循迹小车-毕业论文.doc
《循迹小车-毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《循迹小车-毕业论文.doc（45页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
摘要
本设计是一种基于单片机控制的简易自动寻迹小车系统，其研究意义涵盖了工业、生活、勘探以及人类关注的探月工程。
设计旨在设计出一款可以自主按照人类预设的轨迹行走（或者完全自主行走）并完成指定任务的小车。
从设计的功能要求出发，设计包括小车机械构成设计和控制系统的软硬件设计。
为了适应复杂的地形我采用稳定性比较高的四轮构架式，用后轮驱动前轮换向的控制模式。
控制系统以STC89C52为控制核心,用单片机产生PWM波，控制小车速度。
利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测,并确定小车当前的位置状态，再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,及时控制驱动电机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹的目的。
关键词：
循迹小车，单片机，红外传感器
ABSTRACT
Thedesignisasimplemicrocontroller-basedcontrolautomaticallytracingthecarsystem,anditssignificancecoverstheindustry,life,exploration,andhumanconcernlunarexploration.Thedesignaimstodesignacanofindependentwalkinginaccordancewiththetrajectoryofhumandefault（orcompletelyautonomouswalking）andtocompletethetasksassignedtothecar.Thedesignincludesthefunctionalrequirementsfromthedesignofcarmechanicaldesignandcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign.Relativelyhighstabilityofthefourtrussesinordertoadapttothecomplexterrain,beforetherotationoftherear-wheeldrivecontrolmode.ControlsystemtocontrolthecoretoSTC89C52microcontrollerPWMwavetocontrolthecarspeed.Usinginfraredphotoelectricsensortodetecttheblacktrackontheroadandtodeterminethecurrentstatusofthecar,andthentheroaddetectionsignalisfedtothemicrocontroller.Microcontrollertobecollectedsignalanalysisandjudgment,andtimelycontrolofthedrivemotortoadjustthesteeringofthecar,sothatthecaristravelingalongtheblacktracktoachievethepurposeofthecarautomaticallytracing.
Keywords:
cartracking；microcontroller；Infraredsensors
目录
1绪论 1
1.1研究背景和发展现状 1
1.2研究目的和意义 1
1.3研究内容 2
2方案设计与论证 3
2.1总体方案设计 3
2.2主控系统 3
2.2电机驱动模块 4
2.3驱动电机选择 5
2.4循迹模块 5
2.5机械系统 6
3主要器件介绍 7
3.1STC89C52的介绍 7
3.2L298N的介绍 10
3.2.1L298的引脚功能 10
3.2.2L298的运行参数 11
3.2.3L298的逻辑控制 11
3.3TCRT5000的介绍 11
3.4LM324的介绍 12
4硬件设计 14
4.1总体设计 14
4.2STC89C52单片机控制电路 16
4.2.1时钟电路 16
4.2.2复位电路 17
4.2.3EA/VPP（31脚）的功能和接法 17
4.2.4P0口外接上拉电阻 17
4.3TCRT5000黑色轨迹识别电路 18
4.4LM324电压比较电路 19
4.5电机驱动电路 20
4.5.1驱动电路 20
4.5.2PWM调速原理 21
5程序设计 23
5.1主程序 23
5.2TCRT5000扫描程序 25
5.3PWM编码产生程序 26
6调试 28
6.1硬件调试 28
6.1.1电池可靠性 28
6.1.2TCRT5000探头 29
6.1.3L298N马达驱动模块 29
6.2软件调试 29
6.2.1调试平台介绍 29
6.3测试结果与分析 30
结束语 32
参考文献 33
致谢 34
附录 35
附录1：
源程序 35
附录2：
原理图 39
附录3：
PCB设计 40
1绪论
1.1研究背景和发展现状
随着电子技术、计算机技术、智能控制技术的飞速发展，产品的智能化和小型化越来越成为人们关注的热点。
各种智能小车在智能化玩具中占了很大的比例。
近年来，传统玩具的市场逐步缩水，高科技智能化的电子类玩具则逐步成为市场的主流。
因此，可遥控的智能化小车的研究是非常有意义的，具有很大潜在市场价值的。
智能小车，也被称之为轮式机器人。
我们知道，机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。
机器人由于具有高度的灵活性、可以帮助人们提高生产率、改进产品质量和改善劳动条件等优点，在世界各地的生产生活领域得到了广泛的应用。
智能小车正是模仿机器人的一种尝试。
它是一种以汽车电子为背景，涵盖控制，模式识别，电子、电气、单片机、机械等多学科的科技创新性设计，一般主要由路径识别、速度采集、角度控制以及车速控制等模块组成。
这种智能小车能够自动搜寻前进路线，还能爬坡；感知前方的障碍物，并自动寻找前进方向，避开障碍物；加入相关声光讯号后，更能体现出智能化和人性化的一面。
1.2研究目的和意义
随着人们物质文化生活水平的不断提高，智能化的电子玩具深受人们的喜爱，尤其是各种智能小车，由于这类玩具具有较好的交互性，可控性，能够给人们带来很好的娱乐以及参与其中的体验，高科技智能化的电子类玩具逐渐成为市场的主流。
与此同时，智能小车可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面，尤其在足球机器人研究方面具有很好的发展前景。
因此，智能化小车的研究不仅具有很大的现实意义，还具有极为广阔的应用前景和市场价值。
例如智能运输系统。
公共交通是城市发展的必然产物，也是城市赖以生存的重要基础设施之一。
它作为城市动态大系统中一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽带。
公交系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等项优点。
随着我国改革开放的深入和经济建设的持续快速发展，城市规模不断扩大，交通需求也不断增加。
有关资料表明，1996年全国城市机动车保有量为884.5万辆，比1977年增长近9倍，年均增长33.8%，全国城市自行车超过1.8亿辆，占全国总量的40%，城镇每百户拥有率达198辆。
道路建设虽突飞猛进，从1980年至1994年，全国城市道路总长从2.95万公里增至11.1万公里，年平均增长率为9.9%,人均道路面积从2.8m2增至6.6m2，道路面积增长率为年均11.6%，这样的速度仍然赶不上车辆的增长速度。
同时，由于多种原因致使公交车辆运营速度由每小时12-14公里下降至5-10公里，新增的运力被运输效率下降抵消，公交承担运量不断减退，居民出行方式逐年由公交向自行车等个体交通方式转移，这无疑加剧了交通的拥挤程度。
如何解决城市居民出行交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾成为摆在我们面前的一项迫切任务。
智能运输系统（IntelligentTransportationSystems，ITS）。
它是在关键基础理论模型研究的前提下，把先进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地综合运用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输管理系统。
它利用无线通讯专网低频段以低成本实现了公交企业运营数据的实时采集、快速传输，自行开发研制了无线通讯系统车载智能终端设备及控制系统，使公交企业能够充分利用无线通讯系统采集和传输的车辆运营数据进行车辆调度和车辆运营管理，且具有数据和话音双重传输功能。
具有用户容量大、网络范围覆盖广、调度信息响应速度快、全自动语音报站自动化、信息发布广泛、出行者信息服务智能化、设备自动维护智能化的特点。
智能公交系统的提出，必将大大改善公交管理水平，提高公交系统经济效益，减少政府财政补贴。
由于采用公交出行的居民增加，相对减少了其它车辆出行，这势必会缓解城市交通压力，减少环境污染，降低交通事故发生率，改善交通环境，带来巨大的社会效益。
1.3研究内容
本设计的智能电动小车具有自动寻迹功能，可用过PWM编码控制行驶速度。
整体设计可以分为如下几个模块，控制核心采用MCS-51系列中的STC89C52单片机，循迹是通过传感器实现的，利用红外对射管检测路面的轨迹，时刻调整车体位置使车不离开轨道。
整个系统具有自动寻迹的功能。
电机驱动采用常用的PWM方式进行电机的降压调速控制。
软件中主要用到工业中常用的PID控制算法。
整个系统的电路结构较简单，可靠性能高。
实验测试结果满足要求。
2方案设计与论证
2.1总体方案设计
根据题目的要求，确定如下方案：
在现有玩具电动车的基础上，加装反射式红外光电传感器，实现对电动车的位置、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。
本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。
系统整体方框图如图1所示。
单片机
STC89C52
循迹检测模块射
电机驱动模块
图1系统总体设计框图
2.2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。
为此，我们不采用该种方案，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。
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STC89C52RA单片机作为本设计的主控装置，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。
2.2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方向进行调整.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，分压不仅会降低效率，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，具体电路介绍将在后面章节写出。
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。
现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N。
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。
因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制电机。
2.3驱动电机选择
直流电机和步进电机都可以用于小车驱动。
故有两种方案。
方案一：
使用直流电机，加上适当减速比的减速器。
直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。
直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。
直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放大器。
常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式。
此方法性能较好，电路和控制都比较简单。
方案二：
使用步进电机。
步进电机具有良好的控制性能。
当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。
与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。
去而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关[8]。
但步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成。
具体差别见下表1。
表1电机控制方式对比
项目
直流电机
步进电机
调速性能
较好
较差
位置控制精度
较差
好
驱动
简单
复杂
稳定性
较好
好，仅与控制脉冲有关
由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。
步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直流电机即可满足小车要求的精度。
且直流电机易于控制，驱动电路十分简单。
2.4循迹模块
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：
采用三只红外对管，平均置于小车车头前端，根据三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，只要合理安装好三只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。
（参考文献[3]）
通过比较，我选取第二种方案来实现循迹。
2.5机械系统
本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，可选用三轮和四轮式，考虑到现在的汽车多采用四轮式我选用四轮式的设计，使设计更贴近生活需求。
驱动和转向方式和现在的汽车一样。
驱动部分：
采用玩具小车原有的驱动电机，由L298N双通道马达驱动模块驱动前后两个马达，其力矩完全可以达到模拟效果。
电池的安装：
将电池放置在车体的下面，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。
电源模块：
采用6支1.5V电池给电机供电，再用稳压芯片对电池电压进行降压给单片机。
采用一套电源可减少小车的负重。
电压转换电路如图2所示。
图25V稳压电路
3主要器件介绍
3.1STC89C52的介绍
该单片机是宏晶公司生产的STC89C52，其片内带有8K字节闪速可编程、可擦除寿命1000次程序存储器。
该产品与工业标准8051中单片机完全兼容，并且还可支持两种软件可选的省电模式，工作时钟最高可达到24MHz。
使实时控制、实时处理的功能更加完善，简化了硬件配置。
与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
STC89C52实物如图3。
图3STC89C52引脚示意图
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52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。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程Flash
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在线系统编程用）
P1.6MISO（在线系统编程用）
P1.7SCK（在线系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
3.2L298N的介绍
L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片的主要特点是:
工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受
升级会员 