自动循迹小车本科设计.doc

1、南京工程学院 工程基础实验与训练中心 本科课程设计说明书（论文） 题 目： 自动循迹小车2 专 业： 自动化（系统集成） 班 级： D自集成091 学 号： 233090103 233090105 233090106 学生姓名： 章琴 袁珍 印海花 指导教师： 陈国军 起迄日期： 2011.6.132011.7.8 设计地点： 基础实验楼B209 课程设计说明书（论文）中文摘要摘要： 本课题是基于AT89C52单片机的智能小车的设计与实现，小车完成的主要功能是能够自主识别黑色引导线并根据黑线走向实现快速稳定的寻线行驶。小车系统以 AT89S52 单片机为系统控制处理器，根据题目设定的行进及具体

2、要求，分别采用红外传感器进行寻迹行驶、黑带采集及变速行驶，采用霍尔元件对小车行驶过程中的速度进行测量，并在终点进行行驶路程的测量，由LCD显示速度和路程，由蜂鸣器进行声光报警。此外，对整个控制软件进行设计和程序的编制以及程序的调试，并最终完成软件和硬件的融合，实现小车的预期功能。最后，小车的运行过程中的各种自动化过程由单片机通过编程实现。 关键词： AT89C52 红外传感器 驱动电机 霍尔元件课程设计说明书（论文）中文摘要Title Automatic follow car tracingAbstractThis subject is based on single-chip microco

3、mputer intelligent car AT89C52 the design and implementation of the cars main function is to finish autonomous recognition leading lines and according to black black line to realize the rapid and stable for driving line. AT89S52 SCM system to the car for the system control processor, according to su

4、bject the travel of the set and specific requirements, and infrared sensor were used to driving, tracing black belt collection and variable speed drive, the hall element to the car in the process of moving speed measurement, and at the end for the measurement of miles traveled, the LCD display speed

5、 and distance, are sound and light alarm by the buzzer. In addition, to the control software design and programming and the adjustment of the program, and finally complete software and hardware integration, realize the car anticipate function. Finally, the car running process all kinds of automated

6、process the single-chip computer through the programming.Keywords AT89C52, infrared sensor, drive motor, hall element目录一.系统方案1.1设计要求1基本要求2发挥部分1.2方案论证与比较1. 轨迹探测模块比较.2. 控制电机方案比较3.电机驱动方案的比较 4.显示存储信息和全程时间部分的方案比较.5.刹车机构功能方案比较.二原理分析.三.系统框图及流程图3.1系统总体硬件框图3.2程序设计流程图四硬件部分.4.1 系统硬件电路介绍4.2 单片机最小系统4.3 供电单元介绍 .4

7、.4 驱动单元介绍4.5 循迹单元介绍.五软件部分.六结论与致谢七参考文献八附录一.系统方案1.1设计要求1基本要求（1）车辆从起跑线出发开始计时（出发前，车体不得超出起跑线），能到达终点线并且停止在终点线。全程行驶时间应力求最短（从合上小车电源开关开始计时）。（2）达到终点线小车停止后，停车位置离终点线偏差应最小（以小车中心点与终点线之间距离作为偏差的测量值）。（3）在行驶过程中要求检测出加速站台2和减速站台3，并发出声光报警信号。2发挥部分（1）从起步线开始计时，自动记录、时时显示全程行驶时间（记录显示装置要求安装在小车上），误差尽可能小。（2）从起跑站开始，自动记录、时时显示行驶距离X3

8、（ 记录显示装置要求安装在小车上），误差尽可能小。（3）从起跑站开始，自动记录站台2、3离起跑站台1的距离X1,X2 ，误差尽可能小。1.2方案论证与比较1轨迹探测模块设计与比较方案一：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。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。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。方案二：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红外发射管发出红外线，当

9、发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。单片机就是通过接收到的高低电平为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。经测试，此种方法简单可靠。经反复对比后，采用方案二。2、控制电机方案比较方案一 ：利用步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和方向的偏转，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。但是步进电机在与机械配合的小车改装上难度极大，非短时间所能完成。该方案实现较困难。方案二 ：用玩具小车上自带

10、的双直流电机，只需对后轮电机进行简单改造，加上一个齿轮减速装置即可，两电机分别负责小汽车的驱动和转向的功能，依据外围红外反射传感器所采集到的信息可以补足直流电机定位不准的缺点，同时红外反射传感器的使用还能实现比较准确的寻迹行驶，用较好的控制算法及特色硬件来提高小车的整体性能，可具有很高的性能/价格比。经比较验证，显然方案一的机械结构也短时间内难以满足题目的要求，而方案二本身是与小车相兼容的，性能也比较好，采用方案二。3、电机驱动方案的比较方案一：采用传统的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，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电

11、阻R的电流大，发热厉害，损耗大。方案二：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。方案三：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优

12、点。因此决定采用L298N控制直流电机。4、显示存储信息和全程时间部分的方案比较方案一 ：用普通的数码管来实现显示功能。这种方法简单易行，并且适合于硬件操作，但是数码管消耗电流特别大，对电源的容量要求很高，而且不能显示汉字因而难以适应电池供电系统的节能运行要求。方案二 ：使用液晶显示板来完成显示的功能。液晶显示板的操作需要一定的难度和技巧，而且很容易损坏，所以其硬件需要谨慎使用，但是它解决了数码管存在的各种问题，如消耗电能特别小、能显示多行汉字等。经验证比较，方案二不但能节省电能，而且能实现普通数码管无法实现的汉字显示功能。采用方案二。5、刹车机构功能方案比较方案一、自然减速式。当系统发出停止

13、信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需1.8秒后才能停止，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现精确制动的目标。方案二、反转式。当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间减少为0.5s。本系统中采用方案二。二.原理分析PWM调速原理：在数控机床的直流伺服系统中,速度调节主要通过改变电枢电压的大小来实现.经常采用晶闸管相控整流调速或大功率晶体管脉宽调制调速两种方法,后者简称PWM,常见于中小功率系统,它采用脉冲宽度调制技术,

14、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.PWM调速系统具有以下特点:1.主电路简单,所用功率元件少,且工作于开关状态,因此电路的导通损耗小,装置效率比较高;2.开关频率高,可避开机床的共振区,工作平稳;3.采用功率较小的低惯量电机时,具有高的定位速度和精度;4.低速性能好,稳速精度高,调速范围宽;5.系统频带宽,动态响应好,抗干扰能力强. 循迹原理：小车供电后,发光二极管发出光线，光线照在路面上反射回来被光电二极管接收，半导体二极管在电场作用下产生电势，将光信号转换成电信号。该智能小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，

15、由于黑线和白纸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。当小车检测到黑线时，光线部分被黑线吸收，反射回的光线极少被光电二极管接收，转换成比较弱的电信号；当小车未检测到黑线时，光线大部分被反射，反射回的光线被光电二极管接收，转换成比较强的电信号。最终，这些电信号经过比较器处理后传入单片机，再由单片机进一步做信号处理 。停车原理：当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。三.系统框图及流程图3.1系统总体硬件框图微控制模块；循迹传感器：光电传感器金属传感器：光电传感器电机驱动

16、，调速：型桥式驱动电路显示模块：液晶显示屏电源模块3.2流程图程序初始化开始小车启动传感器是否检测到黑线是否检测到金属探测器直走YNN是否为金属块1是否为金属块1否是计时开始前进是否为金属块2是加速报警否前进是否为金属块3是减速报警否前进是否为金属块4是停车四、硬件部分4.1 系统硬件电路介绍智能小车采用AT89S51单片机进行智能控制， 开始由手动启动小车， 并复位。当有红外遥控信号时，根据信号进入相应的行驶状态，在运动过程中由红外光电传感器检测，通过单片机控制小车进行循迹，系统的自动循迹功能通过红外线传感器正前方检测，由单片机控制实现 在小车行驶过程中，通过接收的信号脉冲控制直流电机，以提

17、高系统的静动态性能。供电电路：运动系统供电采用双电源分别对电机和控制器供电。电机驱动和控制电路：通过51单片机，控制端口对直流电机的转速和转向来对电机进行控制。4.2 单片机最小系统单片机最小系统由复位电路、时钟振荡电路、数据采集接口和电机控制接口组成，单片机最小系统图如图所示。单片机本电路的控制核心，它接收传感器测得的信号，并控制电机的转动与停止。传感器的输入有两根信号线，接单片机的P3.6与P3.7引脚。传入放入信号为高低电平，在小车没有走到黑线上时，输入都为低电平，此时单片机会驱动两个电机同时转动，不需要转弯，当某端输入高电平时，表明小车的相应一侧一走到黑线上，单片机便使改侧的电机停止转

18、动，另一侧的继续转动，直到两侧都不走到黑线上，程序采用轮询的方式，可以及时的检测到是否走到黑线上。4.3 供电单元介绍 智能车控制系统中，芯片需要提供5V的工作电压，然后通过三端稳压器LM7805将电压变换为5V电压供给电路系统。电源系统的电路图如图所示 。高性能的电源管理系统对于电子系统稳定运行是至关重要的。作为智能车源，电源模块为系统的控制器，执行机构，传感器等各个模块提供可靠的工作电压。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化，电源管理模块的功能是对电池进行分配和电压调节，为其他各个模块的正常工作提供可靠的工作电

19、压。4.4 驱动单元介绍本系统采用5V直流电动机作为小车的动力源。直接采用三极管组成桥式驱动电路。4.5 循迹单元介绍循迹是指小车在白色地板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 ,从而实现小车的循迹功能。红外探测器探测距离有限一般最大不应超过3cm。循迹功能所示。五、软件部分流程图：开始主程

20、序初始化中断初始化调用显示主程序调用光电接收对管扫描子程序左转？调用左转子程序调用右转子程序NY程序代码：#includereg52.h /*探测黑线为0白线为1*/#define uchar unsigned char /*0255*/#define uint unsigned int/*065535*/#define ulong unsigned long/*04294967295*/ /*定义所有端口*/ sbit gap1=P00; /*传感器接口*/ /*左*/sbit gap2=P01;sbit gap3=P02; /*右*/sbit dr1=P04;/*两个电机控制端*/sbit

21、 dr2=P05;sbit dr3=P06; /*两个电机控制端*/sbit dr4=P07;uint pwm,pewkey,line1,zx;void delay1(uint time) /*延时time*1ms*/ uint x; while(time-) for(x=0;x123;x+) ; void stop() dr1=0; dr2=0; dr3=0; dr4=0; delay1(1000); void xunji() if(gap1=0&gap2=1) while(1) if(gap2=0) break; zx=1; dr1=0; dr2=1; dr3=1; dr4=0; else

22、 if(gap2=1&gap3=0) while(1) if(gap2=0) break; zx=2; dr1=1; dr2=0; dr3=0; dr4=1; else if(gap1=gap2=0&gap3=1) dr1=0; dr2=1; dr3=0; dr4=1; main()while(1) xunji(); 六、结论与致谢结论：根据本次设计要求，我们小组系统地阅读了大量的资料，并认真分析了设计课题的需求，还系统学习了51系列单片机的工作原理及其使用方法，并独自设计智能小车的整个项目。虽然条件艰苦，但经过不懈钻研和努力，购买到了所有所需的元器件，并系统的进行了多项试验，最终做出了整个小

23、车的硬件系统，然后结合课题任务和小车硬件进行了程序的编制，本系统能够基本满足设计要求，能够较快较平稳的是小车沿引导线行驶，但由于经验能力有限，该系统还存在着许多不尽人意的地方有待于进一步的完善与改进。通过本次课题设计，不仅是对我们课本所学知识的考查，更是对我的自学能力和收集资料能力以及动手能力的考验。本次毕业设计使我们对一个项目的整体设计有了初步认识，还认识了几种传感器，并能独立设计出其接口电路，再有对电路板的制作有了一定的了解，并学会了使用Protel设计电路。本次毕业设计使我们意识到了实验的重要性，在硬件制作和软件调试的过程中，出现了很多问题，最终都是通过实验的方法来解决的。还有以前对程序

24、只是一个很模糊的概念，通过这次的课题设计使我对程序完全有了一个新的认识，并能使用C熟练的进行编程了。通过本次课题设计，极大的锻炼了我们的思考和分析问题的能力，并对单片机有了一个更深的认识。总之，在课题设计的过程中，无论是对于学习方法还是理论知识，我们都有了新的认识，受益匪浅，这将激励我们在今后再接再厉，不断完善自己的理论知识，提高实践运作能力。致谢：本论文是在陈老师的指导下完成的。在智能小车系统的设计、调试及论文的写作过程中，他给予了无数的指导和大力的支持。他不仅教了我知识还教了我治学的态度，那就是严谨，把知识变为己有，弃其糟粕留其精华，用自己的方式去解决问题，而不是人云亦云。由于对硬件这方面

25、比较感兴趣，尤其对单片机这块。张老师可谓我的启蒙老师，他那套独特的编程分析理念对我的影响颇为深刻，那就是软件与硬件分离、功能独立、功能分层、分时处理与实时处理、充分利用C语言的宏定义。这改变了我以前编程时想到哪编到哪没有一点思绪的编程方式，编程前理出框架这一理念对我经后的学习必有很大帮助。由于刚接触单片机，问题特别多，从硬件的认识到软件的理解，都碰到了不少的问题。每次张老师和院凯学长总是悉心的指导并提出了很多宝贵的意见和建议，张老师还通过授课的方式教会了我们很多知识，在他循循善诱的悉心教诲、无微不至的关怀和指导下，我对基于单片机智能循迹小车的设置理念和运作过程都了解得非常清楚。对我论文的完成也

26、提供了不小的帮助。在此再次向张老师和院凯学长表示忠心的感谢。在毕业设计中，我学会了对本专业所学的一些理论知识的应用，学会了在应用中发现问题和解决问题的方法，加深了对专业知识的撑握和理解，所取得的这些进步都与老师们的仔细、耐心指导分不开。他们的严谨、细心、勤奋的工作态度也给我留下了深刻印象，对我以后的学习工作有很好的指导作用。在此，对老师表示衷心的感谢。在设计的过程中和同学们的讨论也使我受益匪浅。也感谢学院及工程技术中心的老师和领导为我提供的良好的毕业设计环境使我完成毕业设计。在毕业之际也感谢辅导员朱爱荣老师四年来在生活中给予的关心和帮助。 最后，感谢所有帮助过我的老师和同学们，感谢给我论文进行

27、评阅和指导老师们。 七、参考文献1 胡大可 MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2000.2 赵志刚，吴海彬. Protel DXP实用教程教程M.北京：清华大学出版社，2004.3黄迪明.软件技术基础M.成都：高等教育出版社,电子科技大学出版社,2006.12.4 孔令淑，刘涛，基于MC9S12XS128单片机的智能循迹小车的硬件设计论文.技术研发，2005.7.5 安岩，自动循迹智能小车的设计论文. 苏州科技学院学报，2004.1.6马忠梅，李月香.单片机内部资源的C语言编程J.微计算应用，1997，（03).八、附录下图为驱动电路的PCB板设计：