我的智能循迹小车报告.doc

目 录
摘 要 3
1引言 4
2.方案选择与论证 4
2.1循迹模块 5
2.2 车体设计 5
2.3 控制器模块 6
2.4电源模块 6
2.5 循迹传感器模块 6
2.6 电机模块 7
2.7 电机驱动模块 7
3.硬件实现与单元电路设计 7
3.1.为控制器模块设计 7
3.2 光电对管电路设计 8
3.3 循迹光电对管安装 8
3.4电机驱动的设计 9
4.软件设计 9
4.1软件设计的思想 9
4.2程序流程图 10
5.结论 11
参考文献 12
附录1系统总体 13
附录2车体整图 14

摘 要

智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能循迹小车就是其中的一个体现。本次设计的智能循迹小车，采用AT89S52单片机作为小车的检测和控制核心；采用红外对管TCRT5000来检测路上黑线，从而把反馈到的信号送单片机，单片机根据反馈回的信号作出判断，单片机采用定时中断实现对直流电机的PWM控制，实现小车左右轮子速度的控制，从而使得小车能够按照已给定的轨迹行走。最终制作出来的小车能够按照给定的比赛轨道圆滑运行，而且小车速度也有所提高。但是小车的功能稳定性还有待改进。

关键词：智能车 AT89S52 单片机 直流电机 PWM控制

1. 引言

图1 小车赛道
车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线）。小车沿着黑线行驶一周，其间要走过2个S型的赛道和两次十字交叉路，其它都为直线与曲线圆滑交接的路。小车在整个过程中既要最求速度，又要保持其完好的循迹圆滑度。
2．方案比较与论证
电源

主控芯片
At89S52
L298
直流电机
电压比较器LM339
红外对管组

图2系统框图
根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。
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。

2.1 路面检测模块
这里的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。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。
本小车采用的是红外对管TCRT5000与比较器LM339相结合组成小车前端感测模块。通过红外对管对黑白线的感测情况，将物理信号转化为电信号，再将相应的感测值与比较器的参考端作比较，回馈相应的数字信号给单片机，让单片机对小车的行驶路径作出判断。
2.2车体设计
方案1：购买玩具电动车。购买的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，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，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玩具直流电机，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。因此我们放弃了此方案。
方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，、前万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。 图3 车体图
在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现前轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，前万向轮起支撑作用。
综上考虑，我们选择了方案2。
2.3控制器模块
AT89S52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
从方便使用的角度考虑，我们选择了此方案
2.4电源模块
方案1：使用电池本设计需要两种电源，一种是最小系统的逻辑电源，一般为5V，另一种为电机驱动电源12V。为了系统的稳定和最终小车的速度要求。我们选择3节干电池4.5V作为最小系统供电，另8节干电池12V单独给电机。从制作的简便性和稳定性，本设计选择了干电池作电源。
方案2：利用市电交流220V转换为直流电。利用12V变压器与三相稳压器LM7812,LM7805组成交直变换电路。
方案2虽能够避免因电池消耗电压减小的问题，但从成本，小车的体积和运行可靠性考虑，本设计采用方案1.
2.5寻迹传感器模块
方案1：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。 图4红外对管电路
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。
方案2：用TCRT5000，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，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高电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出低电平。
从系统的抗干扰性和系统的稳定性的角度，本设计采用方案2。
2.6 电机模块
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。
方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，到是由于我们考虑到简单性，所以放弃了使用步进电机。
方案2：采用直流电机。直流电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
为更好的满足系统的要求，我们选择方案2。
2.7电机驱动模块
方案1：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。
图5电机驱动芯片
方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。
因此我们选用了方案1。

3、硬件实现及单元电路设计
3.1、微控制器模块的设计
采用STC公司的89s52单片机，不用烧写器而只用串口或者并口就可以往单片机中下载程序。
我们在开发过程中使用开发版，方便程序的调试和整机的测试，待系统调试完成后，将单片机从开发板上取下，安装在小车系统板的单片机座中，由于本次设计要求中，小车需要完成的任务比较简单，因此我们只在小车系统板的单片机系统中只保留了单片机。
3.2光电对管电路的设计

图7 红外检测管图
我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如图所示：
我们考虑用比较器的方案。

图8 LM393比较器电路。
3.3寻迹光电对管的安装
考虑到设计要求，本次设计使用7对光电传感器就能完成设计要求，中间5对传感器用来校正小车的寻迹路线，保证小车运行的直线性和小车小角度的拐弯，两侧的传感器用来检测小车过线，可以实现小车的大角度的转弯。由于红外对管是倒插在排座中的，制作中我们把对管的脚用钳子弄成了小s型状，使之接触更加稳定。
图9 循迹采样对管组
红外对管组TCRT5000与比较器lm339配合使用，作为小车的循迹采样模块，实际安装过程中调节比较器的参考电压，通过不断试探对管，观察对应的LED灯的亮暗情况。通过实际制作的情况，本设计选择最佳的参考电压为3.2V作为同相输入端。
3.4电机驱动电路的设计
我们采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，驱动电路的设计如下图所示：

图10 电机驱动电路
使能端 ENA 、ENB 高电平为有效信号。当ENA=1.ENB=1时
2（或13）端
3（或14）端
电机B(或A)
0
0
停止
0
1
反转
1

0
正传
1
1
无效
通过单片机的定时处理给相应的I/O口高低电平，控制使能端和电机驱动口IN1，IN2，IN3，IN4.最终实现PWM控制对电机调速。
4.软件设计
4.1 软件设计思想
根据总体设计的思想及本系统实现的功能，在软件设计中完成以下功能。
1.寻迹模块主程序：由是否遇到黑线，探测到黑线时光电对管侧输出高电平再经有比较器的反相端与同相端的参考电压相比较，输送给单片机低电平。信号返回到单片机，再通过单片机来实现相应的功能。
2.电机驱动模块主程序：主要用来控制两个直流电机的速度，实现加速，减速全速等功能。通过两个轮子的速度差，从而实现小车的大小拐弯。
4.2程序流程图

先取小车探头中间五个屏蔽小车两端探头，作二进制运算作为运行判断量，判断小车运行情况。再仅取小车两侧位置作出小车运行判断。

5. 总结
整个系统的设计以单片机为核心，利用红外对管传感器，将软件和硬件相结合。本设计制作的小车虽外观上不是很美观，但完全实现了小车按照已经设计好的的轨道运行，其中包括直行道，‘S’型道，‘十’字型道，左右拐道。小车在整过过程中能够保持在保持一定的速度下实现按轨道圆滑的行进。但小车的稳定性还有待进一步的改进。
整过制作过程中发现了几个注意的问题：
1. 选购小车时，车体的尺寸大小对小车最终外观有很大影响，注重小车电机的选择这会直接影响成品的性能。
2. 电源模块要选用稳定性非常好的电源，如果没有就直接选用干电池供电。
3. 小车黑线的采样模块安装要好，避免小车运动时的误判断。适当的选择比较器的参考电压，选为3.2V左右探测的距离相对高些，准确度也高。
4.不要一味追求小车的速度，应该现在稳定的情况下，再想办法提速。
5.编程时不要遗漏考虑可能出现的情况，在实际试验运行时，应该结合软硬件一起综合考虑，从实际运行情况有针对性地调试程序。
6.团队协作，分工明确，互相鼓励和帮助是很重要的。
7.提高焊接技术对系统稳定性有很大保障。
8.小车的前瞻性高更有利与车提速，但在小轨道循迹的圆滑度不是很好。

附录2：主要元器件清单
序号
名称
型号
数量
1
单片机
AT89S52
1个
2
电阻
1k
10
220Ω
7
100Ω
2
10k
8
3
直流电机
130马达（小车自带，不用买）
2个
4
电机驱动
L298
1个
5
比较器
LM339
2个
6
组装车

1套
7
红外对管
TCRT5000
7
8
电池
5号南孚电池
11
9
电容
1uf
2
0.1uf
2
30pf
2
10
整流二极管
IN4007
8个
11
发光二极管
--------
9
12
按键
---------
2
13
晶振
11.0592M HZ
1个
14
排阻
10k
1个
15
电位器
10k
2
16
自锁开关

1