自动循迹小车毕业设计方案.doc
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1、xxxxxx学院 xxx 系 xxx 专业 xx 级毕业设计(论文)姓名 xx 学号 xxxxxxxx 指导老师(署名) xxx 二 年 月 日烟台工程职业技术学院毕业设计(论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺:我所撰写设计(论文) 是在老师指导下自主完成,没有剽窃或剽窃她人论文或结果。如有剽窃、剽窃,本人愿意为由此引发后果负担对应责任。毕业论文(设计)研究结果归属学校全部。 学生(署名) 年 月 日 目 录目 录1摘 要:2前 言3一.任务要求4(一)任务4二.系统设计方案5(一)小车循迹原理5(二)控制系统总体设计6三系统方案7(一)寻迹传感器模块71红外传感器ST188介绍72比较器LM
2、324介绍83具体电路94传感器安装10(二)控制器模块11(三)电源模块13(四)电机及驱动模块141电机142驱动14(五)自动循迹小车总体设计161总体电路图162系统总体说明18四软件设计18(一) PWM控制18(二) 总体软件步骤图19(三)小车循迹步骤图19(四)中止程序步骤图21(五)单片机测序22五致谢.25六参考资料27自动循迹小车摘要:本设计是一个基于单片机控制简易自动寻迹小车系统,包含小车系统组成软硬件设计方法。小车以AT89C51 为控制关键, 用单片机产生PWM波,控制小车速度。利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到信
3、号给予分析判定,立即控制驱动电机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹目标。关键词:单片机AT89C51 光电传感器 直流电机 自动循迹小车序言伴随汽车工业快速发展,相关汽车研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次全部有智能小车这方面题目,全国各高校也全部很重视该题目标研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这么背景下提出,指导老师已经有充足准备。本题目是结合科研项目而确定设计类课题。设计智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程,含有自动寻迹、寻光、避障功效,可程控行驶速度、正确定位停车。依据题目标要求,确定以下方案:在现有玩具电动车基础上,加
4、装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器,实现对电动车速度、位置、运行情况实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机依据所检测多种数据实现对电动车智能控制。这种方案能实现对电动车运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统各项要求。本设计采取MCS-51系列中80C51单片机。以80C51为控制关键,利用超声波传感器检测道路上障碍,控制电动小汽车自动避障,快慢速行驶,和自动停车,并能够自动统计时间、里程和速度,自动寻迹和寻光功效。80C51是一款八位单片机,它易用性和多功效性受到了广大使用者好评。它是第三代单片机代表。第三代单片机包含了Intel企业发展MCS-51
5、系列新一代产品,如8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,还包含了PhilipsSiemensADMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL等企业以80C51为关键推出大量各具特色和80C51兼容单片机。新一代单片机最关键技术特点是向外部接口电路扩展,以实现Microcomputer完善控制功效为己任,将部分外部接口功效单元如A/DPWMPCA(可编程计数器阵列)WDT(监视定时器)高速I/O口计数器捕捉/比较逻辑等。这一代单片机中,在总线方面最关键进展是为单片机配置了芯片间串行总线,为单片机应用系统设计提供了愈加灵活方法。Philips企业还为这
6、一代单片机80C51系列8C592单片机引入了含有较强功效设备间网络系统总线-CAN(Controller Area Network BUS).新一代单片机为外部提供了相当完善总线结构,为系统扩展和配置打下了良好基础。 一任务要求(一)任务 设计一个基于直流电机自动寻迹小车,使小车能够自动检测地面黑色轨迹,并沿着黑色车轨迹行驶。系统方案方框图图1-1所表示。检测(黑线)驱动电机软件控制控制小车图1-1 系统方案方框图二系统设计方案(一)小车循迹原理这里循迹是指小车在白色地板上循黑线行走,因为黑线和白色地板对光线反射系数不一样,能够依据接收到反射光强弱来判定“道路”。通常采取方法是红外探测法。红
7、外探测法,即利用红外线在不一样颜色物体表面含有不一样反射性质特点,在小车行驶过程中不停地向地面发射红外光,当红外光碰到白色纸质地板时发生漫反射,反射光被装在小车上接收管接收;假如碰到黑线则红外光被吸收,小车上接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来红外光为依据来确定黑线位置和小车行走路线。红外探测器探测距离有限。小车供电后,红外光电二极管发出红外光,光线照在路面上反射回来被光电二极管接收,半导体二极管在电场作用下产生电势,将光信号转换成电信号。该智能小车在画有黑线白纸 “路面”上行驶,因为黑线和白纸对光线反射系数不一样,可依据接收到反射光强弱来判定“道路”黑线。当小车检测到黑线时,红外线
8、部分被黑线吸收,反射回红外线极少被光电二极管接收,转换成比较弱电信号;当小车未检测到黑线时,红外线大部分被反射,反射回红外线被光电二极管接收,转换成比较强电信号。最终,这些电信号经过比较器处理后传入单片机,再由单片机深入做信号处理。(二)控制系统总体设计自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统结构框图图2-1 所表示。稳压电源模块主控芯片AT89C51L298减速电机光电传感器电压比较器图2-1控制系统结构框图 1、 主控制电路模块:用AT89C51单片机、复位电路,时钟电路整个系统关键由主控中心(单片机)、复位电路、时钟电路、按键控
9、制电路、数码管显示电路及LED模拟交通信号灯电路等功效模块组成。碰到特殊情况时能够经过按键电路控制实时交通实际情况,系统框图图1所表示。2、 红外检测模块:光电传感器ST188,比较器LM324红外线光电传感器(简称光电传感器,又称光电开关)是经过把光强度改变转换成电信号改变来实现控制。光电开关是传感器大家族中组员,它把发射端和接收端之间光强弱改变转化为电流改变以达成探测目标。因为光电开关输出回路和输入回路是电隔离(即电缘绝),所以它能够在很多场所得到应用。3、 电机及驱动模块:电机驱动芯片L298N、两个直流电机L298N是SGS企业产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。是一个二相和四相电机专用
10、驱动器,即内含二个H桥高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下电机。其引脚排列图1中U4所表示,1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流传号。L298可驱动2个电机,OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机正反转,ENA,ENB接控制使能端,控制电机停转。在很多场所得到应用。4、 电源模块:双路开关电源模块电源是能够直接贴装在印刷电路板上电源供给器,其特点是可为专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存放器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其它数字或模拟负载
11、提供供电。通常来说,这类模块称为负载点 (POL)电源供给系统或使用点电源供给系统 (PUPS)。因为模块式结构优点甚多,所以模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯和光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。三系统方案(一)寻迹传感器模块ST系列反射式光电传感器是常常使用传感器。这个系列传感器种类齐全、价格廉价、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。我们采取ST188作为红外检测传感器。在黑线检测测试中,若检测到白色区域,发射管发射红外线没有反射到接收管,测量接收管电压为48V ,若检测到黑色区域,接收管接收到发射管发射红外线,电阻发生改变,所分得电压也就随之发生改变,测
12、接收管电压为05V,测试基础满足要求。判定有没有黑线我们用一块比较器LM324, 比较基准电压由30K变阻器调整,各个接收管参数全部不一致,每个传感器比较基准电压也不尽相同,我们为每个传感器配置了一个变阻器。1.红外传感器ST188介绍含一个反射模块(发光二极管)和一个接收模块(光敏三极管)。经过发射红外信号,看接收信号改变判定检测物体状态改变。A、K之间接发光二极管,C、E之间接光敏三极管(二者在电路中均正接,但要串联一定阻值电阻) 图 3-1 ST188实物图 图 3-2 ST188管脚图及内部电路2.比较器LM324介绍LM324为四运放集成电路,采取14脚双列直插塑料封装。内部有四个运
13、算放大器,有相位赔偿电路。电路功耗很小,工作电压范围宽,可用正电源330V,或正负双电源15V15V工作。在黑线检测电路中用来确定红外接收信号电平高低,以电平高低判定黑线有没有。在电路中,LM324一个输入端需接滑动变阻器,经过改变滑动变阻器阻值来提供适宜比较电压。 图 3-3 LM324内部电路 图 3-4 集成运放管脚图3.具体电路经过ST188检测黑线,输出接收到信号给LM324 ,接收电压和比较电压比较后,输出信号变为高低电平,再输入到单片机中,用以判定是否检测到黑线。图3-5 传感器模块电路图4.传感器安装 在小车具体循迹行走过程中,为了能正确测定黑线位置并确定小车行走方向,需要同时
14、在底盘装设4个红外探测头,进行两级方向纠正控制,提升其循迹可靠性。这4个红外探头具体位置图3-6所表示。 图3-6 传感器安装图图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1和Y1为第一级方向控制传感器,X2和Y2为第二级方向控制传感器,而且黑线同一边两个传感器之间宽度不得大于黑线宽度。小车前进时,一直保持(图3-6中所表示行走轨迹黑线)在X1和Y1这两个第一级传感器之间,当小车偏离黑线时,第一级传感器就能检测到黑线,把检测信号送给小车处理、控制系统,控制系统发出信号对小车轨迹给予纠正。若小车回到了轨道上,即4个探测器全部只检测到白纸,则小车会继续行走;若小车因为惯性过大依旧偏离轨道,越出了第一级两
15、个探测器探测范围,这时第二级探测器动作,再次对小车运动进行纠正,使之回到正确轨道上去。能够看出,第二级方向探测器实际是第一级后备保护,从而提升了小车循迹可靠性。 (二)控制器模块采取Atmel 企业AT89C51 单片机作为主控制器。它是一个低功耗,高性能8 位单片机,片内含32k 空间可反复擦写100,000 次Flash 只读存放器,含有4K 随机存取数据存放器(RAM),32 个I/O口,2个8位可编程定时计数器,且可在线编程、调试,方便地实现程序下载和整机调试。时钟电路和复位电路 图3-7(和单片机组成最小系统)1) 采取外部时钟,晶振频率为12MHZ。没有晶振,就没有时钟周期,没有时
16、钟周期,就无法实施程序代码,单片机就无法工作。 单片机工作时,是一条一条地从RoM中取指令,然后一步一步地实施。单片机访问一次存放器时间,称之为一个机器周期,这是一个时间基准。个机器周期包含12个时钟周期。假如一个单片机选择了12MHz晶振,它时钟周期是1/12us,它一个机器周期是12(1/12)us,也就是1us。 MCS51单片机全部指令中,有部分完成得比较快,只要一个机器周期就行了,有部分完成得比较馒,得要2个机器周期,还有两条指令要4个机器周期才行。为了衡量指令实施时间长短,又引入一个新概念:指令周期。所谓指令周期就是指实施一条指令时间。 提供时序频率! 提供单片机工作时序,其实就相
17、当于你电脑CPU主频一个原理。2) 采取按键复位。单片机复位有上电复位和按钮手动复位两种。图(a)所表示为上电复位电路,图(b)所表示为上电按键复位电路。上电复位是利用电容充电来实现,即上电瞬间RST端电位和VCC相同,伴随充电电流降低,RST电位逐步下降。图(a)中R是施密特触发器输入端一个10K下拉电阻,时间常数为1010-610103=100ms。只要VCC上升时间不超出1ms,振荡器建立时间不超出10ms,这个时间常数足以确保完成复位操作。上电复位所需最短时间是振荡周期建立时间加上2个机器周期时间,在这个时间内RST电平应维持高于施密特触发器下阈值。上电按键复位(b)所表示。当按下复位
18、按键时,RST端产生高电平,使单片机复位。复位后,其片内各寄存器状态改变,片内RAM内容不变。因为单片机内部各个功效部件均受特殊功效寄存器控制,程序运行直接收程序计数器PC指挥。各寄存器复位时状态决定了单片机内相关功效部件初始状态。另外,在复位使用期间(即高电平),80C51单片机ALE引脚和引脚均为高电平,且内部RAM不受复位影响。图关键点一下查看大图才清楚哦O(_)O向左转|向右转图3-7 时钟电路和复位电路(三)电源模块 电源采取双路开关电源。明伟牌D-30W双路开关电源。输出(5V、12V)。实物图图3-8所表示。 图3-8双路开关电源该开关电源尺寸为129X98X38mm,交流输入转
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