第十五组创新实验报告.docx
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第十五组创新实验报告
时间：
周一晚上
组号：
十五
创新性实验报告
题目
循迹小车
学院
电子信息学院
专业
电子信息工程
学号09053104姓名曹亚珍
学号09047913姓名钱志国
学号09073362姓名刘沛
指导教师
刘公致陈龙
完成日期
2011年12月
摘要
本次设计就是研究一款能自动跟踪给定路线的寻迹小车，该小车是以STC89C52单片机作为系统微控制器，寻迹模块采用8对红外对管对路面黑色轨迹进行检测。
传感器输出信号经处理后送STC89C52单片机，单片机通过检测到的不同信号，调用相关程序，发出控制信号给驱动电路，进而按给定信号驱动直流电机转动，完成转向或者前进动作。
关键词：
红外对管；STC89C52单片机；电机驱动
1引言
自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。
近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。
视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。
视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。
但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。
机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。
避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guidevehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。
使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。
该智能小车可以作为机器人的典型代表。
它可以分为三大组成部分：
传感器检测部分、执行部分、CPU。
机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。
可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。
基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。
智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。
单片机驱动直流电机一般有两种方案：
第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。
考虑到实际情况，本文选择第二种方案。
CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。
2系统总体设计
本系统的整体框图如图1所示。
它包括电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路、频率测量电路、单片机处理及显示电路。
整个电路系统分为检测、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1所示。
图1寻迹小车系统框图
3硬件电路设计
3.1红外对管电路的设计
该模块的电路如图2所示：
图2红外对管电路
红外一体式发射接收器检测黑线的原理为，由于黑色吸光，当红外发射管发出的光照射在上面后反射的部分就较小，接收管接收到的红外线也就较少，表现为电阻比较大，通过外接的电路就可以读出检测的状态，同理当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻就比较小。
图中R1为限流电阻，不同大小的限流电阻决定了红外发射管的发射功率，R1越小，红外发射管的功率就越大，多个并联后小车的能耗也就大幅增加，但是同时增加了光电管的探测距离，在实验中我们选择了470Ω的电阻作为限流电阻；R2为分压电阻，R2的选择和采用红外接收管的内阻有关，由于R2和接收管构成分压电路，因此R2的大小和接收管的电压变化有关，我们选择了10kΩ的电阻作为分压电阻，电路工作正常在光电管在黑线和白纸上移动式则在图中R2的下端也就是LM339的4脚有明显的电压变化。
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源需要接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
图3LM339的内部结构
R1起限流电阻的作用，当有光反射回来时，红外对管中的三极管导通，R2的上端变为高电平，可调电阻R3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，可以直接够单片机查询使用。
此电路供电的电池的压降较小。
3.2电机驱动电路的设计
该模块的电路如图4所示：
图4电机控制电路
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以实现
两个直流电机的正反转等功能。
4软件设计
软件总体设计
流程图说明
开机启动后，从主程序开始，给端口赋初值，开中断和计时器开始工作。
然后调用子程序查询红外传感器的状态，控制小车的前进。
时间中断函数用来产生PWM波用来控制车速。
由于前轮只有正前、朝左、朝右这三个方向，所以我们用P2^7和P2^5两个端口控制它的方向。
当P2^7=P2^5=0时，小车向前，当P2^7=1，P2^5=0时，小车左转，当P2^7=0，P2^5=1时，小车右转。
后轮用占空比为10%的PWM波控制，当转向时，控制信号占空比下降。
5制作与调试
5.1硬件电路的布线与焊接
红外循迹模块
电机驱动模块
5.2调试
我们首先对循迹，控制，驱动三个模块用数字万用表进行了短路和断路故障的排查；验证了循迹模块对黑线检测时电平高低变化的实现。
然后将三个模块进行连接，进行调试，最终使小车实现了预期的功能。
在调试过程中，我们遇到了一些问题，但在经过分析后，得以一一解决。
首先，电路部分存在虚焊，和断路。
主要是由于缺乏制版经验造成的，电路板腐蚀过度。
我们采用接连跳线的方法解决了部分问，。
但仍有部分线路在几经镀锡后无法挽回，最终我们再次制版。
二次制版，采取了覆铜的方法，在更加仔细地焊接后，几乎没有再出现短路和断路的问题。
接着，问题出在循迹模块部分。
由于在实际焊接时，循迹模块中采用的电阻过大，使得所产生的电流过小，无法满足红外对管正常工作的需要。
于是，我们更换了电阻，换上了合适阻值的电阻。
此外，实验室桌面的深蓝色在我们测试红外对管功能时对我们产生了误导。
其实，深蓝色和黑色都对红外光有强烈的吸收作用，致使我们在桌面上对红外对管测试时，反馈信号一直处于高电平上。
鉴于此，我们增大了拟循迹黑线周围白纸的范围，完成了对循迹模块红外对管功能电路的测试。
最后，我们进行了单片机控制程序功能的测试。
期间发现，红外探头与地面的距离及角度对小车循迹功能的实现有着重要影响。
原因在于，焊接好的部分的红外探头没能与正对地面，而是与电路板成一定夹角；以及红外探头和地面的高度，都会影响红外探头对光线的接收，进而影响小车循迹功能的实现。
于是，我们采用胶带将循迹模块与小车底板粘连，经多次测试，最终确定了一个较佳的角度和高度，得以实现小车的循迹功能。
5.3实测及误差分析
由于没有采用PWM方法调速，所以小车的速度没能达到理想的速度水平；由于没有在找出红外探头与地面的较佳距离和角度后予以固定，致使小车循迹功能的实现有时不稳定。
6结论及建议
通过一学期的学习，动手能力不仅得到了很好的锻炼，分析问题和解决问题的能力也得到提高，同时也锻炼了团队协作的能力。
通过实践发现了自己的很多不足，使我们对于许多学过的的知识有了更进一步的了解。
参考文献
[1]阎石，数字电子技术基础（第五版），高等教育出版社
[2]高惠芳，单片机原理与应用技术，科学出版社
附录
附录1:
实物图
附录2:
源程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitIN1=P0^0;//接红外管
sbitIN2=P0^1;
sbitIN3=P0^2;
sbitIN4=P0^3;
sbitIN5=P0^4;
sbitIN6=P0^5;
sbitIN7=P0^6;
sbitIN8=P0^7;
sbitENA=P1^0;//电机1
sbitON1=P1^1;
sbitON2=P1^2;
sbitENB=P1^3;//电机2
sbitON3=P1^4;
sbitON4=P1^5;
//**********延时函数***********//
voiddelay（uintz）
{
uintx,y;
for（x=0;x<123;x++）
for（y=0;y}
//******************左转******************//
voidturn_left（）
{
ON1=1;
ON2=0;
ON3=0;
ON4=0;
}
//******************右传******************//
voidturn_right（）
{
ON1=0;
ON2=0;
ON3=1;
ON4=0;
}
//******************前进******************//
voidfoward（）
{
ON1=1;
ON2=0;
ON3=1;
ON4=0;
}
//****************主程序****************//
voidmain（）
{
P1=0;
ENA=1;
ENB=1;
while
（1）
{
if（IN8==1）
{
turn_left（）;
}
if（IN3==1）
{
turn_right（）;
}
if（IN4==1）
{
foward（）;
}
}
}
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