红外自动循迹小车Word格式.docx

1、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LM3243、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

2、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48V ，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05V，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

3、串联一定阻值的电阻）图 3-1 ST188实物图 图 3-2 ST188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330V，或正负双电源15V15V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 3-3 LM324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

4、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

5、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

6、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12MHZ2）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-85132VAC/175264VAC，4763Hz开关选择；冲击电流-冷起动电流15A

7、/115V 30A/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-30A5V,0.5V 4.04A2%50mV72%12V,0.1 1.0A3,-7%100mV3.4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

8、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=2rv=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3-9 L298N外部引脚 表2 L298N输入输

9、出关系驱动电路的设计如图3-10 所示：图3-10 L298N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4.1 PW

10、M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

11、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

12、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

13、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 ,

14、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4.5单片机测序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned char zkb1=0 ; /*左边电机的占空比

15、*/unsigned char zkb2=0 ; /*右边电机的占空比*/unsigned char t=0; /*定时器中断计数器*/sbit RSEN1=P10;sbit RSEN2=P11;sbit LSEN1=P12;sbit LSEN2=P13;sbit IN1=P00;sbit IN2=P01;sbit IN3=P02;sbit IN4=P03;sbit ENA=P04;sbit ENB=P05;/*延时函数*/void delay（int z） while （z-）; /*初始化定时器，中断*/void init（） TMOD=0x01; TH0=（65536-100）/256;

16、 TL0=（65536-100）%256; EA=1; ET0=1; TR0=1;/*中断函数+脉宽调制*/void timer0（） interrupt 1 if（tzkb1） ENA=1; else ENA=0; if（t=100） t=0;/*直行*/void qianjin（） zkb1=30; zkb2=30;/*左转函数1*/void turn_left1（） zkb1=0; zkb2=50;/*左转函数2*/void turn_left2（） zkb2=60;/*右转函数1*/void turn_right1（） zkb1=50; zkb2=0;/*右转函数2*/void tur

17、n_right2（） zkb1=60; zkb2=0;/*循迹函数*/void xunji（） uchar flag; if（RSEN1=1）&（RSEN2=1）&（LSEN1=1）&（LSEN2=1） flag=0; /*直行*/ else if（RSEN1=0）& flag=1; /*左偏1,右转1*/（RSEN2=0）& flag=2; /*左偏2,右转2*/ else if（RSEN1=1）&（LSEN1=0）& flag=3; /*右偏1，左转1*/（LSEN2=0） flag=4; /*右偏2，左转2*/ switch （flag） case 0:qianjin（）; break;

18、 case 1:turn_right1（）; case 2:turn_right2（）; case 3:turn_left1（）; case 4:turn_left2（）; default:/*主程序*/void main（） init（）; zkb1=30; zkb2=30; while（1） IN1=1; /*给电机加电启动*/ IN2=0; IN3=1; IN4=0; xunji（）; /*寻迹*/5参考资料1 宋健,姜军生,赵文亮. 基于单片机的直流电动机PWM 调速系统J . 农机化研究,2006 , （1） :102 - 103.2 边春元 李文涛 江杰 杜平等；C51单片机典型模块设计与应用；机械工业出版社；2008.43 李华. MCS- 51 系列单片机实用接口技术M.北京:航空航天大学出版社, 20034 楼然苗.51 单片机设计实例M.北京:航空航天大学出版社,2005.85 王晶,翁显耀,梁业宗 自动寻迹小车的传感器模块设计.武汉理工大学自动化学院湖北武汉6 刘迎春. 传感器原理设计与应用M . 长沙:国防科技大学出版社,1992.