基于51單片機(jī)的智能循跡避障小車+C源程序.doc

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項(xiàng)目名稱：智能小車 系別： 信息工程系 專業(yè)：11電氣工程及其自動(dòng)化 姓名：劉亮、崔占闖、韓康 指導(dǎo)老師： 王蕾 崔占闖聯(lián)系郵箱：1308253761@qq.com 目錄 摘要：...............................................................................................3關(guān)鍵詞：.............................................................................................3 緒論：.................................................................................................3 一、 系統(tǒng)設(shè)計(jì).............................................................................4 1.1、任務(wù)及要求...................................................................4 1.2車體方案認(rèn)證與選擇......................................................4 二、硬件設(shè)計(jì)及說明....................................................................5 2.1循跡+避障模塊..............................................................5 2.2主控模塊........................................................................6 2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊................................................................6 2.4機(jī)械模塊........................................................................7 2.5 電源模塊.......................................................................7 三、自動(dòng)循跡避障小車總體設(shè)計(jì)………………………………..7 四、軟件設(shè)計(jì)及說明.....................................................................8 4.1系統(tǒng)軟件流程圖............................................................9 4.2系統(tǒng)程序........................................................................9 五、系統(tǒng)測試過程.......................................................................12 六、總結(jié).......................................................................................13 七、附錄：系統(tǒng)元器件..................................................................13 摘要 本設(shè)計(jì)主要有三個(gè)模塊包括信號(hào)檢測模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。信號(hào)檢測模塊采用紅外光對(duì)管，用以對(duì)有無障礙與黑線進(jìn)行檢測。主控電路采用宏晶公司的8051核心的STC89C52單片機(jī)為控制芯片。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用意法半導(dǎo)體的L298N專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，單片控制與傳統(tǒng)分立元件電路相比，使整個(gè)系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。信號(hào)檢測模塊將采集到的路況信號(hào)傳入STC89C52單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理過后對(duì)L298N發(fā)出指令進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通過有無光線接收來控制電動(dòng)小車的轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障的功能。 關(guān)鍵詞：智能循跡避障小車，STC89C52單片機(jī)，L298N驅(qū)動(dòng)芯片，信號(hào)檢測模塊，循跡避障 緒論 （一）智能小車的作用和意義 自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢想。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感系統(tǒng)，對(duì)于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航一種實(shí)用有效的方法。 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引循跡功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車系統(tǒng)，基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。 該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、cpu、執(zhí)行部分。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動(dòng)躲避?；谏鲜鲆?，傳感檢測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價(jià)廉物美的紅外光電傳感器來充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進(jìn)方向。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機(jī)資源，直接選擇有PWM功能的單片機(jī)，這樣可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，難以精確調(diào)速，但單片機(jī)型號(hào)的選擇余地較大?？紤]到實(shí)際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用STC89C52單片機(jī)，配合軟件編程實(shí)現(xiàn)。 （二）智能小車的現(xiàn)狀 現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障這兩個(gè)功能 一、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本組智能小車的硬件主要有以STC89C52單片機(jī)作為核心的主控器部分、自動(dòng)循跡+避障部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和其他部分由一個(gè)電源通過串聯(lián)供電。 小車硬件系統(tǒng)示意圖如下： 自動(dòng)循跡+避障模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 STC89C52 單片機(jī) 電源5V 供電途徑 功能控制 1.1、任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)一個(gè)基于直流電機(jī)的自動(dòng)循跡避障小車，使小車能夠自動(dòng)檢測地面黑色軌跡和道路兩側(cè)的擋板（沒有黑線時(shí)），并沿著黑色軌跡和擋板行駛。 檢測（黑線） 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 軟件控制 控制小車 1.2、車體方案認(rèn)證與選擇 方案一：自己動(dòng)手制作電動(dòng)車，一方面材料缺少，另一方面制作過程要花費(fèi)大量的時(shí)間，而且同學(xué)中手藝也不好，制作出來的小車還可能機(jī)械性能不好。考慮到時(shí)間與性能這兩方面，我們放棄了這一方案 方案二：購買小車全套零件，購買的小車全套零件具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。易改裝，好控制。機(jī)械性能有保障。 小車圖片如下： 綜合考慮，最終選擇方案二 二、硬件設(shè)計(jì)及說明 2.1循跡+避障模塊 我們選擇四路紅外探測 尋跡光電傳感器 此模塊是為智能小車、機(jī)器人等自動(dòng)化機(jī)械裝置提供一種多用途的紅外線探測系統(tǒng)的解決方案。使用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，并使用LM339 電壓比較器（加入了遲滯電路更加穩(wěn)定）做為核心器件構(gòu)成中控電路。此系統(tǒng)具有的多種探測功能能極大的滿足各種自動(dòng)化、智能化的小型系統(tǒng)的應(yīng)用。 此模塊的特點(diǎn)： 易于安裝，使用簡便； 4 路分別獨(dú)立工作，工作時(shí)不受數(shù)量限制； 中控板與探頭分開，安裝位置不受限制； 模塊高度≤10 毫米； 安全工作電壓范圍在 3伏特至 6 伏特之間； 4 路全開工作電流 30 毫安至 55 毫安之間。 2.2主控模塊 我們采用宏晶公司的STC89C52單片機(jī)作為主控制器。STC89C52是一個(gè)高速，低功耗，超強(qiáng)抗干擾的8位單片機(jī)，片內(nèi)含32k 空間的可反復(fù)擦寫100,000 次Flash 只讀存儲(chǔ)器，具有4K 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32 個(gè)I/O口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路（與單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)） 1）采用外部時(shí)鐘，晶振頻率為12MHZ 2）采用按鍵復(fù)位 2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī) 電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。 可選用減速比為1：74 的直流電機(jī)，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100r/min。若車輪直徑為6cm，則小車的最大速度可以達(dá)到 V=2πrv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s 能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。 驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。以下為L298N的引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。 圖L298N外部引腳 表1 L298N輸入輸出關(guān)系 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖2 所示： 圖2 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 L298N 的5、7、10、12 四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過對(duì)單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制。 2.4電源模塊 采用4節(jié)普通1.5V干電池單電源供電，采用串聯(lián)方式同時(shí)給單片機(jī)與電機(jī)供電。 三、自動(dòng)循跡避障小車總體設(shè)計(jì) 3．1 總體電路圖 四、軟件設(shè)計(jì)及說明 4.1系統(tǒng)軟件流程圖 開始 前進(jìn) 否 否 掃描I/O口，是否檢測到黑線 掃描I/O口，是否檢測到障礙 是 是 左/右檢測到黑線 左/右檢測到障礙 右/左行進(jìn) 左/右行進(jìn) 4.2循跡避障程序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int unsigned char zkb1=0 ; //**左邊電機(jī)的占空比**// unsigned char zkb2=0 ; //**右邊電機(jī)的占空比**// unsigned char t=0; //**定時(shí)器中斷計(jì)數(shù)器**// sbit LSEN2=P2^0; sbit LSEN1=P2^1; sbit RSEN1=P2^2; sbit RSEN2=P2^3; //**傳感器***/ sbit IN1=P1^0; sbit IN2=P1^1; sbit IN3=P1^2; sbit IN4=P1^3; sbit ENA=P1^4; sbit ENB=P1^5; //**********初始化定時(shí)器中斷***********// void init() { TMOD=0x01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; } //***********中斷函數(shù)+脈寬調(diào)制***********// void timer0() interrupt 1 { if(t=50) {t=0;} } //******************直行******************// void qianjin() { zkb1=50; zkb2=50; } //***************左轉(zhuǎn)函數(shù)1***************// void turn_left1() { zkb1=0; zkb2=50; } //***************左轉(zhuǎn)函數(shù)2***************// void turn_left2() { zkb1=0; zkb2=50; } //***************右轉(zhuǎn)函數(shù)1***************// void turn_right1() { zkb1=50; zkb2=0; } //***************右轉(zhuǎn)函數(shù)2***************// void turn_right2() { zkb1=50; zkb2=0; } //***************循跡函數(shù)*****************// void xunji() { uchar flag; if((RSEN2==1)&&(RSEN1==0)&&(LSEN1==0)&&(LSEN2==1)) { flag=0; } //*******直行*******// else if((RSEN2==1)&&(RSEN1==1)&&(LSEN1==0)&&(LSEN2==1)) { flag=1;} //***左偏1,右轉(zhuǎn)***// else if((RSEN2==1)&&(RSEN1==0)&&(LSEN1==1)&&(LSEN2==1)) { flag=2; } //***右偏1,左轉(zhuǎn)***// else if((RSEN2==0)&&(RSEN1==0)&&(LSEN1==0)&&(LSEN2==1)) { flag=3; } //***右偏2,左轉(zhuǎn)***// else if((RSEN2==1)&&(RSEN1==0)&&(LSEN1==0)&&(LSEN2==0)) { flag=4;} //***左偏2,右轉(zhuǎn)***// switch (flag) { case 0:qianjin(); break; case 1:turn_right1(); break; case 2:turn_left1(); break; case 3:turn_left2(); break; case 4:turn_right2(); break; default: break; } } //****************主程序****************// void main() { init(); zkb1=50; zkb2=50; while(1) { //******給電機(jī)加電啟動(dòng)******// IN1=1; IN2=0; IN3=1; IN4=0; ENA=1; ENB=1; while(1) { xunji(); //*********尋跡**********// } } } 五、系統(tǒng)測試過程 本小車能實(shí)現(xiàn)循跡避障功能，它能沿著地面上黑色軌跡行駛實(shí)現(xiàn)循跡功能，也能檢測到跑道兩側(cè)的擋板，沿?fù)醢逍旭倢?shí)現(xiàn)避障功能。 尋跡避障小車軌跡圖介紹：軌道由循跡部分（黑線）和避障部分（道路兩側(cè)加擋板）兩部分組成，小車先進(jìn)入循跡軌道，沿黑線行駛，到達(dá)兩部分連接處進(jìn)入避障軌道沿?fù)醢逍旭?，從而?shí)現(xiàn)尋跡和避障功能的展示。軌道示意圖如下： 為保證小車能正常行駛，循跡部分的黑線寬度應(yīng)在3.5至4cm。避障軌道的寬度應(yīng)大于20cm小于25cm。 六、總結(jié) 測試結(jié)果表明：本組智能小車能很好的完成了循跡和避障功能，循跡跑道是由黑色膠布在白色地面上拉線完成，小車可以從O型跑道的任何段為起點(diǎn)，跑完全程。避障跑到是通過擺放障礙物，小車可以走出障礙區(qū)間。 七、附錄：系統(tǒng)元器件 L298N模塊/步進(jìn)電機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊/小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊/輸出5V 四路紅外探測 尋跡光電傳感器 尋跡小車 循跡避障模塊 黑白線識(shí)別 51單片機(jī)最小系統(tǒng)板/USB下載程序/51單片機(jī)開發(fā)板 智能小車底盤/尋跡小車/機(jī)器人/帶碼盤/強(qiáng)磁電機(jī)/ZK-2WD 四節(jié)五號(hào)電池板組 附帶四節(jié)五號(hào)干電池 導(dǎo)線若干