基于单片机的循迹小车毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的循迹小车毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

法比 异步电 动 机简单 ，只需给电机两条控制线 加上 适当的电压 就能使 电机 旋转， 在正常工作电压范围，电压越高直流 电机转速越高。 直流电动机调速 方法分为两种：一种是 直接 调整电压， 另一种 通过PWM 调速。 PWM 调速就是使加在直流电机两端的电压 波形 为 矩形波 ， 改变 矩形波 的占空比 就能 实现 电压的改变，从而实现 电机转速 的改变。 (5)电源 模块 ：由三 个 串联 干电池作为电源。 通过 7805 稳压芯片稳 压，通过 和 470μF电容进行滤波。 整体控制方案 确定 图 为 循迹 小车的系统控制框图。 引导线是小车跟踪的目标， 检测系统检测车的相对路径 ， 然后 将此信息输入到单片机，单片机 处理 此信息后 ， 将控制命令输出到 驱动模块 ，以控制小车的 直流电机 ，保证小车快速平稳地沿预先设定好的路线行驶。 图 循迹 小车 系统控制框图 采用 3 个 可充电池组 作为主电源。 STC89C52 单片机作为主控制器。 因为小车电机内部装有减速齿轮组 ， 所以 不需考虑调速功能，采用电机驱动芯片 L298N 控驱动模块和直流电机 光电 循迹 传感器 单片机 黑色 引导线 沈阳理工大学 7 制 直流 电机， 而不使用步进电机。 L298N 是利用 TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。 用光敏电阻组成光敏探测器。 光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。 当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。 这样单片机和循迹传感器组成了一个带有反馈信号的系统。 沈阳理工大学 8 3 系统的硬件设计 单片机电路的设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如 ROM、 RAM、 I/O、定时器 /计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、 A/D、 D/A 转换器等。 单片机的功能特性描述 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片 上。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、价格便宜。 单片机内部也有和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 本课题选择了 STC 公司的生产的 STC89C52 单片机。 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，是带 8K 字节闪烁可编程可檫除只读存储器。 一个芯片上拥有 8 位 CPU，并且在系统可编程 Flash。 STC89C52 提供给为众多嵌入式控制应用系统高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 具有以下标准功能 :8k 字节 Flash， 512 字节RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM， 两 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。 此外，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。 表 STC89C52 单片机和 AT89S52 单片机的对比 STC89C52单片机 AT89S52 单片机 序存储空间 8K 字节 8K 字节 数据存储空间 512 字节 256 字节 EEPROM 存储空间 内带 4K 字节 无 是否可以直接使用串口下载 可以 不可以 沈阳理工大学 9 晶振电路 在 STC89S52 单片机 上 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 ， 引脚XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出 端。 时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。 在 1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。 定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。 从 XTAL1 接入，如图 所示。 由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有要求。 本设计选用的是 12MHZ无源晶振、 2 个 22pF 电容，使得一个机器周期是 1μs。 晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，而 两个电容则是 起到并联 谐振 的作用 ， 如果没电容，振荡 电路 会因为没有回路而停振， 电路不能正常工作。 图 单片机晶振电路图 复位电路 复位电路的作用 是 在上电或复位过程中，控制 CPU的复位状态：这段时间内让 CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止 CPU 发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。 89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。 施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。 不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。 如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。 当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期 (24 个振荡周期 )以上，则 CPU就可以响应并将系统复位。 本设计采用的电容值为 10μF 的电容和电阻 采用 和 200Ω 的电阻。 如图 沈阳理工大学 10 所示上电后，由于电容充电，使 RST 持续一段高电平时间。 当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使 RST 持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作 [6] [7]。 图 单片机复位电路图 光电传感器模块 循迹 光电传感器原理， 就是 利用 黑线 对红外线不同的反射能力通过光敏二极管或光敏三极管，接收反射回的不同光强信号，把不同光强转换为电流信号，最后通过电阻，转换为单片机可识别的高低电平。 光电传感器实现 循迹 的基本电路如 所示。 图 循迹 传感器电路图 循迹传感器 工作原理 ： TC 端是传感器工作控制端，为高电平时，发光二极管不工作，传感器休眠，为低电平时，传感器启动。 Signal 端为检测信号输出，当遇到黑线，沈阳理工大学 11 黑线吸收大量的红外线，反射的红外线很弱，光敏三极管不导通， Signal 输出高电平 ；当遇到 白线 ，与黑线相反，反射的红外线很强，使光敏三极管导通， Signal 输出低电平。 这种探测方法，即利用红外线在不同颜色的表面特征，具有不同的反射性能，汽车行驶过程中接收地面的红外光。 当红外光遇到白色路线，地板发生漫反射，安装在小型车的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路线，红外光将被黑线吸收，安装在小车上的接收管没有收到红外光。 控制器会根据是否收到反射的红外光为判断依据来确定的黑线的位置和小车的路线。 红外探测器距离通常是不应超过 15 厘米的。 红外发射和接收红外线感应器，可以使自己或直接使用集成 红外探头。 调整左右传感器之间的距离，两探头距离约等于 黑线 宽度最合适， 选择 宽度 为 3 – 5 厘米 的黑线。 该传感器的灵敏度是可调的，传感器 有时 遇到 黑线 却不能送出相应的信号，通过调节传感器上的可调电阻，适当的增大或减小 可改变 灵敏度。 另外， 循迹 传感器的 放置 也 是 有讲究的，有两种方法，一种是两个都是放置在 黑线 内侧紧贴 黑线 边缘，第二种是都放置在 黑线 的外侧，同样紧贴 黑线 边缘。 本设计 采用第二种方法。 单片机烧录程序后 ， 就可以执行循迹指令了。 如果 小车 向前行驶时 向左偏离了 黑线 ，那么右边传感器会产生一个 高 电平，单片机判断这个信号，然 后向右拐回到 黑线。 两传感器输出信号为 低 电平 时， 小车前进。 如果小车向右偏离 黑线 ，左边传感器产生一个 高电平，单片机判断这个信号，然后向左拐。 这样， 小车 一定 不 会 偏离 黑线。 若两 个 光电传感器同时输出的信号为高电平，即单片机判断的都为高电平 时 ，小车向前直走。 传感器分布 传感器通过信号采集，向单片机提供信息。 因此传感器合理的布局很重要，传感器布局需要考虑小车行驶过程中信息检测的准确度和前瞻性，能使在相同数量的传感器下，获得更多的数据。 传感器的布局一般有以下三种：一字型布局， M 型布局和活动型布局。 一字型布局 即所有传感器在同一直线上。 一字型布局分为等距排布型和非等距排布型。 等距排布型不利于采集准确的弯道信息。 考虑到弧度信息采集的连贯性，非等距排布采用等角原则，即在垂直平分线上方处某点，以等角的引射线与直线的交点就是传感器的分布点，此种方法检测连贯简单，更容易控制小车。 M型布局即传感器的布局成 M型， M 型布局最适合检测多弯道的轨迹。 由于传感器不在同一直线上，故小车转弯时，左右两边后部的传感器有较大的采样空间，两边前端的传感器则对采集的信号有更好的前瞻性， M 型中间底部的传感器择更好的确定小沈阳理工大学 12 车的位置。 整个布局有利于在弯道处提高小车速度。 但相对一字型布局， M 型布局容易产生不稳定信号，从而产生信号震荡，影响小车行驶的稳定性。 活动型布局采用矩阵模式，将传感器排布成矩阵形状，通过对不同位置传感器采集到信息的选择来适应各种不同的跑道。 这样对不同路况有更强的适应性。 此种方案可调性大，但 此种方法需要较多传感器，冗余较大，比较笨重，增加小车的重量，不利于小 车的加减速。 最终决定采用 M型布局 方法来对 4 个传感器进行布局，这种 布局 方法 的前瞻性最好。 电机驱动电路 本设计采用 L298N 电机专用驱动芯片带动两个 12V的直流电动机。 直流电机由 定子和转子 两大部分组成。 直流电机运行时静止不动的部分称为 定子 ，定子的主要作用是产生 磁场 ，由机座、主 磁极 、换向极、端盖、轴承和 电刷 装置等组成。 运行时转动的部分称为 转子 ，其主要作用是产生 电磁转矩 和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，通常又称为 电枢 ，由转轴、电枢铁心、 电枢绕组 、 换向器 等组成。 其中 L298N 是 ST 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。 可以驱动两个直流电机 或 驱动两个二相电机，也可 单 独 驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V。 直接通过电源来调节输出电压，直接通过 单片机的 IO 端口提供信号，使得电路简单，使用更 方便。 L298N 可接受标准 的 TTL逻辑电平信号 VSS， VSS 通常 接 ~7V的 电压。 4 脚 VS 接 电压 源 ， VS 可接 电压范围 VIH 为~46V。 L298N 芯片 输出电流可达 A，可驱动电感 负载。 L298N 是一个内部有 两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动芯片 ，可以用来驱动直流电动机 、 步进电动机。 使用 标准逻辑电平信号控制， 直接连接 单片机管脚 ， 具有两个使能控制端， 使能端 在不受输入信号影响 的情况下 不允许器件工作。 L298N 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。 沈阳理工大学 13 L298N 引脚结构 图 L298N 驱动芯片 表 L298N 引脚编号与功能 引脚编号 名称 功能 1 电流传感器 A 在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流 2 输出引脚 1 内置驱动器 A的输出端 1，接至电机 A 3 输出引脚 2 内置驱动器 A的输出端 2，接至电机 A 4 电机电源端 电机供电输入端 ,电压可达 46V 5 输入引脚 1 内置驱动器 A的逻辑控制输入端 1 6 使能端 A 内置驱动器 A的使能端 7 输入引脚 2 内置驱动器 A的逻辑控制输入端 2 8 逻辑地 逻辑地 9 逻辑电源端 逻辑控制电路的电源输入端为 5V 10 输入引脚 3 内置驱动器 B 的逻辑控制输入端 1 11 使能端 B 内置驱动器 B 的使能端 12 输入引脚 4 内置驱动器 B 的逻辑控制输入端 2 13 输出引脚 3 内置驱动器 B 的输出端 1，接至电机 B 14 输出引脚 4 内置驱动器 B 的输出端 2，接至电机 B 15 电流传感器 B 在该引脚和地。