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1、 宜宾职业技术学院毕业设计基于光电器件的智能循迹小车设计 系 部 电子信息工程系 专 业 名 称 电子信息工程技术 班 级 电 子 班 姓 名 学 号 指 导 教 师 2021 年 02 月 01 日基于光电器件的智能循迹小车设计摘 要本设计是以RP5坦克模型为车架，以单片机STC89C52为控制核心，加以直流电机、光电传感器和电源电路以及其他电路组成的。利用光电检测器件检测白色路面上的黑色标志，从而控制小车的行驶方向，整个系统的电路结构简单，可靠性高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及程序编写思路。关键词: STC89C52；传感器；寻迹小车；驱动Based on t
2、he intelligence of photoelectric devices on mark car designAbstractThis is a common frame, with three cars for single-chip STC89C52 as control core and dc motor, photoelectric sensor and power circuit and other circuit. Using photoelectric detection device testing of black marks on the white road, t
3、hus controlling trolley traveling direction, adopt PWM pulse width modulation to complete the precision control of vehicle speed, can realize the precise car. The whole system of the circuit is simple in structure, high reliability. The test results, this paper introduces the hardware and software d
4、esign of the system and the method of analysis of test results.Keywords: STC89C52;Sensor;Tracing car;Driver目 录引 言11 方案论证与选择2 车体方案2 电源模块方案2 控制模块方案3 寻迹传感器方案3 电机驱动模块方案4 方案确定52 硬件设计7 控制模块的设计7 传感器模块的设计9 驱动模块的设计113 软件的设计与实现13 软件设计原那么13 编程思路13 传感器数据处理及寻迹程序流程144 系统测试16 测试工具16 测试过程16 测试结果16总结和体会17致谢18参考文献19附
5、录1单片机原理图附录2L298N原理图附录3程序设计附录4产品实物图基于光电器件的智能循迹小车设计引 言由于电动小车纯硬件控制具有很多缺点，并且不宜实现复杂的自动控制功能。而单片机具有体积小、重量轻、耗电少、功能强、控制灵活方便、价格低廉等优点。因此本设计就是以单片机STC89C52为核心，附以外围电路，加以直流电机、光电传感器和电源电路以及其他电路构成的，即可用于生活也可用于现场教学，是一个很好的教学示范平台。这里所指的循迹是指小车在白色路面上循黑线行走，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外表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，
6、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；如果遇到黑线那么红外光被吸收，小车上的接收管便接收不到红外光。单片机就是以是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和控制小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，经测量所得一般最大不应超过3cm。1 方案论证与选择根据设计要求，本系统主要由电源器模块、控制模块、寻迹传感器模块、直流电机驱动模块组成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。1.1 车体方案方案一：一般的玩具电动车。玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安
7、装十分不方便。并且电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为普通直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。方案二：大功率坦克车体采用带电感的大扭力280马达，组合斜齿+金属齿，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。而且此车车架材料为塑料所制，比一般玩具小车架更加牢固，比铁质小车更加轻便，美观。采用履带式结构的小车，这种结构使得小车在行进时更加的稳定，可以防止出现打滑类似的情况在复杂多变的路面也能畅通无阻。综合以上因素考虑，选择了此小车
8、做为本设计的小车车架。 电源模块方案由于本系统需要电源供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。方案一：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，导致小车负载出现问题，这样的缺点使我们放弃了此方案。方案二：采用10节1.5V干电池供电，电压到达15V，稳压后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，且使用大量的干电池会给小车带来极大负荷，也给系统调试带来很大的不便。方案三：采用12V电源适配器为直
9、流电机供电，因为电源适配器有着较强的电流驱动能力和稳定的电压输出能力，不会占据车体过多空间，而且取材容易本钱不高，有很高的性价比能满足我们设计要求，因此本设计选择此方案。1.3 控制模块方案方案一：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案二：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力
10、高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测。如果单纯的使用凌阳单片机，可靠性比拟差，从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案三：该设计实际上是一个自动控制系统，这样的系统用单片机来实现是比拟适宜的。鉴于市场上常见的51系列8位单片机性价比比拟高，我们的设计使用STC89C52作为CPU，主要负责系统的控制与协调工作，STC89C52的I
11、NTO 用来处理光电集成传感器送来的地面标志信号，该信号主要用于控制小车的状态，同时由于安装和调试工作可以同时进行，极大地缩短了总体设计和制造的时间。结合设计实际情况,本设计主控制器选择第三方案。 寻迹传感器方案方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以随外界光线的变化而变化。当光线照射到白线上时，光线反射强烈；光线照射到黑线上时，光线反射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将光敏电阻阻值的变化值经过比拟器就可以输出上下电平。由于此方案受光线强弱影响很大，不能稳定的工作，也不便于调试，因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案二：用红外发射管和接收管组成的光电对管寻
12、迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，发出的红外线照射到黑色的平面后红外线被吸收。假设红外接收管能接收到反射回的红外线那么检测出白线继而输出高电平，假设接收不到红外线那么检测出黑线继而输出低电平，此种方案设计简单，经济合理，快捷高效，便于控制，能很好的满足设计要求，因此选择第二套方案。 电机驱动模块方案电机驱动调速方案的控制目标是实现电动机的正、反转及调速。方案一：电阻网络或数字电位器调整分压。采用电阻网络或数字电位器分压调整电动机的电压，但电动机工作电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器开关控制。采用继电器控制电动机的开或关，通过开关
13、的切换调整车速。优点是电路简单，缺点是响应时间慢、可靠性低等。方案三：采用双H桥直流电机驱动芯片：采用电子开关组成H型PWM电路。H型电路保证了简单的实现对小车的转速和方向的控制，通过用单片机控制电子开关工作的占空比，精确调整电动机转速。此电路工作在管子的饱和与截止状态下，效率非常高；电子开关的速率很快，稳定性很高。综上所述，方案三调速特性优良、调速范围广、过载能力强，因此本设计采用方案三。采用晶体管的直流斩波器的根本原理与整流电路的原理不同的是，在这里晶体管不受相位控制，而只是工作在开关状态。当晶体管被触发导通时，电源电压加到电动机上；当晶体管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流
14、，两端电压接近于零。脉冲宽度调制，简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶体管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与其它调速系统相比，PWM调速系统有以下优点：1PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生影响。2对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号复原为模拟形式。 3由于PWM
15、调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比拟小。4由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。5主电路简单，所用功率元件少。6低速性能好，稳定精度高，调速范围宽。根据以上综合比拟，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的开展方向，本设计采用了H型双极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型。采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极晶体管和4个续流二极管组成的桥
