毕业设计-基于atmega8单片机寻迹小车设计

毕业设计-基于atmega8单片机寻迹小车设计内容摘要：

月球成功发射了两次无 人巡游探测器。 1997 年 由美国JPL( 全称 JetPropulsion Laboratory 美国太空总署喷气推进实验室 ) 研制的Sojourner 号探测车登上了火星。 它验证了小型火星车的性能 并完成了一系列技术试验。 2020 年 1 月 美国的“勇气号”和“机遇号”火星探测车再度登陆火星。 前苏联在 19591976 年间 总共成功发射了两个月球探测车。 智能小车不仅仅在科研上有发挥之地，其 主要应用领域包括以下几个方面 : (1) 军事侦察与环境探测 现代战争对军事侦察提出了更高的要求 世界各国普遍重视对军事侦察的建设采取各种有 效措施预防敌方的突然袭击并广泛应用先进科学技术不断研制多用途的侦察器材和探测设备在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备通过光缆操纵完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自 主巡逻等任务 进一步扩大侦察的范围提高侦察的时效性和准确性。 (2) 探测危险与排除险情 在战场上或工程中 常常会遇到各种各样的意外。 这时 智能化探测小车就会发挥很好的作用。 战场上可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。 民 3 用方面可以探测化学泄漏物质可以进行地铁灭火以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。 (3) 安全检测受损评估 在工程建设领域 可对高速公路自动 寻 迹进行道路质量检测和破坏分析检测。 对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。 在制造领域 可用于工业管道中机械损伤裂 纹等缺陷的探寻 对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。 (4) 智能家居 在 家庭中 可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器控制室温等。 课题研究的目的和意义 智能小车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、执行部分、 CPU。 其中最基本的 寻迹 功能的 实现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 线 路使小车实现自动识别路线，快速到达指定地点。 本设计的寻 迹 小车利用 ATmega8 单片机为控制核心，通过传感器对路面黑色轨迹进行检测，并将路面检测信号通过 ADC 转换为数字信号。 单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制直流电机不同的转动状态 ,通过小车的前进、左转、右转以调整小车的转向，使小车达到沿着既定轨道行驶。 本设计用到的 ATmega8单片机。 它是一款比较先进的控制核心。 ATmega8 是一款采用低功耗 CMOS 工艺生产的基于 AVR RISC 结构的 8 位 单片机。 AVR 单片机的核心是将 32 个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与 ALU（ 算术逻辑单元 ）直接相连，实 现了在一个 时钟周期 内执行的一条指令同时访问（读写）两个独立寄存器的操作。 这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个 时钟周期。 因此， ATmega8 可以达到接近1MIPS/MHz 的性能，运行速度比普通 CISC 单片机 高出 10 倍。 这里的 寻迹 是指小车在黑色地板上循白线行走，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 4 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。 红外探测器探测距离有限，一般不应超过 3cm。 通过构建智能小车系统 培养设计并实现自动控制系统的能力。 在实践过程中熟悉以单片机为核心控制芯片设计小车的检测、驱动和显示等外围电路采用智能控制算法实现小车的智能循迹。 灵活应用机电等相关学科的理论知识联系实际电路设计的具体实现方法达到理论与实践的统一。 在此过 程中加深对控制理论的理解和认识。 5 第二章 系统总设计方案 任务要求 基于 ATmega8 单片机设计一智能 寻 迹小车。 要求小车能按给定的黑线 自动寻找 轨迹 并按照轨迹平稳的行驶。 实现 小车 自动 辨别黑 线行驶功能。 系统方案方框图如图 21 所示。 图 21 系统方案方框图 根据上述要求，本论文的主要工作内容： （ 1）路面检测模块设计及实物传感器的安装 （ 2） ATmega8 主控芯片最小系统和下载电路设计 （ 3） 直流电机的调速及 PID 跟踪控制理论 设计 和软件设计 （ 1） 根据实物电路图完成仿真电路图设计 （ 2） 软件的总体设计及 ICC AVR 编程 （ 3） Proteus 仿真测试 理论及设计方案 驱动方面：寻迹小车采用后轮驱动，后轮左右两边各用一个直流电机驱动。 控制左右两电机的转速以达到控制小车转向的目的。 为了让小车能平稳通过角度极端的弯道，在降低左电机速度，同时会给右电机加速。 这种方式能更有效的控制小车转向。 路面检测方面： 本设计以白底黑线做为小车检测基础，小车由红外线对管的检测，按黑线循环行驶。 由于 不同颜色的物体表面具 有不同的反射性质 ，红外 探测 发射极向地面发射红外线， 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 ；当 黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到光电检测 信息处理软件控制 驱动电 机 控制小车 6 红外光。 根据这种特点就可以检测出小车的行驶轨迹。 但由于 红外探测器探测距离有限 和环境光线干扰会导致小车在检测上带来误差。 红外探测距离可经多次实验得到最佳距离。 环境光线带来误差可以靠软件来避免。 系统总体框架 自动 寻 迹小车控制系统由主控制电路模块 、 红外检测模块 、 电机驱动模块等部分组成 ,控制系统的结构框图如图 22 所示。 其工作原理是： 红外检测模 块不断 检测 黑线 ，检测到的红外信号送到 ADC 转换电路， ADC 转化电路将转换完的数字信号送到单片机， 单片机做出判断并驱动 电机，来使寻线机器人可以自主的寻线行驶，自由转弯。 图 22 控制系统的结构红外检测模块 主控芯片 ATmega8 MUC 电机驱动模块 7 第三章 主要元件 说明 与硬件设计 寻迹传感器模块 寻迹是 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。 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过，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；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。 由此过程可以判断黑线的位置，从而单片机控制左右电机的转速，以达到寻迹行驶。 ITR8307 介绍 ITR8307 是一种光反射开关，其结构包括一个材料为 GaAs(砷化镓 )的红外LED 发射机和一个 NPN 晶体管的高敏红外接收器。 这个两个组件并排封装。 可用于接收进行短距离、大范围的红外线。 图 31 外观及内部电路图 ①：阴极 ②：阳极 ③：集电极 ④：发射极 尺寸单位： mm 8 ITR8307 的 输入输出及反应速度参数如 31 表所示 表 31 ITR8307 参数表如下 传感器电路图 传感器 ITR8307 是寻线的主要元件， PD0 接单片机。 单片机控制 PD0 高低电平，从而控制红外发射 LED 是否发射红外光。 ADC0 接单片机。 些端口的信号传入单片机，经 A/D 转换后，得到电压值。 根据电压值判断是否检测到黑线。 电路图如图 32 所示： 参数 符号 基本 值 最大值 单位 条件 输入 25℃标准大气 压下的功率 Pd 75 mW 正向电压 VF V IF=20mA 反向电流 IR 10 mA VR=5V 峰值波长 λP 940 nm 输出 暗电流 ICEO 100 nA VCE=10V CE 饱和电压 VCE(sat) V IC=2mA IB= 速度 上升速度 tr 20 μsec VCE=2V IC=100μA RL=1KΩ 下降速度 tf 20 μsec 工作温度 Topr 25 80 ℃ 焊接温度 Tsol 260 ℃ 9 图 32 传感器 ITR8307 电路图 传感器的安装 查阅 ITR8307 传感器 规格书 ，图 33 主 要 说明传感器发射极电流与反射板距离关系。 实验采用铝板为反射板。 从图中可知传感在距离 处，发射极电流比上集电极电流达到最高。 但考虑到距离太过贴近，设计传感器安装距地面 2~3 mm。 图 33 发射极电流与距离 d 关系图 发射极电流与距离 d (mm)关系 发射极电流相对集电极电流百分比（%） IF=4mA VCE=2V Ta=25℃ 传感 器距离铝板 d (mm) 10 控制器模块 ATmega8 介绍 ATmega8 是 ATMEL 公司在 2020 年第一季度推出的一款新型 AVR 高档单片机。 在 AVR 家族中， ATmega8 是一种非常特殊的单片机，它 的芯片内部集成了较大 容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备 AVR 高档单片机 MEGE系列的全部性能和特点。 但由于采用了小引脚封装（为 PDIP 28和 TQFP/MLF32），所以其价格仅与低档单片机相当，再加上 AVR 单片机的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机 嵌入式系统的设计和开发，同时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。 ATmega8 引脚 如图 34 所示。 图 34 ATmega8 PDIP 封装引脚图 11 ATmega8 单片机硬件结构及主要 性能 （ 1） 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微控制器，先进的 RISC 精简指令集结 构 130 条功能强大的指令，大多数为单时钟周期指令 32 个 8 位通用工作寄存器 片内集成硬件乘法器（执行速度为 2 个时钟周期） （ 2） 片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器 8K 字节的 Flash 程序存储器，擦写次数：＞ 10000 次 支持可在线编程（ ISP） 512 个字节的 E2PROM，擦写次数： 100000 次 可编程的程序加密位 （ 3） 丰富强大的外部接口（ Peripheral）性能 2 个具有比较模式的带预分频器（ Separate Prescale）的 8 位定时 /计数器 1 个带预分频器 （ SeParat Prescale） 具有比较和捕获模式的 16 位定时／计数器 2 个 PWM 通道，可实现任意相位和频率可调的 PWM 脉宽调制输出 6 通道 A/D 转换（ PDIP 封装）， 4 路 10 位 A/D+2 路 8 位 A/D 带片内 RC 振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 （ 4） 特殊的微控制器性能 可控制的上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路 内部集成了可选择频率（ l/2/4/8MHZ） 、可校准的 RC 振荡器 外部和内部 的中断源 18 个 （ 5） I/O 口和封装 最多 23 个可编程 I/O 口，可任意定义 I/O 的输入 /输出方向 输出时为推挽输出，驱动能力强，可直接驱动 LED 等大电流负载 输入口可定义为三态输入，可以设定带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻 （ 6） 宽工作电压 （ ATmega8） 12 主要 I/O 口分配 表 32 单片机的主要 I/O 分配如 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 接收由传感器的信号 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 控制传感器红外发射器的通断电 PB1 PB2 输出 PWM 波控制左右电机转速 PC6 单片机复位 时钟电路 时钟电路一般由晶振和电容组成。 单片机必须在周期性的时钟信号的作用下工作，如果没有时钟信号的限制，那单片机的工作就乱套。 对于 ATmega8 单片机来说，它内部有经过校正的内部 RC 振荡器，所以在对时钟精度要求不高的场合，我们可以省去时钟电路。 下载电路 这里选用现在普遍的 ISP 下载线路。 ISP 接口使用 ATmega8 四个接口： MOSI RST SCK MISO。 连接单片机电路如 图 35 所示。 图 35 ISP 下载电 路 13 复位电路 复位电路的作用：单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。 单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。 与传统的 51 单片机相比， AVR 单片机内置复位电路，并且在熔丝位里，可以控制复位时间，所以， AVR 单片机可以不设外部上电复位电路，依然可以正常复位，稳定工作。 但要 注意， AVR 单片机是低电平复位。 复位电路 设计很简单：直接拉一只 10K 的电阻到 VCC 即可 (R1)。 为 了可靠，再加上一只 的电容 (C0)以消除干扰、杂波。 二极管 D1(1N4148)的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在 Vcc+ 左右，另一作用是系统断电时，将 R0(10K)电阻短路，让 C0 快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。 总的复位电路 如图 36 所示 ： 图 36 复位电路图 电机驱动模块 本设计使用 小 型直流电机。 直流电机由 脉宽调制（ PWM） 调速， 其工作原理是：通过改变“接通脉冲”的宽度，使直流电机电枢上的电压的“占空比”改变，从而改变电枢电压的平均值，控制 电机的转速。 因此，我们可以通过单片机， 14 生成固定频率的脉冲信号，通过改变脉冲信号中的“占空比”来控制电机的转速。 图 37 中 Q1 和 Q2 为大功率三极管，直接控制直流电机的通断电。 D7 和 D8 二极管为续流二极管， 其作用是在电机断电时，由于电感的存在，电动机的电枢电流可通过续流二极管形成回路而继续流动，因此尽管电压呈脉动状，而电流还是连续的。 电机脉宽调制（ PWM） 调速 控制图，如图 37 图 37 PWM 控制电路图 15 第四章 信息处理与程序设计 直流电机调速 脉宽调制 PWM 工作原理 脉宽调制 的全称为： Pulse Width Modulator，简称 PWM，由于它的特殊性能，常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速。 脉冲宽度调制（ PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。 通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有 (1)，要么完全无 (0)。 电压或电流源是以一种通 (1)或断 (0)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被 断开的时候。 只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。 脉宽调制（ PWM），控制方式就是采用脉冲宽度调制技术，其工作原理是：通过改变“接通脉冲”的宽度，使直流电机电枢上的电压。