毕业论文格式范文1.doc

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毕业设计论文

红外线自动循迹小车

系 别: 机电工程学院
专业名称: 机械设计制造及其自动化
学 号:
学生姓名:
指导教师:
指导单位:
完成时间: 2011年5月1日

毕业设计（论文）任务书

题目名称
红外线自动循迹小车

设计（撰写）内容
采用STC89S52为控制核心, 通过红外发射和接收管采集信号, 并将信号转换为能被单片机识别的数字信号。单片机控制直流电机不同的转动状态, 实现小车的前进、左转、右转等功能。并利用PWM控制电机的转速，实现一个相对稳定准确的循迹系统。

预期目标
预期希望小车能准确的实现自动循迹,对于小车的速度可以根据路线自动调节,并且如果跑出轨道还能根据不同状况自动寻回路线。

成果形式
1.红外线自动循迹小车实物;
2.红外线自动循迹小车论文.
设计（撰写）地点
***学院机电工程学院实验室
起止时间
2011年3月 1日至 2011年 5 月 2 日
指导单位
***院机电工程学院
指导教师
年 月 日
审核意见

审核签名
年 月 日

***学院毕业设计（论文）成绩评定表

设计（撰写）过程
评语：

指导教师：
年 月 日
成绩

论文评阅
评语：

评阅教师：
年 月 日
成绩

论文答辩
评语：

答辩组长：
年 月 日
成绩

总分

审核人： 年 月 日

红外线自动循迹小车

摘 要

近年来，生活小区的发展十分迅速，面积急剧增大。考虑到生活小区路面情况简单，行人多、机动车少，采用无人驾驶的电力环保清洁车最为适合。考虑到这些实际因素，对近年来竞赛机器人技术进行了初步研究，最终设计出这个红外线自动循迹小车，并希望能成小区里的环保清洁小车。
本文首先对自动循迹小车所涉及的技术作了介绍，主要涉及到机械电子、传感器技术、驱动控制技术等多个领域的技术融合。论文采用STC89C52为控制核心, 通过红外发射和接收管采集信号, 并将信号转换为能被单片机识别的数字信号。单片机控制直流电机不同的转动状态, 实现小车的前进、左转、右转等功能。其次，对自动循迹小车的循迹进行了认真的研究，查阅了大量文献，最终利用PWM控制电机的转速，实现一个相对稳定准确的循迹系统。整个系统的电路结构简单, 可靠性高。
本设计研究的系统具有良好的安全性、环保性，可以为无人驾驶环保清洁汽车的后续研究提供良好的参考。

关键字：循迹小车;红外传感;单片机

Infrared automatic follow mark car

Abstract

In recent years, the living community is developing very rapidly, and area of a sharp increase. Considering the living community road conditions, simple and pedestrians using unmanned vehicle less, the electric power environmental protection clean your car is the most suitable. Considering the actual factors of robot technology in recent years contest was studied, the final design out the infrared automatic tracing vehicles, and resolutely hopes to become environmental clean cars.
This paper firstly automatic follow the technology involved tracing car introduced, mainly involving machinery and electronics, and sensor technology, drive control technology and other fields of technology integration. Paper by using STC89C52 as control core, through infrared emitting and receiving tube acquisition signals, and converts the signal can be SCM identifying digital signal. Single-chip microcomputer control dc motor different rotating state, achieve car forward, left turn, turn right, and other functions. Secondly, for automatic tracing car tracing Morrison has carried on the earnest study, consult a lot of literature, finally using PWM control motor speed, realize a relatively stable accurate tracing system comprehensively. The whole system circuit structure is simple, high reliability.
This design research system has a good safety, environment protection, can for unmanned environmental clean car of subsequent research provides a good reference.

Key word: Follow mark car; Infrared sensor; microcontroller

目 录

1 前言 1
1.1 选题背景 1
1.2 研究目的和意义 1
2 系统总体设计 2
2.1 任务 2
2.2 系统设计方案 2
2.2.1 小车循迹原理 2
2.2.2 控制系统总体设计 2
3 硬件设计 4
3.1 循迹传感器模块 4
3.1.1 红外传感器ST188简介 4
3.1.2 比较器LM324简介 5
3.1.3 具体电路 6
3.1.4 传感器安装 6
3.2 控制器模块 7
3.3 电源模块 8
3.3.1 稳压器LM7805简介 8
3.3.2 稳压电源电路 8
3.4 电机及驱动模块 9
3.4.1 电机 9
3.4.2 驱动 9
4 软件设计 11
4.1 PWM 11
4.2 电机控制 11
4.3 总体软件流程图 12
4.4 小车循迹流程图 13
5 系统测试 15
5.1 测试与调试步骤 15
5.2 部分注意事项 15
6 结 语 16
致 谢 17
参考文献 18
附录 19

1 前言
1.1 选题背景
随着时代的进步，科技的发展，工业生产正在向着自动化，智能化的阶段进步以及对人性化的要求，对各种智能机器人的要求也越来越高。目前市场的循迹小车功能都比较单一，很少有对其功能的深入研究该智能小车在循迹的基础上增加了计程的功能。智能循迹小车技术可以应用于无人驾驶机动车，无人工厂、仓库、服务机器人、未知路线探测和人类不能存在或长期存在等环境中；通过功能扩展，小车具有在复杂地形条件下矿藏探测的功能。循迹小车的研究重点是对轨迹的自动识别与自动校正，并在行进稳定的情况下进行其他拓展功能，这对整个小车系统的稳定性和抗干扰性有很高的要求。
1.2 研究目的和意义
随着社会的发展，环境问题已经成为一个美丽城市的重要指标。而现今城市小区环境问题还是备受着严重的考验，如乱扔垃圾、尘土飞扬等问题。现今社会的不断发展中，各行各业的生产及运输过程中，无人驾驶小车及机械手的使用已经相当普及了，在工厂、码头以及在一些高难度作业环境中都可以见到无人驾驶小车可以看到，在不同的场合，无人驾驶小车的形状和功能有很多种，无人驾驶小车与传输带不同，传输带只能使用在一些固定的地方，它不可能像无人驾驶小车一样能够方便、快捷的进行物品的传输。随着生产工艺和自动化程度的发展，控制方式有了较大的改变。不过，虽然它们在方式上存在较多的差别。但在控制思想和电路原理方面，有很多的共同之处，中间都少不了检测输入、数据处理、决策判断、驱动控制等环节。我制作了这个无人驾驶小车它只是一个模型，但是工业中传输设备也可以用类似的原理制作出来，我的目的只中可以自如应用这些知识。本文设计的小车基于单片机为控制核心，用反射是掌握了解这种小车的运作原理以及各门功课的联系及应用，以便在以后的工作式红外光电传感器作为检测元件实现小车的自动循迹前行。在这样的情况下设计智能化的无人驾驶小车，其目的是为了适应社会的发展，通过无人驾驶的智能循迹车来实现环境的清洁，从而得到一个更美丽的家园。

24

2 系统总体设计
2.1 任务
设计一个基于直流电机的自动寻迹小车，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。系统方案方框图如图2-1所示[1]。
STC892C52
稳压电源
红外检测模块
电机驱动模块

图2-1 系统方案方框图
2.2 系统设计方案
2.2.1 小车循迹原理
循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。通常采取的方法是红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线，由于红外探测器探测距离有限。
2.2.2 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,控制系统的结构框图如图2-2 所示[2]。
稳压
电路
STC89
C52
L298N
电机
驱动
电压比较器
光电传感器

图2-2 控制系统的结构
1、主控制电路模块：用STC89C52单片机、复位电路，时钟电路
2、红外检测模块：光电传感器ST188,比较器LM324
3、电机及驱动模块:电机驱动芯片ULN2003、两个直流电机
4、电源模块：稳压器LM7805
控制系统的工作原理：首先给系统外接一个7.2V的锂电池电源，此电源是驱动电机及输入给稳压电路的电源。稳压电路将7.2V的电源稳定降低到5V供给主芯片STC89C52及各个电路和LED灯。系统通电工作后，光电传感器根据能否接收到红外放射信号，并通过电压比较放大器将模拟信号转变成数字信号输入给52芯片，52芯片由此根据输入端口的数字信号输出相应的信号给输出端，从而控制电机驱动模块，最终控制电机转动，实现循迹效果。

3 硬件设计
3.1 循迹传感器模块
ST系列反射式光电传感器是经常使用的传感器。这个系列的传感器种类齐全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。采用ST188作为红外检测传感器。
在黑线检测的测试中，若检测到白色区域，发射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管的电压为4.8V，若检测到黑色区域，接收管接受到发射管发射的红外线，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，测的接收管的电压为0．5V，测试基本满足要求。
判断有无黑线采用一块比较器LM324， 比较基准电压由10K的变阻器调节，调节变阻器寻找最佳的传感效果。
3.1.1 红外传感器ST188简介
含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。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，但要串联一定阻值的电阻）[3]。

图 3-1 ST188实物图 图 3-2 ST188管脚图及内部电路

否

发射红外线
输出高电平

能否反射

输出低电平

是

图3-3 传感器原理框图
红外传感器根据发射出的红外线如图3-3，当红外线照射在黑线上，黑线吸收红外线，使之接收部分不能发生光电效应，从而使输出端输出高电平。而当红外线照射在白线上，白线不吸收红外线，并且能良好的反射红外线，使之接收部分能发生光电效应，从而输出端输出低电平。
3.1.2 比较器LM324简介
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。
在黑线检测电路中用来确定红外接收信号电平的高低，以电平高低判定黑线有无。在电路中，LM324的一个输入端需接滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值来提供合适的比较电压。

图 3-4 LM324内部电路 图 3-5 集成运放的管脚图
比较器是将传感器的输出的模拟电压与基准电压做比较，实现将传感器的模拟信号转变成数字信号，并将信号输入到52芯片的P1^0口。
3.1.3 具体电路
通过ST188检测黑线，输出接收到的信号给LM324 ，接收电压与比较电压比较后，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3-6 传感器模块电路图
3.1.4 传感器安装
在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。这4个红外探头的具体位置如图3-7所示[4]。

图3-7 传感器安装图
图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持(如图3-7中所示的行走轨迹黑线)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，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级探测器动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。
3.2 控制器模块
采用STC公司的STC89C52 单片机作为主控制器。它是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51[5]指令集和输出管脚相兼容，且可在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。

图3-8 时钟电路和复位电路
图3-8中的52单片机最小系统由以下两个部分组成且工作原理为：
1、晶振电路，单片机要想工作必须有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，具体电路为图中的Y1、C2、C3，在做电路板时应注意晶振和电容要靠近18脚和19脚放置，如果放置过远可能会造成晶振不能起振，或工作不稳定。典型值为C2、C3 30pF，Y1 12M。
2、复位电路，复位电路包括上电复位和手动复位两部分，52系列单片机多为高电平复位，也就是说RST（9）脚上只要有持续两个机器周期以上的高电平就能使单片机复位，因此上电复位的原理就是利用电容充电的一段时间将复位脚拉至高电平，使单片机完成复位，C1选用104瓷片电容，R1在电容充电结束后将复位脚拉至低电平，保证单片机正常工作。
3.3 电源模块
3.3.1 稳压器LM7805简介
含三个引脚，分别1脚为输入、2脚为接地、3脚为输出。如图3-9 LM7805实物图。

图3-9 LM7805实物图 图3-10 LM7805内部电路图
稳压器的主要工作任务是将外接的高压电源稳压降压到5V，并将此电压提供给52芯片及其他电路和LED灯，使之能稳定的工作。
3.3.2 稳压电源电路
电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源