智能寻迹小车的课程设计.docx
《智能寻迹小车的课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能寻迹小车的课程设计.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能寻迹小车的课程设计
1引言
遂着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A／D转换器、D／A转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。
这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展。
单片机技术作为自动控制技术的核心之一，被广泛应用于工业控制、智能仪器、机电产品、家用电器等领域。
随着微电子技术的迅速发展，单片机功能也越来越强大，本设计基于单片机技术在智能寻迹小车控制系统的设计中，以STC89C51为核心，用LG9110驱动两个减速电机，当产生信号驱动小车前进时，是通过寻迹模块里的传感器管是否寻到黑线产生的电平信号通过传感器再返回到单片机，单片机根据程序设计的要求作出相应的判断送给电机驱动模块，让小车实现前进、左转、右转、停车等基本功能，寻白线时，外部环境光线的强弱对小车的运动会产生很大的影响，基于此原因，本实验中的寻迹是指在白色地板上寻黑线。
1.1设计目的
1、了解机械部件结构与机械安装过程；
2、掌握电动机齿轮箱内部结构及减速原理；
3、了解电子元器件的基本形状及焊接过程；
4、掌握电子元器件的焊接步骤与检测过程；
5、了解单片机内部结构与程序编制方法；
6、了解LED灯驱动方法，全面掌握流水灯/跑马灯编程技术；
7、了解数码管内部结构，掌握数码显示技术；
8、了解键盘结构原理，掌握中断查询技术；
9、了解话筒电路结构，掌握话筒输入技术；
10、了解蜂鸣器驱动技术，全面体现音乐报警功能；
11、了解光敏电阻结构原理，充分体现夜间自动照明功能；
12、了解红外发射与接收技术，有力体现防撞检测与智能寻迹功能
13、了解直流电机驱动原理，掌握电机驱动技术；
14、认识红外检测传感器，全面掌握红外遥控编码解码技术；
15、了解R232通信协议，掌握串口通信技术。
16、通过本机系统学习，全面掌握智能自动寻迹机器人的控制方法。
1.2设计要求
当前的电动小汽车基本上采取的是基于纯硬件电路的一种开环控制方法，或者是直线行使，或者是在遥控下作出前进、后退、转弯、停车等基本功能。
但是它们不能实现在某些特殊的场合下，我们需要能够自动控制的小型设备先采集到一些有用的信息的功能。
本文正是在这种需要之下开发设计的一种智能的电动小车的自动控制系统。
它以单片机AT89C51为控制核心，附以外围电路，在画有黑线的白纸“路面”上行使,由于黑线和白线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。
判断信号可通过单片机控制驱动模块修正前进方向，以使其保持沿着黑线行进。
轨迹探测模块用3只光电开关（图2）。
1只置于轨道中间，2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，等待外面任意一只检测到黑线后，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）再恢复正向行驶等智能控制系统。
2智能小车的设计流程
2.1总体方案的寻迹原理
智能寻迹小车能寻迹主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完成的。
根据光有反射的特性。
所以说当红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。
当红外接收探头接收到信号后，再将信号送到单片机由单片机内部程序来控制电机，由电机完成小车的前进，转向。
2.2总体设计方案和框图
整个路系统分为检测、控制、驱动三个模块。
首先利用光电对管对路面信号进行检测，经过比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，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。
系统方案方框图如图所示：
图2-1智能小车寻迹系统框
该简易智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行使,由于黑线和白线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。
判断信号可通过单片机控制驱动模块修正前进方向，以使其保持沿着黑线行进。
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，等待外面任意一只检测到黑线后，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。
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。
本设计以STC89C52单片机作为检测和控制核心。
采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，用光敏电阻检测、判断车库位置，通过软件编程实现智能小车行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。
通过对电路的优化组合，可以最大限度地利用51单片机的全部资源。
P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2，P3口用于传感器的数据采集与中断控制。
这样做的优点是：
充分利用了单片机的内部资源，降低了总体设计的成本。
这样做的优点是：
充分利用了单片机的内部资源，降低了总体设计的成本。
3系统硬件设计
3.1系统的硬件组成及设计原理
图3.-2小车视图
此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、电源单元、电机控制单元组成。
3.1.1单片机单元
此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。
控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。
由于51单片机具有价格低廉是使用简单的特点，这里选择了ATMEL公司的STC89C52作为控制核心部件。
STC89C52单片机系列的存储器用的是哈佛结构，即将程序和数据存储截然分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。
STC89C52的存储器可分为五类：
程序存储器，内部数据存储器，特殊功能寄存器，位地址空间，外部数据存储器。
下面有详解
3.1.2电机控制单元
a电机的选择方案
方案1：
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，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。
经综合比较考虑，我们放弃了此方案。
方案2：
直流电机：
直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。
对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。
PWM调使加在直流电机两端的速就是电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。
基于以上分析，我们选择了方案一，使用直流电机作为电动车的驱动电机。
b电机驱动原理
从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动
LG9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降与静态电流；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。
9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、自动阀门电机驱动、电磁门锁驱动等电路上。
图3-2LG9110管脚及功能
3.1.3传感器单元
在传感器方案的选择中，有以下两种方案供参考：
方案一：
使用CCD传感器来采集路面信息。
使用CCD传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面而且抗干扰能力强。
但是对于本项目来说，使用CCD传感器也有其不足之处。
首先使用CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。
因为是以实现小车视觉为目的，实现起来工作量较大，电路复杂。
方案二：
使用光电传感器来采集路面信息。
使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了复杂的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。
但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。
在本次设计中，赛道为黑色与白色两种颜色，小车只要能区分黑色就可以采集到准确的路面信息。
经过综合考虑，在本设计中采用红外光电传感器作为信息采集元件。
图3-3红外传感器分布图
其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，，一般中间的一个传感器XY在黑线上并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。
小车前进时，X1、X2在黑线上，当小车偏离黑线时，第一级传感器X1或Y1就能检测不到黑线时，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。
这次设计智能小车，可以按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上划出设定的地图，并且车速自动可调。
主要是以STC89C51单片机为核心，红外传感器进行目标识别与避障，使自动寻迹小车准确跟踪轨迹路线；采用直流电机对车的转向进行控制，由软件实现了小车自动行驶、自动避障，并发出指示信息等功能。
3.2系统的硬件模块介绍
功能说明:
A:
探照灯采用了左右两个LED灯来表示，在程序上可以通过软件代码的编写来模拟汽车的照明灯与转向灯。
更可以在寻机功能是来表示前方探头的探测情况。
B：
前方智能防撞探头采用了红外线反射原理，可以很好的检测到前方能够反光的白色物体，从而实现绕障碍物与防撞的功能。
C:
智能迅疾红对射头采用红外光线对黑色两色反光程度不同的原理，可以用来检测黑线与白线，实现智能寻迹的功能。
同时也可以根据这种方法来实现避悬崖及其他更多的高级功能。
D:
电机齿轮箱采用齿轮转动装制，为机器人的运行加入了了力量。
让高速的电机运动转动力矩变的稳定可靠，增大了电机的转动力矩。
E：
智能机器人转动轮，可以完成机器人的前进，后退，左转，右转等功能。
F：
机器人电池座采用了电池的安装方法，更好的完成了多次复用及易用的特点。
易更换的特点的特点为机器人的连续运行增加了可靠性，为竞赛增加源动力。
G:
直流电机驱动采用简单易管理的L9110驱动芯片，充分主程序有时间去处理其他更多功能。
比步进电机驱动更简单，更省主芯片效率。
H：
声控装置——话筒采用了模拟电路数字电路的有机结合，让你在学校数字电路的同时，也掌握模拟电路。
声控使机器人更有趣，你可以用拍手来控制小车的运行与停止。
模拟电路的建立有效的滤除了多余的杂波，运行更可靠。
I:
机器人主芯片采用STC单片机系列，完全实现ISP/IAP在线编程，无需编程器，程序下载更容易。
同时完全兼容AT89系列芯片与AVP,PIC相关的系列芯片。
完全让你一机在手，学习无忧，一机拥用，学习面广。
J:
8位LED指示灯直接连接端口电路，让你完全自由控制。
充分发挥程序状态指示灯，跑马灯，流水灯。
花样灯等更变换多样的功能。
K：
按键采用了电平触发的方式，让你学习按键中断与按键查询等功能，掌握键盘扫描原理与查询方法。
LCOM端口连接采用RS232连接形式，为电脑控制机器人实现RS232通信建立了接口，让你完全掌握串口通讯。
同时它还是程序下载与烧录不可缺少的端口，通过它让你完全ISP/IAP编程，无需编程器。
M:
电源总开关实现对机器人电源的总控制，下载程序时用它来启动程序的下载功能。
O:
LED数码管采用共阳的方式接入，完全功能端口直接控制，更好的展示出机器人的运行状态。
对它的学习，可以完全掌握红外遥控编码/解码技术。
实现远程戏外遥控机器人的梦想。
Q:
蜂鸣器的加入让你有机会编写动听的音乐功能，同时也会小车遇到障碍特及时报警打下了平台。
P：
红外遥控接收头采用先进的红外遥控接收头，支持红外遥控距离更远力更强。
通过对它学习，可以完全掌握红外遥控编码/解码技术。
实现远程戏外遥控机器人的梦想。
R：
光敏电阻可以识别白天与黑夜，使机器人具有了对白天与黑夜的识别功能。
它与LED汽车模拟灯的结合，完全可以实现黑夜自动照明功能，同时也为机器人对环境的识别和判断打下硬件平台。
4智能小车系统调试
将指示灯程序、流水灯程序、数码管程序、数码管与跑马灯程序、按键中断查询程序、话筒声音识别程序、光敏电阻与蜂鸣器程序、红外反射与直流电机驱动程序、红外遥控器解码程序、串口通信程序与综合程序通过COM口下载到智能小车测试单元。
使用的测试工具和测试过程如下：
测试工具：
仪器名称
用途
电脑
调试及下载程序
数字万用表
测量各种电路工作情况
测试过程：
1.我们尝试着先用PIC12F683来控制小车的前进、后退、左右转向。
结果试验成功，小车能正常的跑动起来。
这个小试验，是为了检测小车的机械性能。
达到了我们预期目的。
2.制作主板
3.主板通电前检查：
电路安装完毕，我们首先直观检查电路各部分生产线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。
结果发现L293芯片的5和12管脚没有接地，查看发现原来是原理图没注意改正才导致的。
4.通电检查：
给电机通电，观察电机是否工作正常。
电机正常工作时，后驱工作电流为320mA，电压为5.4V；前驱电机工作电流为180mA，电压为5.41V。
给主板通电，观察电路各部分器件有无异常现象。
5.主板安装调试（主控芯片用PIC16F886），在调试的过程中我们发现了原理图中有一个小小的错误。
这个错误导致小车的稳压芯片过热。
一起讨论之后决定，修改原理图，调换小车驱动芯片的位置。
改动之后，小车电源稳压芯片过热现象消失。
小车也能实现了基本的功能。
（由于我们没能在制板之前发现这个问题，导致了主板在修整后变得不太美观了。
）
6.制作并调试小车循迹板，传感器采用反射式红外传感器ST178，当Vcc=5V时，工作电流为17mA,VR1=3.83V,VD=1.17V,RD=68.8欧。
电路图如下：
在调试的过程中却发现小车不循迹，经过了4天的努力，终于发现了问题的所在，原来是焊错了一个电阻导致（错将1K电阻当成220欧的来用）。
改正后调试，终于也能实现了循迹功能。
总结
本次课程设计我学到了很多东西，在整个过程中，受益最深的是在调试阶段。
在调试阶段中，很熟练的了解了各个器件的功能，在测试中也明白各个电路实现什么功能等。
虽然在焊接电路时出现过小故障，整个过程中，我们分工明确，同心协力，终于顺利的完成这次设计。
但总体来说通过这次课程设计，加深了我对电子方面的兴趣，使我对电子知识有了更深的了解，很多事情，都是在做后才发觉有没有意义，有没有收获。
我想我会在今后的学习生活中学习更多、更深，我也会做得更好。
参考文献
[1]谢自美·电子线路设计.试验.测试[M]·华中科技大学出版社，2004
[2]宗光华·机器人的创意设计与实践[M]·北京航空航天大学出版社，2004
[3]肖景和·红外线热释电与超声波遥控电路[M]·人民邮电出版社，2003
[4]靳桅·单片机原理及应用[M]·西南交通大学出版社，2004
[5]王毅编著·单片机器件手册[M]·人民邮电出版社,1994
[6]何立民·单片机应用系统设计[M]·北京航空航天大学出版社，1995
[7]软件Keiluvision2、ISP说明书，芯片89C51RA2xx说明书
[8]丹尼斯.克拉克机·器人设计与控制[M]·科学出版社，2004
[9]杨帮文·新编传感器实用宝典[M]·机械工业出版社，2005
[10]周坚编·单片机C语言轻松入门[M]·北京航空航天大学出版社,2006
升级会员 