智能循迹小车.docx

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智能循迹小车

简单电子系统设计报告

---------智能循迹小车

学号*************

年级　**　　

学院　*****

专业***********　

姓名******

指导教师　******　　

履带式智能寻迹小车

摘要

随着社会经济的发展,超级商场、机场、车站、会展中心及物流仓库等大型人流、物流场所的规模和数量不断扩大,大中城市的高层、高档商用楼日益增多,其保安自动化需求日趋迫切。

而巡逻机器人是一个集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制以及报警装置于一体的多功能综合系统，其移动结构有轮式，履带式等。

现阶段，履带智能小车的行走、转弯及遇障碍问题是多种智能仪器的基础，其发展制约着这些智能仪器的发展。

所以，对于履带式智能小车的运行研究是有重大意义的。

在本设计中，履带式智能寻迹小车是以单片机控制为核心，以红外发射、接收对管检测为手段，以直流电机控制为对象，根据设计要求可以实现自动寻迹的小车，寻迹是指通过红外发射管和接收管识别路径。

在智能寻迹小车控制系统的设计中，以AT89S52单片机为核心，用分离器件构成的H桥驱动两个直流电机，当产生信号驱动小车前进时，通过寻迹模块里的光电对管是否寻到黑线产生的电平信号通过LM324再返回到单片机，单片机根据程序设计的要求做出相应的判断送给电机驱动模块，让小车来实现前进、左转、右转、停车等基功能。

关键词：

单片机；智能寻迹小车；光电对管；直流电机

ABSTRACT

Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,supermarket,airport,station,exhibitioncenterandlogisticswarehouseetc.Largeflow,thenumberofscaleandlogisticssiteexpandsceaselessly,largeandmedium-sizedcities,high-gradecommercialfloorhigh-rise,itsgrowingincreasinglyurgentsecurityautomationneeds.Whilepatrollingtherobotisacollectionofenvironmentalawareness,routeplanning,control,andthedynamicbehaviordecision-making,thealarmdeviceoncomprehensivesystem,itsstructureiswheeledmobile,caterpillar,etc.Atpresent,thecaterpillarintelligentcartowalk,turnandmeetobstaclesofintelligentinstrumentsisthefoundation,thedevelopmentoftheintelligentinstrumentrestrictsthedevelopment.So,fortheoperationofintelligentcarUSESisofgreatsignificance.Inthisdesign,thecaterpillarintelligenttracingcaronsingle-chipmicrocomputercontrolasthecore,withinfraredtransmittingandreceivingoftubedetectionmeans,indcmotorcontrolforobject,accordingtothedesignrequirementscanachieveautomatictracing,tracingthecarthroughinfraredtubesandreferstoreceivetuberecognitionpath.Intheintelligenttracingcarcontrolsystemdesign,withAT89S52SCMasthecore,withseparatecomponentsofHbridge,twodcmotordriverwhendrivingcars,signalbytracingmoduleofthephotoelectrictubeistoproducelevelsignalsthroughtheblackLM324againreturnedtochipmicrocontroller,accordingtotherequirementofdesignprocedureofjudgmentformotordrivermodule,letthecartoachievethebasicfunction，suchasprogress,left,right，andparking.

Keywords:

SCM,Intelligenttracingcar,Onthephotoelectric,Dcmotor

1引言

履带式智能寻迹小车的整个系统显示模块、光电检测模块、单片机系统、左右直流电机驱动电路模块和直流电机等组成。

首先利用装在小车前部的2路光电传感器对路面信号进行检测，然后将检测信号经过电压跟随器和电压比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，最后输出相应的信号给驱动电路来驱动直流电机转动，从而控制小车按照预定轨迹行走，同时显示小车走“田”字格时转过的直角弯数和轨道赛跑时行走的时间。

本设计设键盘，四种模式通过键盘切换。

相应按键分别实现小车的直线行进，见线停车模式，小车的“田”字格行进模式，小车的轨道赛跑模式和自创模块模式。

现阶段，履带智能小车的行走、转弯及遇障碍问题是多种智能仪器的基础，其发展制约着这些智能仪器的发展。

因此，对于履带式智能寻迹小车的研究是有重大意义的。

2系统结构

整个系统主要由光电检测模块、单片机系统、左右直流电机驱动电路模块和直流电机等组成，系统框图如图1所示。

光电检测模块实时检测路况信息；单片机系统负责处理光电检测模块传来的信息，并将处理后的信号作用于左右直流电机驱动电路，控制直流电机的转动。

显示模块用来显示小车转过的直角弯数和行走的时间。

该系统实现的主要功能如下：

1．按下一号键，小车保证直线行进，并在指定点停车；

2．按下二号键，小车在“田”字格线路中行进。

从起点到终点，小车要在“田”字格中拐16个直角弯，同时在显示模块中显示直角弯的个数；

3．按下三号键，小车在“tjau”样式的轨道中赛跑，同时在显示模块中显示运动时间；

4.按下四号键，小车按照自创模块程序运行。

3

光电检测模块的设计与调试

3.1红外光电二极管简介

发光二极管（LED）是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。

在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字、数字用于显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管等。

红外发光二极管也称红外线发射二极管，它是可以将电能直接转换成红外光并辐射出去的发光器件，主要应用于各种光控及遥控发射电路中。

其结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。

红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。

常用的红外发光二极管有SIR系列、SIM系列、PLT系列、GL系列、HIR系列和HG系列等。

国产发光二极管的型号表示有部标型号（FG）、厂标型号（BT）以及2EF型号等。

部标型号表示方法如下：

第一部分用字母FG表示发光二极管。

第二部分用数字表示发光二极管材料:

"1"表示磷化嫁（GaP）；

"2"表示磷砷化镓（GaAsP）；

"3"表示砷铝化镓（GaAlAs）。

第三部分用数字表示发光二极管的发光颜色:

　"1"表示红色；

　"2"表示橙色；

　"3"表示黄色；

　"4"表示绿色；

"5"表示蓝色；

　"6"表示变色。

第四部分用数字表示发光二极管的封装形式:

　"1"表示无色透明；

　"2"表示无色散射；

　"3"表示有色透明；

　"4"表示有色散射透明。

第五部分用数字表示发光二极管的外形:

　"0"表示圆形；

　"1"表示方形；

　"2"表示符号形；

　"3"表示三角形；

　"4"表示长方形；

　"5"表示组合形；

　“6”表示特殊形。

第六部分用数字表示产品序号。

3.2光电接收器件简介

光电二极管是一种PN结型半导体元件，当光照射到PN结上时，半导体内电子受到激发，产生电子空穴对，在电场作用下产生电势，将光信号转换成电信号。

 广泛用于各种遥控系统、光电开关、光探测器，以及以光电转换的各种自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、过程控制等方面。

按材料分，光电二极管有硅谷、锗、砷化镓、锑化铟光电二极管等多种，目前在可见光区应用最广泛的是硅光电二极管。

光电二极管及符号和光电特性的测量电路如图2所示。

图2光电二极管及符号和光电特性的测量电路

（a）光电二极管（b）符号（c）光电特性的测量电路

（c）

3.3

3.4光电检测的基本工作原理

发光二极管使用时必须正向连接。

两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。

有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

发光二极管的反向击穿电压约5伏。

它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流，电路及相应的伏安特性曲线如图3所示。

限流电阻R可用下式计算：

R＝（E－UF）/IF　

式中：

E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的工作电流。

在使用时，光电二极管应处于反向偏置，不能接错。

由于环境中光线强弱的影响，四路检测应加上适当的隔光措施，以防止相互干扰。

无光

暗电流

有光

光电接收二极管

反偏状态

光电流（恒流）

图3光电流与照度线性关系

3.5小车循迹原理

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产生电势，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不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”——黑线。

当小车检测到黑线时，红外线部分被黑线吸收，反射回的红外线极少被光电二极管接收，转换成比较弱的电信号；当小车未检测到黑线时，红外线大部分被反射，反射回的红外线被光电二极管接收，转换成比较强的电信号。

最终，这些电信号经过比较器处理后传入单片机，再由单片机进一步做信号处理。

3.6光电对管的安装原则

正确选择检测方法和传感器件是决定寻迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是寻迹电路好坏的一个重要因素。

从简单、方便、可靠等角度出发，在本次课程设计中采用同时在小车底盘装设4对光电对管探测头，进行两级方向纠正控制，将大大提高其寻迹的可靠性，具体位置分布如图4所示。

图中光电对管全部在一条直线上。

其中X1与Y1为构成第一级方向控制传感器，X2与Y2为构成第二级方向控制传感器，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，始终保持（如图3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理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。

第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动进行纠正，从而提高了小车寻迹的可靠性。

图4光电对管的分布图

4光电检测电路的设计

4.1光电检测电路的组成及其功能

本课程设计中的光电检测电路由光电检测对管（红外发射管，光电接收管），限流电阻，电压跟随器，电压比较器，电位器和直流电源组成。

电压跟随器和电压比较器的作用由芯片LM324来实现。

LM324芯片内部带有四个运算放大器，能满足两对光电检测对管的电压跟随与比较，电路中需要两片LM324芯片。

通过调节电位器设定电压比较器的“－”输入电压。

电压跟随器起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。

电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。

用来比较两个电压的大小（用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系）:

当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平。

在此用两个输入电压的大小关系来确定光电对管检测到的是白线还是黑线，电压比较器的“－”输入端设定电压为1.8V。

4.2TTL电平

TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL信号系统。

TTL电平VCC是5V。

当光电对管检测到黑线时，输出低电平，低于电压比较器的“－”输入端设定比较电压，相当于0V，等价于逻辑“0”；当光电对管检测到白线时，输出高电平，高于电压比较器的“－”输入端设定比较电压，相当于5V，等价于逻辑“1”。

TTL电路是电流控制器件，一般提供25毫安的驱动能力。

TTL电路的速度快，传输延迟时间短（5-10ns），但是功耗大。

TTL输出低电平<0.8V；输出低电平>2.4V。

在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。

TTL输入低电平<1.2V；输入高电平>2.0V。

所以，TTL器件输出的低电平要小于0.8V，高电平要大于2.4V。

输入时，低于1.2V就认为是0，高于2.0V就认为是1。

4.3测量电路

本课程设计中的光电检测电路如图5所示。

图5光电检测电路

4.4电路安装与调试

正确安装光电检测电路相对于小车的位置是决定小车寻迹效果的另外一个重要因素。

从光电检测的可靠性角度出发，在本次课程设计中将光电检测电路安装在小车前部的底盘上，并且平行于地面。

光电检测电路的第一级方向控制传感器和第二级方向控制传感器的对称线和小车的中轴线重合。

在比较电压不变的情况下，调节光电检测电路中对管相对于地面的高度,使其处于红外光反射的合适高度。

给光电检测电路通电后，将红外对管放在黑线和白线上方经过不断调试和测量，最后得出将光电检测电路板安装在距地面1.5cm的高度，保证了小车寻迹的可靠性。

5直流电机驱动电路的设计与调试

5.1直流电机的基本工作原理

下图是一台直流电机的简单模型。

N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。

磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。

铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片（换向片）上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

图6直流电机工作原理图

将外部直流电源加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。

导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。

用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。

这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图6（a）所示。

当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图6（b）所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。

这就是直流电动机的基本工作原理。

5.2直流电机PWM控制调速的基本原理

考虑到小车装置不便于修改等因素，这里采用PWM调速法对直流电机进行调速。

利用单片机输出端输出高电平的脉宽及其占空比的大小来控制电机的转速，从而控制小车的速度。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

简而言之，就是用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。

只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。

可经过多次试验，最终确定合适的脉宽和占空比，来保证小车在所需要的速度范围内平稳前行。

5.3小车中的直流电机驱动电路的设计（电路组成及其功能、电路原理图）

小车在运行时的整体流程如图7所示。

5.4直流电机驱动电路的组成及其功能

小车中的直流电机驱动电路是由分立器件构成的H桥驱动电路，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。

如图7所示，两组H桥式电机驱动电路包括8个三极管和两个电机。

要使电机运转，必须导通该组中对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

常用三极管的主要参数见表1。

表1常用三极管的主要参数

型号　　　Vcbo（V）　Vceo（V）　Icm（A）　Pcm（W）　hfe　ft（MHz）

9011（NPN）　50　　　30　　　0.03　　0.4　　28-200　370

9012（PNP）　40　　　20　　　0.5　　0.625　64-200　

9013（NPN）　40　　　20　　　0.5　　0.625　64-200

9014（NPN）　50　　　45　　　0.1　　0.625　60-1800　270

9015（PNP）　50　　　45　　　0.1　　0.45　60-6001　90

9016（NPN）　30　　　20　　　0.025　0.4　　28-200　620

9018（NPN）　30　　　15　　　0.05　　0.4　　28-200　1100

8050（NPN）　40　　　25　　　1.5　　185-300110

8550（PNP）　40　　　25　　　1.5　　160-300200　

由于参数不同，s9014、ss8050不通用，测绘时注意其位置和作用。

图7H桥驱动电路

5.5直流电机的控制过程

当CS1端有电压输入后，三极管TR12导通，于是三极管TR10和TR7导通，电流就从电源正极经TR10从右到左流过电机，然后再经TR7回到电源负极。

该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

同理，CS2端有电压输入后，电流从左到右流过电机，该流向的电流将驱动电机逆时针转动。

CS3和CS4端对直流电机的控制过程亦是如此。

6单片机系统

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，大部分都由单片机系统控制。

小车进入寻迹模式后，即开始不停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口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。

6.1系统的硬件组成（处理器、LED显示、键盘的介绍及其组成框图）

系统的硬件由单片机芯片，LED显示数码管，键盘等部分组成。

6.2单片机选型

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AT89S52作为控制核心部件。

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

6.3LED显示数码管

该显示模块中有四个LED显示数码管，单片机的P0口接数码管的段选，单片机的P2.4到P2.7依次接是个数码管的位选。

显示模块用于显示小车走“田”字格时转过的直角弯数和轨道赛跑时所耗用的时间。

6.4键盘设计

该设计中共设计有四个按键，依次接在单片机的P2.4到P2.7。

四个按键构成独立式键盘，当按键按下时，小车执行相应的按键下设定的运行程序。

7系统软件设计

7.1总体流程图

基本任务（主要写各模块调试中出现的问题以及解决问题的办法和最终运行效果）

7.2直线行进，见线停车

在走直线的过程中，小车出现左右晃动，有时候会出现出线现象，经过试验调节延时最终达到直线行走的目的。

7.3“田”字格行进

在进行“田”字格调试中，犹豫直线行走已完成，我们只考虑拐直角的问题。

其中需要小车测量行走半个车身所需时间，让小车开始拐弯。

起初是用延时控制车的拐弯，经过多次试验后发现延时不能准确的控制车的行走。

经指导老师指导在小车拐直角弯的时候分别用车的左边、右边传感器感应达到使小车准确的拐弯。

8总结

从本次设计大赛的汽车智能控制中体会到，要对行驶中的汽车实施控制并不是一个简单的自动控制问题，它涉及到了机械学、力学、光学、电子学等方面的知识，并与单片机相互配合，利用单片机的强大功能实现了路面黑线检测、带速度反馈的闭环速度控制系统、智能转向系统等功能。

从最终测试结果来看，本系统具有较强的环境适应能力，很好的完成了题目的要求。

通过多次调试，发现小车有以下几方面的问题及因素影响：

（1）智能小车传感器灵敏度不高，对线路的识别度有一定的缺陷。

究其原因，一方面由于焊接时有个别地方因布局等因素出现虚焊、线路短接的情况，另一方面由于元器件本身的因素。

（2）自制导线不合格。

究其原因，一方面是对压线钳的熟练及合理运用方面不够灵活，另一方面是对专业基本功掌握不够。

（3）程序逻辑方面不够严谨，导致在行驶过程中不按预期的路线去行驶。

究其原因，一方面由于小车自身缺陷导致程序有误，另一方面由于汇编知识掌握不够，需要加强。

针对以上问题，改进方案如下：

（1）解决方案：

对传感器重新进行布局，调整电位器至最佳状态。

（2）解决方案：

先用万用表对自制导线进行测量，检测合格则使用。

（3）解决方案：