基于STC12C5A08S2單片機履帶小車的功率控制畢業(yè)論文

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1、 摘摘要要本文設(shè)計是基于 STC12C5A08S2 單片機履帶小車的功率控制。利用紅外傳感器控制履帶車自動避開前方障礙和自動尋跡動作，實現(xiàn)小車的前進、后退、轉(zhuǎn)彎功能。本設(shè)計主要體現(xiàn)小車的自主控制直流電機運行達(dá)到智能的目的，綜合多個科目知識，從電系統(tǒng)路到軟件系統(tǒng)設(shè)計完善，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，硬件制作簡易，具有較高的可行性和可靠性，實驗測試結(jié)果滿足要求。同時該履帶小車可以作為玩具的發(fā)展方向，為中國的高端玩具的技術(shù)缺乏進行彌補。采用的主要技術(shù)有：（1）傳感器的有效使用，（2）單片機的應(yīng)用， （3）對電機的控制。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：履帶小車；單片機；STC12CA60S2；尋跡；避障 AbstractThi

2、s design is based on SCM STC12C5A08S2crawler for power control. Use infrared sensors to control of tracked vehicle can automatically avoid obstacles ahead and automatic tracing action, realize the car forward, backward, turning function. This design mainly car of the autonomic control of DC motor op

3、eration to achieve intelligent, integrated many subjects knowledge, from the electrical system to improve the way software system design, the system has the advantages of compact structure, simple hardware manufacture, with high feasibility and reliability, experimental test results meet the require

4、ments. At the same time the track car can be used as a toy development direction for Chinas high-end toys, the lack of technology to make amends. The main techniques are: (1) sensor is effective use, (2) the application of SCM, (3) for motor control.Key words: crawler; MCU; STC12CA60S2; tracing; obs

5、tacle avoidance 目錄目錄第一章第一章 前言前言.1第二章第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計.22.1 履帶車控制設(shè)計.22.2 控制核心方案設(shè)計.22.3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計 .3第三章第三章 履帶車電路設(shè)計履帶車電路設(shè)計.43.1 主控電路設(shè)計 .43.1.1 單片機最小系統(tǒng).43.1.2 復(fù)位電路.43.2 穩(wěn)壓電源模塊 .53.3 LED 顯示模塊設(shè)計 .63.4 驅(qū)動模塊設(shè)計 .73.4.1 驅(qū)動芯片選型.83.4.2 驅(qū)動電路設(shè)計.93.5 循跡電路設(shè)計 .103.5.1 循跡傳感器.103.5.2 避障傳感器設(shè)計.113.6 蜂鳴器驅(qū)動模塊設(shè)計 .123.7 履帶車車體

6、 .13第四章第四章 行駛方案設(shè)計行駛方案設(shè)計.144.1 循跡方案設(shè)計.154.1.1 循跡流程圖.164.1.2 循跡程序設(shè)計.174.2 避障方案.184.2.1 避障流程圖.19 4.2.2 避障程序設(shè)計.204.3 總體方案 .22第五章第五章 制作與調(diào)試制作與調(diào)試.245.1 PCB 設(shè)計與制作.245.2 履帶車的安裝調(diào)試 .245.3 履帶車總體調(diào)試運行 .25第六章第六章 結(jié)論結(jié)論.26結(jié)束語結(jié)束語.27致謝致謝.28參考文獻參考文獻.29附錄附錄.30 1 第一章第一章 前言前言目前我們能見到各式各樣的履帶車，其中最為大家熟悉的是坦克。坦克是最早應(yīng)用履帶的成熟車輛，發(fā)展到現(xiàn)

7、在已經(jīng)有很多功用的車輛使用履帶，如：收割機，挖掘機，玩具車等。履帶在特定的路面上有著非常好的機動性、附著性。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，我校也有飛思卡爾智能車的項目，并屢次在全國智能車大賽上獲獎。可見其研究意義很大。本設(shè)計就是在這樣的背景下提出的，指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準(zhǔn)備。本題目是結(jié)合科研項目而確定的設(shè)計類課題。履帶智能車與平常四輪車有著很大的區(qū)別，履帶車有靈活的轉(zhuǎn)向和強大的通過性，能適應(yīng)各種復(fù)雜場景，現(xiàn)今很多機器人行動部分也是采用履帶的形式，實現(xiàn)行動自如。本設(shè)計是履帶車的行動控制研究，是智能車研究領(lǐng)域的

8、重要組成部分，實現(xiàn)多學(xué)科綜合研究。根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電、紅外線實現(xiàn)對履帶車位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)控制電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對履帶車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對履帶車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。本設(shè)計采用 STC12CA60S2 系列中的 08S2 單片機。以 08S2 為控制核心，利用紅外傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，以及利用光電傳感器檢測道路軌跡自動尋跡功能。08S2 是一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的

9、好評。08S2 單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代 8051 單片機，內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合，正適合履帶車的應(yīng)用1。 2第二章第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 履帶車控制設(shè)計履帶車控制設(shè)計這里用循跡傳感器和避障傳感器實現(xiàn)履帶小車的控制。這兩種傳感器是制作智能車普遍采用的傳感器，性能較穩(wěn)定。紅外傳感器比光電傳感器的探測距離要大很多。循跡傳感器可用于履帶車的探測距離較近循跡控制，循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”

10、，沒接收到反射光傳感器輸出低電平，反之輸出高電平，經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行相應(yīng)的行駛狀態(tài)。避障傳感器課用于履帶車的探測距離較遠(yuǎn)避障控制，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向前方發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；反之小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定小車是否執(zhí)行避障。如：當(dāng)左側(cè)紅外傳感器檢測到障礙，向單片機發(fā)送低電平信號，單片機執(zhí)行避障程序2。2.2 控制核心方案設(shè)計控制核心方案設(shè)計 方案一：選用一片 CPLD（如 EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件

11、，實現(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，可利用 VHDL 語言進行編寫開發(fā)。但 CPLD 在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD 的處理速度非?？?，而小車的行進速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，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，進而提出了第二種設(shè)想。方案二: 3采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快

12、捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對本設(shè)計特點多開關(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)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機，而不能用精簡 I/O 口和程序存儲器的小體積單片機，D/A、A/D 功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了 STC12C5A08S2 單片機作為本設(shè)計的主控裝置，該款單片在實驗課程中多次使用，性能穩(wěn)定。該單片機具有功能強大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá) 8K，對于本設(shè)計也綽綽有余，更可貴的是該單片機價格非常低廉3。在綜合考慮了傳感器、兩部電機的驅(qū)動等諸多因素后，

13、我們決定采用一片單片機，充分利用 STC12C5A08S2 單片機的資源。2.3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計控制系統(tǒng)總體設(shè)計智能履帶車控制系統(tǒng)由主控模塊、穩(wěn)壓電源模塊、傳感器信號模塊、電機及驅(qū)動模塊等部分組成,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1 所示4。穩(wěn)壓電源模塊主控模塊驅(qū)動模塊傳感器信號模塊LED 顯示模塊減速電機圖 2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 4第三章第三章 履帶車電路設(shè)計履帶車電路設(shè)計3.1 主控電路設(shè)計主控電路設(shè)計主控電路主要包括兩部分：單片機最小系統(tǒng)和復(fù)位電路。這兩部分構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心控制整體的運轉(zhuǎn)。3.1.1 單片機最小系統(tǒng)主控電路只需要連接單片機最小系統(tǒng)即可，引出單片機的 I/O 口，采用 12

14、MHZ 的外部晶振。具體電路如 3.1 所示5。圖 3.1 單片機最小系統(tǒng)3.1.2 復(fù)位電路 該模塊用于單片機的復(fù)位以及外部中斷時使用。當(dāng)要把按鍵 RESET 用作復(fù)位功能時， 5必須把 J7 處的跳帽接在 1、2 上；當(dāng)要把它做外部中斷使用時，必須把 J7 的跳帽接在2、3 上，這時當(dāng)按下 RESET 按鍵時該電路會產(chǎn)生一個單脈沖。電路圖如 3.2 所示。圖 3.2 復(fù)位電路3.2 穩(wěn)壓電源模塊穩(wěn)壓電源模塊本次設(shè)計只需要兩種電壓供給，一種是 6V12V 的驅(qū)動模塊供電，一種是單片機和傳感器的+5V 穩(wěn)壓供電。驅(qū)動模塊可直接用 7.2V 的高容量電池直接供電，這種電池經(jīng)過測試實際電壓一般在

15、8V 左右，能個驅(qū)動模塊提供充足電量。5V 穩(wěn)壓電路采用MC7805CT 制作，MC7805CT 是一個三角穩(wěn)壓器，最大輸入電壓 40V，輸出電壓 5V，電流1A，完全勝任本次 7.2V 的輸入穩(wěn)壓電路。接法如圖 3.3 所示。圖 3.3 穩(wěn)壓電源電路圖 J4 處接 7.2V 的電池電源，經(jīng)過 MC7805CT 穩(wěn)壓之后為 5V 的輸出，可供單片機和傳感器使用。接上 J3 和 J5 跳帽能給驅(qū)動電路供電。 在電源電路中，串聯(lián)了一個 IN4001 整流器，并聯(lián)了 2 個電容，這里是用于對電 6源進行處理，外接電源的性質(zhì)比較復(fù)雜不穩(wěn)定，而單片機需要一個 5V 穩(wěn)定的直流電源，本設(shè)計電源用的是 7.

16、2V 的高容量電池，我用 IN4001 整流，得到品質(zhì)較好的直流電源，二極管在這里能平穩(wěn)電壓消除毛刺，然后經(jīng)過 5V 穩(wěn)壓器得到單片機所需要的電壓6。3.3 LED 顯示模塊設(shè)計顯示模塊設(shè)計本次設(shè)計顯示數(shù)據(jù)比較簡單主要體現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示方法，顯示模塊采用共陰極接法的數(shù)碼管顯示，段碼數(shù)據(jù)線接在單片機 P0 端口，4 個位選分別接在 P20-P23 端口上。其原理圖如 3.4 所示。圖 3.4 數(shù)碼管顯示電路從上面電路圖我們能看出數(shù)碼管 7 段碼輸入直接由單片機輸出，而 4 位碼的控制沒有直接由單片機直接驅(qū)動，而是由 4 個三極管作為開關(guān)控制選片，當(dāng)單片機 P20 到P23 輸出高電平時三極管導(dǎo)

17、通，位碼管教接地導(dǎo)通，輸出低電平時三極管高阻態(tài)，相應(yīng)的數(shù)碼管也不會被點亮。單片機作為核心控制器需要穩(wěn)定的工作環(huán)境，單片機的驅(qū)動能力較弱，如果直接有 I/O 控制，增加了單片機的負(fù)荷，數(shù)碼管電阻較小，沒有開關(guān)驅(qū)動電路，會造成單片機 I/O 口短接，影響單片機工作，導(dǎo)致?lián)p壞單片機7。 73.4 驅(qū)動模塊設(shè)計驅(qū)動模塊設(shè)計采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強，采用由達(dá)林頓管組成的 H 型橋式電路如圖 3.5 所示8。圖 3.5 H 橋式電路用單片機控制達(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)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式

18、下，效率非常高，H 型橋式電路保證了簡單的實現(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，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 如圖 3.6 所示。圖 3.6 L298N 實物圖 8這種調(diào)速方式有調(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，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。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。3.4.1 驅(qū)動芯片選型驅(qū)動模塊采用專用芯片 L298N 作為電機驅(qū)動芯片，L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片外部引腳圖如 3.7 所示。圖 3.7 L298

19、N 外部引腳其響應(yīng)頻率高，一片 L298N 可以分別控制兩個直流電機。以下為 L298N 輸入輸出關(guān)系如表 1 所示。表 1 L298N 輸入輸出關(guān)系ENAIN1IN2電機運行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)HIN2IN1快速停止LXX停止 93.4.2 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路如圖 3.8 所示 ，驅(qū)動電路 IN1 到 IN4 依次接單片機 P1_0 到 P1_3 端口，IN1 和 IN2 控制電機 1，IN3 和 IN4 控制電機 2。圖 3.8 驅(qū)動電路圖電路中除了使用了驅(qū)動芯片 L298N，還使用了發(fā)光二極管和續(xù)流二極管。發(fā)光二級管可以指示電極正反轉(zhuǎn)動的情況，方便設(shè)計中觀察狀態(tài)變化，容易調(diào)試。電路

20、中還加裝了續(xù)流二極管。續(xù)流二極管經(jīng)常和儲能元件一起使用，防止電壓電流突變，提供通路，續(xù)流二極管不是一個實質(zhì)的元件，而是在電路中起到續(xù)流作用。本設(shè)計中履帶車在時間跑動中會控制電機頻繁的正反轉(zhuǎn)，直流電機也相當(dāng)于發(fā)電機電機兩級間會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)電流消失時感應(yīng)電動勢會對電路中其他元件產(chǎn)生反向電壓，當(dāng)方向電壓高于元件的反擊穿電壓時會損壞一些元器件，如三極管，晶閘管。這里我分別在量電機極端接上續(xù)流二極管作為保護電路。這些續(xù)流二極管構(gòu)成回路消耗感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的能量，從而保護整個電路中其他元件9。 103.5 循跡電路設(shè)計循跡電路設(shè)計 傳感器是智能車的“眼睛” ，它能給我提供智能車的周圍的信息，在本次設(shè)計

21、中采用兩種傳感器：循跡傳感器和避障傳感器。循跡傳感器探測距離短，但探測效果較好，識別黑白色的能力較強，成本低。而避障方面采用紅外傳感器，探測距離較遠(yuǎn)，能有效識別大多數(shù)顏色和黑色的差別提供穩(wěn)定信號，成本稍高點。3.5.1 循跡傳感器LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或正負(fù)雙電源15V15V工作，其內(nèi)部電路如圖3.9所示10。圖 3.9 LM324 內(nèi)部電路在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的高低，以電平高低判定黑線有無。在電路中，LM324的一個輸入端需接滑動變阻器，通過改變滑動變

22、阻器的阻值來提供合適的比較電壓，單個集成運放如圖3.10所示。圖 3.10 集成運放的管腳圖循跡電路圖如圖 3.11 所示，當(dāng) TCRT5000 感光導(dǎo)通的時候 R1 和 R2 接地，3 處的電 11壓接近 0,R3 位滑動電阻，2 處的電壓設(shè)為 3V，3 處小于 2 處，LM342 的 OUT 端會輸出低電平，供單片機檢測。反之 LM324 處輸出高電平。圖 3.11 循跡電路圖本次設(shè)計采用 3 路循跡模塊，依次排在小車前方，左中右 3 路接單片機 P1_4 到P1_6。循跡對應(yīng)如表 2 所示。表 2 循跡端口狀態(tài)對應(yīng)表P1_4P1_5P1_6左中右101前進011左轉(zhuǎn)110右轉(zhuǎn)3.5.2

23、避障傳感器設(shè)計該傳感器檢測距離為 0-80CM，于淘寶購買。該傳感器屬于市場產(chǎn)品，這里只介紹用法。實物圖如 3.12 所示。 12圖 3.12 避障傳感器使用于本次設(shè)計的避障任務(wù)，避障模塊采用了 2 個傳感器分別放于小車前方的左側(cè)和右側(cè)，調(diào)節(jié)該傳感器的檢測距離為 15cm。當(dāng)遇到障礙時傳感器會給出低電平。左避障傳感器接于單片機 P3_5 端口，右避障傳感器接于單片機 P3_6 端口。3.6 蜂鳴器驅(qū)動模塊設(shè)計蜂鳴器驅(qū)動模塊設(shè)計由于單片機輸出電流較小不能驅(qū)動蜂鳴器，這里借助 S9013 PNP 型三極管放大電路驅(qū)動蜂鳴器，三極管 Q 起開關(guān)作用，其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通

24、，蜂鳴器發(fā)聲；而基極低電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。在本設(shè)計中只要 P1.7 輸出不同的頻率方波信號，蜂鳴器也能發(fā)出各種頻率聲音，電路圖如圖3.13 所示。圖 3.13 蜂鳴器驅(qū)動電路在以上電路中我在蜂鳴器上并聯(lián)一個續(xù)流二極管。蜂鳴器本質(zhì)上是一個感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動三極管11。 133.7 履帶車車體履帶車車體本題目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，自己手工制作的履帶車通常會出現(xiàn)兩側(cè)履帶松緊度不一樣，跑邊，履帶脫輪等現(xiàn)象。綜合這些因素在網(wǎng)上找到 PR5 小車底盤符合設(shè)計需要，模型如圖 3.14

25、 所示。圖 3.14 履帶車底盤模型小車上裝有電池、電機、電子器件等，使得電機負(fù)擔(dān)較重。該底盤運動平穩(wěn)，從圖 3.7 中可以看出在直流電機和輪車軸之間加裝了減速齒輪，這樣不僅使電機的符合減輕，也符合我的設(shè)計需要。電池的安裝：將電池放置在車體前排車輪的上部位置，使車體的重心靠近前排車輪，進行大轉(zhuǎn)彎時小車能以前排輪為圓心轉(zhuǎn)彎，排除履帶車轉(zhuǎn)彎時側(cè)滑不確定性。 14第四章第四章 行駛方案設(shè)計行駛方案設(shè)計在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，行駛設(shè)計在微機控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，行駛方案和軟件控制更為重要。在單片機控制

26、系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。本系統(tǒng)中我采用了 5 個傳感器，3 路循跡傳感器，2 路避障傳感器。總體控制方案如圖 4.1 所示。 左避障右避障左循跡中循跡右循跡單片機報警顯示電機驅(qū)動左側(cè)前進左側(cè)后退右側(cè)前進右側(cè)后退圖 4.1 總體系統(tǒng) 154.1 循跡方案設(shè)計循跡方案設(shè)計小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機 I/O 口，一旦檢測到某個 I/O 口有信號，即進入判斷處理程序，先確定 3 個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面?zhèn)鞲衅?/p>

27、探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果左面和中間傳感器同時探測到黑線，此種情況為向左急轉(zhuǎn)彎；如果是右面?zhèn)鞲衅魈綔y到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。如果右面和中間傳感器同時探測到黑線，此種情況為向右急轉(zhuǎn)彎。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，如果中間傳感器探測黑線，左右沒有探測到黑線小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動作，履帶車控制如表 3 所示12。表 3 小車驅(qū)動控制對應(yīng)表單片機通過電機驅(qū)動電路控制小車的運行方法P1.0P1.1P1.2P1.3狀態(tài)P1.4P1.5P1.61001前進1011001前進1111001前進00001

28、10后退XXX1000左轉(zhuǎn)0110001右轉(zhuǎn)1101010快速左轉(zhuǎn)0010101快速右轉(zhuǎn)110 164.1.1 循跡流程圖由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個等級間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級通常是在超出第一級的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，流程如圖 4.2 所示。檢測黑線進入循跡是否檢測到黑線狀態(tài)判斷處理左急轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)右急轉(zhuǎn)繼續(xù)前進NY圖 4.2 循跡流程圖 174.1.2 循跡程序設(shè)計循跡方面我使用了 3 個傳感器，通過尋黑線實現(xiàn)對履帶車的智能控制，本次設(shè)計目的實現(xiàn)對履帶車的控制，在這里使用 3 路傳感器不僅能達(dá)到循跡目的也能顯示

29、出對履帶車的控制效果。void ww()/循跡if(P14=0&P15=1&P16=1)/右轉(zhuǎn) P10=1;P11=0;P12=0;P13=0;P17=0; else if(P14=0&P15=0&P16=1)/右急轉(zhuǎn) P10=1;P11=0;P12=1;P13=0;P17=0; else if(P14=1&P15=1&P16=0)左轉(zhuǎn) P10=0;P11=0;P12=0;P13=1;P17=0;else if (P14=1&P15=0&P16=0)/左急轉(zhuǎn) P10=0;P11=1;P12=0;P13=1;P17=0; else if(P14=1&P15=0&P16=1) /中尋黑前進 P10

30、=1;P11=0;P12=0;P13=1;P17=0; else if(P14=1&P15=1&P16=1)/不尋黑前進 P10=1;P11=0;P12=0;P13=1;P17=0;elseP10=1;P11=0; P12=0; P13=1; 以上程序我采用了簡單明了的 if 語句將我設(shè)計的路線循跡情況和對驅(qū)動電路的控制對應(yīng)起來，類似查詢表格方式。這樣設(shè)計程序使用 else if 語句我可以很容易添加運行狀態(tài)，使程序調(diào)試相對容易，減小工作量。 184.2 避障方案避障方案如圖 4.3 所示，經(jīng)過試驗測試，本設(shè)計使用的紅外傳感器的探測夾角較小，當(dāng)小車與障礙物平行行駛，或者與障礙物的夾角過小時，小

31、車將識別不到障礙，導(dǎo)致小車一側(cè)于障礙物解除碰撞。 圖 4.3 傳感器角度示意圖解決這個問題可以再小車左右 2 個方向增加 2 個傳感器探測，但這樣對傳感器的資源浪費較大，加大了電源的負(fù)荷，程序相對復(fù)雜。而我采用的方案是在小車前方水平避障傳感器的安裝使其約有 10 度的夾角，左右都是向外擴張 10 度，此紅外傳感器的探測距離調(diào)試約為 15cm，那么斜側(cè) 10 度夾角后前方探測距離變?yōu)?14.77cm 約為15cm 可以認(rèn)為保持不變，而 2 側(cè)多出了 3cm 的橫向安全距離，當(dāng)橫向距離小于 3cm時候小車也會執(zhí)行避障程序13。軟件設(shè)計上，避障動作是先檢測到障礙執(zhí)行避障程序，小車先后退一小段距離，在

32、這期間蜂鳴器報警，然后如果是右傳感器探測到障礙，小車將向左轉(zhuǎn)向，反之向右轉(zhuǎn)向，之后再檢測障礙，如果有障礙繼續(xù)循環(huán)動作，沒有障礙時小車將檢測循跡“黑線”檢查道路，如果無道路小車會向前直行。單片機通過傳感器控制驅(qū)動電路運行方法如表 4 所示。表 4 避障狀態(tài)對應(yīng)表左傳感器右傳感器執(zhí)行P1.0P1.1P1.2P1.3第一步0110P3.5=1P3.6=0第二步1010第一步0110P3.5=0P3.6=1第二步0101 194.2.1 避障流程圖在整體程序中，小車避障的優(yōu)先級最高，無論履帶車當(dāng)前是什么行駛狀態(tài)，檢測到障礙時，就跳入避障環(huán)節(jié)，避障完成后才執(zhí)行其他循跡，前進動作。在其他智能設(shè)計中，我們都

33、要考慮各個環(huán)節(jié)先后循序，使其符合應(yīng)用場合，流程如圖 4.4 所示。檢測障礙判斷是否有障礙左避障信號右避障信號執(zhí)行右轉(zhuǎn)避障程序執(zhí)行左轉(zhuǎn)避障程序前進開始YYN圖 4.4 避障流程 204.2.2 避障程序設(shè)計 整個電路中我采用 12MHZ 的外部晶振電路，在流程圖中能簡明的看出各個狀態(tài)執(zhí)行步驟，如果按照這個步驟以 12MHZ 的頻率執(zhí)行，程序檢測不會出現(xiàn)錯誤，但實際我們?nèi)搜蹖⒖床蝗魏蝿幼?，速度太快。所以各個步驟我們需要設(shè)定他們的執(zhí)行時間，比如避障時履帶車會倒退，那么我們需要設(shè)定它倒退的時間。在這里我們可以使用定時器也可以使用軟件延時14。在這里我使用了自己比較熟悉的軟件延時，使用軟件延時的優(yōu)點在于

34、非常方便調(diào)試，避障整個程序設(shè)計過程中需要進行多次試驗，編寫 delay（）延時函數(shù)，可以再程序任意地方進行調(diào)用，如以下避障程序中：P10=0;P11=1;P12=1;P13=0;delay(5000);這是小車倒退執(zhí)行語句，P10P13=0110,這個倒退狀態(tài)需要執(zhí)行 delay(5000)這么長時間。可以改變括號內(nèi)的數(shù)值進行調(diào)試，使小車倒退行駛我們需要的距離。該程序優(yōu)點在于方便調(diào)試也比較簡單，適合和我一樣初次設(shè)計只能車的同學(xué)。完整程序如下：void k()/避障后退函數(shù)if(kk=0)/檢測右傳感器信號P17=1;m=1;mm=1;xianshi(f);/避障顯示P10=0;P11=1;P1

35、2=1;P13=0;/后退delay(5000);kk=1;delay(5000);P17=0 else if(hh=0)P17=1;n=1;mm=1;xianshi(f);P10=0;P11=1;P12=1;P13=0;delay(5000);hh=1;delay(5000);P17=0; 21else m=0;n=0;mm=0; 以下是避障第二步程序，當(dāng)小車執(zhí)行完后退動作后，將執(zhí)行相應(yīng)的左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，在以下程序中我們也能看到使用軟件延時 delay(5000),使小車轉(zhuǎn)向合適的角度，這里使用的是履帶車原地轉(zhuǎn)向，比如右側(cè)正轉(zhuǎn)左側(cè)反轉(zhuǎn)。void ff()/左轉(zhuǎn)P10=1;P11=0;P12=1

36、;P13=0;delay(5000);void yy()/右轉(zhuǎn) P10=0;P11=1;P12=0;P13=1;delay(5000); 避障一直是全世界研究智能的重要課題，這里的避障方式先后退再轉(zhuǎn)向的方式，這樣避免了直接轉(zhuǎn)向碰撞障礙物的情況，這種方式好比先把自己置于安全的地方，然后去觀察情況，執(zhí)行動作。在設(shè)計中模仿自然規(guī)律，進行多學(xué)科融合，這樣設(shè)計的東西在使用的時候才會更穩(wěn)定的實現(xiàn)設(shè)計目的。 224.3 總體方案總體方案總體流程如圖 4.5 所示。檢測障礙開始判斷是否有障礙檢測黑線避障直行判斷是否有黑線循跡YNNY圖 4.5 總體方案在主程序設(shè)計上我沒有安排左右避障 23的先后順序，在傳感器

37、的安裝上采用的外張角放置，實際行駛中兩側(cè)幾乎不可能同時探測到障礙物，因此只需要獨立設(shè)置兩種方式的避障行駛方案即可，經(jīng)過實際行駛測試，小車運轉(zhuǎn)正常，沒有出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)，實現(xiàn)了自動控制的目的15。void main() uint y;f=0;P17=0; while(1) xianshi(f);k();/檢測障礙 while (m) if(m=1) /進入避障 f+; for(y=0;y50;y+) delay(100);k();for(y=0;y50;y+) delay(100);ff(); while (n) if(n=1) /進入避障 f+; for(y=0;y50;y+) delay(10

38、0);k(); for(y=0;y50;y+) delay(100);yy(); ww();/進入循跡 delay(5000); 24第五章第五章 制作與調(diào)試制作與調(diào)試5.1 PCB 設(shè)計與制作設(shè)計與制作本次履帶車設(shè)計主控電路由單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成，所采用的單片機為 51 內(nèi)核單片機，電路板使用上在可以直接采用學(xué)校 51 單片機最小系統(tǒng)實驗板，該板由湖北汽車工業(yè)學(xué)院實驗室制作。PCB 板如圖 5.1 所示。圖 5.1 單片機最小系統(tǒng)實驗板從 PCB 能很容易找出單片機的安裝位置和 I/O 口的引出位置，只需要安裝單片機和數(shù)碼管即可。最小系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，這樣避免單獨制作 PCB 板，極大節(jié)約設(shè)計

39、成本。5.2 履帶車的安裝調(diào)試履帶車的安裝調(diào)試該 PCB 板四角有螺柱孔，用四根螺柱安裝在小車前方，與傳感器靠近，減少傳感器傳送距離。而驅(qū)動電路置于小車尾部， 25電機上方。通過調(diào)節(jié)傳感器后方的變阻器的大小來調(diào)節(jié)紅外傳感器的探測距離，通過修改延時程序調(diào)整履帶車行駛狀態(tài)。最終履帶車制作成功，其實物如圖 5.2 所示。圖 5.2 履帶車5.3 履帶車總體調(diào)試運行履帶車總體調(diào)試運行將所有部件全部組裝成功后，燒寫好程序放在預(yù)定軌道上行駛，反復(fù)幾次后發(fā)現(xiàn)小車循跡避障個模塊功能變?nèi)?，探測距離變短，導(dǎo)致偏離跑道，最后出現(xiàn)小車行駛斷斷續(xù)續(xù)。剛開始以為程序問題。通過查找一些制作智能車常出現(xiàn)的故障，發(fā)現(xiàn)電量不足時

40、單片機會出現(xiàn)程序燒寫較慢，甚至無法擦除燒寫，斷續(xù)工作等故障。之后采用7.2V 鋰電池代替 6 節(jié) 9V 干電池，這些故障都得到排除。但小車在直角彎時候，有時轉(zhuǎn)向不足，有待提高，現(xiàn)實精確控制，表 6 為實際小車運行情況。表 6 小車運行情況履帶車運行次數(shù)成功循跡次數(shù)成功避障次數(shù)111212333434545 26第六章第六章 結(jié)論結(jié)論設(shè)計中所用到的外設(shè)有 5 個紅外傳感器，兩個直流電機，實現(xiàn)對履帶車的功率控制。剖開來說也就是對電機的控制。從網(wǎng)上查找智能車制作經(jīng)驗，基本都由單片機為內(nèi)核實現(xiàn)對小車的控制。而 80C51 為我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過的單片機，從而確定整個設(shè)計圍繞單片控制來做，為減少硬件設(shè)計帶來的

41、問題，采用課程試驗單片機 STC12C5A08S2，該單片功能強大完全滿足本次設(shè)計需要。 整個設(shè)計初期有老師知道，由于初次制作智能車，我大量搜集了相關(guān)制作經(jīng)驗，并了解履帶車獨有的行駛模式，與老師答疑確定控制方案。主要由三路控制，傳感器、單片機、電機驅(qū)動。硬件上在電機傳動系統(tǒng)中加裝了減速齒輪，行駛速度約為20cm/s。由電機驅(qū)動分別控制左右電機，解決轉(zhuǎn)彎時單片機控制小車左右不同轉(zhuǎn)向的問題。 在轉(zhuǎn)彎設(shè)計中，最大的難題是直角彎。小車很容易沖出跑道，這里利用履帶車原地轉(zhuǎn)彎的模式能解決這個問題，該功能是普通 4 輪車所難實現(xiàn)的。但實際測試中也會出行速度問題原地轉(zhuǎn)向過慢沖出跑道問題。需要通過跟精準(zhǔn)的控制完

42、全實現(xiàn)，在以后設(shè)計還有很大提升空間。 電源選擇方面，開始使用了和履帶車底盤配套的 6 節(jié)干電池盒 9V 電源，但實際調(diào)試中只有十幾分鐘就出現(xiàn)單片機和驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定，出現(xiàn)斷續(xù)行駛的情況，剛開始以為程序問題。通過查找一些制作智能車常出現(xiàn)的故障，發(fā)現(xiàn)電量不足時單片機會出現(xiàn)程序燒寫較慢，甚至無法擦除燒寫，斷續(xù)工作等故障。將電源換為高容量的鋰電池，整個小車比以前動力強勁，不在出現(xiàn)行駛“發(fā)虛”的情況。程序的編寫采用了 C 語言，使用 Keil 軟件進行調(diào)試。該軟件同時也支持匯編語言，但匯編相對邏輯更嚴(yán)密。整個編程過程中得到老師和同學(xué)的極大幫助，讓我感受到“旁觀者清”的概念，很多時候自己一個思路做下去很

43、難發(fā)現(xiàn)問題，但有多個思路看問題時就能發(fā)現(xiàn)許多不足，所以團隊合作也很重要。最后整個設(shè)計圓滿結(jié)束，實現(xiàn)對履帶車的功率控制。 27結(jié)束語結(jié)束語從開始與指導(dǎo)老師協(xié)商選定課題到整個課題思路的設(shè)計對于我來說是個巨大的項目，本設(shè)計持續(xù) 3 個月，從對智能車一竅不通到最后圓滿完成設(shè)計效果，感覺到自己有極大的提高。此次設(shè)計主要應(yīng)用到 C 語言編程，數(shù)字電路，模擬電路等知識，用到Keil 和 protel99se 兩個軟件，設(shè)計中很好的將這些知識統(tǒng)一聯(lián)系起來，融會貫通。解決了平時理論學(xué)習(xí)中很少遇到的實際問題，在履帶車設(shè)計中不僅要查找硬件問題，還要查找軟件問題。例如電源問題。雖然最后得到解決，但這個排障的過程讓我收

44、獲不少。本系統(tǒng)通過對履帶車功率控制的目的實現(xiàn)了循跡、避障的控制，能自主糾正行駛方向，當(dāng)遇到障礙能報警，并記錄障礙，發(fā)出報警聲。盡管這次設(shè)計做的不是很完美，但通過這次設(shè)計任務(wù)我覺得自己有很大提高，能把很多知識結(jié)合使用，體會到所學(xué)有用之處，相信在以后工作和學(xué)習(xí)中能做的更好。 28致謝致謝歷時三個月的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)告一段落。經(jīng)過自己不斷的搜索努力以及老師和校外指導(dǎo)老師羅五四的耐心指導(dǎo)和曹智同學(xué)的幫助下，本設(shè)計已經(jīng)基本完成。在這段時間里，老師給予了悉心的指導(dǎo)，最重要的是給了我解決問題的思路和方法，并且在設(shè)計環(huán)境和器材方面給予了大力的幫助和支持，他的指導(dǎo)使我受益非淺，同時也得到曹智同學(xué)的大力幫助。通過這次

45、畢業(yè)設(shè)計，使我深刻地認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計中對于知識的運用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個月的設(shè)計是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。設(shè)計中一定存在很多不足之處，敬請各位老師批評指正。在此，我對 老師表示最真摯的感謝！同時感謝所有幫助過我的同學(xué)！ 29參考文獻參考文獻1 李廣弟,單片機基礎(chǔ)M,北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2001:56-54.第二章第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 履帶車控制設(shè)計履帶車控制設(shè)計這里用循跡傳感器和避障傳感器

46、實現(xiàn)履帶小車的控制。這兩種傳感器是制作智能車普遍采用的傳感器，性能較穩(wěn)定。紅外傳感器比光電傳感器的探測距離要大很多。循跡傳感器可用于履帶車的探測距離較近循跡控制，循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路” ，沒接收到反射光傳感器輸出低電平，反之輸出高電平，經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行相應(yīng)的行駛狀態(tài)。避障傳感器課用于履帶車的探測距離較遠(yuǎn)避障控制，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向前方發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；反之小車上的接

47、收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定小車是否執(zhí)行避障。如：當(dāng)左側(cè)紅外傳感器檢測到障礙，向單片機發(fā)送低電平信號，單片機執(zhí)行避障程序。 302.2 控制核心方案設(shè)計控制核心方案設(shè)計 方案一：選用一片 CPLD（如 EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(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，可利用 VHDL 語言進行編寫開發(fā)。但 CPLD 在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD 的處理速度非?？欤≤嚨男羞M速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，MCU 就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案

48、，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，進而提出了第二種設(shè)想。方案二:采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對本設(shè)計特點多開關(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)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機，而不能用精簡 I/O 口和程序存儲器的小體積單片機，D/A、A/D 功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我

49、選定了 STC12C5A08S2 單片機作為本設(shè)計的主控裝置，該款單片在實驗課程中多次使用，性能穩(wěn)定。該單片機具有功能強大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá) 8K，對于本設(shè)計也綽綽有余，更可貴的是該單片機價格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用一片單片機，充分利用 STC12C5A08S2 單片機的資源。2.3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計控制系統(tǒng)總體設(shè)計智能履帶車控制系統(tǒng)由主控模塊、穩(wěn)壓電源模塊、傳感器信號模塊、電機及驅(qū)動模塊等部分組成,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1 所示。 31穩(wěn)壓電源模塊主控模塊驅(qū)動模塊傳感器信號模塊LED 顯示模塊減速電機圖 2.1

50、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第三章第三章 履帶車電路設(shè)計履帶車電路設(shè)計3.1 主控電路設(shè)計主控電路設(shè)計主控電路主要包括兩部分：單片機最小系統(tǒng)和復(fù)位電路。這兩部分構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心控制整體的運轉(zhuǎn)。3.1.1 單片機最小系統(tǒng)主控電路只需要連接單片機最小系統(tǒng)即可，引出單片機的 I/O 口，采用 12MHZ 的外部晶振。具體電路如 3.1 所示。 32圖 3.1 單片機最小系統(tǒng)3.1.2 復(fù)位電路 該模塊用于單片機的復(fù)位以及外部中斷時使用。當(dāng)要把按鍵 RESET 用作復(fù)位功能時，必須把 J7 處的跳帽接在 1、2 上；當(dāng)要把它做外部中斷使用時，必須把 J7 的跳帽接在2、3 上，這時當(dāng)按下 RESET 按鍵時該電路

51、會產(chǎn)生一個單脈沖。電路圖如 3.2 所示。圖 3.2 復(fù)位電路 333.2 穩(wěn)壓電源模塊穩(wěn)壓電源模塊本次設(shè)計只需要兩種電壓供給，一種是 6V12V 的驅(qū)動模塊供電，一種是單片機和傳感器的+5V 穩(wěn)壓供電。驅(qū)動模塊可直接用 7.2V 的高容量電池直接供電，這種電池經(jīng)過測試實際電壓一般在 8V 左右，能個驅(qū)動模塊提供充足電量。5V 穩(wěn)壓電路采用MC7805CT 制作，MC7805CT 是一個三角穩(wěn)壓器，最大輸入電壓 40V，輸出電壓 5V，電流1A，完全勝任本次 7.2V 的輸入穩(wěn)壓電路。接法如圖 3.3 所示。圖 3.3 穩(wěn)壓電源電路圖 J4 處接 7.2V 的電池電源，經(jīng)過 MC7805CT

52、穩(wěn)壓之后為 5V 的輸出，可供單片機和傳感器使用。接上 J3 和 J5 跳帽能給驅(qū)動電路供電。 在電源電路中，串聯(lián)了一個 IN4001 整流器，并聯(lián)了 2 個電容，這里是用于對電源進行處理，外接電源的性質(zhì)比較復(fù)雜不穩(wěn)定，而單片機需要一個 5V 穩(wěn)定的直流電源，本設(shè)計電源用的是 7.2V 的高容量電池，我用 IN4001 整流，得到品質(zhì)較好的直流電源，二極管在這里能平穩(wěn)電壓消除毛刺，然后經(jīng)過 5V 穩(wěn)壓器得到單片機所需要的電壓。3.3 LED 顯示模塊設(shè)計顯示模塊設(shè)計本次設(shè)計顯示數(shù)據(jù)比較簡單主要體現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示方法，顯示模塊采用共陰極接法的數(shù)碼管顯示，段碼數(shù)據(jù)線接在單片機 P0 端口，4 個

53、位選分別接在 P20-P23 端口上。其原理圖如 3.4 所示。 34圖 3.4 數(shù)碼管顯示電路從上面電路圖我們能看出數(shù)碼管 7 段碼輸入直接由單片機輸出，而 4 位碼的控制沒有直接由單片機直接驅(qū)動，而是由 4 個三極管作為開關(guān)控制選片，當(dāng)單片機 P20 到P23 輸出高電平時三極管導(dǎo)通，位碼管教接地導(dǎo)通，輸出低電平時三極管高阻態(tài)，相應(yīng)的數(shù)碼管也不會被點亮。單片機作為核心控制器需要穩(wěn)定的工作環(huán)境，單片機的驅(qū)動能力較弱，如果直接有 I/O 控制，增加了單片機的負(fù)荷，數(shù)碼管電阻較小，沒有開關(guān)驅(qū)動電路，會造成單片機 I/O 口短接，影響單片機工作，導(dǎo)致?lián)p壞單片機。3.4 驅(qū)動模塊設(shè)計驅(qū)動模塊設(shè)計采用

54、功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強，采用由達(dá)林頓管組成的 H 型橋式電路如圖 3.5 所示。 35圖 3.5 H 橋式電路用單片機控制達(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)整電動機轉(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，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 如圖 3.6 所示。圖 3.6 L298N 實物圖這種調(diào)速方式有調(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，

55、還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。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。 363.4.1 驅(qū)動芯片選型驅(qū)動模塊采用專用芯片 L298N 作為電機驅(qū)動芯片，L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片外部引腳圖如 3.7 所示。圖 3.7 L298N 外部引腳其響應(yīng)頻率高，一片 L298N 可以分別控制兩個直流電機。以下為 L298N 輸入輸出關(guān)系如表 1 所示。表 1 L298N 輸入輸出關(guān)系ENAIN1IN2電機運行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)HIN2IN1快速停止LXX停止3.4.2 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路如圖 3.8 所示 ，驅(qū)動電路 IN1 到 IN4

56、 依次接單片機 P1_0 到 P1_3 端口， 37IN1 和 IN2 控制電機 1，IN3 和 IN4 控制電機 2。圖 3.8 驅(qū)動電路圖電路中除了使用了驅(qū)動芯片 L298N，還使用了發(fā)光二極管和續(xù)流二極管。發(fā)光二級管可以指示電極正反轉(zhuǎn)動的情況，方便設(shè)計中觀察狀態(tài)變化，容易調(diào)試。電路中還加裝了續(xù)流二極管。續(xù)流二極管經(jīng)常和儲能元件一起使用，防止電壓電流突變，提供通路，續(xù)流二極管不是一個實質(zhì)的元件，而是在電路中起到續(xù)流作用。本設(shè)計中履帶車在時間跑動中會控制電機頻繁的正反轉(zhuǎn)，直流電機也相當(dāng)于發(fā)電機電機兩級間會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)電流消失時感應(yīng)電動勢會對電路中其他元件產(chǎn)生反向電壓，當(dāng)方向電壓高于元件

57、的反擊穿電壓時會損壞一些元器件，如三極管，晶閘管。這里我分別在量電機極端接上續(xù)流二極管作為保護電路。這些續(xù)流二極管構(gòu)成回路消耗感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的能量，從而保護整個電路中其他元件。3.5 循跡電路設(shè)計循跡電路設(shè)計 傳感器是智能車的“眼睛” ，它能給我提供智能車的周圍的信息，在本次設(shè)計中采用兩種傳感器：循跡傳感器和避障傳感器。循跡傳感器探測距離短，但探測效果較好， 38識別黑白色的能力較強，成本低。而避障方面采用紅外傳感器，探測距離較遠(yuǎn)，能有效識別大多數(shù)顏色和黑色的差別提供穩(wěn)定信號，成本稍高點。3.5.1 循跡傳感器LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運算放大器，有相位

58、補償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或正負(fù)雙電源15V15V工作，其內(nèi)部電路如圖3.9所示。圖 3.9 LM324 內(nèi)部電路在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的高低，以電平高低判定黑線有無。在電路中，LM324的一個輸入端需接滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值來提供合適的比較電壓，單個集成運放如圖3.10所示。圖 3.10 集成運放的管腳圖循跡電路圖如圖 3.11 所示，當(dāng) TCRT5000 感光導(dǎo)通的時候 R1 和 R2 接地，3 處的電壓接近 0,R3 位滑動電阻，2 處的電壓設(shè)為 3V，3 處小于 2 處，LM342 的 OUT 端會輸出低電平，供單片機檢

59、測。反之 LM324 處輸出高電平。 39圖 3.11 循跡電路圖本次設(shè)計采用 3 路循跡模塊，依次排在小車前方，左中右 3 路接單片機 P1_4 到P1_6。循跡對應(yīng)如表 2 所示。表 2 循跡端口狀態(tài)對應(yīng)表P1_4P1_5P1_6左中右101前進011左轉(zhuǎn)110右轉(zhuǎn)3.5.2 避障傳感器設(shè)計該傳感器檢測距離為 0-80CM，于淘寶購買。該傳感器屬于市場產(chǎn)品，這里只介紹用法。實物圖如 3.12 所示。 40圖 3.12 避障傳感器使用于本次設(shè)計的避障任務(wù)，避障模塊采用了 2 個傳感器分別放于小車前方的左側(cè)和右側(cè)，調(diào)節(jié)該傳感器的檢測距離為 15cm。當(dāng)遇到障礙時傳感器會給出低電平。左避障傳感器

60、接于單片機 P3_5 端口，右避障傳感器接于單片機 P3_6 端口。3.6 蜂鳴器驅(qū)動模塊設(shè)計蜂鳴器驅(qū)動模塊設(shè)計由于單片機輸出電流較小不能驅(qū)動蜂鳴器，這里借助 S9013 PNP 型三極管放大電路驅(qū)動蜂鳴器，三極管 Q 起開關(guān)作用，其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲；而基極低電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。在本設(shè)計中只要 P1.7 輸出不同的頻率方波信號，蜂鳴器也能發(fā)出各種頻率聲音，電路圖如圖3.13 所示。圖 3.13 蜂鳴器驅(qū)動電路在以上電路中我在蜂鳴器上并聯(lián)一個續(xù)流二極管。蜂鳴器本質(zhì)上是一個感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則，

61、在蜂鳴器兩端會產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動三極管。 413.7 履帶車車體履帶車車體本題目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，自己手工制作的履帶車通常會出現(xiàn)兩側(cè)履帶松緊度不一樣，跑邊，履帶脫輪等現(xiàn)象。綜合這些因素在網(wǎng)上找到 PR5 小車底盤符合設(shè)計需要，模型如圖 3.14 所示。圖 3.14 履帶車底盤模型小車上裝有電池、電機、電子器件等，使得電機負(fù)擔(dān)較重。該底盤運動平穩(wěn)，從圖 3.7 中可以看出在直流電機和輪車軸之間加裝了減速齒輪，這樣不僅使電機的符合減輕，也符合我的設(shè)計需要。電池的安裝：將電池放置在車體前排車輪的上部位置，使車體的重心靠近前排車輪，進行大轉(zhuǎn)彎時小車能以前排輪為圓心轉(zhuǎn)彎

62、，排除履帶車轉(zhuǎn)彎時側(cè)滑不確定性。 42第四章第四章 行駛方案設(shè)計行駛方案設(shè)計在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，行駛設(shè)計在微機控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，行駛方案和軟件控制更為重要。在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。本系統(tǒng)中我采用了 5 個傳感器，3 路循跡傳感器，2 路避障傳感器。總體控制方案如圖 4.1 所示。 左避障右避障左循跡中循跡右循跡單片機報警顯示電

63、機驅(qū)動左側(cè)前進左側(cè)后退右側(cè)前進右側(cè)后退圖 4.1 總體系統(tǒng) 434.1 循跡方案設(shè)計循跡方案設(shè)計小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機 I/O 口，一旦檢測到某個 I/O 口有信號，即進入判斷處理程序，先確定 3 個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面?zhèn)鞲衅魈綔y到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果左面和中間傳感器同時探測到黑線，此種情況為向左急轉(zhuǎn)彎；如果是右面?zhèn)鞲衅魈綔y到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。如果右面和中間傳感器同時探測到黑線，此種情況為向右急轉(zhuǎn)彎。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，如果中間傳感器探測黑線，左

64、右沒有探測到黑線小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動作，履帶車控制如表 3 所示。表 3 小車驅(qū)動控制對應(yīng)表單片機通過電機驅(qū)動電路控制小車的運行方法P1.0P1.1P1.2P1.3狀態(tài)P1.4P1.5P1.61001前進1011001前進1111001前進0000110后退XXX1000左轉(zhuǎn)0110001右轉(zhuǎn)1101010快速左轉(zhuǎn)0010101快速右轉(zhuǎn)110 444.1.1 循跡流程圖由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個等級間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級通常是在超出第一級的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，流程如圖 4.2 所示。

65、檢測黑線進入循跡是否檢測到黑線狀態(tài)判斷處理左急轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)右急轉(zhuǎn)繼續(xù)前進NY圖 4.2 循跡流程圖 454.1.2 循跡程序設(shè)計循跡方面我使用了 3 個傳感器，通過尋黑線實現(xiàn)對履帶車的智能控制，本次設(shè)計目的實現(xiàn)對履帶車的控制，在這里使用 3 路傳感器不僅能達(dá)到循跡目的也能顯示出對履帶車的控制效果。void ww()/循跡if(P14=0&P15=1&P16=1)/右轉(zhuǎn) P10=1;P11=0;P12=0;P13=0;P17=0; else if(P14=0&P15=0&P16=1)/右急轉(zhuǎn) P10=1;P11=0;P12=1;P13=0;P17=0; else if(P14=1&P15=1&P1

66、6=0)左轉(zhuǎn) P10=0;P11=0;P12=0;P13=1;P17=0;else if (P14=1&P15=0&P16=0)/左急轉(zhuǎn) P10=0;P11=1;P12=0;P13=1;P17=0; else if(P14=1&P15=0&P16=1) /中尋黑前進 P10=1;P11=0;P12=0;P13=1;P17=0; else if(P14=1&P15=1&P16=1)/不尋黑前進 P10=1;P11=0;P12=0;P13=1;P17=0;elseP10=1;P11=0; P12=0; P13=1; 以上程序我采用了簡單明了的 if 語句將我設(shè)計的路線循跡情況和對驅(qū)動電路的控制對應(yīng)起來，類似查詢表格方式。這樣設(shè)計程序使用 else if 語句我可以很容易添加運行狀態(tài)，使程序調(diào)試相對容易，減小工作量。 464.2 避障方案避障方案如圖 4.3 所示，經(jīng)過試驗測試，本設(shè)計使用的紅外傳感器的探測夾角較小，當(dāng)小車與障礙物平行行駛，或者與障礙物的夾角過小時，小車將識別不到障礙，導(dǎo)致小車一側(cè)于障礙物解除碰撞。 圖 4.3 傳感器角度示意圖解決這個問題可以再小車左右 2 個方向增加 2