自动循迹小车设计课程设计正文报告大学论文Word文档下载推荐.docx
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完成时间:
2015年7月7日
前言
当今世界，随着计算机技术、控制技术、信息技术的快速发展，工业的生产和管理也都向着自动化、信息化、智能化方向发展。
随着人们生活水平的提高，人们越来越希望全智能化的生活，智能化的东西可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，为工业生产或日常生活提供很大的便利。
在自动化生产线，智能仓库管理及物流配送等领域，当生产现场环境十分恶劣或者许多人工无法完成的搬运或者装卸时，机器人却能够适应这样恶劣的环境，这时候就需要智能循迹小车这样的机器来完成此类任务，基于现场和生活的实际需要，研究智能循迹小车的意义不言而喻。
自动循迹小车就是最简单的智能化产品，通过单片机的控制，能够让其沿着固定的轨道自动行驶，通过对其的扩展，可以充分的应用在工厂自动化、军事领域、仓库管理、自动停车系统、智能玩具或民用服务等诸多领域，例如在自动仓库、码头、搬运、涂装等物流作业部门工作的物流小车就是在此基础上设计出来的。
而且通过对这个课题的学习，通过理论与实践的结合，能够让自己对单片机的了解和应用进一步加深，另外，通过这次的设计，能够大大提高自己的动手能力，也更大的激发自己的兴趣。
国内外的研究概况：
国外智能车辆的始于上世纪50年代，它的发展历程大致可以分为以下三个阶段：
第一阶段：
1954年美国Barrett
Electronic公司研究开发出了世界上第一台自主引导车系统，该系统只是一个运行在固定路线上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本的特征无人驾驶。
第二阶段：
从80年代中后期，在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索，在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟，其目标之一就是研究发展智能车辆的可行性，并促进智能车辆技术进入实用化，在亚洲，日本与1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶演剧协会，主要目的是研制自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆的整体进步。
进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷了全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。
第三阶段：
从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模的研究阶段。
最为突出的是，美国卡内基-梅陇大学机器人研究所完成了Navlab系列的自主车的研究，取得了显著的成就。
相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究开始于20世纪80年代，而且大多数研究尚处于针对某个单项技术研究的阶段。
虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，但是我国也取得了一系列的成果，主要有：
中国第一汽车集团公司和国防科技大学于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车；
上海交通大学应用现代控制理论设计出了一种自动驾驶汽车模型，该模型在汽车系统的动力学建模的基础之上，设计了自动驾驶的专项系统，它能根据弯道的弯曲变化程度实时的计算出车辆的转向盘角度，控制车辆按照预设道路行驶；
清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室自1988年开始研制的THMR系列移动机器人取得了很大的成功。
它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已经能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。
1.前言……………………………………………………………………………………………….2
2.摘要……………………………………………………………………………………………….4
3.方案设计………………………………………………………………………………………….5
3.1总体方案设计………………………………………………………………………………5
3.2方案选择与论证…………………………………………………………………................6
4.硬件设计………………………………………………………………………………………….7
4.1直流电机…………………………………………………………………………………..7
4.2驱动模块…………………………………………………………………………………..8
4.3循迹模块…………………………………………………………………………………11
4.4控制模块…………………………………………………………………………………13
5.理论分析与计算………………………………………………………………………………...14
5.1传感器的接收情况……………………………………………………………………...14
5.2小车的状态分析………………………………………………………………………...16
6.程序设计………………………………………………………………………………………...15
6.1系统整体流程图…………………………………………………………………………..15
6.2各个部分的流程图………………………………………………………………………..15
6.2.1定时器的程序………………………………………………………………………15
6.2.2循迹程序……………………………………………………………………………19
7.测试方法与数据………………………………………………………………………………...19
7.1调试过程…………………………………………………………………………………..19
7.2实验结果…………………………………………………………………………………..22
8.结果分析与总结………………………………………………………………………………...23
8.1实验结果分析……………………………………………………………………………..23
8.2性能改善…………………………………………………………………………………..24
附录………………………………………………………………………………………………..27
部分程序………………………………………………………………………………………27
摘
要
本设计是基于单片机控制的简易自动循迹小车，小车能够沿着宽约2CM的黑色轨迹行驶，能够非常流畅的转大于90°
小于180°
的弯道。
本设计包括电源模块、微处理器控制模块、循迹模块和电机驱动模块。
其中控制器模块以C51单片机为控制核心，以有机玻璃作为小车的车架，循迹模块是用红外光传感器来检测小车的运动轨迹，电机驱动模块使用的是L293D电机驱动芯片驱动2个直流减速电机。
利用放置在小车前方的4个光电对管将检测到的信号送到单片机，单片机对检测到的信号进行分析判断，利用单片机生成的PWM波来及时控制2个电动机各自的运行状态，从而使小车沿着黑色轨迹自动行驶，实现小车自动循迹的目的。
本设计不仅给出了硬件设计流程，而且还给出了完整的硬件电路图和控制程序。
在完成的既定的路线的基础上，我们也进行了很多的测试，小车的速度有了很大的提高。
另外，本实验与以往的小车不同之处在于，受温度控制的PID算法的启发，添加了类似于PID的算法，即对小车的偏差进行了调整，使得小车的行驶轨迹更加准确，适应能力更强。
关键词：
AT89C51电机驱动模块PWM波红外光传感器自动循迹PID
一、设计方案
（一）、总体设计
智能小车采用的动力整体结构如下图，当传感器收到信号后，单片机系统会对采集到的信息进行判断，输出信号控制电机驱动电路，改变左右两边的车轮的转速使智能小车直行或转向，从而实现循迹的功能。
整体实物简图如图1所示：
图1实物结构简图
如图2所示，小车的整体结构分为4大部分分别为：
电源以及驱动模块，电机以及小车底盘，控制以及显示模块，传感器模块。
图2整体框图
如图，当传感器检查到的信号发生改变时，会发送高低电平给单片机的I/O口，单片机通过不断的扫描这些信号来获得小车当前的状态信息。
随后，单片机通过改变输出给驱动模块的pwm波来对小车的前进和转向进行控制。
此时，传感器信号发生改变，进入下一个循环。
（二）、方案选择与比较
1、电动机的选择
方案一：
采用直流电机。
直流电机转动力矩大，响应快速，体积小，重量轻，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；
过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转,能满足各种不同的特殊运行要求，价格便宜。
方案二：
采用步进电机。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行原件。
控制方便，体积小，灵活性和可靠性高，具有瞬时启动和急速停止的优越性，比较适合本系统控制精度高的特点。
但步进电机的抖动比较大，输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，价格还比较昂贵，所以这里不采用此方案。
由于直流电机价格便宜、控制简单，因此本设计用方案一。
2、电动机驱动模块的选择
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。
但是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，且可能存在干扰。
更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。
这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
方案三：
采用专用电机驱动芯片L293D作为电机驱动芯片。
L293D中有两套H桥电路，刚好可以控制两个电机。
它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。
基于以上的分析，建议电动机驱动电路选择方案三。
3、电源模块
电脑USB串口供电。
能直接为单片机提供稳定的+5V直流电压。
USB串口线又容易得到。
但需要很长的线，这样导致无法在室外工作。
用7.2V充电电池组作为小车供电电源。
经7805稳压后给单片机供电，而7.2V电压可直接接在L298驱动芯片上作为两个直流电机的驱动电压。
在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动直流电机。
这个电源结构简单，价格便宜，容易得到，而且能够重复使用。
采用4节普通5号电池作为小车的供电电源。
刚买的5号电池测得电压为1.7V，4节就是6.8V，单片机需要5V电源，因此用7805稳压到5V后供电，但是其放电电流不大，导致电动机转速很慢，而且在使用过程中，其电压会明显降低，普通5号电池会降到1.4V以下，这样导致经过7805稳压后电压小于5V，完全无法带动整个系统正常工作，因此放弃该方案。
综上所述，选择方案二作为小车电源模块，经济实惠。
4、控制器的选择
AT89C51单片机作为系统的控制器。
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，该系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试，并且价格便宜。
采用FPGA作为系统的主控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，常用于大规模实时性要求较高的系统，但价格高，编程实现难度大。
综上，我们采用方案一。
二、硬件设计
1、直流减速电机
（1）、基本原理
直流减速电机可以根据两端的电压的大小或者利用pwm波和正负实现速度和方向的改变。
当两个电机以相同速度运行时小车前进或者后退；
当
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