1、基于51单片机控制的循迹小车摘 要本文论述了基于单片机的智能循迹小车的控制过程。智能循迹是基于自动引导机器人系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技。该技术已经应用于无人驾驶机动车，无人工厂，仓库，服务机器人等多种领域。本设计采用89C52单片机作为小车的控制核心；采用RPR220红外反射式开关传感器作为小车的循迹模块来识别白色路面中央的黑色引导线，采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号；采用驱动芯片L298N构成双H桥控制直流电机，其中软件
2、系统采用C程序，本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高第1章 绪 论1.1课题背景目前 ，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪06年代。当时斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动
3、机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备:(1)计算机处理系统，主要
4、完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作;(2)摄像机，用来获得道路图像信息;(3)传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统团。上一层技术是下一层技术的基础。三个层次具体如下:(1)智能感知系统，利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及驾驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道/并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等.
5、驾驶员状态监控系统包括驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。(2)辅助驾驶系统，利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。主要包括:巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。(3)车辆自动驾驶系统，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。1.2课题研究的目的和意义 目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。无
6、线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理”。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、执行部分、CPU。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。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
7、理论的理解和认识。1.3 本设计的意义随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。本设计就采用了比较先进的C52为控制核心， C52采用CHOMS工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。智能小车国内外研究现状: 世界各国在智能微型车领
8、域进行了很多研究，己经应用于各个领域，在探测和军事领域使用特别多。近年来，我国也开展了很多研究工作，以满足不同用途的需要。世界各国开发、研制星球探测车系统己经有了多年的历史。美国和前苏联是从20世纪60年代末期开始进行月球表面探测任务的。美国曾在1966-1968年间，向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。2004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1959-197
9、6年间，总共成功发射了两个月球探测车。单片机的应用领域越来越广泛，无论是在生活，生产上，单片机无处不在。ATMEL公司的AT89S52单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AT89S52可以说是单片机领域的主流产品 ，其应用如此广泛，所以有必要去学习和应用该单片机，以满足实际产品开发的需要，也是适应社会智能化、自动化的趋势。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
10、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。第二章 方案论证2.1 控制器方案论证按照题目要求，控制器主要用于控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现电机的前进和后退，保证在允许范围类实现跷跷板的平衡。方案一：可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。方案二：采用AT89c52作为系统控制的方案。AT89C52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比AR
11、M低。考虑到性价比问题，本设计选择 用AT89C52单片机做控制器。2.2 供电单元方案论证方案一：采用单电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响单片机的性能，稳定性比较弱。方案二：采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起来，唯一的缺点就是会增加小车的重量。综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案2.3 智能循迹小车电源模块的选择 方案一 直接用直流电源供电。采用LM7805稳压后产生12V和5V的直流电压供给系
12、统各个模块用。 方案二:采用容量为9000mA的锂电池供电锂电池质量轻容量大能为小车较长时间地供电。论证后选用方案一2.4智能循迹小车电机驱动电路的选择 方案一 采用分立元件制作而成的H桥驱动电路作为电机的驱动电路。由分立元件制的H桥驱动电路虽然可以驱动电机，成本也低廉，但是由于各个元件的参数不一样，稳定性难以保证。因此本设计放弃了这一方案。 方案二 采用专门的电机驱动芯片L298N驱动电机，性能稳定，经过不断试验L298N能够很稳定地驱动电机的转动也易于控制，所以本设计采用了方案二。2.5 检测循迹模块方案一：用光敏电阻组成光敏探测器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
13、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：采用RPR220型光电对管,反射式光传感器。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。综上所述，采用方案二。2.5 显示模块论证方案一：采用LCD1602液晶显示器作为显示模块电路显示器件。此方案的优点是可以对小车的行使信息，包括行驶速度、路程、状态等的显示，功能强大。但，考虑到
14、该器件成本较高，且体积较大，因此没有采用。方案二：采用四位共阳极数码管作为模块电路的显示器件。通过外部安装在单片机上的光电对射管对光电盘（安装在直流电机转子上）进行单片机的外部中断计速，进而送数码管显示，其中，数码管的高两位显示小车行驶的路程，低两位显示小车的行驶速度。该电路结构简单，成本较低，并且基本满足设计的要求。对比以上两种方案以及实际设计要求，我们选择方案二第三章 智能循迹小车硬件部分3.1 系统总体方案 本系统采用简单明了的设计方案。通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块判断黑线路经，然后由STC89C52单片机通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直
15、流电机的工作状态，最后实现小车循迹。路面检测循迹经过对方案的设计要求的分析和方案论证，采用52单片机控制平台，经过红外传感模块检测路面的信息，控制运动模块的电机运动方式，近而控制这个智能小车系统的运动。系统框图如图2-4。3.2 单片机最小系统小车采用atmel公司的AT89C52单片机作为控制芯片，图1是其最小系统电路。主要包括：时钟电路、电源电路、复位电路。其中各个部分的功能如下：1、时钟电路：给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振。2、电源电路：给单片机提供5V电源。3、复位电路：在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。复位电路描述 1. 89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到
16、芯片内的施密特触发器中的。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。2. 当系统上电后，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晶振电路 1. 在89C52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。2. 在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡3. 本设计选用12MHZ无源晶振、2个22pF电容，使得一
17、个机器周期是1s。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，两个电容则是起到并联谐振的作用。3.3 电源模块供电电路：运动系统供电采用双电源分别对电机和控制器供电。考虑到小车是个不断运动的实验设备，采用干电池供电。总的供电系统是有9V的大功率电池储能，经过电压转换单元。由一个9V转为5V对控制单元供电；另一个9V电池直接对电机的供电端连接。本设计中用到的是9V的电源供电，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3-4所示。三端稳压集成电路lm7805电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 系列和负电压输出的lm79系列。顾名思义，三端I
18、C是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率 的条
19、件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。3.4 电机驱动模块本设计采用L298N电机专用驱动芯片带动两个12V的直流电动机。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
20、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4.57V的电压。4脚VS接电压源，VS可接电压范围VIH为2.546V。L298N芯片输出电流可达2.5 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。电机驱动模块
21、采用专用驱动芯片L298N作为电机的驱动芯片。L298N是一种具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它的响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流减速电机而且还带有控制使能端 用它作为驱动芯片，操作方便，稳定，性能优良。L298N的5、7引脚为一个电机的控制信号输入端 10、12引脚为另一个电机的控制信号输入端2、3引脚为一个电机的控制信号输出端13、14引脚为另一个电机的控制信号输出端通过单片机对L298N的输入端进行指令控制，就能实现直流减速电机的正转和反转从而控制小车前进和后退。3.44 小车运动逻辑图使能端A使能端B左电机右电机左电机运行状态右电机运行状态小车运行状态IN1IN2IN3I
22、N4111010正转正转前行111001正转反转右转111011正转停止以右电机为中心原地右转110110反转正转左转110101反转反转后退111110停止正转以左电机为中心原地左转电机控制逻辑如下：以电机A为例，当使能端EN A为高电平时，如果输入引脚IN1为低电平而输入引脚IN2为高电平，电机A反转；如果输入引脚IN1为高电平而输入引脚IN2为低电平，电机A正转。3.5 循迹单元电路小车选用了三个传感器来检测电路图 红外循迹传感器安装示意图可用来调节小车偏离轨道时进行调节，分别为车头正中间一个和两边各一个，因循迹图都相同，故图3-7只列出一种。小车运动情况如下循迹是指小车在白色地板上循黑
23、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。循迹功能如图3-7所示图3-7本设计需要检测小车的运行状态，沿着路面黑线运动。采用反射取样式，单光束红外传感器接收信号，再分别用运放LM393比较电压信号进行放大。图3-5的电路在5V电压
24、下工作，根据该型号传感器红外发射管所需的工作压降（红外发射管的正向压降在11.3V）和工作电流（红外发射管的电流为210mA），选取负载电阻R1=2.2K，红外发射管负载电阻R2=220。调节电位器使检测信号能被识别。在这里我们实际采用的是 RPR220 型反射式传感器制作的寻迹模块 RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管 当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通并输出低电平。该器件有如下特点：1塑料透镜以提高灵敏度；2内置的可见光过滤器以减少离散光的影响；3体积小，结构紧凑。3.55循迹电路的动作说明 TC端是
25、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，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。LM393介绍比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。因此，也可以将其当作一个1位模/数转换器（ADC）。对路面检测的电路设计就是通过电位器设定一个阈值，以此确定是否有光反射。并且以此阈值为标准，向单片
26、机输入满足TTL电平的数字信号。如图所示 3.6测速模块电路测速模块采用RPR220反射式光电传感器作为测速器，反射式红外光电传感器模块是一种利用反射式红外光电传感器制成的在传感器的有效检测距离范围内对被测物体的存在性进行检测的电路装置，由红外光发射接收器接受信号，电压变化检测电路运作将得到的信号有INT0传入单片机在传给检测状态指示LED显示模块进行显示3.7 显示模块电路用四位共阳极数码管作为模块电路的显示器件。通过外部安装在单片机上的光电对射管对光电盘（安装在直流电机转子上）进行单片机的外部中断计速，进而送数码管显示，其中，数码管的高两位显示小车行驶的路程，低两位显示小车的行驶速度。电路
27、图如上第四章 循迹小车项目软件流程图4.1 总体软件流程图小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片I/O 口，一旦检测到某个I/O 口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。软件的主程序流程图如图4-1所示：4.2小车循迹流程图小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序，先确定4个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面第一级传感器或者左面第二级传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是右面第一级传感器或右面第二级传感器探测到了黑线，
28、即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。循迹流程图如图4-2所示由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个等级间的转向力度必须相互配合。第二级通常是在超出第一级的控制范围的情况下发生作用，它也是最后一层保护，所以它必须要保证小车回到正确轨迹上来，则通常使第二级转向力度大于第一级，即Turn_left2 Turn_left1,Turn_right2 Turn_right1 (其中Turn_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1为小车转向力度，其大小通过改变单片机输
29、出的占空比的大小来改变)，具体数值在实地实验中得到。4.3中断程序流程图这里利用的是52单片机的T0定时计数器，从而让单片机P1口的P1.4和P1.5引脚输出占空比不同的方波, 然后经驱动芯片放大后控制直流电机。定时计数器若干时间（比如0.1ms）比如中断一次, 就使P1.4或P1.5产生一个高电平或低电平。中断程序流程图如图4-3所示第五章 总结 加入了高新技术的智能循迹小车产品越来越多，使得智能循迹小车的发展呈现多循迹小车作为现代玩具产业的核心的一部分，更需要不断应用现代先进的技术开发出更新颖的产品。本设计主要是把传统智能循迹小车系统和可编程电子器件结合起来设计智能循迹小车系统，并通过人工
30、智能算法实现一定的智能化的方法。论文介绍了该设计的总体思想和一些用到的基本的原理及系统的硬件、软件设计。现将本文主要工作总结如下：（1）本设计使用模块化的设计方法。各个功能在硬件和软件的设计上都实现了模块化。各个功能部件同时存在，小车在运行的过程中只有一个功能模块发挥作用，其余功能处屏敝状态；在各个功能之间可通过人工切换。 该智能玩具小车系统还存在一些不完善和需要改进的地方，可以有以下几处需要改进和完善：（1）在小车寻找最短路径的功能中，小车在根据这条路径从起点到终点的过程中，由于路面磨擦不同等因素的影响，小车不能按预定的角度旋转。在这种情况下可以增加舵机，控制舵机来达到智能玩具车按照预定角度
31、转向的功能。 （2）小车所行走的区域有可能并不是一个表格，但在程序中已经将该区域简为了一张表格并固定地存放在了程序中，这样如果想改变区域中障碍物的位置必须改在程序中改变存放的表格，即一个二维数组。可以改进为：用一个摄象头把小车所要行走的区域拍摄下来然后经过图像的处理，把区域变成一张表格，再用一个二维数组来表示这张表格，这就可以使小车在行走之前自动改变程序中的“地图”，而不需要每一次都人为改变。（3）可以在该智能循迹小车中添加更多的有趣的功能。在小车系统中加上光电传感器让小车可以实现避障功能，还可以在玩具小车上安装喇叭让小车播放音乐等，这样小车更具有智能的特点，而且有更多的娱乐和学习的特性。（4）该智能循迹小车系统具有循线、追光和路径判断的功能。但这些功能都是用单独的程序实现的，每运行一个功能就需要重新下载程序。对于这个问题，可以用多路开关与单片机的I/O口相连，通过检测开关信号进行智能循迹小车功能的选择。微控制器（如本设计中用到的51单片机）运于智能循的开发中，通过各种传感器的应用和程序的设计将有许多更具智能化、更加多样的玩具面世。第六章 致 谢本设计是在vv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，她给予了无数的指导和大力的支持。她不仅教了我知识还教了我治学的态度
