基于51單片機的開關(guān)電源自動循跡小車畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　智能循跡是基于自動引導(dǎo)機器人系統(tǒng)，用以實現(xiàn)小車自動識別路線，以及選擇正確的路線。智能循跡小車是一個運用傳感器、單片機、電機驅(qū)動及自動控制等技術(shù)來實現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定的模式下，不受人為管理時能夠自動實現(xiàn)循跡導(dǎo)航的高新科技。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于無人駕駛機動車，無人工廠，倉庫，服務(wù)機器人等多種領(lǐng)域。</p><p&

2、gt;　　本設(shè)計是基于STC89C52單片機控制的智能循跡小車，小車能夠識別地上黑色軌跡線，實現(xiàn)循跡行走，而且在循跡過程中還能夠繞開前方的障礙物。本次設(shè)計包括開關(guān)電源模塊、充電模塊、單片機模塊、電機驅(qū)動模塊、循跡模塊和避障模塊。其中開關(guān)電源模塊是將220V交流電轉(zhuǎn)化為12V供電機驅(qū)動芯片使用和5V供單片機使用。充電模塊是給鋰電池充電，以作備用電源。單片機模塊以STC89C52單片機為控制核心，用其產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。循跡模塊則采

3、用紅外光電傳感器RPR220型光電對管，對路面黑色軌跡進行檢測，并將路面檢測信號反饋給單片機。單片機對采集到的信號進行分析判斷，及時控制電機驅(qū)動模塊中由芯片L298N驅(qū)動的電機以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向，從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動行駛，實現(xiàn)小車自動尋跡的目的。同時在此基礎(chǔ)上，避障模塊當(dāng)中利用E18-D80NK 3-80cm可調(diào)紅外避障傳感器對小車進行避障。</p><p>　　本設(shè)計不僅給出了完整的硬件電路圖和相關(guān)控制程

4、序，而且還利用PROTEUS進行了小車電機實時仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機；自動循跡；開關(guān)電源；Proteus仿真</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　進入二十一世紀(jì)，隨著計算機技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，機器人技術(shù)較以往已經(jīng)有了突飛猛進的提高，智能循跡小車即帶有視覺和觸覺的小車就是其中的典型代表

5、。</p><p>　　1.1 智能循跡小車概述</p><p>　　智能循跡小車又被稱為Automated Guided Vehicle，簡稱AGV，是二十世紀(jì)五十年代研發(fā)出來的新型智能搬運機器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光學(xué)或其他自動導(dǎo)引裝置，可以沿設(shè)定的引導(dǎo)路徑行駛，安全的運輸車。工業(yè)應(yīng)用中采用充電蓄電池為主要的動力來源，可通過電腦程序來控制其選擇運動軌跡以及其它動作，也可把電

6、磁軌道黏貼在地板上來確定其行進路線,無人搬運車通過電磁軌道所帶來的訊息進行移動與動作，無需駕駛員操作，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。</p><p>　　AGV的另一個特點是高度自動化和高智能化，可以根據(jù)倉儲貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運行路徑的費用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比非常低廉。AGV小車一般配有裝卸機構(gòu)，可與其它物流設(shè)備自動接口，實現(xiàn)貨物裝卸與搬運的全自動化過程。此外，

7、AGV小車依靠蓄電池提供動力，還有清潔生產(chǎn)、運行過程中無噪音、無污染的特點，可用在工作環(huán)境清潔的地方。</p><p>　　1.1.1 循跡小車的發(fā)展歷程回顧</p><p>　　隨著社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來代替人來做一些非常危險，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就誕生了機器人這門學(xué)科。世界上誕生第一臺機器人誕生于1959年，至今已有50多年的歷

8、史，機器人技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展和進步，現(xiàn)已發(fā)展成一門包含：機械、電子、計算機、自動控制、信號處理，傳感器等多學(xué)科為一體的性尖端技術(shù)。循跡小車共歷了三代技術(shù)創(chuàng)新變革： </p><p>　　第一代循跡小車是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何傳感器，只是采用簡單的開關(guān)控制，通過編程來設(shè)置循跡小車的路徑與運動參數(shù)，在工作過程中，不能根據(jù)環(huán)境的變化而改變自身的運動軌跡。</p><p>　　支持離線

9、編程的第二代循跡小車具有一定感知和適應(yīng)環(huán)境的能力，這類循跡小車裝有簡單的傳感器，可以感覺到自身的的運動位置，速度等其他物理量，電路是一個閉環(huán)反饋的控制系統(tǒng)，能適應(yīng)一定的外部環(huán)境變化。</p><p>　　第三代循跡小車是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構(gòu)成感官系統(tǒng)，通過采集外部的環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車，能獨立完成任務(wù)，有其自身的知識基礎(chǔ)，多信息處理系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的

10、工作環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境變化作出決策，有一定的適應(yīng)能力，自我學(xué)習(xí)能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車能獨立工作，一方面應(yīng)具有較高的智慧和更廣泛的應(yīng)用，研究各種新機傳感器，另一方面，也掌握多個多類傳感器信息融合的技術(shù)，這樣循跡小車可以更準(zhǔn)確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息。</p><p>　　1.1.2 智能循跡分類</p><p>　　AGV從發(fā)明至今已經(jīng)有50多年的歷史，隨著應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不

11、斷擴大，其種類和形式也變得更加多樣化。一般根據(jù)行駛的導(dǎo)航方式將智能循跡小車分為以下幾種類型：</p><p><b>　　(1)電磁感應(yīng)式</b></p><p>　　電磁感應(yīng)式引導(dǎo)一般在地面上，沿預(yù)定路徑埋電線，當(dāng)高頻電流通過導(dǎo)線，電線周圍產(chǎn)生電磁場流動， AGV小車上安裝兩個對稱的電磁感應(yīng)傳感器，他們收到的電磁信號差異可以反映的AGV偏離程度路徑的程度。 

12、;AGV自動化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車輛的轉(zhuǎn)向，連續(xù)的動態(tài)的閉環(huán)控制設(shè)置能夠保證AGV對設(shè)定路徑的穩(wěn)定自動跟蹤。在目前商業(yè)用途的AGV中，特別是大型和中型小車，絕大多數(shù)都采用電磁感應(yīng)導(dǎo)航。</p><p><b>　　(2)激光式</b></p><p>　　安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器的AGV，可安裝在墻壁或有高反射激光定位標(biāo)志的支柱上或者路徑上運行，AGV

13、依靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標(biāo)志反射回的激光束，車載計算機，計算出當(dāng)前車輛的位置和運動方向，通過內(nèi)置的數(shù)字地圖和校準(zhǔn)位置相比，以實現(xiàn)自動處理。目前，這種AGV類型的應(yīng)用比較廣泛。基于同樣的原理，如果激光掃描儀被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導(dǎo)的AGV小車可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外引導(dǎo)和超聲引導(dǎo)的AGV。</p><p><b>　　(3)視覺式</b></p>&l

14、t;p>　　視覺引導(dǎo)式AGV是的迅速發(fā)展和比較成熟的AGV，這種AGV配備CCD攝像機，傳感器和車載電腦，在車載計算機中設(shè)置有AGV欲行駛路徑周圍環(huán)境圖像數(shù)庫。在AGV的行駛過程中，相機得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫進行比較，以確定當(dāng)前位置和車輛周圍的圖像信息并對駕駛下一步作出決定。這種AGV小車并不需要設(shè)置任何的人工物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計算機圖像采集，存儲和處理技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這種類型的AGV實用性越來越強。此外，還

15、有鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式AGV、光學(xué)引導(dǎo)式AGV等多種形式的AGV。</p><p>　　1.1.3 智能循跡小車的應(yīng)用</p><p>　　智能循跡小車發(fā)展歷史及主要應(yīng)用場所如下：</p><p><b>　　(1)倉儲業(yè)</b></p><p>　　1954年，來自美國南卡羅來納州的Mercury Motor Frei

16、ght公司成為第一批把AGV小車的應(yīng)用到倉庫的使用者，來實現(xiàn)出入庫貨物的自動處理。至今世界上有超過2100個廠家把大約2萬臺大型或小型的AGV小車應(yīng)用到自己的倉庫中。中國的海爾集團在2000年把9臺AGV小車投產(chǎn)到了自己的倉庫區(qū)，形成一個靈活的AGV自動數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少33500的儲存和裝卸貨物的任務(wù)。</p><p><b>　　(2)制造業(yè)</b></p>

17、<p>　　在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中AGV小車大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運送任務(wù)。由多臺AGV小車組成的物流運輸處理系統(tǒng)，較人工搬運系統(tǒng)來說更靈活，運輸路線可以根據(jù)生產(chǎn)過程及時調(diào)整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十幾個產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活性，企業(yè)的競爭力。在1974年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車組裝廠，提高了運輸系統(tǒng)的靈活性，使用以AGV小車為載運工具的裝配線，采用該裝配線后，減少了20%裝配時間、減少了39%組裝錯誤，減少

18、了57%投資資金回收時間以及減少了5%的員工費用。目前，在世界主要的汽車生產(chǎn)廠家，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾AGV小車已被廣泛應(yīng)用。近年來，作為CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，直譯為基于計算機的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng))的基礎(chǔ)搬運工具，AGV已經(jīng)深入到機械加工，家電制造，微電子制造，煙草等行業(yè)，生產(chǎn)業(yè)和加工業(yè)已成為AGV小車使用最廣泛的領(lǐng)域。</p><p>

19、;　　(3)郵局、圖書館、港口碼頭和機場</p><p>　　在郵局，圖書館，碼頭和機場候機樓等人口密集的公眾場所，存在著大量的物品的運送工作，充滿不定性和動態(tài)性強的特點，搬運過程往往也很單一。AGV有著可并行工作、自動化、智能化和處理靈活的特點，可以很好的滿足這些場合的運輸要求。1983年瑞典的大斯得哥爾摩郵局，1988年日本東京的多摩郵局，1990年中國上海的郵政相繼開始使用AGV小車來完成郵品的搬運工作。在

20、荷蘭的鹿特丹港口，50輛被稱為“院子里的拖拉機”的AGV小車每天都在把集裝箱從船邊運送到幾百米以外的倉庫中。</p><p>　　(4)煙草、醫(yī)藥、化工、食品</p><p>　　對于處理一些需要在清潔、安全、無排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如煙草、制藥、食品、化工等產(chǎn)品時應(yīng)考慮AGV小車的應(yīng)用。在全國許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團、玉溪紅塔集團、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠，應(yīng)用激光引導(dǎo)式

21、AGV完成托盤貨物的搬運工作。</p><p>　　1.2 智能循跡小車研究中的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　現(xiàn)在全世界越來越多的國家都在做著研究智能化、多樣化的自動汽車導(dǎo)航的工作。自動汽車導(dǎo)航是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它不僅應(yīng)具有正常的運動功能的成分，而且還應(yīng)具有任務(wù)分析，路徑規(guī)劃，信息感知，自主決策等類似人類的智能行為。</p><p>　　人類可以利用自己的聽覺

22、、視覺、味覺、觸覺等功能獲取事物的信息，人類的大腦再根據(jù)已經(jīng)掌握的知識對這些信息進行綜合分析，從而全面了解認知事物。這樣一個認識事物、分析事物和處理信息的過程稱之為信息融合過程。多傳感器信息融合的基本原理就是模仿人類大腦的這個過程，得到一個對復(fù)雜對象的一致性解釋或結(jié)論。多傳感器信息融合是協(xié)調(diào)多個分布在不同地點，相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀測量信息加以綜合，協(xié)調(diào)使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，以減少不確定性，得到

23、對物體或環(huán)境的一致性描述的過程。</p><p>　　多傳感器信息融合具有許多性能上的優(yōu)點：(1)增加了系統(tǒng)的生存能力；(2)減少了信息的模糊性；(3)擴展了采集數(shù)據(jù)覆蓋范圍；(4)增加了可信度；(5)改善了探測性能；(6)提高了空間的分辨力；(7)改善了系統(tǒng)的可靠性；(8)信息的低成本性。</p><p>　　本文主要由五章構(gòu)成，第1章為緒論，主要講述循跡小車的發(fā)展歷程及在目前所應(yīng)用領(lǐng)域

24、中的作用。第2章為自動循跡小車總體設(shè)計方案，主要確定系統(tǒng)各個模塊的具體選擇。第3章是系統(tǒng)的硬件設(shè)計，其中包含開關(guān)電源的設(shè)計，充電電路的設(shè)計，單片機電路的設(shè)計，電機驅(qū)動電路，光電傳感器模塊和避障模塊。第4章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要介紹的是軟件實現(xiàn)過程。第5章是用Proteus軟件對小車系統(tǒng)進行仿真和調(diào)試。</p><p>　　第2章 自動循跡小車系統(tǒng)方案設(shè)計</p><p><b>

25、;　　2.1 設(shè)計要求</b></p><p>　?。?）用MCS-51系列單片機或其它CPU作為小車的控制器；</p><p>　?。?）設(shè)計識別黑色軌跡線的傳感器；</p><p>　?。?）采用紅外或超聲測或其它判定障礙物功能；</p><p>　?。?）設(shè)計驅(qū)動電機的電路，可實現(xiàn)電機變速、啟動、反轉(zhuǎn)及停止；</p&

26、gt;<p>　?。?）設(shè)計控制小車行走的程序；</p><p>　?。?）外部220V電源（開關(guān)電源）供電，工作時備用電源供電，自動充電功能，體積小巧；</p><p>　　（7）用Proteus實現(xiàn)小車電機控制仿真。</p><p>　　2.2 自動循跡小車基本原理</p><p>　　循跡就是能夠沿著給定的軌跡運行，一般

27、給定的軌跡為在白色地面上黑色軌跡。為了實現(xiàn)這一目的，就需要軌跡檢測模塊，這相當(dāng)于小車的眼睛，需要將路面信息返回到大腦中，這大腦就需要有信息處理功能的微處理器來構(gòu)成，處理的信息需要執(zhí)行機構(gòu)來執(zhí)行，這就需要電機驅(qū)動模塊，來實現(xiàn)小車的行走功能，而一個完整的系統(tǒng)，還需要有電源模塊來提供能量。</p><p>　　簡言之，系統(tǒng)的基本原理就是：循跡模塊將檢測到的路面信息傳送給微處理器來處理，然后將處理結(jié)果送到電機驅(qū)動模塊執(zhí)行

28、，達到循跡的目的。</p><p>　　2.3 模塊方案比較與論證</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、充電模塊、電機及其驅(qū)動模塊、循跡傳感器模塊、避障傳感器模塊構(gòu)成。</p><p>　　為了較好的實現(xiàn)各模塊的功能，分別設(shè)計了幾種方案并分別進行了比較與論證。</p><p>　　2.3.1 控制器模塊&l

29、t;/p><p>　　方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)的主控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高，體積小，穩(wěn)定性好，IO口資源豐富，易于進行功能擴展，處理速度快，常用于大規(guī)模實時性要求較高的系統(tǒng)，但價格高，編程實現(xiàn)難度大。</p><p>　　方案二：采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于

30、進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮我們放棄了此方案。</p><p>　　方案三：STC89C52單片機作為系統(tǒng)的控制器。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Fla

31、sh，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，單片機可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試，并且價格便宜。</p><p>　　本系統(tǒng)邏輯功能簡單，僅僅需要接收傳感器的信號和控制電機，對控制器的數(shù)據(jù)處理能力要求不高，從性價比方面考慮選擇方案三。</p><p>　　2.3.2 電源模塊</p><p>　　根據(jù)本次設(shè)

32、計要求，需采用開關(guān)電源電路。開關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、電路形式靈活多樣等優(yōu)點，因而在各類電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　由于開關(guān)電源芯片眾多，因此本著“適用、夠用、好用”的原則選擇了UC3842。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型開關(guān)電源芯片。單端輸出可直接驅(qū)動雙極型晶體管和MOSFET管，具有引腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點，

33、能通過高頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適合構(gòu)成無工頻變壓器的20~50W小功率開關(guān)電源。又其構(gòu)成電路所需元件極少，非常符合“適用、夠用、好用”原則。</p><p>　　2.3.3 充電模塊</p><p>　　根據(jù)本次設(shè)計要求，需要設(shè)計充電模塊以作備用電源實用。</p><p>　　方案一：給12V蓄電池充電。雖然蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力，穩(wěn)定的電壓輸出性能，以及相關(guān)

34、的充電芯片，但處于蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便的原因，還是放棄了這種方案。</p><p>　　方案二：給3節(jié)4.2V可充電式鋰電池充電。雖然鋰電池的價格有點貴，但鋰電池的電量比較足，并且可以充電，可重復(fù)利用，也有相關(guān)的充電芯片，因此選擇了此方案。同時選擇了LTC4053，設(shè)計出具有USB接口功能的充電電路。</p><p>　　綜上考慮，選擇方案二。</p&g

35、t;<p>　　2.3.4 電機模塊</p><p>　　方案一：采用直流電機。直流電機轉(zhuǎn)動力矩大，響應(yīng)快速，體積小，重量輕，直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn),能滿足各種不同的特殊運行要求，價格便宜。</p><p>　　方案二：采用步進電機。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位

36、移或線位移的精密執(zhí)行原件?？刂品奖?，體積小，靈活性和可靠性高，具有瞬時啟動和急速停止的優(yōu)越性，比較適合本系統(tǒng)控制精度高的特點。但步進電機的抖動比較大，輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，價格還比較昂貴，所以這里不采用此方案。</p><p>　　由于直流電機價格便宜、控制簡單，因此本設(shè)計用方案一。</p><p>　　

37、2.3.5 電機驅(qū)動模塊</p><p>　　方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴，且可能存在干擾。更主要的問題在于一般電動機的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。</p><p>　　方案二：采用繼電器對電動機的開與關(guān)進行控制，通過控制開關(guān)的切換速度實現(xiàn)對小車的速度進行調(diào)

38、整。這個電路的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間長，易損壞，壽命較短，可靠性不高。</p><p>　　方案三：采用專用電機驅(qū)動芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N中有兩套H橋電路，剛好可以控制兩個電機。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。L298的驅(qū)動功率較大，在6~46V的電壓下，可以提供2A的額定電流，并且具有過熱自動關(guān)斷和電流反饋檢測功能，安

39、全可靠。</p><p>　　基于以上的分析，選擇方案三。</p><p>　　2.3.6 循跡傳感器模塊</p><p>　　方案一：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可

40、以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。</p><p>　　方案二：用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。其具有如下特點：塑料透鏡可以提高靈敏度。內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性

41、能穩(wěn)定。</p><p>　　因此出于穩(wěn)定性來說，選擇方案二。</p><p>　　2.3.7 避障傳感器模塊</p><p>　　方案一：采用紅外測距傳感器。本次設(shè)計利用E18-D80NK可調(diào)紅外避障傳感器對小車進行避障，該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應(yīng)用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。</p>

42、;<p>　　方案二：采用超聲波傳感器，雖然其具有測量精度高、方向性好的優(yōu)點，但成本相對紅外較高，因此放棄本方案。</p><p>　　因此基于成本考慮，選擇方案一。</p><p>　　2.4 系統(tǒng)總體方案的確定</p><p>　　自動循跡小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。以STC89C52單片機為控制核心，主要由電源模塊、充電模塊、電機及其驅(qū)動模塊、

43、循跡傳感器模塊、避障傳感器模塊構(gòu)成。</p><p>　　圖2.1 自動循跡小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　第3章 硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1 單片機電路設(shè)計</p><p>　　一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、

44、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的電路；二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。</p><p>　　3.1.1 單片機的功能特性描述</p><p>　　單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就

45、成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜。單片機內(nèi)部也有和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件。</p><p>　　單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅

46、片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。</p><p>　　本課題選擇了STC公司的生產(chǎn)的STC89C52單片機。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器。一個芯片上擁有8位CPU，并且在系統(tǒng)可編程Flash。STC89C52提供給為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位

47、I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，兩個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。此外，空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。</p><p>　　3.1.2 晶振電路</p><p>　　在STC89S52單片機上內(nèi)

48、部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。在1和XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。從XTAL1接入，如圖3.1所示。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有要求。</p><p>　　本設(shè)計選用的是11

49、.0592MHZ無源晶振、2個30pF瓷片電容，使得一個機器周期是1μs。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，而兩個電容則是起到并聯(lián)諧振的作用，如果沒電容，振蕩電路會因為沒有回路而停振，電路不能正常工作。</p><p>　　圖3.1 單片機晶振電路</p><p>　　3.1.3 復(fù)位電路</p><p>　　復(fù)位電路的作用是在上電或復(fù)位過程中，控制CPU的

50、復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。89系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。施密特觸發(fā)電路是一種波形整形電路，當(dāng)任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，產(chǎn)生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內(nèi)之噪聲干擾電路的正常工作。如遙控接收線路，傳

51、感器輸入電路都會用到它整形。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。</p><p>　　本設(shè)計采用的電容值為10μF的電容和電阻采用10kΩ的電阻。如圖3.2所示上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機已在運行之中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。

52、</p><p>　　圖3.2 單片機復(fù)位電路</p><p>　　3.1.4 單片機整體電路</p><p>　　51單片機內(nèi)部有P0、P1、P2、P3等4個8位雙向I/0口，因此外設(shè)可直接連接于這幾個口線上，而無需另加接口芯片。P0~P3的每個端口可以按字節(jié)輸入和輸出，也可以按位進行輸入輸出，用于位控制十分方便。</p><p>　　

53、P0：P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個TTL電路，對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻，需要外接上拉電阻。</p><p>　　P1：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使

54、用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。</p><p>　　P2：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為

55、輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O

56、口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。單片機模塊如圖3.3所示。</p><p>　　STC89C52主要功能如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 STC89C52主要功能</p><p>　　圖3.3 單片機模塊電路<

57、;/p><p>　　3.2 開關(guān)電源電路設(shè)計</p><p>　　3.2.1 UC3842簡介</p><p>　　本次采用的開關(guān)電源芯片為UC3842，UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅(qū)動MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點。</p><p>　　UC3842采

58、用DIP-8封裝，引腳排列如圖3.4所示，各個引腳功能見表3.2所示，UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.4 UC3842引腳排列圖</p><p>　　表3.2 UC3842各個引腳功能</p><p>　　圖3.5 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.2 UC3842開關(guān)電源電路&l

59、t;/p><p>　　UC3842開關(guān)電源電路如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 UC3842開關(guān)電源電路</p><p><b>　　其工作原理為：</b></p><p>　　開關(guān)功率管為N溝道MOS管，該電路屬于單端反激式變換器 ，當(dāng)開關(guān)功率管導(dǎo)通時，整流二極管D12、D13截止，電能就儲存在高頻變壓器T

60、的初級繞組N1中；當(dāng)開關(guān)功率管關(guān)斷時，D12、D13導(dǎo)通，N1上儲存的電能傳輸給次級繞組N3、N4，并分別經(jīng)過D12、C11和D13、C12整流濾波后向負載供電。其穩(wěn)壓過程是首先對輸出電壓進行采樣，然后依次經(jīng)過誤差放大器、過流檢測比較強、PWM鎖存器、門電路和輸出級去控制開關(guān)功率管的導(dǎo)通及關(guān)斷時間，最終達到穩(wěn)壓目的，采樣電壓是從自饋線圈N2的整流濾波輸出端引出的。</p><p>　　剛啟動時UC3842所需+1

61、6V工作電壓由R27、C9電路提供。220V交流電經(jīng)橋式整流和電容濾波，得到+330V直流高壓，再經(jīng)R27降壓后接UC3842的7端，利用C10的充電過程使電壓VI逐漸升至+16V以上，從而實現(xiàn)軟啟動。當(dāng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)入正常工作后，N2上的高頻電壓經(jīng)D10，C9整流濾波，作為芯片的工作電壓。UC3842屬于電流控制型PWM，初級線圈中的電流在過流檢測電阻R25上建立的電壓V0，加至過流檢測比較器的同相端，與反相端的誤差電壓作比較，進而控制輸

62、出脈沖的占空比，使流過開關(guān)功率管的最大峰值電流始終受VI的控制。只要電壓V0達到1V，比較器就翻轉(zhuǎn)，輸出為高電平，將PWM鎖存器置零，PWM關(guān)斷，從而實現(xiàn)了過流保護。鑒于在開關(guān)功率管關(guān)斷的瞬間，高頻電壓器的漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，N1上還會產(chǎn)生反向電動勢，現(xiàn)利用C8、D9、R26、C13、D11、R28組成兩級吸收回路，對開關(guān)功率管起到保護作用。D9、D10和D11采用快恢復(fù)二極管。輸出整流濾波電路由D12、C11和D13、C12組成，D1

63、2、D13采用肖特基二極管。PWM鎖存器的作用是保證在每個時鐘周期內(nèi)只輸出一個脈寬調(diào)制信號，</p><p>　　輸入欠壓鎖定電路的開啟電壓為16V，關(guān)斷電壓為10V。僅當(dāng)電壓V0大于16V時UC3842才能啟動，此時芯片工作電流僅1mA，自饋電后變?yōu)?5mA。當(dāng)輸入欠壓時，開關(guān)功率管自行關(guān)斷。此外，在芯片內(nèi)部還有一只穩(wěn)壓管，一旦輸入端出現(xiàn)高壓，穩(wěn)壓管就將V0鉗于34V，起到保護作用。</p>&l

64、t;p>　　+5.0V基準(zhǔn)電壓經(jīng)R18給C5充電，C5再經(jīng)過芯片內(nèi)部電路放電，于是就能在UC3842的4腳得到鋸齒波電壓。R19和C6用以調(diào)節(jié)誤差放大器的增益和頻率響應(yīng)。自饋線圈的輸出電壓V0經(jīng)過R20、R21分壓后作為比較電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高會導(dǎo)致輸出電壓也升高，反之亦然。</p><p>　　3.3 充電電路設(shè)計</p><p>　　本次充電電路設(shè)計是給3節(jié)4.2V可充電式鋰電

65、池充電，充電芯片采用LTC4053。充電電路如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 LTC4053 USB接口充電電路</p><p>　　LTC4053是可直接與USB接口的鋰離子電池專用充電IC，同時還集成了NTC（負溫度系數(shù)）溫度補償、開關(guān)控制、100/500mA電流等電路。最大輸入電壓為7V，最大輸出電流為535mA。VCC直接取至USB接口的電源，SHDN為開關(guān)控制，低

66、電平時充電，高電平時停止充電；PROG腳選擇充電電流，低電平時選擇100mA充電，以適合小電流輸出的USB接口，高電平時選擇500mA充電，以適合大電流輸出的USB接口；NTC腳接入熱敏電阻可進行溫度補償；LTC4053還設(shè)置了定時充電功能，定時時間周期由TIMER腳外接電容決定：t=3C/0.1（式中t的單位為h，C的單位為μF）。Q2是P溝道MOSFET管，被用來選擇是否為USB供電的開關(guān)。</p><p>

67、　　3.4 電機驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　3.4.1 L289N簡介</p><p>　　電機驅(qū)動選用雙全橋電機專用驅(qū)動芯片L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。可以驅(qū)動兩個直流電機或驅(qū)動兩個二相電機，也可單獨驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V。直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，直接通過單片機的IO端口提供信號，使得電路簡單，使用更方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信

68、號VSS，VSS通常接4.5~7V的電壓。4腳VS接電壓源，VS可接電壓范圍VIH為2.5~46V。L298N芯片輸出電流可達2.5 A，可驅(qū)動電感負載。</p><p>　　L298N是一個內(nèi)部有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動芯片，可以用來驅(qū)動直流電動機、步進電動機。使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制，直接連接單片機管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。L298N有一個邏輯電源輸入端

69、，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。</p><p>　　L298N引腳排列如圖3.8所示，各個引腳功能見表3.2所示。</p><p>　　圖3.9 L298N引腳排列圖</p><p>　　表3.3 L298N引腳編號與功能</p><p>　　3.4.2 電機驅(qū)動原理</p><p>　　電路的形狀很像字母

70、H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。</p><p>　　圖3.10 L298N內(nèi)部H橋驅(qū)動電路</p><p>　　圖3.10為一個典型的直流電機的控制電路。被命名為“H橋驅(qū)動電路”主要是因為電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。H橋電機驅(qū)動電路包含四個三極管和一個電機。電機運轉(zhuǎn)，必須遵循導(dǎo)通對角線上的一對三極管。基于不同三極

71、管對的導(dǎo)通情況可以控制電機的轉(zhuǎn)向，電流可可以從左至右流過電機，也可以從右至左流過電機。</p><p>　　當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右流過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q2和Q3同時導(dǎo)通的情況下，電流將從右至左流過電機。從而驅(qū)動電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。</p><p>　　驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)

72、通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值，該電流僅受電源性能限制，可能燒壞三極管?；谏鲜鲈颍趯嶋H驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。</p><p>　　圖3.11 所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了四個二極管來保護電路。四個與門同一個“使能”導(dǎo)

73、通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。</p><p>　　采用以上方法，電機的運轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果IN1信號為“0”，IN2信號為“1”，并且使能信號是“1”，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機；如果IN1信號變?yōu)椤?”，而IN0信號變?yōu)椤?”，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機。</p><p>　　圖3.11

74、 L298N驅(qū)動芯片和直流電機接線圖</p><p>　　3.4.3 小車運動邏輯</p><p>　　基于以上L298N原理的闡述，現(xiàn)將小車運動邏輯列入表3.4中。</p><p>　　表3.4 小車運動邏輯</p><p>　　3.5 循跡電路設(shè)計</p><p>　　3.5.1 RPR220與LM339簡

75、介</p><p>　　循跡小車在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色，由于黑紙和白色路面對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收的反射光的強弱來判斷道路——黑色軌跡。本設(shè)計循跡傳感器采用RPR220反射型光電對管，通過紅外敏感端對不同顏色的感光能力的不同，可以很容易的辨別白紙上的黑色軌跡。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線照射到黑帶時，光線被黑帶吸收，紅外接收管無法接受到紅外線，不導(dǎo)通。當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射到地

76、面時發(fā)生漫反射，光反射回來被紅外接收管吸收，紅外接收管導(dǎo)通。RPR220型光電對管如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12 RPR220型光電對管</p><p>　　在循跡模塊中，要將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此要用到電壓比較器，本設(shè)計選用的電壓比較器是LM339， LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸

77、出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因

78、此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。</p><p>　　LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當(dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。LM339可構(gòu)成單限比較器、遲滯比較器、雙限比較器（窗口比

79、較器）、振蕩器等。還可以組成高壓數(shù)字邏輯門電路，并可直接與TTL、CMOS電路接口。</p><p>　　3.5.2 循跡設(shè)計</p><p>　　將該傳感器4個一組放置在小車前方，傳感器布局如圖3.13所示，中間兩個傳感器之間的距離最好為軌跡寬度，左邊第一個和第二個之間的距離可適當(dāng)較近一些，具體位置可在測試中調(diào)整，這樣放置的目的是能夠很好的反應(yīng)小車的循跡狀態(tài)，例如當(dāng)左邊第一個在黑線上時

80、，就表明小車偏離軌道太遠需要進行粗調(diào)，應(yīng)當(dāng)向左大轉(zhuǎn)彎了。當(dāng)傳感器在黑線上時接收管不導(dǎo)通，LM393的3腳電壓就為VCC，而2腳電壓可以由電位器進行調(diào)節(jié)，只要電位器不是在最上端，則2腳電壓就小于VCC，這樣正向端的電壓大于反向端電壓，那么經(jīng)過電壓比較器比較后，輸出高電平，當(dāng)傳感器在白線上時，紅外接收管導(dǎo)通，則3腳可視為接地，則正向端電壓小于反向段電壓，那么經(jīng)比較器比較后輸出低電平。</p><p>　　圖3.13

81、 傳感器布局</p><p>　　綜合以上分析，循跡電路設(shè)計見圖3.14（注：本設(shè)計需要用4組該檢測電路以達到精確循跡的目的，圖中只給出了1組）。</p><p>　　圖3.14 循跡電路</p><p>　　3.6 避障電路設(shè)計</p><p>　　利用E18-D80NK可調(diào)紅外避障傳感器進行小車的避障擴展，紅外避障傳感器如圖3.14所

82、示，該傳感器測量范圍為3~80CM，可利用其背面的距離調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)距離。</p><p>　　圖3.14 E18-D80NK紅外避障傳感器</p><p>　　避障硬件電路如圖3.15所示（注：本設(shè)計需要用2組該避障電路，圖中只給出了1組）。</p><p>　　避障原理是檢測到障礙物則輸出低電平，背面燈亮，未檢測到障礙物則輸出高電平，背面燈滅，由于這種傳感器

83、比較貴，因此在保證能正常避障的情況下，使用該傳感器兩個來達到避障的目的。避障思路是：在小車正前方放置一個避障傳感器，用于對正前方的障礙物進行檢測，在小車左輪附近放置一個傳感器用于在小車轉(zhuǎn)彎時對左邊的障礙物進行檢測，當(dāng)前方的傳感器檢測到障礙物時，小車右轉(zhuǎn)彎，具體行駛是小車左輪正傳右輪反轉(zhuǎn)向右原地轉(zhuǎn)一個角度，然后右輪加速行駛，左輪正常行駛，繞過障礙物，直到回到黑線上繼續(xù)循跡，在轉(zhuǎn)彎過程中，若左側(cè)傳感器檢測到信號則表明小車應(yīng)繼續(xù)向右轉(zhuǎn)彎，否則

84、會撞到障礙物上。具體小車轉(zhuǎn)的角度和速度要在時間測試中逐漸進行改善。</p><p>　　圖3.15 避障硬件電路</p><p><b>　　第4章 軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件流程圖</p><p>　　自動循跡小車系統(tǒng)程序要求對4個光電對管的信號和2個E18-D80NK可調(diào)紅外避障傳感

85、器進行檢測，然后單片機根據(jù)檢測到得信號做出相應(yīng)的控制反應(yīng)，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，達到自動循跡和避障的目的。具體程序流程圖如圖4.1。</p><p>　　圖4.1 程序流程圖</p><p><b>　　4.2 程序設(shè)計</b></p><p>　　4.2.1 計時程序設(shè)計</p><p>　　為了更方便的控

86、制小車速度，采用PWM調(diào)速方式，而該中斷計時程序的作用是產(chǎn)生一個基準(zhǔn)的時間，調(diào)用該程序讓某一I/0口保持高電平，然后再調(diào)用一次將該I/0口取反就形成了PWM信號，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，非常方便，改變t的值來改變占空比。</p><p>　　void timer(unsigned int t) //中斷計時</p><p><b>　　{</b></p>

87、<p>　　unsigned int i;</p><p>　　for(i=0;i<t;i++) /*計數(shù)t*50*/</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0X10;</p><p>　　TH0=0x3C; </p><p><b>　

88、　TL0=0xB0;</b></p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p>　　while(!TF1);</p><p><b>　　TR1=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b

89、>　　}</b></p><p>　　4.2.2 主程序設(shè)計</p><p>　　主程序的內(nèi)容包括初始化程序，讀取傳感器信息，以及根據(jù)相應(yīng)的電機控制程序等。其中傳感器信號可能邏輯狀態(tài)如表4.1所示，根據(jù)這些狀態(tài)結(jié)合實際軌跡情況對電機進行相應(yīng)控制，不同的軌跡在相同狀態(tài)下電機的控制也會不同（“1”表示傳感器未檢測到黑線，“0”表示傳感器檢測到黑線）。</p>

90、<p>　　表4.1 傳感器信號可能邏輯狀態(tài)</p><p>　　例如小車偏左狀態(tài)如圖4.2所示，當(dāng)小車處于這種狀態(tài)時，小車向左轉(zhuǎn)彎才能讓黑線在小車正下方，這時應(yīng)該控制左輪電機速度不變，右輪電機加速才能比較平穩(wěn)的讓小車恢復(fù)最佳循跡狀態(tài)。當(dāng)小車右邊兩個傳感器都在黑線上時（如圖4.3），表明小車需要轉(zhuǎn)過90°彎，這時應(yīng)該左輪電機正傳，右輪電機反轉(zhuǎn)才能平穩(wěn)的沿著黑線轉(zhuǎn)彎。</p>&

91、lt;p>　　圖4.2 小車偏左狀態(tài)</p><p>　　圖4.3 小車偏右狀態(tài)</p><p>　　基于上述傳感器可能出現(xiàn)的邏輯狀態(tài)循跡程序如下：</p><p><b>　　main() </b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　I

92、N1=1,IN2=0,IN3=1,IN4=0;</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(BZ1==1&&((RPR3==1&&RPR1==1&&RPR2==1&&RPR4==1)|

93、(RPR3==1&&RPR1==0&&RPR2==0&&RPR4==1)))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　IN1=1,IN2=0,IN3=1,IN4=0;</p><p><b>　　ENA=1;</b></p><p>

94、;<b>　　ENB=1;</b></p><p>　　timer(100);</p><p><b>　　ENA=0;</b></p><p><b>　　ENB=0;</b></p><p>　　timer(400);</p><p><b&g

95、t;　　}</b></p><p>　　······ ······</p><p>　?。ㄔ敿毘绦蛞姼戒汢）</p><p><b>　　第5章 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　先用

96、Proteus設(shè)計好電路圖，再利用KeilC51軟件編譯程序生成Hex文件，將其導(dǎo)入Proteus里的51單片機，然后便可進行仿真。各種電機轉(zhuǎn)向如下列如圖所示（在所有圖中，開關(guān)閉合表示檢測到黑線，斷開表示為檢測到）。</p><p>　　情況一：未檢測到障礙，未檢測到黑線，（中間兩個傳感器檢測到黑線仿真結(jié)果與之相同）。從仿真過程可以發(fā)現(xiàn)：左右輪同步調(diào)順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　情況二

97、：未檢測到障礙，左邊兩個傳感器當(dāng)中有一個檢測到黑線。從仿真過程可以發(fā)現(xiàn)：此時左輪反向逆時針轉(zhuǎn)動，速度越來越慢，直到停止，右輪仍順時針轉(zhuǎn)動，速度保持原來狀態(tài)。</p><p>　　情況三：未檢測到障礙，右邊兩個傳感器當(dāng)中有一個檢測到黑線。從仿真過程可以發(fā)現(xiàn)：此時右輪反向逆時針轉(zhuǎn)動，速度越來越慢，直到停止，左輪仍順時針轉(zhuǎn)動，速度保持原來狀態(tài)。</p><p>　　情況四：未檢測到障礙，左邊兩個

98、傳感器或者左邊三個傳感器檢測到黑線。從仿真過程可以發(fā)現(xiàn)：此時左輪立刻反向逆時針轉(zhuǎn)動，反向加速度很大，速度變成負數(shù)，最后趨于穩(wěn)定，右輪雖仍順時針轉(zhuǎn)動，但加速度也很大，速度比之前大的很多，兩個輪子保持反向同步。 </p><p>　　情況五：未檢測到障礙，右邊兩個傳感器或者右邊三個傳感器檢測到黑線。從仿真過程可以發(fā)現(xiàn)：此時右輪立刻反向逆時針轉(zhuǎn)動，反向加速度很大，速度變成負數(shù)，最后趨于穩(wěn)定，左輪雖仍順時針轉(zhuǎn)動，但加速度

99、也很大，速度比之前大的很多，兩個輪子保持反向同步。 </p><p>　　情況六：小車沿黑線運行時，前面的避障傳感器檢測到障礙。從仿真過程可以發(fā)現(xiàn)：左輪順時針轉(zhuǎn)動，右輪逆時針轉(zhuǎn)動，使得小車向右轉(zhuǎn)從而避開障礙。未檢測到障礙再左轉(zhuǎn)繞過障礙循跡，通過實物調(diào)試，使得左右輪的轉(zhuǎn)動滿足要求，具體過程較為復(fù)雜，不一一圖示說明。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p

100、><p>　　本次課程設(shè)計，利用網(wǎng)上關(guān)于循跡小車的論文以及圖書館相關(guān)書籍等資料，對自動循跡小車的各個模塊功能進行了分析和研究。論文著重介紹了由UC3842芯片及其構(gòu)成的開關(guān)電源模塊、L298N電機驅(qū)動芯片及其組成的電機驅(qū)動模塊以及由RPR220型光電對管組成的循跡模塊。</p><p><b>　　本文主要內(nèi)容如下：</b></p><p>　　（

101、1）首先介紹了自動循跡小車的基礎(chǔ)知識及其應(yīng)用領(lǐng)域，以及現(xiàn)在國內(nèi)外循研究的現(xiàn)狀；</p><p>　?。?）接著深入分析了自動循跡小車的基本原理。對總體方案和元器件的選擇進行了分析與論證，確定了最終總體設(shè)計方案；</p><p>　　（3）再用了較大篇幅介紹了自動循跡小車的硬件設(shè)計，對各個模塊以及用到的相關(guān)芯片進行了具體的闡述，并設(shè)計出各個模塊的硬件電路圖，包括開關(guān)電源模塊、循跡模塊、電機驅(qū)

102、動模塊等；</p><p>　?。?）然后介紹了自動循跡小車的程序流程，并對程序進行了設(shè)計；</p><p>　?。?）最后進行電機仿真與調(diào)試工作，并對仿真結(jié)果進行了一定的分析。</p><p>　　通過本次設(shè)計，我了解了自動循跡小車的相關(guān)原理及其各種應(yīng)用，也再次熟悉了繪圖軟件Protel、仿真軟件Proteus以及編譯軟件KeilC51，也認識了一些相關(guān)的芯片結(jié)構(gòu)

103、及其應(yīng)用。本次設(shè)計的難點在于開關(guān)電源部分，電路圖與原理都較復(fù)雜，所以最終不得不依靠網(wǎng)絡(luò)和圖書館等資源。整個設(shè)計過程，也為自己新增了不少知識，開拓了自己的思維，也鍛煉了自己的動手能力，我相信這些都能為以后的實際工作提供良好的基礎(chǔ)。雖然本文是盡了自己的最大努力做到最好，不過難免當(dāng)中仍有不足之處，所以懇請老師批評與指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

104、p>　　[1] 羅志增,蔣靜坪. 循跡小車感覺與多信息融合. 北京:機械工業(yè)出版社,2003</p><p>　　[2] 蔡自興. 中國的智能循跡小車研究. 莆田學(xué)院學(xué)報, 2002</p><p>　　[3] 吳林. 智能循跡小車主題型號工作的回顧. 循跡小車技術(shù)與應(yīng)用,2001</p><p>　　[4] 歐青立,何刻忠. 室外智能循跡小車的發(fā)展及其關(guān)鍵技

105、術(shù)研究循,2000</p><p>　　[6] 黃惟公等. 單片機原理與應(yīng)用技術(shù). 西安:西安電子科大出版社,2007;</p><p>　　[7] 張瑾,張偉,張立寶. Protel 99SE入門與提高. 北京:人民郵電出版社,2007;</p><p>　　[8] 宋戈,黃鶴松. 51單片機應(yīng)用開發(fā)范例大全. 北京:人民郵電出版社,2010;</p>

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107、敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華. 單片開關(guān)電源. 北京:電子工業(yè)出版社,2007;</p><p>　　[13] 王曉明. 電動機的單片機控制. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007;</p><p>　　[14] 何希才. 傳感器及其應(yīng)用電路. 北京:電子工業(yè)出版社,2001</p><p>　　[15] 呂惠智. 紅外技術(shù). 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998<

108、/p><p>　　[16] 王麗敏. 電路仿真與實驗. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2000</p><p>　　[17] 胡漢才. 單片機原理及其接口技術(shù). 北京:清華大學(xué)出版社,1996</p><p><b>　　附錄A 總電路圖</b></p><p>　　附錄B 循跡小車程序</p><p&g

109、t;　　#include<reg52.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int </p><p>　　// * * * * * * * 第 一 部 分 初始化 * * * * * * *</p><p>　　//