自動(dòng)循跡小車畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

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xxxxxx學(xué)院 xxx 系 xxx 專業(yè) xx 級(jí) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 姓名 xx 學(xué)號(hào) xxxxxxxx 指導(dǎo)教師（簽名） xxx 二○ 年 月 日  煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文) 誠(chéng) 信 承 諾 書 本人慎重承諾： 我所撰寫的設(shè)計(jì)（論文）《 》是在老師的指導(dǎo)下自主完成，沒有剽竊或抄襲他人的論文或成果。如有剽竊、抄襲，本人愿意為由此引起的后果承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的研究成果歸屬學(xué)校所有。 學(xué)生(簽名) 年 月 日  目 錄 目 錄 1 摘 要： 2 前 言………………………………………………………………………………………………3 一.任務(wù)要求 4 （一）任務(wù) 4 二.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 5 （一）小車循跡原理 5 （二）控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 6 三．系統(tǒng)方案 7 （一）尋跡傳感器模塊 7 1．紅外傳感器ST188簡(jiǎn)介 7 2．比較器LM324簡(jiǎn)介 8 3．具體電路 9 4．傳感器安裝 10 （二）控制器模塊 11 （三）電源模塊 13 （四）電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 14 1．電機(jī) 14 2．驅(qū)動(dòng) 14 （五）自動(dòng)循跡小車總體設(shè)計(jì) 16 1．總體電路圖 16 2．系統(tǒng)總體說明 18 四．軟件設(shè)計(jì) 18 （一） PWM控制 18 （二） 總體軟件流程圖 19 （三）小車循跡流程圖 19 （四）中斷程序流程圖 21 （五）單片機(jī)測(cè)序 22 五．致謝…………………………………………………………………………….…………..25 六．參考資料 27 自動(dòng)循跡小車 摘要： 本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易自動(dòng)尋跡小車系統(tǒng)，包括小車系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件設(shè)計(jì)方法。小車以AT89C51 為控制核心, 用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。利用紅外光電傳感器對(duì)路面黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè),并將路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷,及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51 光電傳感器 直流電機(jī) 自動(dòng)循跡小車 前言 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(lái)越受人關(guān)注。全國(guó)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，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設(shè)計(jì)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(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車。 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器及金屬探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。 這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列中的80C51單片機(jī)。以80C51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡和尋光功能。80C51是一款八位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。它是第三代單片機(jī)的代表。 第三代單片機(jī)包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,還包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色﹑與80C51兼容的單片機(jī)。新一代的單片機(jī)的最主要的技術(shù)特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任，將一些外部接口功能單元如A/D﹑PWM﹑PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)﹑WDT(監(jiān)視定時(shí)器)﹑高速I/O口﹑計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機(jī)中，在總線方面最重要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機(jī)80C51系列8ｘC592單片機(jī)引入了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線----CAN(Controller Area Network BUS). 新一代單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展與配置打下了良好的基礎(chǔ)。 一．任務(wù)要求 （一）任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)基于直流電機(jī)的自動(dòng)尋跡小車，使小車能夠自動(dòng)檢測(cè)地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛。系統(tǒng)方案方框圖如圖1-1所示。 檢測(cè)（黑線） 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 軟件控制 控制小車 圖1-1 系統(tǒng)方案方框圖 二．系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 （一）小車循跡原理 這里的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(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)法，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(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限。 小車供電后,紅外光電二極管發(fā)出紅外光，光線照在路面上反射回來(lái)被光電二極管接收，半導(dǎo)體二極管在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電勢(shì)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”——黑線。 當(dāng)小車檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外線部分被黑線吸收，反射回的紅外線極少被光電二極管接收，轉(zhuǎn)換成比較弱的電信號(hào)；當(dāng)小車未檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外線大部分被反射，反射回的紅外線被光電二極管接收，轉(zhuǎn)換成比較強(qiáng)的電信號(hào)。最終，這些電信號(hào)經(jīng)過比較器處理后傳入單片機(jī)，再由單片機(jī)進(jìn)一步做信號(hào)處理。 （二）控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)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。 穩(wěn)壓電 源模塊 主控芯片 AT89C51 L298 減速電機(jī) 光電傳感器 電壓比較器 圖2-1控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 1、 主控制電路模塊：用AT89C51單片機(jī)、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路 整個(gè)系統(tǒng)主要由主控中心（單片機(jī)）、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、按鍵控制電路、數(shù)碼管顯示電路及LED模仿交通信號(hào)燈電路等功能模塊組成。遇到特殊情況時(shí)可以通過按鍵電路控制實(shí)時(shí)交通實(shí)際情況，系統(tǒng)框圖如圖1所示。 2、 紅外檢測(cè)模塊：光電傳感器ST188,比較器LM324 紅外線光電傳感器（簡(jiǎn)稱光電傳感器，又稱光電開關(guān)）是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。光電開關(guān)是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。 3、 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N、兩個(gè)直流電機(jī) L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。其引腳排列如圖1中U4所示，1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。 4、 電源模塊：雙路開關(guān)電源 模塊電源是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點(diǎn)是可為專用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。一般來(lái)說，這類模塊稱為負(fù)載點(diǎn) (POL)電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。 三．系統(tǒng)方案 （一）尋跡傳感器模塊 ST系列反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。這個(gè)系列的傳感器種類齊全、價(jià)格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。 我們采用ST188作為紅外檢測(cè)傳感器。 在黑線檢測(cè)的測(cè)試中，若檢測(cè)到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到接收管，測(cè)量接收管的電壓為4．8V ，若檢測(cè)到黑色區(qū)域，接收管接受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化，測(cè)的接收管的電壓為0．5V，測(cè)試基本滿足要求。 判斷有無(wú)黑線我們用的一塊比較器LM324， 比較基準(zhǔn)電壓由30K的變阻器調(diào)節(jié)，各個(gè)接收管的參數(shù)都不一致，每個(gè)傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡相同，我們?yōu)槊總€(gè)傳感器配備了一個(gè)變阻器。 1.紅外傳感器ST188簡(jiǎn)介 含一個(gè)反射模塊（發(fā)光二極管）和一個(gè)接收模塊（光敏三極管）。通過發(fā)射紅外信號(hào)，看接收信號(hào)變化判斷檢測(cè)物體狀態(tài)的變化。A、K之間接發(fā)光二極管，C、E之間接光敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻） 圖 3-1 ST188實(shí)物圖 圖 3-2 ST188管腳圖及內(nèi)部電路 2.比較器LM324簡(jiǎn)介 LM324為四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源3～30V，或正負(fù)雙電源1．5V～15V工作。 在黑線檢測(cè)電路中用來(lái)確定紅外接收信號(hào)電平的高低，以電平高低判定黑線有無(wú)。在電路中，LM324的一個(gè)輸入端需接滑動(dòng)變阻器，通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)提供合適的比較電壓。 圖 3-3 LM324內(nèi)部電路 圖 3-4 集成運(yùn)放的管腳圖 3.具體電路 通過ST188檢測(cè)黑線，輸出接收到的信號(hào)給LM324 ，接收電壓與比較電壓比較后，輸出信號(hào)變?yōu)楦叩碗娖?，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測(cè)到黑線。 圖3-5 傳感器模塊電路圖 4.傳感器安裝 在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個(gè)紅外探頭的具體位置如圖3-6所示。 圖3-6 傳感器安裝圖 圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，X2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3-6中所示的行走軌跡黑線)在X1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)探測(cè)器動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。 （二）控制器模塊 采用Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)作為主控制器。它是一個(gè)低功耗，高性能的8 位單片機(jī)，片內(nèi)含32k 空間的可反復(fù)擦寫100,000 次Flash 只讀存儲(chǔ)器，具有4K 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32 個(gè)I/O口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 如圖3-7（與單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)） 1） 采用外部時(shí)鐘，晶振頻率為12MHZ。 沒有晶振,就沒有時(shí)鐘周期,沒有時(shí)鐘周期,就無(wú)法執(zhí)行程序代碼,單片機(jī)就無(wú)法工作。 單片機(jī)工作時(shí),是一條一條地從RoM中取指令,然后一步一步地執(zhí)行。單片機(jī)訪問一次存儲(chǔ)器的時(shí)間,稱之為一個(gè)機(jī)器周期,這是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。—個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期。如果一個(gè)單片機(jī)選擇了12MHz晶振,它的時(shí)鐘周期是1/12us,它的一個(gè)機(jī)器周期是12(1/12)us,也就是1us。 MCS—51單片機(jī)的所有指令中,有一些完成得比較快,只要一個(gè)機(jī)器周期就行了,有一些完成得比較饅,得要2個(gè)機(jī)器周期,還有兩條指令要4個(gè)機(jī)器周期才行。為了衡量指令執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短,又引入一個(gè)新的概念:指令周期。所謂指令周期就是指執(zhí)行一條指令的時(shí)間。 提供時(shí)序的頻率! 提供單片機(jī)工作的時(shí)序,其實(shí)就相當(dāng)于你電腦CPU主頻一個(gè)原理的。 2） 采用按鍵復(fù)位。 單片機(jī)的復(fù)位有上電復(fù)位和按鈕手動(dòng)復(fù)位兩種。如圖（a）所示為上電復(fù)位電路，圖（b）所示為上電按鍵復(fù)位電路。 上電復(fù)位是利用電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即上電瞬間RST端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。圖(a)中的R是施密特觸發(fā)器輸入端的一個(gè)10K?下拉電阻，時(shí)間常數(shù)為1010-610103=100ms。只要VCC的上升時(shí)間不超過1ms，振蕩器建立時(shí)間不超過10ms，這個(gè)時(shí)間常數(shù)足以保證完成復(fù)位操作。上電復(fù)位所需的最短時(shí)間是振蕩周期建立時(shí)間加上2個(gè)機(jī)器周期時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)RST的電平應(yīng)維持高于施密特觸發(fā)器的下閾值。 上電按鍵復(fù)位（b）所示。當(dāng)按下復(fù)位按鍵時(shí)，RST端產(chǎn)生高電平，使單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位后，其片內(nèi)各寄存器狀態(tài)改變，片內(nèi)RAM內(nèi)容不變。 由于單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序運(yùn)行直接受程序計(jì)數(shù)器PC指揮。各寄存器復(fù)位時(shí)的狀態(tài)決定了單片機(jī)內(nèi)有關(guān)功能部件的初始狀態(tài)。 另外，在復(fù)位有效期間（即高電平），80C51單片機(jī)的ALE引腳和引腳均為高電平，且內(nèi)部RAM不受復(fù)位的影響。 圖要點(diǎn)一下查看大圖才清楚哦O(∩_∩)O 向左轉(zhuǎn)|向右轉(zhuǎn) 圖3-7 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 （三）電源模塊 電源采用雙路開關(guān)電源。明偉牌D-30W雙路開關(guān)電源。輸出（5V、12V）。 實(shí)物圖如圖3-8所示。 圖3-8雙路開關(guān)電源 該開關(guān)電源尺寸為129X98X38mm，交流輸入轉(zhuǎn)換由開關(guān)選擇，具有過流短路保護(hù)功能，能自冷散熱。低價(jià)位、高可靠。 輸入電壓范圍----85～132VAC/175～264VAC，47～63Hz開關(guān)選擇； 沖擊電流----冷起動(dòng)電流15A/115V 30A/230V； 直流電壓可調(diào)范圍----額定輸出電壓的10%； 啟動(dòng)、上升、保持時(shí)間----200ms，100ms,30ms； 耐壓性---輸入輸出間；輸入與外殼1.5KVAC，輸出與外殼，0.5KVAC，歷時(shí)一分鐘； 工作溫度、濕度---- -10℃～+60℃，20%～90%RH； 安全標(biāo)準(zhǔn)----符合CE標(biāo)準(zhǔn)； EMC標(biāo)準(zhǔn)----符合CE標(biāo)準(zhǔn)； 連接方法----7位9.5mm接線端子； 質(zhì)量/包裝----0.41Kg,45PCS/19.5Kg/1.2CUFT 表1 型號(hào) 輸出 差值 范圍 效率 D-30A 5V,0.5V ~ 4.04A 2% 50mV 72% 12V,0.1 ~ 1.0A 3,-7% 100mV （四）電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 3.4.1電機(jī) 電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。 可選用減速比為1：74 的直流電機(jī)，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100r/min。若車輪直徑為6cm，則小車的最大速度可以達(dá)到 V=2πrv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s 能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。 3.4.2驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。以下為L(zhǎng)298N的引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。 圖3-9 L298N外部引腳 表2 L298N輸入輸出關(guān)系 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3-10 所示： 圖3-10 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 L298N 的5、7、10、12 四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過對(duì)單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制。 （五）自動(dòng)循跡小車總體設(shè)計(jì) 3.5.1總體電路圖 圖3-11 總體電路圖 3.5.2系統(tǒng)總體說明 如圖3-11所示，當(dāng)光電傳感器開始接受信號(hào)，通過比較器將信號(hào)傳如單片機(jī)中。小車進(jìn)入尋跡模式，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O 口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O 口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。單片機(jī)采用T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，通過來(lái)產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 四．軟件設(shè)計(jì) 4.1 PWM控制 本系統(tǒng)采用PWM來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率,從而改變負(fù)載兩端的電壓,進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面,如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。 在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中,按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開電源,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時(shí),速度增加；電機(jī)斷電時(shí),速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律,改變通、斷電的時(shí)間,即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。 本系統(tǒng)中通過控制51單片機(jī)的定時(shí)器T0的初值，從而可以實(shí)現(xiàn)P0.4和P0.5輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如0.1ms）中斷一次, 就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。 將直流電機(jī)的速度分為100個(gè)等級(jí), 因此一個(gè)周期就有個(gè)100脈沖, 周期為100個(gè)脈沖的時(shí)間。速度等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù)。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù)占一個(gè)周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個(gè)周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大, 加在電機(jī)兩端的電壓越大, 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時(shí), 就可以得到不同的電機(jī)平均速度, 從而達(dá)到調(diào)速的目的。精確地講, 平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系, 在一般的應(yīng)用中, 可以將其近似地看成線性關(guān)系。 4.2 總體軟件流程圖 小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O 口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O 口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖4-1所示： 系統(tǒng)初始化 任務(wù)計(jì)數(shù)器歸零 是否完成全部 任務(wù)？ 循跡子函數(shù) 是否完成本次 任務(wù)？ 結(jié)束 開始 N Y N Y 圖4-1主程序流程圖 4.3小車循跡流程圖 小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級(jí)傳感器或右面第二級(jí)傳感器探測(cè)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)。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。循跡流程圖如圖4-2所示 啟動(dòng)循跡模式 探測(cè)黑線 是否檢測(cè)到黑線 判斷處理程序 向左轉(zhuǎn) Turn _left2 向左轉(zhuǎn) Turn _left1 向右轉(zhuǎn) Turn_ right1 向右轉(zhuǎn) Turn_ Lright2 繼續(xù)前進(jìn) N Y 圖4-2循跡流程圖 由于第二級(jí)方向控制為第一級(jí)的后備，則兩個(gè)等級(jí)間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級(jí)通常是在超出第一級(jí)的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來(lái)，則通常使第二級(jí)轉(zhuǎn)向力度大于第一級(jí)，即Turn_left2 > Turn_left1,Turn_right2 > Turn_right1 (其中Turn_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通過改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來(lái)改變)，具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。 4.4中斷程序流程圖 這里利用的是51單片機(jī)的T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，從而讓單片機(jī)P0口的P0.4和P0.5引腳輸出占空比不同的方波, 然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后控制直流電機(jī)。定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如0.1ms）比如中斷一次, 就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。中斷程序流程圖如圖4-3所示 定時(shí)器賦初值 技術(shù)變量賦值t=0 計(jì)數(shù)值t<占空比？ P0.4和P0.5 輸出高電平 P0.4和P0.5 輸出低電平 計(jì)數(shù)變量t加1 開始 結(jié)束 Y N 圖4-3中斷程序流程圖 4.5單片機(jī)測(cè)序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int unsigned char zkb1=0 ; //**左邊電機(jī)的占空比**// unsigned char zkb2=0 ; //**右邊電機(jī)的占空比**// unsigned char t=0; //**定時(shí)器中斷計(jì)數(shù)器**// sbit RSEN1=P1^0; sbit RSEN2=P1^1; sbit LSEN1=P1^2; sbit LSEN2=P1^3; sbit IN1=P0^0; sbit IN2=P0^1; sbit IN3=P0^2; sbit IN4=P0^3; sbit ENA=P0^4; sbit ENB=P0^5; //****************延時(shí)函數(shù)****************// void delay(int z) { while (z--); } //**********初始化定時(shí)器，中斷***********// void init() { TMOD=0x01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; } //***********中斷函數(shù)+脈寬調(diào)制***********// void timer0() interrupt 1 { if(t=100) {t=0;} } //******************直行******************// void qianjin() { zkb1=30; zkb2=30; } //***************左轉(zhuǎn)函數(shù)1***************// void turn_left1() { zkb1=0; zkb2=50; } //***************左轉(zhuǎn)函數(shù)2***************// void turn_left2() { zkb1=0; zkb2=60; } //***************右轉(zhuǎn)函數(shù)1***************// void turn_right1() { zkb1=50; zkb2=0; } //***************右轉(zhuǎn)函數(shù)2***************// void turn_right2() { zkb1=60; zkb2=0; } //***************循跡函數(shù)*****************// void xunji() { uchar flag; if((RSEN1==1)&&(RSEN2==1)&&(LSEN1==1)&&(LSEN2==1)) { flag=0; }//*******直行*******// else if((RSEN1==0)&&(RSEN2==1)&&(LSEN1==1)&&(LSEN2==1)) { flag=1;} //***左偏1,右轉(zhuǎn)1***// else if((RSEN1==0)&&(RSEN2==0)&&(LSEN1==1)&&(LSEN2==1)) { flag=2;} //***左偏2,右轉(zhuǎn)2***// else if((RSEN1==1)&&(RSEN2==1)&&(LSEN1==0)&&(LSEN2==1)) { flag=3; }//***右偏1，左轉(zhuǎn)1***// else if((RSEN1==1)&&(RSEN2==1)&&(LSEN1==0)&&(LSEN2==0)) { flag=4; }//***右偏2，左轉(zhuǎn)2***// switch (flag) { case 0:qianjin(); break; case 1:turn_right1(); break; case 2:turn_right2(); break; case 3:turn_left1(); break; case 4:turn_left2(); break; default: break; } } //****************主程序****************// void main() { init(); zkb1=30; zkb2=30; while(1) { IN1=1; //******給電機(jī)加電啟動(dòng)******// IN2=0; IN3=1; IN4=0; ENA=1; ENB=1; while(1) { xunji(); //*********尋跡**********// } } } 5.致謝 本論文是在張華老師的指導(dǎo)下完成的。在智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試及論文的寫作過程中，他給予了無(wú)數(shù)的指導(dǎo)和大力的支持。他不僅教了我知識(shí)還教了我治學(xué)的態(tài)度，那就是嚴(yán)謹(jǐn)，把知識(shí)變?yōu)榧河校瑮壠湓闫闪羝渚A，用自己的方式去解決問題，而不是人云亦云。由于對(duì)硬件這方面比較感興趣，尤其對(duì)單片機(jī)這塊。張老師可謂我的啟蒙老師，他那套獨(dú)特的編程分析理念對(duì)我的影響頗為深刻，那就是軟件與硬件分離、功能獨(dú)立、功能分層、分時(shí)處理與實(shí)時(shí)處理、充分利用C語(yǔ)言的宏定義。這改變了我以前編程時(shí)想到哪編到哪沒有一點(diǎn)思緒的編程方式，編程前理出框架這一理念對(duì)我經(jīng)后的學(xué)習(xí)必有很大幫助。由于剛接觸單片機(jī)，問題特別多，從硬件的認(rèn)識(shí)到軟件的理解，都碰到了不少的問題。每次張老師和院凱學(xué)長(zhǎng)總是悉心的指導(dǎo)并提出了很多寶貴的意見和建議，張老師還通過授課的方式教會(huì)了我們很多知識(shí)，在他循循善誘的悉心教誨、無(wú)微不至的關(guān)懷和指導(dǎo)下，我對(duì)基于單片機(jī)智能循跡小車的設(shè)置理念和運(yùn)作過程都了解得非常清楚。對(duì)我論文的完成也提供了不小的幫助。在此再次向張老師和院凱學(xué)長(zhǎng)表示忠心的感謝。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我學(xué)會(huì)了對(duì)本專業(yè)所學(xué)的一些理論知識(shí)的應(yīng)用，學(xué)會(huì)了在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的方法，加深了對(duì)專業(yè)知識(shí)的撐握和理解，所取得的這些進(jìn)步都與老師們的仔細(xì)、耐心指導(dǎo)分不開。他們的嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)心、勤奮的工作態(tài)度也給我留下了深刻印象，對(duì)我以后的學(xué)習(xí)工作有很好的指導(dǎo)作用。在此，對(duì)老師表示衷心的感謝。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試階段，得到了陳文湘同學(xué)、蔡汝斌同學(xué)等一些同學(xué)的幫助，在這里也表示感謝。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中和同學(xué)們的討論也使我受益匪淺。 也感謝學(xué)院及工程技術(shù)中心的老師和領(lǐng)導(dǎo)為我提供的良好的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)境使我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在畢業(yè)之際也感謝輔導(dǎo)員朱愛榮老師四年來(lái)在生活中給予的關(guān)心和幫助。 最后，感謝所有幫助過我的老師和同學(xué)們，感謝給我論文進(jìn)行評(píng)閱和指導(dǎo)老師們。 6．參考資料 [1] 宋健,姜軍生,趙文亮. 基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)PWM 調(diào)速系統(tǒng)[J ] . 農(nóng)機(jī)化研究,2006 , (1) :102 - 103. [2] 邊春元 李文濤 江杰 杜平等；C51單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用；機(jī)械工業(yè)出版社；2008.4 [3] 李華. MCS- 51 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社, 2003 [4] 樓然苗.51 單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社,2005.8 [5] 王晶,翁顯耀,梁業(yè)宗 自動(dòng)尋跡小車的傳感器模塊設(shè)計(jì).武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　湖北武漢　 [6] 劉迎春. 傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M] . 長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,1992.  煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定評(píng)分表 評(píng)價(jià)基元 評(píng)價(jià)內(nèi)涵 滿分 實(shí)評(píng)分 平時(shí)成績(jī) 30％ 能按時(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)各階段所要求的工作 10 能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析與解決問題的能力、獨(dú)立工作能力和實(shí)際動(dòng)手能力 14 工作態(tài)度認(rèn)真、端正、虛心、嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格遵守紀(jì)律 6 小計(jì) 30 評(píng)閱成績(jī) 30% 能按任務(wù)書要求出成果 3 論文結(jié)構(gòu)完整、合理，條理清晰，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的論述正確 5 能運(yùn)用本學(xué)科常規(guī)研究方法及相關(guān)研究手段（如計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐并加工處理、整合信息，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠,實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確 5 設(shè)計(jì)用語(yǔ)、格式、圖紙（圖表）、數(shù)據(jù)、量和單位符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各種資料引用規(guī)范 4 視角新穎，主題突出，論據(jù)充分，論證有力，分析透徹，計(jì)算和結(jié)論正確 5 論文中所表述的基本概念清楚，基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的掌握牢固扎實(shí) 6 文字表達(dá)通順無(wú)誤，字?jǐn)?shù)符合要求 2 小計(jì) 30 答辯成績(jī) 40％ 答辯時(shí)基本概念清楚, 基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的掌握牢固扎實(shí) 10 答辯過程中的自述簡(jiǎn)明無(wú)誤，語(yǔ)言流暢 10 能正確回答問題,特別是本課題范圍內(nèi)的基本理論和基本技能問題 20 課題范圍以外的提問僅作參考,不計(jì)分 小計(jì) 40 總成績(jī)合計(jì) 100 說明：評(píng)定成績(jī)分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五個(gè)等級(jí)，實(shí)評(píng)總分90分（含90分）以上記為優(yōu)秀,80分（含80分）以上為良好，70分（含70分）以上記為中等，60分（含60分）以上記為及格，60分以下記為不及格。 煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定評(píng)審等級(jí)表 指導(dǎo)教師評(píng)審意見 評(píng)語(yǔ)： 評(píng)定等級(jí)： 指導(dǎo)教師（簽名）： 答辯小組意見 評(píng)語(yǔ)： 評(píng)定等級(jí)： 負(fù)責(zé)人（簽名）： 學(xué)院抽查意見 評(píng)語(yǔ)： 評(píng)定等級(jí)： 負(fù)責(zé)人（簽名）： 煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）情況匯總表 系別： 班級(jí)： 填表時(shí)間： 年 月 日 序號(hào) 學(xué) 生 題 目 名 稱 類別 （設(shè)計(jì)/論文） 指導(dǎo)教師 總成績(jī) 學(xué)號(hào) 姓名 姓名 職稱 總?cè)藬?shù)： 優(yōu)秀人數(shù)： 良好人數(shù)： 中等人數(shù)： 及格人數(shù)： 不及格人數(shù)：