綜合電子課程設(shè)計(jì)----智能循跡避障小車

1、<p>　　題目名稱： 循跡壁障智能小車設(shè)計(jì) </p><p>　　組員： </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p>　　日 期： </p><p>&

2、lt;b>　　智能循跡避障小車</b></p><p>　　摘　要：利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線與障礙物，并以STC89C52單片機(jī)為控制芯片控制電動(dòng)小汽車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動(dòng)由L298N驅(qū)動(dòng)電路完成，速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52單片機(jī)； L298N； </p><p

3、>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^設(shè)計(jì)進(jìn)一步掌握５別１單片機(jī)的應(yīng)用，特是在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。進(jìn)一步學(xué)習(xí)５１單片機(jī)在系統(tǒng)中的控制功能，能夠合理設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍電路，并使之與單片機(jī)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)控制小車的循跡和蔽障的功能,</p><p><b>　　一、方案設(shè)計(jì)與論證</b></p><p><b>　　1.1 主控系統(tǒng)</b></p>

4、<p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下：</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHD

5、L語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　采用

6、51單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢(shì)——控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。</p><p>　　針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)——多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關(guān)量

7、的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了P89C51RA單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。</p><p>　　在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用STC89C52單片機(jī)的

8、資源。</p><p>　　1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。</p><p><b>　　方案二：&

9、lt;/b></p><p>　　采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　采用功率三極管作為功率放大器的

10、輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H型橋式電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N。</p><p>　　這種調(diào)速方

11、式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。</p><p><b>　　1.3 循跡模塊</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　采用簡易光電傳感器結(jié)

12、合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因?yàn)?該部件造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　采用兩只紅外對(duì)管，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整

13、車向，測(cè)試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　采用三只紅外對(duì)管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測(cè)到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)

14、測(cè)表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其成本與穩(wěn)定性都次與第二種方案。</p><p>　　通過比較，我選取第二種方案來實(shí)現(xiàn)循跡。</p><p><b>　　1.4 避障模塊</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　采用一只紅外對(duì)管置于

15、小車中央。其安裝簡易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　采用二只紅外對(duì)管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對(duì)小車與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于

16、小車左方的紅外對(duì)管用到的幾率很小，所以最終未采用。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　采用一只紅外對(duì)管置于小車右側(cè)。通過測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。</p><p>　　通過比較我們采用方案一。</p><p><b>　　1.5電源模塊&

17、lt;/b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過穩(wěn)壓芯片7805供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　采用4支1.5V電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時(shí)

18、給單片機(jī)與與電機(jī)供電。</p><p>　　方案三：采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。</p><p>　　所以，我選擇了方案一來實(shí)現(xiàn)供電。</p><p><b>　　二、硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1總體設(shè)計(jì)</b>&l

19、t;/p><p>　　智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。將循跡光電對(duì)管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停止，車向左修正，當(dāng)車身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車向右修正。</p><p>　　避障的原理和循線一樣，在車身中間裝一個(gè)光電對(duì)

20、管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車子倒退,轉(zhuǎn)向，從而避開障礙物。</p><p>　　2.1.1主板設(shè)計(jì)框圖，所需原件清單。</p><p><b>　　元件清單</b></p><p><b>　　2.2驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L29

21、8N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來控制小車的速度，起停。</p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p><b>　　三、軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1主程序框圖：</b></p&g

22、t;<p><b>　　3.2循跡模塊</b></p><p><b>　　循跡框圖：</b></p><p><b>　　循跡框圖</b></p><p><b>　　3.3避障模塊</b></p><p><b>　　避障框圖：

23、</b></p><p><b>　　程序：</b></p><p>　　#include <reg52.h>//器件配置文件</p><p>　　#include <intrins.h></p><p>　　unsigned int tt,i,l;</p><

24、;p>　　void init();</p><p>　　sbit D1=P1^0;</p><p>　　sbit D2=P1^1;</p><p>　　sbit D3=P1^2;</p><p>　　sbit D4=P1^3;</p><p>　　sbit D5=P0^7;</p><p>

25、;　　sbit D7=P1^4;</p><p>　　sbit D8=P1^5;</p><p>　　sbit D9=P1^6;</p><p>　　sbit D10=P1^7;</p><p>　　void delay(unsigned int t)</p><p><b>　　{</b><

26、;/p><p>　　while(--t);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void stop()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　D1=1;D2=1;D3=1;D4=1;</p><p><b

27、>　　}</b></p><p>　　void forward()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　D1=1;D2=1;D3=1;D4=1;</p><p>　　delay(40);</p><p>　　D1=1;D2=0;D3=1;D4=0;<

28、/p><p>　　delay(60);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void backward()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　D1=0;D2=1;D3=0;D4=1;</p><p><

29、;b>　　} </b></p><p>　　void turnleft()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　D1=0;D2=1;D3=1;D4=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void turnr

30、ight()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　D1=1;D2=0;D3=0;D4=1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void bizhang()</p><p><b>　　{</b></

31、p><p>　　while(D5==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　backward();</p><p>　　delay(65535);</p><p>　　turnleft();</p><p>　　delay(65535);</p&

32、gt;<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void xjbzwx()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(D8==0&&D9==0&&D7

33、==0&&D10==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　bizhang();</p><p>　　forward();</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(D8==1&&D9==1&a

34、mp;&D7==1&&D10==1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　bizhang();</p><p><b>　　stop();</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　

35、　if(D7==1&&D8==0&&D9==0&&D10==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　bizhang();</p><p>　　for(i=400;i>0;i--)</p><p><b>　　{</b>&

36、lt;/p><p>　　turnleft();</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(D7==0&&D8==0&&D9==0&&D10==1)</p><p>

37、;<b>　　{</b></p><p>　　bizhang();</p><p>　　for(i=400;i>0;i--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　turnright();</p><p><b>　　}</b>

38、;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(D7==0&&D8==1&&D9==0&&D10==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　bizhang();</p><p>　

39、　for(i=100;i>0;i--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　turnleft();</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(D7==0&

40、amp;&D8==0&&D9==1&&D10==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　bizhang();</p><p>　　for(i=100;i>0;i--)</p><p><b>　　{</b></p>

41、<p>　　turnright();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if((D7==1||D8==1)&&(D9==0&&D10==0))</p><p><b>　　{<

42、;/b></p><p>　　bizhang();</p><p>　　for(i=100;i>0;i--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　turnleft();</p><p><b>　　}</b></p>&l

43、t;p><b>　　}</b></p><p>　　if((D7==0&&D8==0)&&(D9==1||D10==1))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　bizhang();</p><p>　　for(i=100;i>0;i

44、--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　turnright();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p>

45、<p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　xjbzwx();</b></

46、p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　四、結(jié)束語</b></p><p>　　通過很多天的準(zhǔn)備，終于在老師和同學(xué)的幫助下，初步完成了對(duì)循跡蔽障小車的制作。在這個(gè)過程中，我們又進(jìn)一步學(xué)習(xí)了單片機(jī)及其外圍模塊的

47、原理和應(yīng)用。對(duì)電路的焊接和器件的組合，加強(qiáng)了我們實(shí)驗(yàn)上的動(dòng)手能力，尤其是小車模塊的安裝，電機(jī)的去驅(qū)動(dòng)等等，都讓我們學(xué)到了很多東西。軟件方面，多個(gè)程序的組合以及中斷定時(shí)的應(yīng)用，讓我們對(duì)C51語言的學(xué)習(xí)有了更多的體會(huì)。在這個(gè)過程中，也遇到了很多的困難的和挫折，雖然這個(gè)循跡壁障小車看起來很簡單，但是我們?cè)趯?shí)現(xiàn)的過程中總屢屢失敗。開始時(shí)對(duì)個(gè)模塊的安裝及連接，這個(gè)過程還算順利，在后面的循跡調(diào)試時(shí)就有很多問題了，首先在軟件上，我們結(jié)合硬件，不斷的調(diào)

48、試程序，讓其實(shí)現(xiàn)該循跡功能，這個(gè)過程花費(fèi)了我們很多的時(shí)間，因?yàn)樾≤囇E時(shí)總往往不如人愿，一直不能沿著黑線跑，總沖出線外，所以調(diào)試有點(diǎn)困難。但是這個(gè)不單單是軟件的問題，在循跡模塊安裝的位置也對(duì)其循跡的準(zhǔn)確度有很大的影響，在我們的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，同樣的程序，左右循跡的程序都一樣的，但是在實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)小車有時(shí)能成功循跡，有時(shí)卻不行，或者一邊循跡靈敏，另一邊卻不靈敏的情況，經(jīng)過多次的探尋，發(fā)現(xiàn)是循跡模塊安裝的位置以及其自身靈敏度有關(guān)，<

49、/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]郭惠，吳迅.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)完全自學(xué)手冊(cè)[M].電子工業(yè)出版社,2008.10：1-200.</p><p>　　[2]王東鋒，王會(huì)良，董冠強(qiáng). 單片機(jī)C語言應(yīng)用100例[M]. 電子工業(yè)出版社,2009.3：145-300.</p><p>　　[3