精品基于52单片机的智能循迹小车的设计与制作定.docx
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精品基于52单片机的智能循迹小车的设计与制作定
基于52单片机的智能循迹小车的设计与制作
谭世伟07081201张云07081223
哈尔滨工程大学信息与通信工程学院070812班
摘要：
以自主设计的底盘为基础，以直流减速电机及其控制电路为驱动，以AT89S52单片机为控制核心，以红外对管为探测系统，加以外围电路组成的智能小车在特定的程序下实现走“8”字及循迹的功能；基于阿克曼原理设计的平面等腰梯形连杆机构及差速器能够实现小车的完美转向；基于52单片机、光耦、L298、稳压器7805的控制电路能够实现对直流减速电机与舵机的整体控制；电路部分与机械部分的有机结合在特定程序下经过多次调试便能实现上述功能。
关键词：
AT89S52；L298；直流电机；
平面等腰梯形连杆机构；红外放射式原理
引言：
随着控制技术及计算机技术的发展，智能车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色，是以后的发展方向。
智能小车的巡线功能在生产生活中都有着广泛的用途。
例如：
可以用在大的生产车间的物流系统中，按照预先设定的路线来传输货物；可以用在赛车比赛中能够按照轨道行驶，从而更加安全；还可以用在导航系统中等等。
国内高校间年年举办的机器人大赛大多选择以小车为载体来实现特定功能，小车这种简单而又常见的玩具得到了越来越多的。
随着大学期间知识的积累，所学的东西完全可以在程控小车这个项目上得到实现。
本次设计的简易智能小车采用AT89S52单片机为小车的检测和控制核心，辅以L298、光耦、7805等器件构成的外围电路能够实现对直流减速电机与舵机的控制。
随着编程语言的导入，及多次的调试，小车便能实现走“8”字的功能。
在此基础上安装红外对管组成的探测系统，可以把反馈的信号送入单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车沿着设置的黑线行驶，便完成了循迹的功能。
本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度上体现了智能化。
1.设计任务
要求：
用已有器件设计一个简易智能小车，其行驶路线满足要求。
2.总体设计方案
根据设计任务要求及扩展功能，智能小车是以AT89S52单片机为检测和控制核心，由轨迹探测模块、后轮驱动模块和前轮导向模块及电源模块等四大模块组成。
设计如图1所示：
图1智能小车系统结构模块
2.1轨迹探测模块
该模块采用红外对管GP2A25来检测信号送给单片机，其原理图接线如图2所示：
图2红外对管引脚接线
红外对管构成的探测系统原理如图3所示：
图3探测系统电路图
2.2前轮驱动模块
该模块是以平面等腰梯形连杆机构为机械机构，由舵机进行控制驱动。
连杆转向机构及驱动体系的工作的原理框图如图4所示：
图4连杆转向机构
2.3后轮驱动模块
该模块以差速器为机械基础，由电机来驱动。
差速器结构图5所示：
图5差速器结构图
2.4整体装配图：
有了驱动系统与转向系统，加上其它小车零件，就可以的到如图6所示的程控小车装配图。
图6整体装配图
3.程序框图：
3.1走8字型程序流程图如图7所示：
图7程序流程图
其中子函数drive决定舵机的转向转角和电机的转速转向；子函数init0_time是定时器0初始化函数，在设计中使定时器0每100Us中断一次；子函数motor_run决定电机的转速和转向；子函数time0_pwm为定时器0中断服务程序，包括舵机部分、直流电机PWM调速部和较精确延时部分。
2．循迹程序流程图如图8所示：
图8
4.方案的论证与实现
4.1轨迹探测模块
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。
所用的黑线宽度大约为1cm，判断黑线的方案采用红外反对管作为传感器，三个红外对管并排放置于小车的前部进行线路跟踪——正常行驶时，中间一个红外对管都应位于黑线之内，而左右两个红外对管应位于白色轨道上。
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。
4.2后轮驱动模块
小车的主体结构包括底盘、车身、转向机构等，对于小车而言，转向机构与驱动系统的设计是很重要的，只有严格按照阿克曼原理设计出合理的零件长度才能使小车平稳的转向，而不至于出现打滑现象。
由于平面等腰梯形连杆机构最常见且加工方便，所以设计采用平面等腰梯形连杆机构小车的转向机构。
转向机构的设计能够实现所采用的原理——阿克曼原理
阿克曼原理：
沿着弯道转弯时，利用四连杆的相等曲柄使内侧轮的转向角比外侧轮大大约2~4度，使四个轮子路径的圆心大致上交会于后轴的延长线上瞬时转向中心，让车辆可以顺畅的转弯。
公式：
cotβ-cotδ=M/L;
β：
外轮轴线与后轮轴线之间的夹角；
δ：
内轮轴线与后轮轴线之间的夹角；
M：
前车轮之间的距离；
L:
前轴与后轴之间的距离；
其具体的参数如图9所示：
当汽车转向时,内轮轴心与后轮轴线之间的夹角δ大于外轮轴心与后轮轴线之间的夹角β时,就能保证车轮与地面之间为纯滚动,汽车便能够平稳实现转向。
图9
按照阿克曼原理设计出连杆、连架杆的具体长度之后，选取合适的板料即可加工出转向机构所需的全部零件。
4.3后轮驱动模块
该模块以差速器机械机构为基础，由直流电机驱动。
普通差速器由行星齿轮、行星齿轮架、半轴齿轮等部件组成。
发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。
差速器的设计要求满足：
（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。
后轮支座设计时应该注意的细节：
后轮支座由于内部要安装轴承，轴承与后轮支座之间采用的是过盈配合，所以设计加工时应该特别注意。
后轮支座的零件图如图10所示：
图10
具体加工的时候选取52×52×10的铝板作为材料，选取铣床位加工机床，按照图示的规格进行铣削加工即可得到支座的外形，然后用钻孔工具按照要求钻孔即可得到所需的零件。
其它容易加工的零件，按照设计图纸进行加工，并将所需的标准件及库存零件列表，到库房领取即可。
所有的机械零件都有后，按照整体的装配图进行装配即可。
4.4电控部分总体方案
智能小车采用AT89S52单片机作为控制器，通过控制电路控制舵机转向和直流减速电机的转速、转动方向，使小车能够按照预设定的路径行驶。
系统控制框图如图11所示：
图11系统控制框
智能小车电控部分电路图如图12所示，现介绍能够实现小车按照预设定路径行驶所用的关键器件的作用：
图12电路图
1）单片机：
单片机是此电路的核心部分。
设计采用的52单片机，其工作电压为5V（20引脚接5V，40引脚接地）。
单片机根据程序输出逻辑电压从而完成控制作用。
本设计使用单片机的P0.0到P0.6引脚，其中P0.2和P0.3,P0.0和P0.1为直流减速电机的控制线接口，分别控制左右电机的正转、反转和刹停；P0.4和P0.5为电机的使能端接口，分别控制左右电机的转速；P0.6为舵机的控制线接口，控制舵机的转向及转角大小。
2）光耦：
光耦的作用是隔离数字电路和模拟电路。
设计采用的光耦是TLP521-4，它主要由发光二极管和光敏三极组成。
其工作原理如下：
当光耦的输入端（如IN1）接收到高电压时，发光二极管没有导通不发光，光敏三极管呈高阻态（可以认为其为断路），此时输出端（如OUT1）输出高电压；当光耦的输入端接收到低电压时，发光二极管导通发光，光敏三极管导通呈低阻态（可以认为其短路），此时输出
端输出低电压。
由此可以看出通过光耦可以顺利地将数字电路的逻辑电压信号转换到模拟电路中。
3）7805：
7805是一种固定电压（5V）三端集成稳压器，其适用于很多应用场合。
其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况。
在此电路中78L05的作用是保证提供给L298的电压是稳定5V以使L298正常工作。
4）L298：
L298是双H高电压大电流功率集成电路．直接采用TTL逻辑电平控制．可以驱动继电器、直流电动机、步迸电动机等电感性负载。
在此电路中L298连接保护电路根据单片机提供的逻辑电压对电机进行驱动。
具体驱动方式如下：
当使能端为高电平时．输人端1N1（IN3）
为高电平信号，IN2（IN4）为低电平信号时，电机正转；输人端IN1
（IN3）为低电平信号，IN2（IN4）为高电平信号时，电机反转；IN1（IN3）与IN2（IN4）相同时，电机快速停止。
当使能端为低电平时．电动机停止转动。
将上述原理总结如表1所示（其中1代表高电平，0代表低电平）：
述电平（IN31________________________________________________________________________________________________________________________表1L298驱动方式
使能端
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机转动方式
1
1
0
正转
1
0
1
反转
1
1
1
刹停
1
0
0
刹停
0
ⅹ
ⅹ
停止
5）直流减速电机：
直流减速电机是智能小车的动力来源，可以通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（占空比）来控制电机的转速。
这种方法称为脉冲宽度调制即PWM控制。
电动机电枢得到的电压波形如图6所示。
电压平均值描述为
（1）
——通电时间；
T——周期；
——占空比，
；
由
（1）式可知。
当电源电压不变的情况下，电枢端电压
取决于占空比的大小．改变
就可以改变端电压的平均值．从而达到调速的目的。
图6PWM控制波形围
6）舵机：
舵机是智能小车转向机构的动力来源。
舵机根据单片机提供逻辑电压的占空比通过比较电路进行比较，从而确定其转角，这样舵机就能做出左转、右转和居中，小车也在舵机带动下完成相应动作。
7）红外对管
采用的是型号为GP2A25，红外对管是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。
其发射出红外线经反射将探测的信号送入单片机。
5．检测调试
结合电路图将电路板焊接完成之后，连接各所需电压，进行检测。
先检测单片机各引脚电压，符合要求；再检测光耦左右各引脚与L298各引脚，也符合理论要求。
在调试的过程中，开始由于用的是7805的5V电压给舵机供电，导致小车前轮只往一个方向偏，最后经查阅应用单片机5V供电。
最后烧入程序，小车可以走8字型。
结论：
本智能小车通过机电部分的有机结合使小车最终能够走出“8”字。
在设计和制作中小车的转向部分和电路的调试是难点，也是决定最终结果的重要因素，必须认真做好。
在对电路的调试中发现如果把原电路中TLP521-2改为TLP521-4，并将P0.6引脚与此光耦输入端连接，相应的输出端作为舵机控制线接口，不仅可以有效防止程序“跑飞”，还能保护单片机不被烧坏。
以此小车为基础外加红外线传感器或声纳系统可使小车进行壁障或测距，进一步开发小车的实用价值。
参考文献：
【1】郭天翔.51单片机C语言教程——入门提高开发拓展全攻略.电子工业出版社，2009
【2】谭浩强.C语言设计.北京清华大学出版社，1991
【3】周彬.基于Proteus的单片机PWM直流调速系统设计.重庆职业技术学院学报,2007（7）.
【4】王建飞．基于单片机控制的自动往返小汽车的新设计.现代与电子技术2006，234（19）：
127—129．
一个看似相对容易的项目，却包含了机械、电路、软件等多方面的内容，虽然有些东西学过，但是那些都是基础，对于这个项目而言，许多东西还需要重新开始学习，同时学习的过程中又可以对以前学习的东西进行温故。
最重要的一点就是自己亲自动手从头到尾做一个项目的过程锻炼了自己方方面面的能力。
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特别是最后论文的撰写过程，这方面尤其重要，虽然以前也写过一些论文，但是没这么严格的规范要求，这对以后我们毕业论文的撰写大有帮助。
总的来说，虽然是一个固定项目，自己刚开始的想法没法得到实施，但是这个项目从头到尾的过程真的让我们学到了很多，我们一致认为我们是成功的。
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