智能循跡小車實驗報告

1、摘要本設(shè)計主要有單片機模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊以及電源模塊組成，小車具有自主尋跡的功能。本次設(shè)計接受STC公司的89C52單片機作為把握芯片，傳感器模塊接受紅外光電對管和比較器實現(xiàn)，能夠輕松識別黑白兩色路面，同時具有抗環(huán)境干擾力量，電機模塊由L298N芯片和兩個直流電機構(gòu)成，組成了智能車的動力系統(tǒng)，電源接受7.2V的直流電池，經(jīng)過系統(tǒng)組裝，從而實現(xiàn)了小車的自動循跡的功能。 關(guān)鍵詞 智能小車 STC89C52單片機 L298N 紅外光對管1 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的進展，機器人的設(shè)計越來越精細，功能越來越簡單，智能小車作為其的一個分支，也在不斷進展。在近幾年的電子設(shè)計大賽中，關(guān)于小車的智能化功能

2、的實現(xiàn)也多種多樣，因此本次我們也打算設(shè)計一智能小車，使其能自動識別預(yù)制道路，依據(jù)設(shè)計的道路自行尋跡。2 設(shè)計任務(wù)與要求接受MCS-51單片機為把握芯片（也可接受其他的芯片），紅外對管為識別器件、步進電機為行進部件，設(shè)計出一個能夠識別以白底為道路色，寬度10mm左右的黑色膠帶制作的不規(guī)章的封閉曲線為引導(dǎo)軌跡并能沿該軌跡行進的智能尋跡機器小車。3 方案設(shè)計與方案選擇3.1 硬件部分可分為四個模塊：單片機模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊以及電源模塊。3.1.1 單片機模塊為小車運行的核心部件，起把握小車的全部運行狀態(tài)的作用。由于以前自己開發(fā)板使用的是ATMEL公司的STC89C52，所以讓然選擇這個芯

3、片作為把握核心部件。STC89C52是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。其程序和數(shù)據(jù)存儲是分開的。3.1.2 傳感器模塊方案一：使用光敏電阻組成光敏探測器采集路面信息。阻值經(jīng)過比較器輸出凹凸電平進行分析，但是光照影響很大，不能穩(wěn)定工作。方案二：使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外光電對管，其結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)便利，成本低廉，沒有簡單的圖像處理工作，因此反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時間少。但也存在不足，它能獵取的信息是不完全的，簡潔受很多擾動（如背景光源，高度等）的影響，抗干擾力量較差。方案三：

4、使用CCD傳感器來采集路面信息。使用CCD可以獵取大量的圖像信息，把握全面的路徑信息，抗干擾力量強，為以后功能的擴展供應(yīng)便利。但使用CCD需要大量的圖像處理工作，進行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算，因此電路簡單，實現(xiàn)起來工作量大。方案四：使用光電對管采集路面信息。RPR220結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，調(diào)整電路簡潔工作性能穩(wěn)定?？梢姺桨杆淖钸m宜，但僅從今項目考慮，方案二成本低，也能完成設(shè)計，故選用方案二。3.1.3 電機把握模塊3.1.3.1電機的選擇方案一：接受步進電機，其轉(zhuǎn)過的角度可以精確定位，可實現(xiàn)小車行進過程的精確定位。但步進電機的輸出力矩低，隨轉(zhuǎn)速的上升而降低，且轉(zhuǎn)速越快下降得越快。方案二：接受直流電機

5、，其轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡潔，操作便利。速度的調(diào)整可以轉(zhuǎn)變電壓也可以調(diào)整PWM?；谝陨?，我們選擇了方案二，使用直流電機作為驅(qū)動電機。3.1.3.2電機的驅(qū)動接受專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片，其操作便利，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。一片L298N就可以分別把握兩個直流電機。3.1.4 電源模塊給整個系統(tǒng)穩(wěn)定供電以保持其正常工作，包括7.2V的電源以及轉(zhuǎn)5V部分，其中7.2V的是給電機和其驅(qū)動供電，5V的用來驅(qū)動單片機及其他芯片。以上單元連接如下圖所示：3.2 軟件部分3.2.1程序流程圖此系統(tǒng)接受89C52單片機，再依據(jù)硬件連接，通過相應(yīng)的軟件來完成對信號的采集和數(shù)據(jù)的分析，再把握小

6、車的運行狀態(tài)，以下為主程序流程圖：3.2.2程序設(shè)計思路3.2.2.1尋跡模塊程序通過傳感器獲得路面信息然后反饋給單片機，再通過單片機來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。3.2.2.2電機驅(qū)動模塊程序把握兩個直流電機，實現(xiàn)前進、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、停車等功能。4 各部分電路的作用及電路工作原理分析4.1 信號采集模塊4.1.1 TCRT500結(jié)構(gòu)與工作原理TCRT5000(L)具有緊湊的結(jié)構(gòu)發(fā)光燈和檢測器支配在同一方向上，利用紅外光譜反射對象存在另一個對象上，操作的波長大約是950毫米。探測器由光電晶體三極管組成的,它由高放射功率紅外光電二極管和高度靈敏光電晶體管組成。通過測試，其檢測距離在2mm-10mm。

7、TCRT5000的放射管和接收管是一起封裝在矩形塑料殼中，為了使檢測更加精確，我們用了5只TCRT5000檢測黑線，實物見圖4-1。4.1.2 信號采集電路圖及原理小車在白色地面行駛時，紅外放射管發(fā)出的紅外信號被反射，接收管收到信號后，輸出端為低電平，經(jīng)過比較器比較后輸出為低電平。而當(dāng)紅外信號遇到黑色導(dǎo)軌時，紅外信號被吸取，接收管不能接收信號，輸出端為高電平，經(jīng)過比較器比較后輸出高電平。單片機通過采集每個比較器的輸出端電壓，便可以檢測出黑線的相對位置的位置，從而把握小車的行駛方向。4.2 信息處理模塊4.2.1 原理檢測到白色路面的紅外接收頭處理后送出的是低電平，而檢測到黑色路線的檢測頭送出的

8、是高電平，由此可依據(jù)這5個紅外接收頭的凹凸電平推斷路線狀況而調(diào)整小車前進方向。具體狀況有如下幾種：a 檢測到 1 1 1 1 1 或0 0 0 0 0小車應(yīng)當(dāng)停止。b 檢測到 1 0 0 0 0 或0 1 0 0 0 或1 1 0 0 0 說明路線向左偏，小車向左轉(zhuǎn)。c 檢測到 0 0 0 0 1 或0 0 0 1 0 或0 0 0 1 1說明路線向右偏，小車向左轉(zhuǎn)。d 檢測到 x x 1 x x（x不全為1） 說明線路是直的，小車直走。4.3 電機驅(qū)動模塊4.3.1直流電機給兩個電刷A和B加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷 B 流出，依據(jù)電

9、磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。假如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流淌方向是dcba，從電刷 B 流出。此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍舊使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是溝通的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。有用中的直流電動機轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連接而成，以削

10、減電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機。4.3.2電路圖我們接受成品L298N電機驅(qū)動模塊，接受光電耦合器件隔離單片機與L298N的把握電路，工藝精度高，性能牢靠。L298N模塊內(nèi)部通過H橋電路實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，其原理如下：如圖4-3所示，全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導(dǎo)通則 另一組必需關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時，S3、 S4關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實 現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時，S1、S2關(guān)斷，電機兩端為反向電 壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。橋驅(qū)動電路4.3.3原理L298N是ST公司生產(chǎn)的一

11、種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片接受15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；接受標準規(guī)律電平信號把握；具有兩個使能把握端，在不受輸入信號影響的狀況下允許或禁止器件工作有一個規(guī)律電源輸入端，使內(nèi)部規(guī)律電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給把握電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動兩臺直流電機。5 系統(tǒng)調(diào)試 5.1硬件部分焊接完成后，首先進行的調(diào)試是用數(shù)字萬用表測量各個電路是否焊接

12、正常，是否有虛焊漏焊等現(xiàn)象的消滅，以及各個電容是否是正常的未被擊穿狀態(tài)、電阻的阻值是否與設(shè)計的原理圖上的全都。接通電源，用數(shù)字萬用表測量當(dāng)有+5V的各引腳是否有+5V的電壓，測量電路中是否消滅了不該有的短路現(xiàn)象。接入光電傳感器模塊，使各個光電檢測器的光電對管靠近白紙，觀看對應(yīng)的發(fā)光二極管是否發(fā)光，不發(fā)光表示正常。 然后再使各個光電對管靠近黑線，觀看對應(yīng)的發(fā)光二級管是否發(fā)光，發(fā)光表示正常。5.2軟件部分我們先測試了小車的前進，停止，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。組裝信號采集模塊后，實現(xiàn)小車的自動循跡功能。具體實現(xiàn)程序見附錄一6 總結(jié)試驗結(jié)果如符合試驗要求，小車依據(jù)黑膠布軌跡前進，并能夠準時正確顯示小車的行進狀態(tài)以

13、及行進距離。具體現(xiàn)象如下：左邊傳感器檢測到黑線，小車左轉(zhuǎn)；右邊傳感器檢測到黑線，小車右轉(zhuǎn)；中間傳感器檢測到黑線，小車直行。從而就可以完成對黑膠布的循跡功能。7 參考文獻1電子信息專業(yè)試驗教程 趙剛 李佐儒 四川高校出版社2單片機C語言教程 郭天祥 電子工業(yè)出版社3模擬電子技術(shù) 童詩白 清華高校出版社附錄一程序：#include<reg52.h>sbit DJ_left_s = P10; /直流電機把握sbit DJ_left_n = P11; sbit DJ_right_s = P12;sbit DJ_right_n = P13;/左轉(zhuǎn)函數(shù)void Turn_right()DJ_left_s = 0;DJ_left_n = 1;DJ_right_s = 1;DJ_right_n = 0;/右轉(zhuǎn)函數(shù)void Turn_left()DJ_left_s = 1;DJ_left_n = 0;DJ_right_s = 0;DJ_right_n = 1;/前進函數(shù)void Go_ahead()DJ_left_s = 1;DJ_left_n = 0;DJ_right_s = 1;DJ_right_n = 0;/停止函數(shù)void Stop()DJ_left_s = 0;DJ_left_n = 0;DJ_right_s = 0;DJ_right_n =