光电综合设计报告-基于单片机控制的寻迹小车.doc

光电信息综合设计 第 1 页 光电综合设计报告 基于单片机控制的寻迹小车基于单片机控制的寻迹小车 院（系）名称 专 业 名 称 学 生 姓 名 指 导 教 师 2017 年 6 月 07 日 光电信息综合设计 第 2 页 摘 要 智能车辆作为现代社会的新产物，以及在智能车辆基础上开发出来的产品已 成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备，智能小车的研究和开 发正成为广泛关注的焦点。本设计是一种基于单片机控制的简易自动寻迹小车 系统，系统的设计主要分为各个模块方案的设计与对比、硬件和软件设计，其 中每一部分均采用模块化设计原则，使得设计易读、易修改、易扩充。本实验 分三步进行。 首先对主控系统、电机驱动、寻迹避障及机械系统与电源等各个模块方案进 行对比，选择确定自己的方案。 其次，对硬件进行设计，即对寻迹检测电路及信号检测模块电路的设计。 最后，对软件设计，实现寻迹程序，电机驱动程序，以 AT89C51 为控制核心， 利用定时器 T0 通过定时器中断产生 PWM 波形，通过调整占空比控制小车速度和 转向。利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测，并将路面检测信号反馈 给单片机，单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制左右轮电机的转速 以调整小车转向，从而使小车能够沿着环形黑色轨迹自动行驶，达到自动寻迹 的目的。 关键词：AT80C51 单片机、光电检测器、PWM 调速、电动小车 光电信息综合设计 第 3 页 目录 1.前期准备.3 2.方案的设计与对比.3 2.1 主控系统.3 2.2 电机驱动模块.4 2.3 寻迹模块.5 2.4 避障模块.6 2.5 机械系统和电源模块.6 3.硬件设计.7 3.1 寻迹检测电路.8 3.2 信号检测模块.9 4.软件设计.9 4.1 电机驱动程序.10 4.2 循迹总程序.10 结论.14 光电信息综合设计 第 4 页 1.前期准备前期准备 当选择这个题目时，对所要做的课程设计一无了解，无从下手，硬件不知 道怎么设计，软件也一头茫然。所以在起初阶段查阅了大量的关于基于单片机 控制的寻迹小车资料。去百度文库，中国知网，学校图书馆等地方查阅了大部 分所要的资料。从一无了解到明白小车各个模块的设计、寻迹的原理（左转， 右转，还是直线前进） 。通过不同方案的对比，找到属于自己的设计方案。由此 可见，知识还是成功的基石，没有前期的准备，就没有最后的收获。 2.方案的设计与对比方案的设计与对比 根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器， 实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片 机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高， 可满足对系统的各项要求。 2.1 主控系统主控系统 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。为此，不采用该种方案，进而 提出了第二种设想。 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。 光电信息综合设计 第 5 页 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,我选定了 P89C52RA 单片机作为本设 计的主控装置，52 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 52 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，决定采用一片单片 机，充分利用 STC89C52 单片机的资源。 2.2 电机驱动模块电机驱动模块 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： 采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但 电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问 题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现 很困难。 方案三： 采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路 结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H 型桥式电路。用单片 机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。 这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H 型桥式电路保证 了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是 一种广泛采用的 PWM 调速技术。 这种调速方式有采用 16 引脚 DIP 封装，其内部集成了双极型 H-桥电路， 所有的开量都做成 n 型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续； 电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正 光电信息综合设计 第 6 页 反向时的静摩摩擦死区：低速平稳性好等。我选取第三种方案来实现循迹。 2.3 寻迹模块寻迹模块 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： 采用四只红外对管，两只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离 轨道时，即当置于中间的两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，小车在循迹过程中有一定的左右摇摆不 定，但能够很成功的寻迹。我选取第三种方案来实现循迹。 2.4 避障模块避障模块 方案一： 采用一只红外对管置于小车中央，其安装简易，也可以检测到障碍物的存 在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精 确的转向反应。 方案二： 采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行， 对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案 过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的 几率很小，所以最终未采用。 光电信息综合设计 第 7 页 方案三： 采用超声波置于小车前端。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障 碍物，且充分的利用资源而不浪费。通过比较我采用方案三。 2.5 机械系统机械系统和电源模块和电源模块 驱动部分：由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、 电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直 流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。 电池的安装：将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳 定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。简单，而三 轮运动系统具备以上特点。 电源模块 方案一： 采用 4 支 1.5V 电池单电源供电，但 6V 的电压太小不能同时给单片机与与 电机供电。 方案二： 采用 12V 蓄电池给单片机与电机供电可解决方案一的问题且能让小车完成 其功能。所以，我选择了方案二来实现供电。 3.硬件设计硬件设计 智能小车采用前后轮驱动，前后轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面 两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的。将循迹光电对管分别装在车体 下的左右。当车身下左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止， 车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止， 车向右修正。 避障的原理和循线一样，在车身右边装一个光电对管，当其检测到障碍物 时，主控芯片给出信号报警并控制车子倒退,转向，从而避开障碍物。 直流电机的驱动： 该驱动板可驱动2路直流电机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，控制方 式及直流电机状态表如下所示： 光电信息综合设计 第 8 页 表 1 控制方式及直流电机状态表 ENAIN1IN2 直流电机状态 0XX 停止 100 制动 101 正转 110 反转 111 制动 若要对直流电机进行PWM 调速，需设置IN1和IN2，确定电机的转动方向， 然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为0时，电机处于 自由停止状态；当使能信号为1，且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动状态， 阻止电机转动。驱动原理如图1。 图 1 电机驱动电路 3.1 寻迹检测电路寻迹检测电路 TCRT5000 传感器的工作原理与一般的红外传感器一样,一传一感.TCRT5000 具有一个红外发射管和一个红外接收管。当发射管的红外信号经反射被接收管 光电信息综合设计 第 9 页 接收后,接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电压的变化形式体现出来,而 经过 ADC 转换或 LM324 等电路整形后得到处理后的输出结果。电阻的变化起取 于接收管所接收的红外信号强度,常表现在反射面的颜色和反射面接收管的距离 两二方面。硬件参考原理如图 2。 图 2 驱动原理图 3.2 信号检测模块信号检测模块 小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，由于黑线和白纸 对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。 笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理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，当红外光遇到白色地面时 发生漫发射，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，则小车上的接收管接收不到信号，再通过 LM324 作比较器来采集高低电平， 从而实现信号的检测。避障亦是此原理。电路图如图 3。市面上有很多红外传 感器，在这里我选用 TCRT5000 型光电对管 光电信息综合设计 第 10 页 图 3 循迹原理图 4.软件设计软件设计 根据总体设计的思想及本系统实现的功能，在设计中完成以下功能。 1、循迹模块主程序：由是否遇到黑线，测到光源，测到挡板产生信号的操作， 信号返回到单片机，再通过单片机来实现相应的功能。 2、电机驱动模块主程序：主要用来控制两个直流减速电机，实现前进、后退、 前左转、前右转、后左转、后右转、停止等功能。 4.1 电机驱动程序电机驱动程序 void forward_turn1()/电机 1 前进 IN1=0; IN2=1; void reverse_return1()/电机 1 后退 IN1=1; IN2=0; void forward_turn2()/电机 2 前进 IN3=0; IN4=1; 光电信息综合设计 第 11 页 void reverse_return2()/电机 2 后退 IN1=1; IN2=0; 4.2 循迹总程序循迹总程序 总程序如下： #include sbit IN1=P10;/以下是点击驱动芯片 L298 管脚位声明 sbit PWM1=P11; sbit IN2=P12; sbit IN3=P13; sbit PWM2=P14; sbit IN4=P15; sbit RPR1=P16;/此处是传感器 RPR220 管脚位声明 sbit RPR2=P17; int count1=0;/用于定时计数的两个全局变量位声明 int count2=0; void forward_turn1()/电机 1 前进 IN1=0; IN2=1; void reverse_return1()/电机 1 后退 IN1=1; IN2=0; void forward_turn2()/电机 2 前进 光电信息综合设计 第 12 页 IN3=0; IN4=1; void reverse_return2()/电机 2 后退 IN1=1; IN2=0; void speed1(int ct,int sd)/电机 1 速度控制函数，其中参数 sd 为生成 PWM 波形的比较基准 if(ct=1000)/周期是 1s count2=0; 光电信息综合设计 第 15 页 结论结论 整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结 合。本系统能实现如下功能： 自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道， 实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。 本系统能够基本满足设计要求，小车能够较快较平稳的沿着引导线行驶，但由 于经验能力有限，该系统还存在着许多不尽人意的地方有待进一步的完善和改 进。