寻线智能小车系统设计与调试.docx
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寻线智能小车系统设计与调试
文献综述
前言
在传感器技术和自动控制技术正在飞速发展时代，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要，“智能”这个词也已经成为了热门词汇。
现在国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平，特别是日本，比如日本本田制作的Asmara机器人，其仿人双足行走已经做得十分逼真，而且具有一定的学习能力，还据说其智商已达到6岁儿童的水平。
作为机械行业的代表产品—汽车，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：
一是电子装置占汽车整车（特别是轿车）的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展，汽车电子产业也很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点；二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。
无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：
亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABUROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生实践能力。
但很现实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，所以作为机械设计制造及其自动化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。
为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想，目的在于：
通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。
所以立“寻线智能小车系统设计与调试”一题作为毕业设计来锻炼自己巩固自身知识修养。
正文
任务及要求
1.1任务
设计一个基于直流电机的自动寻迹小车，使小车能够自动检测地面黑色轨迹，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
2.系统设计方案
2.1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不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。
通常采取的方法是红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体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，
2.2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、电机及驱动模块等部分组成,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
2、红外检测模块：
光电传感器ST188,比较器LM324
3、电机及驱动模块:
电机驱动芯片L298N、两个直流电机
4、电源模块：
双路开关电源
3.系统方案
3.1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、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。
我们采用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，测量接收管的电压为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，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，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较器LM324，比较基准电压由30K的变阻器调节，各个接收管的参数都不一致，每个传感器的比较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。
3.1.1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，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。
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，但要串联一定阻值的电阻）
图3-1ST188实物图图3-2ST188管脚图及内部电路
3.1.2比较器LM324简介
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。
内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。
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较电压。
图3-3LM324内部电路图3-4集成运放的管脚图
3.1.3具体电路
通过ST188检测黑线，输出接收到的信号给LM324，接收电压与比较电压比较后，输出信号变为高低电平，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
3.1.4传感器安装
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传感器安装图
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，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3-6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理、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；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级探测器动作，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保护，从而提高了小车循迹的可靠性。
3.2控制器模块
采用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位可编程定时计数器，且可在线编程、调试，方便地实现程序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）采用外部时钟，晶振频率为12MHZ
2）采用按键复位
图3-7时钟电路和复位电路
3.3电源模块
电源采用双路开关电源。
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，具有过流短路保护功能，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、保持时间----200ms，100ms,30ms；
耐压性---输入输出间；输入与外壳1.5KVAC，输出与外壳，0.5KVAC，历时一分钟；
工作温度、湿度-----10℃～+60℃，20%～90%RH；
安全标准----符合CE标准；
EMC标准----符合CE标准；
连接方法----7位9.5mm接线端子；
质量/包装----0.41Kg,45PCS/19.5Kg/1.2CUFT
表1
型号
输出
差值
范围
效率
D-30A
5V,0.5V~4.04A
±2%
50mV
72%
12V,0.1~1.0A
±3,-7%
100mV
3.4电机及驱动模块
3.4.1电机
电机采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
可选用减速比为1：
74的直流电机，减速后电机的转速为100r/min。
若车轮直径为6cm，则小车的最大速度可以达到
V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s
能够较好的满足系统的要求。
3.4.2驱动
驱动模块采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N是一个具有高电压大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电机。
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电机驱动电路
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电机的PWM调速控制。
3.5自动循迹小车总体设计
3.5.1总体电路图
图3-11总体电路图
3.5.2系统总体说明
如图3-11所示，当光电传感器开始接受信号，通过比较器将信号传如单片机中。
小车进入寻迹模式，即开始不停地扫描与探测器连接的单片I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。
单片机采用T0定时计数器，通过来产生PWM波，控制电机转速。
4.软件设计
4.1PWM控制
本系统采用PWM来调节直流电机的速度。
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面,如电机调速、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。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。
因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加；电机断电时,速度逐渐减少。
只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。
本系统中通过控制51单片机的定时器T0的初值，从而可以实现P0.4和P0.5输出口输出不同占空比的脉冲波形。
定时计数器若干时间（比如0.1ms）中断一次,就使P0.4或P0.5产生一个高电平或低电平。
将直流电机的速度分为100个等级,因此一个周期就有个100脉冲,周期为100个脉冲的时间。
速度等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。
一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。
占空比越大,加在电机两端的电压越大,电机转动越快。
电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。
当我们改变占空比时,就可以得到不同的电机平均速度,从而达到调速的目的。
精确地讲,平均速度与占空比并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，即开始不停地扫描与探测器连接的单片I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。
软件的主程序流程图如图4-1所示：
4.3小车循迹流程图
小车进入循迹模式后，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，即进入判断处理程序，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，即小车左半部分压到黑线，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动作。
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，则两个等级间的转向力度必须相互配合。
第二级通常是在超出第一级的控制范围的情况下发生作用，它也是最后一层保护，所以它必须要保证小车回到正确轨迹上来，则通常使第二级转向力度大于第一级，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，其大小通过改变单片机输出的占空比的大小来改变），具体数值在实地实验中得到。
4.4中断程序流程图
这里利用的是51单片机的T0定时计数器，从而让单片机P0口的P0.4和P0.5引脚输出占空比不同的方波,然后经驱动芯片放大后控制直流电机。
定时计数器若干时间（比如0.1ms）比如中断一次,就使P0.4或P0.5产生一个高电平或低电平。
中断程序流程图如图4-3所示
参考文献
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