智能循迹小车(毕业论文)

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1、开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 1 - 目目 录录 摘 要2 一、绪论3 （一）智能小车的作用和意义.3 （二）智能小车的现状.4 二、方案设计与论证4 （一）循迹模块.4 （二）主控系统.5 （三）电机驱动模块.7 （四）机械系统.8 (五)电源系统8 三、硬件设计9 （一）信号检测模块.9 （二）主控电路.9 （三）驱动电路11 （四）总体设计11 四、软件设计.13 (一)总体结构框图.13 (二)总体程序流程图.14 （三）总程序15 （四）软件仿真21 五、印刷电路板的设计.22 六、安装和调试.22 结束语：.25 致谢.25 参考文献：.26 开封大学机电工程学院应

2、用电子专业毕业论文 - 2 - 摘摘 要要 本设计主要有三个模块包括信号检测模块、主控模块、电机驱动模块。信号检测模 块采用红外光对管，用以对黑线进行检测。主控电路采用宏晶公司的 8051 核心的 STC89C52 单片机为控制芯片。电机驱动模块采用意法半导体的 L298N 专用电机驱动芯 片，单片控制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 发出指令尽心相 应的调整。小车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 STC89C

3、52单片机 L298N 红外光对管 开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 3 - 单片机智能循迹小车的设计单片机智能循迹小车的设计 基于STC89C52单片机 郭东卫 （开封大学 机电工程学院应用电子专业） 一、绪论一、绪论 （一）智能小车的作用和意义 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

4、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和避障功能就必须要感知导引线和障碍物， 感知导引线 相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVGauto-guide vehicle）系统，基于它的

5、智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正 确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍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。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引 线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动 躲避。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 开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 4 - 来充当。智能小车的执行部分，

6、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。 （二）智能小车的现状 现智能小车发展很快， 从智能玩具到其它各行业都有实质成果。 其基本可实现循迹、 避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几节的电子设计大赛智能小车又在向 声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车

7、更是走在前列。我此次的设计主要实现循 迹避障这两个功能。 二、方案设计与论证二、方案设计与论证 根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对 电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然 后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 这种方案能实现对电动车 的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。 （一）循迹模块 小车循迹原理是小车在贴有黑胶带的地板上行驶， 由于黑色和白色对光线的反射系 数不同， 可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。 在该模块中利用了简单、 应用也比较普遍的检测方法

8、红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理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，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，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，则小车上的接收管接收 不到信号。（电路图如图 2-1）。 开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 5 - 图 2- 1 红外光对管原理图 市面上有很多红外传感器， 在这里我选用飞思卡尔大赛常用的 TCRT5000 型光对管 （如图 2- 2） 。 图 2-2 TCRT5000 红外光对管 （二）主控系统 根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟

9、定了以 下两种方案并进行了综合的比较论证，具体有如下两种方案： 开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 6 - 1.采用 PLC 作为主控系统，PLC 虽然性能稳定但是价格昂贵，为此，我们不采用该 种方案，进而提出了第二种设想。 2.采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能 指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机 就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其 资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种 方案是一种较为理想的方案。 针对本设计特点多开关量输入的复

10、杂程序控制系统， 需要擅长处理多开关量的 标准单片机，而不能用精简 I/O 口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D 功能也不必 选用。根据这些分析,我选定了 STC89C52 单片机(如图 2-3)作为本设计的主控装置，51 系列单片机具有功能强大的位操作指令，I/O 口均可按位寻址，程序空间多达 8K，对于 本设计也绰绰有余。 在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机， 充分利用 STC89C52 单片机的资源。 图2-3 STC89C52引脚图 开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 7 - （三）电机驱动模块 电机驱动模块拟用两种解决方案，分别如

11、下： 1.采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整. 此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性 不高。 2.采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。 线性型驱动的电路结构和 原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路（如图2-4）。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下，精确调整电动机转速。这种电路由于 工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方 向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。 图2-4 H桥式电路 实际使用

12、的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好 的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使 用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。现市面上有很多 此种芯片，我选用了L298N(如图2-5)。 开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 8 - 图2-5 L298N （四）机械系统 本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，因此采用前驱，后轮采用两个万向 轮。小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动， 且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。 (五)

13、电源系统 采用 4 节普通 1.5V 干电池单电源供电，但 6V 的电压太小不能同时给单片机与与电 机供电。电机在运行过程中产生的反向电动势可能会影响单片机的正常工作。所以决定 独立供电，即单片机控制系统和光对管与电机分开供电。由于单片机为低功耗元件而可 采用普通 1.5v 电池（共 4 节）供电，电机为大功耗器件因而单独采用锂电（900mAh） 供电（如图 2- 6） 。 图 2- 6 锂电池 开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 9 - 三、硬件设计三、硬件设计 （一）信号检测模块 为了防止因传感器太少引起的误动作，因而在车体前段安装了5个红外光对管（如 图3-1） ，有效的减小了

14、误动作的发生，减小了小车冲出跑道的几率。 VCC 1 OUT 2 GND 3 U4 L_SW P1.1 VCC 1 OUT 2 GND 3 U5 L_SW P1.2 VCC 1 OUT 2 GND 3 U6 L_SW P1.3 VCC 1 OUT 2 GND 3 U7 L_SW P1.4 VCC 1 OUT 2 GND 3 U1 L_SW GND P1.0 VCC 图3-1 5路光对管 （二）主控电路 本模块主要是对采集信号进行分析， 同时控制电机起停、 正反转。（原理图如图3- 2） ， 该模块包括电源模块，串口电平转换模块，以及I/O口扩展模块。电源模块为系统提供 稳定的电源， 串口电平转

15、换模块可以将电脑与单片机串口相连从而实现程序的下载以及 串口打印debug调试功能。 I/O扩展排针将单片机的管脚引出， 可以实现灵活的扩展功能。 开封大学机电工程学院应用电子专业毕业论文 - 10 - 图3- 2 主控电路图 P4.2/IN T3 1 P1.0/T2 2 P1.1/T2EX 3 P1.2 4 P1.3 5 P1.4 6 P1.5 7 P1.6 8 P1.7 9 RST 10 P3.0/RXD 11 P4.3/INT2 12 P3.1/TXD 13 P3.2/INT0 14 P3.3/INT1 15 P3.4/T0 16 P3.5/T1 17 P3.6/WR 18 P3.7/R

16、D 19 X TA L2 20 X TA L1 21 G N D 22 P4.0 23 P2.0 24 P2.1 25 P2.2 26 P2.3 27 P2.4 28 P2.5 29 P2.6 30 P2.7 31 P4.4 32 ALE/P4.5 33 P4.1 34 P4.6 35 P0.7 36 P0.6 37 P0.5 38 P0.4 39 P0.3 40 P0.2 41 P0.1 42 P0.0 43 V CC 44 U3 STC89C52 11.0592MHz Y1 VCC 1 2 3 GND 4 USB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RS1 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5