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智能车系统的整体方案、硬件电路、软件算法、机械结构、调试参数技术报告-乐山师范学院
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智能车的硬件平台采用带MC9S12XS128MAL处理 器的S12 环境,软件平台为CodeWarrior...2、结合软件算法,使小车转向准确、稳定,能够安全通过各种弯道和十字 交叉路口。 ...《智能循迹小车论文》
智能循迹小车论文日期：
课程设计(论文)说明书题目：智能循迹小车信息与通信学院唐志芳院（系）：专业：学生姓名：学号：指导教师：职称：日摘要本设计主要由信号检测模块、主控模块、电机驱动模块三个模块组成。信号检测模块采用红外光对管，用以对黑线进行检测。主控电路采用STC89C52单片机作为控制芯片。电机驱动模块采用意法半导体的L298N专用电机驱动芯片，采用模块电路控制电机与传统分立元件电路相比，使整个系统有很好的稳定性。信号检测模块将采集到的路况信号传入STC89C52单片机，经单片机处理过后对L298N发出指令作相应的调整。小车的速度由单片机输出的PWM波控制，控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹的功能。关键词：智能小车、STC89C52单片机、L298N、红外光电对管AbstractThisdesignismainlycomposedofsignaldetectionmodule,themastercontrolmodule,motordrivermoduleofthreemodules.SignaldetectionmoduleUSESinfraredlighttopipe,usedtotesttheblackline.ThemaincontrolcircuitadoptsSTC89C52single-chipmicrocomputerasthecontrolchip.MotordrivemoduleadoptsthestmicroelectronicsL298Ndedicatedmotordriverchip,usingmodulecircuitcontrolmotorcomparedwiththetraditionaldiscretecomponentcircuit,makethewholesystemhasgoodstability.SignaldetectionmoduletrafficsignalswerecollectedintotheSTC89C52single-chipmicrocomputer,thesinglechipmicrocomputerprocessingaftermakethecorrespondingadjustmentonL298Nissuecommands.VehiclespeediscontrolledbysinglechipmicrocomputeroutputPWMwave,controlthespeedoftheelectriccarandsteering,soastorealizethefunctionofautomatictracking.Keywords:intelligentcar、STC89C52singlechip、L298N、Infraredelectrictube目录引言.........................................................................................................................11系统方案设计与论证......................................................................................11.1系统总体方案.........................................................................................11.2直流调速系统.........................................................................................21.3轨迹探测系统........................................................................................22主要器件介绍...................................................................................................32.1STC89C52单片机简介...........................................................................32.2光电传感器RPR220.................................................................................52.3电机驱动芯片L298N...............................................................................63系统模块设计.................................................................................................63.1单片机控制模块......................................................................................63.2电机PWM驱动模块..................................................................................73.3循迹模块..................................................................................................84系统软件设计...................................................................................................94.1系统软件设计总体框图..........................................................................94.2具体程序见附录一。..............................................................................95小车机械设计.................................................................................................95.1车体简介.................................................................................................95.2车体的参数............................................................................................106系统测试及结果............................................................................................107总结.................................................................................................................10致谢...................................................................................................................11参考文献...........................................................................................................12附录一具体程序..............................................................................................13附录二小车实物图..........................................................................................19引言自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，机器人的感知系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能就必须要感知导引线，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、CPU、执行部分。机器人要实现自动循迹功能，感知导引线。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。1系统方案设计与论证根据题目的要求，确定如下方案：在现有小车底盘的基础上，加装光电传感器，实现对小车的运行状况的实时检测，并将检测的信号传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的数据实现对小车的智能控制。这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的要求。1.1系统总体方案通过对系统的整体分析，可得出小车系统的整体原理框图如图1-1所示。控制右电桥控制右电机循迹检测STC89C52控制左电桥控制左电机图1-1系统总体方案框图1.2直流调速系统方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻元件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流比较大；分压不仅降低了效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的转速进行控制，此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H桥电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精准调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截至状态下，效率非常高；H桥电路保证了可以简单的实现转速的控制；电子开关的速度很快，稳定性也较之继电器高的多，是一种广泛采用的PWM调速技术。经过比较选择方案三，这里使用集成芯片，避免了分立元件的不稳定性。1.3轨迹探测系统在智能车控制系统中，小车有多种寻迹方案。包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结台在一起的寻迹方案，下面依次具体介绍几种寻迹方案。方案一：摄像头寻迹，就是通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，是进行路径识别的一种寻迹方法。摄像头有面阵和线阵两种。它的优点是可以更远更早地得知赛道的变化，但是硬件电路比较复杂，信息处理量大，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。方案二：光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列光电反射管组成，一个光电反射管也相当于摄像头的一个像素。由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。基于两种方案的优缺点，以及智能汽车控制核心AT89C52的处理速度和内部资源，本文采用了光电传感器RPR220的设计方案。2主要器件介绍2.1STC89C52单片机简介STC89C52是一种低功耗、高性能的微控制器，具有8K在线可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。STC89C52单片机引脚说明如下：VCC:电源GND:地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8动4个TTL逻辑电平。对P1位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ILI）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表2-1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。第4页共23页表2-1P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8逻辑电平。对P2位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ILI）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX器的内容。P3驱动4个TTL口：P3@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存位双向I/O口，P3输出缓冲器能在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。口是一个具有内部上拉电阻的8逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ILI）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2-2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表2-2RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)看门狗计时完成后，RST上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。第5页共23页ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。器的输出端。STC89C52引脚图如图2-1所示。XTAL2:振荡器反相放大到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程仅在执行MOVX或MOVC指令使能标志位（地址为8EH的SFR的第0图2-12.2光电传感器RPR220STC89C52引脚图光电传感器由1个红外发射管(发射器)和1个光电二极管(接收器)构成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色)后被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号，就可以被处理器接受并处理，进而实现对反光性差别较大的两种颜色(如黑白两色)的识别。其外型如图2-2所示。其内部电路如图2-3所示第6页共23页图2-2RPR220的外观示意图图2-3RPR220的内部电路示意图2.3电机驱动芯片L298NL298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。其引脚图如图2-4所示。图2-4L298N引脚图3系统模块设计单片机模块是整个硬件电路的核心模块，负责整个电路的资源分配并且对各路信号3.1单片机控制模块进行采集分析处理。设计的电路原理图如图3-1所示。桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第7页共23页图3-1单片机模块电路3.2电机PWM驱动模块小车为两轮驱动，工作电压为5V，两个主动轮，一个从动轮。为了使小车灵活运动，要求小车在速度和方向上能够大范围调整。为此我们选择了控制可靠、便于单片机控制的脉宽调制专用集成电路L298N，一片L298N可驱动两个直流电机，芯片外围只需几个电容和二极管，电路很简洁，克服了分立元件存在的不足。本设计除了在电机电路中加上续流二极管，还在电机控制口与单片机接口连接中使用了光电隔离，防止了电机端的谐波干扰，提高了系统的可靠性；另外使用时加接了散热片，可以使小车长时间运行。本设计用单片机产生PWM波，通过调节占空比来控制电机的转速。A、B连接小车的左电机，C、D连接小车的右电机。左右电机速度相同时可实现小车的前进或后退；速度不同时可实现小车的转弯；当两个电机反向等速运转时，小车可原地转圈。模块的实物图如图3-2所示。桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第8页共23页图3-23.3循迹模块集成电路L298N循迹模块的设计主要是光电对管对白纸与黑道进行检测，根据白纸和黑道对光的反射能力不同的特性，即白纸对光的反射能力强，黑道对光的反射能力弱，本设计采用光电反射式传感器RPR220采集信号，输出为模拟信号，但本设计所要求的信号为数字信号，因此必须进行处理，本设计采用比较器进行处理。轨迹传感器电路由反射式光电采样器、电压比较电路组成，将处理后红外光反射强弱模拟信号由比较器比较后送入单片机，再由软件来判断是否在轨迹上。循迹模块电路如图3-3所示。图3-3循迹模块电路4系统软件设计4.1系统软件设计总体框图开始单片机初始化是是否偏离轨道否右偏左调左偏右调沿黑线正常行驶图4-1总体程序流程图4.2具体程序见附录一。5小车机械设计5.1车体简介（1）可以灵活的进行控制本次设计了用了四个驱动轮的结构。四个轮可以独立控制，可以使小车同时前转、后转、反向旋转和一侧转动一侧停止。可以完成原地转弯，旋转等动作，适合沿曲折路线前进。（2）增加了电机驱动电路和电机调速电路在小车基板上设计了电机驱动电路，可以直接通过IO控制小车的运行状态；为了方便改变小车的运行速度，还设计了调速电路，通过PWM输出，实现电机的调速。（4）增强了小车的可扩展性。无论是下层的基板，还是上面的扩展板，都尽量多的留出可以焊接器件的焊孔。基板前端焊孔是为方便焊接传感器电路而设定，可以方便的搭建黑白线测量、障碍物检测等电路；上面的扩展板，则可以直接把单片机电路焊接在上面，不需要再额外增加电路，方便了扩展。5.2车体的参数（1）成品尺寸：18.2×14.7(cm)（2）车体：四轮驱动（3）供电：5V电路供电，12V电机供电（4）工作电压:DC4-6V小车实物图见附录二。6系统测试及结果测试过程1.我们先测试小车的机械性能，结果证明，小车完好。2.循迹板检查。检查电路线路是否正确，有无短路等故障，器件有无接错等。检查完毕，没有问题。3.通电检查。把循迹板与小车连接起来，看循迹板上的红外对管能否检测到线路。4.下载程序调试。把已经写好的程序下载到单片机上，最终现象表明，小车能实现自动循迹的功能。7总结经过几个礼拜的忙碌，在我的努力下，终于给智能循迹小车画上了圆满的句号。虽说不上是完美，但总算成功了。刚开始接触这个项目，我对其一点也不了解，无从下手。后来通过请教老师和同学，网上查找相关资料，慢慢了解其原理，然后先从硬件入手，其次是编写、调试程序。在这期间，我也遇到过很多问题。最开始的便是寻迹电路板。因为我用的是万能板，所以焊接起来有些困难，尤其是线路处理方面。其次是程序，程序是不可能一次性成功的。在这次的课程设计中，我的收获是巨大的，首先，在专业知识的理解与掌握上更进了一步，通过对所不理解的专业知识的查找，并最终将其理解掌握，而且融入到设计理念中，这是一个不断成长和成熟的过程。第二，我学会了怎么去做一个设计者，再设计的过程中，我们必须不断提高，必须通过不间断的学习来解决一个又一个难题，更重要的是遇到难题时我们应该抱有一个平淡的心态，以一个寻求答案的，渴望的思想去找到解决问题的方法，最终将问题解决。第三，我明白了基本的理论知识和实践设计的差别，好多理论上可以执行的东西有时候是调试不出来的，这时候就要去自己寻找错误，有时候是电路连接，有时候是程序的问题。而且把理论知识运用到实践中时也是一个很大的挑战，需要不断的探寻和调试才可以达到目的。第四，这次课程设计让我得到了很多在课堂上无法获得的知识，以及解决问题的方法，对我来说，这是一次成功的课程设计，实践，永远是熟练自己知识的最根本的方法。致谢历时一个多月的课程设计结束了，这给我带来了深刻的印象，尤其是对于未知的探索，对错误的寻找，这个过程是充满乐趣和成就感的，在连接电路的过程中，遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计，以及在程序调试过程中不可避免的与设计思想相违背，不能出现实验结果的情况。通过老师和同学耐心地指导后，经过对问题的分析及对线路，对程序地调试，才一步步地解决了问题，并最终实现了小车的自动循迹功能。在此，我衷心感谢所有在本次单片机课程设计中帮助过我的老师和同学，没有你们的热心帮助，我可能就不能完成这次任务，谢谢你们！参考文献[1][2][3][4][5]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社,~58.阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社,~97.李全利.单片机原理及应用技术.高等教育出版社，~87.张鑫.单片机原理及应用（第2版).电子工业出版社，~35BrianW.Kernighan,DennisM.Ritchie.TheCProgrammingLanguage.机械工业出版社,~97附录一具体程序#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitIN1=P2^5;//A轮sbitIN2=P2^4;sbitIN3=P2^3;//B轮sbitIN4=P2^2;sbitENA=P2^6;//右电桥使能端口sbitENB=P2^7;sbitIN5=P3^2;//C轮sbitIN6=P3^3;sbitIN7=P3^4;//D轮sbitIN8=P3^5;sbitENC=P3^6;//左电桥使能端口sbitEND=P3^7;sbitbeep=P2^1;sbitD4=P1^7;//光电对管接口sbitD3=P1^6;sbitD2=P1^5;sbitD1=P1^4;ucharMA,MB,MC,MD;uintSpeedA=20,SpeedB=20,SpeedC=8,SpeedD=8;uintt,#include#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//********延时voiddelayms(uintz){uinti,j;for(i=z;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}//*********初始化voidinit(){delayms(1000);IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;IN5=1;IN6=0;IN7=0;IN8=1;TH0=()/256;TL0=()%256;TH1=()/256;TL1=()%256;TMOD=0x11;TR0=1;TR1=1;ET0=1;ET1=1;EA=1;}//***********左调voidturn_left(){IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;IN5=1;IN6=0;IN7=0;IN8=1;SpeedA=39;SpeedB=39;SpeedC=3;SpeedD=3;}//***********右调voidturn_right(){IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;IN5=1;IN6=0;IN7=0;IN8=1;SpeedA=5;SpeedB=5;SpeedC=39;SpeedD=39;}//***********正常速度voidnormal_speed(){IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;IN5=1;IN6=0;IN7=0;IN8=1;SpeedA=23;SpeedB=23;SpeedC=8;SpeedD=8;}//*******停车voidstop(){IN1=1;IN2=1;IN3=1;IN4=1;IN5=1;IN6=1;IN7=1;IN8=1;}//*********循迹voidxunji(){if(beep==0){yingbi();}elseif((D1==0)&&(D2!=0)&&(D4==0))//当车右偏离出了跑道，左矫正{turn_left();}elseif((D1!=0)&&(D3==0)&&(D4==0)){turn_left();}elseif((D1==0)&&(D3!=0)&&(D4==0))//当车左偏离出了跑道，右矫正{turn_right();}elseif((D4!=0)&&(D1==0)&&(D2==0)){turn_right();}elsenormal_speed();}//*********主函数voidmain(){init();while(1){if(t==1800){EA=0;stop();}else{xunji();//循迹}}}voidT0_time()interrupt1{TR0=0;TH0=()/256;TL0=()%256;MA++;MC++;MB++;MD++;if(MA<SpeedA){ENA=1;}else//正常行驶//90秒停车//中断0控制PWM波ENA=0;if(MA==40){MA=0;}if(MB<SpeedB){ENB=1;}elseENB=0;if(MB==40){MB=0;}if(MC<SpeedC){ENC=1;}elseENC=0;if(MC==40){MC=0;}TR0=1;if(MD<SpeedD){END=1;}elseEND=0;if(MD==40){MD=0;桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第19页共23页}TR1=1;}voidT1_time()interrupt3{TH1=()/256;TL1=()%256;t++;}//中断1控制行驶时间附录二小车实物图本文由()首发，转载请保留网址和出处！
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