自動循跡小車的設(shè)計制作（C題）論文

ID:283194 · 發(fā)表于 2018-2-8 21:01

摘要
本次設(shè)計的自動循跡小車是以單片機STC89C52為主控制器。運用接近開關(guān)傳感器來進行路徑檢測和速度監(jiān)測模塊。將檢測數(shù)據(jù)傳回單片機進行處理，同時，用單片機產(chǎn)生PWM波來控制小車的行進速度，并實時控制小車的行進狀態(tài)。另外，在小車還擴展了LCD作為人機交互界面，以便于實時了解小車各監(jiān)測器的狀態(tài)，記錄小車的實時數(shù)據(jù)。由于本次設(shè)計的是自動循跡小車，整個過程無需人工的任何干預(yù)，故而沒有進行鍵盤及遙控等的人工操作設(shè)備。用傳感器的實時監(jiān)測和算法的緊密配合來保證小車的順暢來完成任務(wù)。

目錄

1 自動循跡小車的設(shè)計分析       1
1.1 設(shè)計要求       1
1.2 總體設(shè)計       1
1.3 方案論證       1
1.3.1 小車主體設(shè)計方案       1
1.3.2 電機驅(qū)動方案       2
1.3.3 傳感器設(shè)計方案       2
1.3.4 顯示模塊設(shè)計方案       2
1.4 單片機資源分配       3
2 自動循跡小車硬件設(shè)計       3
2.1 理論分析與計算       3
2.2 驅(qū)動       3
2.3 信號采集系統(tǒng)       4
2.4 單片機最小系統(tǒng)       4
2.5 蜂鳴器       4
2.6 液晶顯示       4
3 自動循跡小車軟件設(shè)計       5
4 功能檢測與調(diào)試       5
5 結(jié)與展望       6
參考文獻       6
附錄       7
附錄1       7
附錄2       7
附錄3       7
附錄4       7

1 自動循跡小車的設(shè)計分析
1.1 設(shè)計要求
本次比賽的首要任務(wù)是，設(shè)計制作一個自動循跡小車，能夠沿著主辦方提供的賽道，在規(guī)定的時間內(nèi)跑完全程。賽道為一根直徑0.6～0.9mm的細鐵絲，發(fā)揮部分是在任意直線段鐵絲上放置4個直徑約19mm的鍍鎳鋼芯硬幣（第五套人民幣的1角硬幣），硬幣邊緣緊貼鐵絲。小車路過硬幣時能夠發(fā)現(xiàn)并發(fā)出聲音提示，盡量減少小車繞跑道跑完一圈運行時間。
主辦方提供的賽道參考示意圖如附錄1所示。
小車采用一片 TI公司LDC1314或LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為循跡傳感器，在規(guī)定的平面跑道自動按順時針方向循跡前進。跑道的標識為一根直徑0.6～0.9mm的細鐵絲，按照附錄1的示意尺寸，用透明膠帶將其貼在跑道上。圖中所有圓弧的半徑均為為20cm±2cm。
1.2 總體設(shè)計
根據(jù)大賽要求，設(shè)計總流程圖如圖所示。

設(shè)計主要有以下幾個模塊組成：
1.信息采集模塊：信息采集部分是由光電檢測和運算放大模塊組成，光電檢測有循跡檢測和測速檢測兩個部分。將檢測到的信號經(jīng)運算放大模塊lm324放大整形后送至單片機處理，其核心部分是幾個光電傳感器。
2.控制處理模塊：控制處理模塊是一片STC89C52單片機為核心，單片機將從采集到的信息進行判斷后，按照預(yù)定的算法處理，把處理的結(jié)果送至電機驅(qū)動和液晶顯示模塊，使之做出相應(yīng)的動作。
3.執(zhí)行模塊：執(zhí)行模塊由液晶顯示、電動驅(qū)動及電機、蜂鳴器三部分組成。液晶顯示主要是將單片機處理結(jié)果進行實時顯示，方便用戶及時了解當前的狀態(tài)，電機驅(qū)動根據(jù)單片機的指令對兩個電機進行動作，使之能夠根據(jù)需要作出相應(yīng)的加速、減速、轉(zhuǎn)彎、停車等的動作，以達到預(yù)期目的，蜂鳴器主要是根據(jù)要求在特定的位置作出響應(yīng)來報告位置。
1.3 方案論證
1.3.1 小車主體設(shè)計方案
（1）自己設(shè)計小車主體結(jié)構(gòu)
自己設(shè)計制造小車主體結(jié)構(gòu)，能夠按照布局設(shè)計思路來完成小車主體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，保證電路部分和機械部分的全面協(xié)調(diào)，可以合理地安放傳感器，但是自己設(shè)計的小車難免會表面粗糙費時費力，最后做出來的成品結(jié)果如何沒法保證。
（2）購買玩具小車進行改裝
按照大賽要求，可以用玩具車來改裝加入控制系統(tǒng)來完成既定任務(wù)，小車整體布局也比較合理，可以較好地完成任務(wù)。但是小車的質(zhì)量價格參差不齊，小車的電路布局易受到小車主體的限制。
綜合考慮各種利弊，我們決定采用方案二。
1.3.2 電機驅(qū)動方案
方案一：直流電機。直流電機采用H型PWM驅(qū)動電路驅(qū)動，通過改變電機電源電壓的極性來實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)。電壓極性的變化和運轉(zhuǎn)時間的長短由單片機實現(xiàn)，由于電壓調(diào)整范圍很難達到很高的精確度，很難達到本系統(tǒng)的精確度。
方案二：步進電機。步進電機具有慣性小、響應(yīng)頻率高，因此具有瞬間啟動與急速停止的優(yōu)越特性，與其它驅(qū)動元器件相比，有明顯優(yōu)點；通常不需要反饋就能對位移或速度進行精確控制；輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會積累，并且因為步進電機是根據(jù)脈沖個數(shù)決定旋轉(zhuǎn)角度，單片機只需記下脈沖個數(shù)就能計算出電機的旋轉(zhuǎn)角度，從而計算出小車的行駛距離，省去了距離檢測模塊，簡化了設(shè)計。
通過直流電機與步進電機方案的比較，結(jié)合制作要求，我們選擇方案二。
1.3.3 傳感器設(shè)計方案
（1）使用接近開關(guān)傳感器來采集路面信息
接近開關(guān)傳感器由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損和損傷檢測對象物。由于采用無接點輸出方式，因此壽命延長（磁力式除外）采用半導(dǎo)體輸出，對接點的壽命無影響。與光檢測方式不同，它適合在水和油等環(huán)境下使用檢測時幾乎不受檢測對象的污漬和油、水等的影響。此外，還包括特氟龍外殼型及耐藥品良好的產(chǎn)品。與接觸式開關(guān)相比，可實現(xiàn)高速響應(yīng)。能對應(yīng)廣泛的溫度范圍。不受檢測物體顏色的影響對檢測對象的物理性質(zhì)變化進行檢測，所以幾乎不受表面顏色等的影響。
（2）使用光電傳感器來采集路面信息
使用紅外傳感器最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉。免去了繁雜的圖像處理工作，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的判斷，檢測距離有限，而且容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其造成干擾。
綜合考慮，我們決定選擇方案（1）
1.3.4 顯示模塊設(shè)計方案
（1）LED數(shù)碼管顯示
LED數(shù)碼管顯示具有亮度高，色彩選擇多的特點，但是數(shù)碼管占用I/O接口資源多，控制復(fù)雜，功耗大，顯示信息數(shù)少且單一。
（2）1602液晶顯示
液晶顯示驅(qū)動簡單，易于控制，功耗小，且顯示信息量大，可以直接觀察到小車的位置及速度信息。
綜合考慮，決定用1602液晶顯示作為本次的顯示模塊。
1.4 單片機資源分配
ST89C52單片機是把那些作為控制應(yīng)用所需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片，它由如下功能部件組成，8位微處理器、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、8K程序存儲器、P1、P2、P3、P4四個8位并行I/O口、1個全雙工的串行口，具有四種工作方式，可用來進行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式，具有5個中斷源，二級中斷優(yōu)先權(quán)及特殊功能計數(shù)器，它們都是通過片內(nèi)單——總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能器件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式，為了合理調(diào)用單片機資源，對單片機的資源分配如附錄2所示。
2 自動循跡小車硬件設(shè)計
2.1 理論分析與計算
使用柵格圓盤和光電門組成測速系統(tǒng)。當直流電機通過傳動部分帶動?xùn)鸥駡A盤旋轉(zhuǎn)時，測速光電門獲得一系列脈沖信號。這些脈沖信號通過單片機兩個定時/計數(shù)器配合，一個計數(shù)，一個定時。計算出單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)m，經(jīng)過單位計算，就可以算得直流電機的旋轉(zhuǎn)速度。
假設(shè)小車每秒走過n個柵格（使用20柵格圓盤），小車輪胎直徑為d cm，那么小車輪胎周長為：C=Π*d cm。
則小車走過的距離即為：L=n/20*C  cm
2.2 驅(qū)動
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。
L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流雙橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其電路原理圖如下圖所示。
2.3 信號采集系統(tǒng)
小車放置一個接近開關(guān)傳感器來采集路面信息和小車行駛的距離，循跡傳感器采集到的信息經(jīng)LM324放大整形后傳給單片機，最終達到控制小車循跡的目的。光電傳感器的信號處理圖見附錄3。

2.4 單片機最小系統(tǒng)
單片機采用了ST89C52，該芯片的應(yīng)用電路與其他51單片機完全一樣，介于小車各部分功能均為模塊實現(xiàn)，所以，將單片機最小系統(tǒng)布好后，其余各I/O口用排針引出。單片最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、電源和時鐘電路等組成。復(fù)位電路包括手動復(fù)位和自動上電復(fù)位，按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的。而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的。自動上電復(fù)位，是指計算機加電瞬間，要在RST引腳出現(xiàn)大于2個機器周期的正脈沖，使單片機進入復(fù)位狀態(tài)。其單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖所示。

2.5 蜂鳴器
蜂鳴器用于小車位置指示，用三極管驅(qū)動，由單片機P2.0口控制，小車遇到硬幣后，單片機給蜂鳴器一個方波信號，蜂鳴器鳴叫提示。
2.6 液晶顯示
液晶由單片機控制，實時顯示小車形式的時間和路程，電路圖如下。
3 自動循跡小車軟件設(shè)計
軟件設(shè)計是實現(xiàn)小車智能運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在，本系統(tǒng)軟件包括主程序、檢測循跡函數(shù)和控制函數(shù)。
主程序主要完成系統(tǒng)初始化、按鍵檢測即子程序調(diào)用等功能，檢測循跡函數(shù)負責穩(wěn)定地判斷各種信息，將信息值返回，以便主函數(shù)或別的函數(shù)調(diào)用處理，其流程圖見圖。控制函數(shù)主要負責小車的狀態(tài)控制，根據(jù)傳感器返回的信息準確地判定小車所處的位置，并作出相應(yīng)的響應(yīng)。其流程圖如下所示。

4 功能檢測與調(diào)試
對小車的整體來說其測試按照模塊來進行，分為以下幾個步驟：
① 首先測試電源的工作情況，各個模塊能否得到良好供電。
② 檢查單片機能否正常的燒寫程序和工作。
③ 測試后輪電機的工作情況，并試驗電機的驅(qū)動能力。
④ 編寫程序控制小車運行，完成前進、后退一定距離，轉(zhuǎn)90度等功能。
⑤ 反復(fù)測試各參數(shù)變化對小車的影響，找出最有效的配置。
⑥ 對小車運行過程中各種可能出現(xiàn)的情況測試，發(fā)現(xiàn)問題，找出解決方法。
⑦ 整理數(shù)據(jù)，優(yōu)化程序設(shè)計。
1、對小車直走位置測試（用米尺測試）
測量次數(shù)       A設(shè)定值（cm）       B實際值（cm）       差值(cm)
1       90       91       1
2       90       90       0
3       90       91       1
2、預(yù)設(shè)置點與液晶顯示坐標的測試
      X坐標（cm）       Y坐標(cm)
坐標設(shè)定值       100       80       60       40       20       30       50       70       90       110
坐標實際值       104.3       83.4       61.7       41.3       20.3       30.6       52.1       71.8       93.2       114.3
差值       4.3       3.4       1.7       1.3       0.3       0.6       2.1       1.8       3.2       4.3
定位誤差       4.30%       4.25%       2.83%       3.25%       1.50%       2.00%       4.20%       2.57%       3.56%       3.90%
經(jīng)過多次調(diào)試，本系統(tǒng)能夠基本滿足設(shè)計要求，能夠較快較平穩(wěn)的沿路面按要求行駛。
5 結(jié)與展望
經(jīng)過四天三夜的共同努力，我們奮斗過，拼搏過，也失望過，但我們不曾放棄過，終于我們看到了成果，感受到了成功的喜悅！經(jīng)過電路設(shè)計，焊接調(diào)試，程序設(shè)計聯(lián)調(diào)，最終完成了整個規(guī)定的設(shè)計過程，感謝全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽的組委會給了我們這樣一次難得的鍛煉的機會，同時也深深地感謝幾位辛勤指導(dǎo)我們工作和學(xué)習(xí)的老師！通過這次大學(xué)生電子設(shè)計大賽讓我們感受到了實踐出成果的喜悅，也深深地體會到理論聯(lián)系實際的重要性。由于時間不足以及客觀多方面的困難，小車在設(shè)計中難免還存在不足的地方，希望老師們提出寶貴的意見。在本次大賽中，我們將自己大學(xué)幾年來所學(xué)的知識，能夠?qū)W習(xí)致用，開括了我們的制作能力，激發(fā)了我們的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)了我們勇于面對困難克服困難的堅強意志和不懈努力的精神，更增強了我們團隊合作的能力，感受到知識的海洋是無盡的，需要我們?nèi)ヌ剿鳎ド钊胙芯俊?br /> 參考文獻
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[3]凌陽科技大學(xué)計劃. 電子競賽文集. 凌陽科技大學(xué)計劃資料
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[7]祁偉，楊婷. 單片機C51程序設(shè)計教程與實驗. 北京：航天航空出版社，2006

附錄
附錄1.主辦方提供的賽道參考示意圖

附錄2

附錄3

附錄4 部分軟件程序
#include <reg52.h>          //包含52系統(tǒng)頭文件
#include "bst_car.h"       //包含bst_car.h智能小車頭文件
unsigned char pwm_val_left  =0;//變量定義
unsigned char pwm_val_right =0;
unsigned char push_val_left =0;// 左電機占空比N/20 //速度調(diào)節(jié)變量 0-20。。。0最小， unsigned char push_val_right=0;// 右電機占空比N/20
bit Right_PWM_ON=1;                //右電機PWM開關(guān)
bit Left_PWM_ON =1;                         //左電機PWM開關(guān)
//主函數(shù)
void main(void)
{
P1=0X00; //關(guān)電機
Key scan();       //按鍵啟動檢測
      delay(1000);//1s后啟動*/

      TMOD=0X01;
TH0= 0XFC;  //1ms定時
TL0= 0X66;
TR0= 1;
ET0= 1;
      EA = 1;          //開總中斷
      while(1)       //無限循環(huán)
      {
         //有信號為0  沒有信號為1
      if(Left_1_led==1&&Right_1_led==1)
         run(); //調(diào)用前進函數(shù)
      else
            {
                  if(Left_1_led==1&&Right_1_led==0)          //左邊檢測到黑線
                     {
                           left run();                      //調(diào)用小車左轉(zhuǎn)函數(shù)
                     }
                     if(Right_1_led==1&&Left_1_led==0)             //右邊檢測到黑線
                     {
                              Right run();                //調(diào)用小車右轉(zhuǎn)函數(shù)
                  }
            }
      }
}

ID:339982 · 發(fā)表于 2018-5-28 17:48

有沒有詳細的程序代碼和需要的材料啊

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