自动循迹小车毕业设计.docx
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自动循迹小车毕业设计
xxxxxx学院之答禄夫天创作
创作时间：
二零二一年六月三十日
xxx系xxx专业xx级
结业设计（论文）
姓名xx学号xxxxxxxx
指导教师（签名）xxx
二○年月日
烟台工程职业技术学院结业设计（论文）
诚信承诺书
自己慎重许诺：
我所撰写的设计（论文）《》是在老师的指导下自主完成,没有剽窃或剽窃他人的论文或功效.如有剽窃、剽窃,自己愿意为由此引起的后果承当相应责任.
结业论文（设计）的研究功效归属学校所有.
学生（签名）
年月日
前言………………………………………………………………………………………………3
五．致谢…………………………………………………………………………….…………..25
自动循迹小车
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,包括小车系统构成软硬件设计方法.小车以AT89C51为控制核心,用单片机发生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,并将路面检测信号反馈给单片机.单片机对收集到的信号予以分析判断,及时控制驱念头电以调整小车转向,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：
单片机AT89C51光电传感器直流机电自动循迹小车
前言
随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注.全国电子年夜赛和省内电子年夜赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究.可见其研究意义很年夜.本设计就是在这样的布景下提出的,指导教师已经有充沛的准备.本题目是结合科研项目而确定的设计类课题.设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程,具有自动寻迹、寻光、避障功能,可程控行驶速度、准确定位停车.
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,加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时丈量,并将丈量数据传送至单片机进行处置,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.本设计采纳MCS-51系列中的80C51单片机.以80C51为控制核心,利用超声波传感器检测路途上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,快慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间、里程和速度,自动寻迹和寻光功能.80C51是一款八位单片机,它的易用性和多功能性受到了广年夜使用者的好评.它是第三代单片机的代表.
第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产物,如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的年夜量各具特色﹑与80C51兼容的单片机.新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展,以实现Microcomputer完善的控制功能为己任,将一些外部接口功能单位如A/D﹑PWM﹑PCA（可编程计数器阵列）﹑WDT（监视按时器）﹑高速I/O口﹑计数器的捕捉/比力逻辑等.这一代单片机中,在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线,为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式.Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN（ControllerAreaNetworkBUS）.
新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构,为系统的扩展与配置打下了良好的基础.
一．任务要求
（一）任务
设计一个基于直流机电的自动寻迹小车,使小车能够自动检测空中黑色轨迹,并沿着黑色车轨迹行驶.系统方案方框图如图1-1所示.
图1-1系统方案方框图
二．系统设计方案
（一）小车循迹原理
这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走,由于黑线和白色地板对光线的反射系数分歧,可以根据接收到的反射光的强弱来判断“路途”.通常采用的方法是红外探测法.
红外探测法,即利用红外线在分歧颜色的物体概况具有分歧的反射性质的特点,在小车行驶过程中不竭地向空中发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射,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,小车上的接收管接收不到红外光.单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线.红外探测器探测距离有限.
小车供电后,红外光电二极管发出红外光,光线照在路面上反射回来被光电二极管接收,半导体二极管在电场作用下发生电势,将光信号转换成电信号.该智能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分歧,可根据接收到的反射光的强弱来判断“路途”——黑线.
当小车检测到黑线时,红外线部份被黑线吸收,反射回的红外线极少被光电二极管接收,转换成比力弱的电信号；当小车未检测到黑线时,红外线年夜部份被反射,反射回的红外线被光电二极管接收,转换成比力强的电信号.最终,这些电信号经过比力器处置后传入单片机,再由单片机进一步做信号处置.
（二）控制系统总体设计
自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、机电及驱动模块等部份组成,控制系统的结构框图如图2-1所示.
1、主控制电路模块：
用AT89C51单片机、复位电路,时钟电路
整个系统主要由主控中心（单片机）、复位电路、时钟电路、按键控制电路、数码管显示电路及LED模仿交通信号灯电路等功能模块组成.遇到特殊情况时可以通过按键电路控制实时交通实际情况,系统框图如图1所示.
2、红外检测模块：
光电传感器ST188,比力器LM324
红外线光电传感器（简称光电传感器,又称光电开关）是通过把光强度的变动转换成电信号的变动来实现控制的.光电开关是传感器年夜家族中的成员,它把发射端和接收端之间光的强弱变动转化为电流的变动以到达探测的目的.由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝）,所以它可以在许多场所获得应用.
3、机电及驱动模块:
机电驱动芯片L298N、两个直流机电
L298N是SGS公司的产物,内部包括4通道逻辑驱动电路.是一种二相和四相机电的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压年夜电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的机电.其引脚排列如图1中U4所示,1脚和15脚可独自引出连接电流采样电阻器,形成电流传号.L298可驱动2个机电,OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电念头.5、7、10、12脚接输入控制电平,控制机电的正反转,ENA,ENB接控制使能端,控制机电的停转.在许多场所获得应用.
4、电源模块：
双路开关电源
模块电源是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处置器（DSP）、微处置器、存储器、现场可编程门阵列（FPGA）及其他数字或模拟负载提供供电.一般来说,这类模块称为负载点（POL） 电源供应系统或使用点电源供应系统（PUPS）.由于模块式结构的优点甚多,因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等.
三．系统方案
（一）寻迹传感器模块
ST系列反射式光电传感器是经常使用的传感器.这个系列的传感器种类齐全、价格廉价、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛.
我们采纳ST188作为红外检测传感器.
在黑线检测的测试中,若检测到白色区域,发射管发射的红外线没有反射到接收管,丈量接收管的电压为4．8V,若检测到黑色区域,接收管接受到发射管发射的红外线,电阻发生变动,所分得的电压也就随之发生变动,测的接收管的电压为0．5V,测试基本满足要求.
判断有无黑线我们用的一块比力器LM324,比力基准电压由30K的变阻器调节,各个接收管的参数都纷歧致,每个传感器的比力基准电压也不尽相同,我们为每个传感器配备了一个变阻器.
1.红外传感器ST188简介
含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）.通过发射红外信号,看接收信号变动判断检测物体状态的变动.A、K之间接发光二极管,C、E之间接光敏三极管（二者在电路中均正接,但要串连一定阻值的电阻）
图3-1ST188实物图
图3-2ST188管脚图及内部电路
LM324为四运放集成电路,采纳14脚双列直插塑料封装.内部有四个运算放年夜器,有相位赔偿电路.电路功耗很小,工作电压范围宽,可用正电源3～30V,或正负双电源±1．5V～±15V工作.
在黑线检测电路中用来确定红外接收信号电平的高低,以电平高低判定黑线有无.在电路中,LM324的一个输入端需接滑动变阻器,通过改变滑动变阻器的阻值来提供合适的比力电压.
图3-3LM324内部电路
图3-4集成运放的管脚图
通过ST188检测黑线,输出接收到的信号给LM324,接收电压与比力电压比力后,输出信号酿成高低电平,再输入到单片机中,用以判定是否检测到黑线.
图3-5传感器模块电路图
在小车具体的循迹行走过程中,为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向,需要同时在底盘装设4个红外探测头,进行两级方向纠正控制,提高其循迹的可靠性.这4个红外探头的具体位置如图3-6所示.
图3-6传感器装置图
图中循迹传感器全部在一条直线上.其中X1与Y1为第一级方向控制传感器,X2与Y2为第二级方向控制传感器,而且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得年夜于黑线的宽度.小车前进时,始终坚持（如图3-6中所示的行走轨迹黑线）在X1和Y1这两个第一级传感器之间,当小车偏离黑线时,第一级传感器就能检测到黑线,把检测的信号送给小车的处置、控制系统,控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正.若小车回到了轨道上,即4个探测器都只检测到白纸,则小车会继续行走；若小车由于惯性过年夜依旧偏离轨道,越出了第一级两个探测器的探测范围,这时第二级探测器举措,再次对小车的运动进行纠正,使之回到正确轨道上去.可以看出,第二级方向探测器实际是第一级的后备呵护,从而提高了小车循迹的可靠性.
（二）控制器模块
采纳Atmel公司的AT89C51单片机作为主控制器.它是一个低功耗,高性能的8位单片机,片内含32k空间的可反复擦写100,000次Flash只读存储器,具有4K的随机存取数据存储器（RAM）,32个I/O口,2个8位可编程按时计数器,且可在线编程、调试,方便地实现法式的下载与整机的调试.
时钟电路和复位电路如图3-7（与单片机构成最小系统）
1）采纳外部时钟,晶振频率为12MHZ.
没有晶振,就没有时钟周期,没有时钟周期,就无法执行法式代码,单片机就无法工作.单片机工作时,是一条一条地从RoM中取指令,然后一步一步地执行.单片机访问一次存储器的时间,称之为一个机器周期,这是一个时间基准.—个机器周期包括12个时钟周期.如果一个单片机选择了12MHz晶振,它的时钟周期是1/12us,它的一个机器周期是12×（1/12）us,也就是1us.MCS—51单片机的所有指令中,有一些完成得比力快,只要一个机器周期就行了,有一些完成得比力馒,得要2个机器周期,还有两条指令要4个机器周期才行.为了衡量指令执行时间的长短,又引入一个新的概念:
指令周期.所谓指令周期就是指执行一条指令的时间.提供时序的频率!
提供单片机工作的时序,其实就相当于你电脑CPU主频一个原理的.
2）采纳按键复位.
单片机的复位有上电复位和按钮手动复位两种.如图（a）所示为上电复位电路,图（b）所示为上电按键复位电路.
上电复位是利用电容充电来实现的,即上电瞬间RST真个电位与VCC相同,随着充电电流的减少,RST的电位逐渐下降.图（a）中的R是施密特触发器输入真个一个10KΩ下拉电阻,时间常数为10×10-6×10×103=100ms.只要VCC的上升时间不超越1ms,振荡器建立时间不超越10ms,这个时间常数足以保证完成复位把持.上电复位所需的最短时间是振荡周期建立时间加上2个机器周期时间,在这个时间内RST的电平应维持高于施密特触发器的下阈值.
上电按键复位（b）所示.当按下复位按键时,RST端发生高电平,使单片机复位.复位后,其片内各寄存器状态改变,片内RAM内容不变.
由于单片机内部的各个功能部件均受特殊功能寄存器控制,法式运行直接受法式计数器PC指挥.各寄存器复位时的状态决定了单片机内有关功能部件的初始状态.
另外,在复位有效期间（即高电平）,80C51单片机的ALE引脚和 引脚均为高电平,且内部RAM不受复位的影响.
图要点一下检查年夜图才清楚哦 O（∩_∩）O
向左转|向右转
图3-7时钟电路和复位电路
（三）电源模块
电源采纳双路开关电源.明伟牌D-30W双路开关电源.输出（5V、12V）.
实物图如图3-8所示.
图3-8双路开关电源
该开关电源尺寸为129X98X38mm,交流输入转换由开关选择,具有过流短路呵护功能,能自冷散热.低价位、高可靠.
输入电压范围----85～132VAC/175～264VAC,47～63Hz开关选择；
冲击电流----冷起动电流15A/115V30A/230V；
直流电压可调范围----额定输出电压的10%；
启动、上升、坚持时间----200ms,100ms,30ms；
,历时一分钟；
工作温度、湿度-----10℃～+60℃,20%～90%RH；
平安标准----符合CE标准；
EMC标准----符合CE标准；
；
表1
型号
输出
差值
范围
效率
D-30A
±2%
50mV
72%
±3,-7%
100mV
（四）机电及驱动模块
机电采纳直流减速机电,直流减速机电转动力矩年夜,体积小,重量轻,装配简单,使用方便.由于其内部由高速电念头提供原始动力,带动变速（减速）齿轮组,可以发生较年夜扭力.
可选用减速比为1：
74的直流机电,减速后机电的转速为100r/min.若车轮直径为6cm,则小车的最年夜速度可以到达
V=2πr·
能够较好的满足系统的要求.
驱动模块采纳专用芯片L298N作为机电驱动芯片,L298N是一个具有高电压年夜电流的全桥驱动芯片,其响应频率高,一片L298N可以分别控制两个直流机电.以下为L298N的引脚图和输入输出关系表.
图3-9L298N外部引脚
表2L298N输入输出关系
驱动电路的设计如图3-10所示：
图3-10L298N机电驱动电路
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实现两个直流机电的PWM调速控制.
（五）自动循迹小车总体设计
图3-11总体电路图
如图3-11所示,当光电传感器开始接受信号,通过比力器将信号传如单片机中.小车进入寻迹模式,即开始不竭地扫描与探测器连接的单片I/O口,一旦检测到某个I/O口有信号变动,就执行相应的判断法式,把相应的信号发送给电念头从而纠正小车的状态.单片机采纳T0按时计数器,通过来发生PWM波,控制机电转速.
四．软件设计
4.1PWM控制
本系统采纳PWM来调节直流机电的速度.PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两真个电压,进而到达控制要求的一种电压调整方法.PWM可以应用在许多方面,如机电调速、温度控制、压力控制等.
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短.通过改变直流机电电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的年夜小,从而控制电念头的转速.因此,PWM又被称为“开关驱动装置”.
在脉冲作用下,当机电通电时,速度增加；机电断电时,速度逐渐减少.只要按一定例律,改变通、断电的时间,即可让机电转速获得控制.
本系统中通过控制51单片机的按时器T0的初值,从而可以实现P0.4和P0.5输出口输出分歧占空比的脉冲波形.按时计数器若干时间（比如0.1ms）中断一次,就使P0.4或P0.5发生一个高电平或低电平.将直流机电的速度分为100个品级,因此一个周期就有个100脉冲,周期为100个脉冲的时间.速度品级对应一个周期的高电平脉冲的个数.占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数.一个周期加在机电两真个电压为脉冲高电压乘以占空比.占空比越年夜,加在机电两真个电压越年夜,机电转动越快.机电的平均速度即是在一定的占空比下机电的最年夜速度乘以占空比.当我们改变占空比时,就可以获得分歧的机电平均速度,从而到达调速的目的.精确地讲,平均速度与占空比其实不是严格的线性关系,在一般的应用中,可以将其近似地看成线性关系.
4.2总体软件流程图
小车进入寻迹模式后,即开始不竭地扫描与探测器连接的单片I/O口,一旦检测到某个I/O口有信号变动,就执行相应的判断法式,把相应的信号发送给电念头从而纠正小车的状态.软件的主法式流程图如图4-1所示：
小车进入循迹模式后,即开始不竭地扫描与探测器连接的单片机I/O口,一旦检测到某个I/O口有信号,即进入判断处置法式,先确定4个探测器中的哪一个探测到了黑线,如果左面第一级传感器或者左面第二级传感器探测到黑线,即小车左半部份压到黑线,车身向右偏出,此时应使小车向左转；如果是右面第一级传感器或右面第二级传感器探测到了黑线,即车身右半部压住黑线,小车向左偏出了轨迹,则应使小车向右转.在经过了方向调整后,小车再继续向前行走,并继续探测黑线重复上述举措.循迹流程图如图4-2所示
由于第二级方向控制为第一级的后备,则两个品级间的转向力度必需相互配合.第二级通常是在超越第一级的控制范围的情况下发生作用,它也是最后一层呵护,所以它必需要保证小车回到正确轨迹上来,则通常使第二级转向力度年夜于第一级,即Turn_left2>Turn_left1,Turn_right2>Turn_right1（其中Turn_left2,Turn_left1,Turn_right2,Turn_right1为小车转向力度,其年夜小通过改变单片机输出的占空比的年夜小来改变）,具体数值在实地实验中获得.
然后经驱动芯片放年夜后控制直流机电.按时计数器若干时间（比如0.1ms）比如中断一次,就使P0.4或P0.5发生一个高电平或低电平.中断法式流程图如图4-3所示
图4-3中断法式流程图
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
unsignedcharzkb1=0;//**左边机电的占空比**//
unsignedcharzkb2=0;//**右边机电的占空比**//
unsignedchart=0;//**按时器中断计数器**//
sbitRSEN1=P1^0;
sbitRSEN2=P1^1;
sbitLSEN1=P1^2;
sbitLSEN2=P1^3;
sbitIN1=P0^0;
sbitIN2=P0^1;
sbitIN3=P0^2;
sbitIN4=P0^3;
sbitENA=P0^4;
sbitENB=P0^5;
//****************延时函数****************//
voiddelay（intz）
{while（z--）;}
//**********初始化按时器,中断***********//
voidinit（）
{TMOD=0x01;
TH0=（65536-100）/256;
TL0=（65536-100）%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
}
//***********中断函数+脉宽调制***********//
voidtimer0（）interrupt1
{if（tENA=1;
else
ENA=0;
if（tENB=1;
else
ENB=0;
t++;
if（t>=100）
{t=0;}
}
//******************直行******************//
voidqianjin（）
{zkb1=30;
zkb2=30;
}
//***************左转函数1***************//
voidturn_left1（）
{zkb1=0;
zkb2=50;
}
//***************左转函数2***************//
voidturn_left2（）
{zkb1=0;
zkb2=60;
}
//***************右转函数1***************//
voidturn_right1（）
{zkb1=50;
zkb2=0;
}
//***************右转函数2***************//
voidturn_right2（）
{zkb1=60;
zkb2=0;
}
//***************循迹函数*****************//
voidxunji（）
{ucharflag;
if（（RSEN1==1）&&（RSEN2==1）&&（LSEN1==1）&&（LSEN2==1））
{flag=0;}//*******直行*******//
elseif（（RSEN1==0）&&（RSEN2==1）&&（LSEN1==1）&&（LSEN2==1））
{flag=1;}//***左偏1,右转1***//
elseif（（RSEN1==0）&&（RSEN2==0）&&（LSEN1==1）&&（LSEN2==1））
{flag=2;}//***左偏2,右转2***//
elseif（（RSEN1==1）&&（RSEN2==1）&&（LSEN1==0）&&（LSEN2==1））
{flag=3;}//***右偏1,左转1***//
elseif（（RSEN1==1）&&（RSEN2==1）&&（LSEN1==0）&&（LSEN2==0））
{flag=4;}//***右偏2,左转2***//
switch（flag）
{case0:
qianjin（）;
break;
case1:
turn_right1（）;
break;
case2:
turn_right2（）;
break;
case3:
turn_left1（）;
break;
case4:
turn_left2（）;
break;
default:
break;
}
}
//****************主法式****************//
vo
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