演示和答辩

八、设计心得

通过这几周的项目设计, 我们对一些专业知识和单片机应用系统设计有了更深的 了解,同时也尝试着去应用自己的所掌握的知识。本次单片机课程设计主要是对已学

习的单片机应用技术,单片机程序流程图的综合应用,同时加上电路等知识,设计完 成了利用软件的检测程序运行调试。经过几天的奋战,我们感受很深. 我们三个人分工合作,一起讨论设计了这个项目的实施步骤。在讨论中发现不足。 设计过程中深感自己在培养动手能力这方面欠缺很大。同时,这次我们积极的通过上 网查资料,查阅单片机方面书籍等资源。在我们这一组同学的共同努力下,我们圆满 完成了从项目设计,PPT 演示文稿,单片机程序设计等环节。这个项目设计作为一次 锻炼,培养了我们或多或少善于动手,乐于动手的习惯。 单片机应用课程设计不仅给我们提供了一个很好的展现自己所学知识的平台, 又是对自己所学知识的一次考核、检验。 我们运用各自在各方面的优势,形成了一 个团队。通过团队合作的力量,使设计得以顺利完成。 在设计的过程中我们也不可避免的遇到了很多的问题。尤其是在调试过程中,会 因为某些原因出不来结果。 通过这次的课程设计, 我们也发现了不少自己不会的知识, 通过查询各方面资料,我们也进步了很多,有学会了很多上课时没掌握的东西, 最 后在调试结果出来后,我们更是无比的兴奋,无比的自豪。总之,通过这次单片机应用 项目设计,我们不仅对自己的知识有了更深的掌握和应用,更了解到团队精神的力量. 在以后的学习和生活中受用终身。

九、参考文献
参考文献: 王静霞 单片机应用技术(C 语言本)深圳 电子工业出版社 2009 何立 51 系列单片机应用系统设计 航空航天大学出版社 2008

附录:

湖南铁道职业技术学院电气工程系项目设计报告

I

湖南铁道职业技术学院电气工程系项目设计报告

1

湖南铁道职业技术学院电气工程系项目设计报告

20


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