智能循迹小车毕业论文

智能循迹小车毕业论文 X学 院 X专业(专科) 毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 (论文) 题 目 智能循迹小车 设计与制作 姓 名 X 学 号 X 指 导 老 师 X 完 成 日 期 X 教 学 系 X 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以及选择正确的路线。智能循迹小车运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术实现按照预先设定的模式不受人为限制自动实现循迹导航。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STC89C52单片机作为小车的控制核心。采用TCRT5000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。本设计电路结构简单、容易实现、可靠性高。 关键词:智能小车;单片机; 驱动芯片 I Abstract This paper discusses the control process of intelligent tracking car based on mcu. Intelligent tracking is used to realize the automatic car identification and choosing the right route automatic guided robot system based on. Intelligent vehicle tracking using sensor, microcontroller, motor drive and automatic control technology to achieve pre-set according to the model without artificial restriction of automatically tracking navigation. This technology has been applied in many fields, unmanned vehicles unmanned factories, warehouses, service robot. This design uses STC89C52 microcontroller as the control core of the car. Using TCRT5000 reflection type infrared sensor switch as the tracking module car to identify the white road central black guide line. Collecting signal and converts the signal into digital signal processor can be identified. Using the drive chip L298N to constitute the double H bridge DC motor control. The design of the circuit structure is simple, easy to realize and high reliability. Keywords: intelligent vehicle; single chip microcomputer; driving chip II 目 录 摘 要 .......................................................................................................................................... I ABSTRACT.................................................................................................................................. II 第一章 绪论.................................................................................................................................. 1 1.1智能小车的意义和作用 ......................................................................................................................................1 1.2智能小车的现状....................................................................................................................................................1 第二章 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计与论证 ................................................................................................................ 2 2.1 主控系统................................................................................................................................................................2 2.2 电机驱动系统 .......................................................................................................................................................2 2.3 循迹系统................................................................................................................................................................4 2.4 机械系统................................................................................................................................................................5 2.5电源系统 .................................................................................................................................................................5 第三章 硬件设计........................................................................................................................... 6 3.1总体设计 .................................................................................................................................................................6 3.2驱动电路 .................................................................................................................................................................7 3.3信号检测模块 ........................................................................................................................................................8 3.4主控电路 .................................................................................................................................................................9 第四章 软件设计......................................................................................................................... 10 4.1主程序 ...................................................................................................................................................................10 4.2电机驱动程序 ......................................................................................................................................................10 4.3循迹模块 ...............................................................................................................................................................11 第五章 制作安装与调试 .............................................................................................................. 14 5.1 小车组装与调试 ................................................................................................................................................14 结束语 ........................................................................................................................................ 15 致谢 ............................................................................................................................................ 17 参考文献 ..................................................................................................................................... 18 III 第一章 绪论 1.1智能小车的意义和作用 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、 改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。 随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近感觉传感器是一种实用有效的方法。 机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车(AVG—auto-guide vehicle)系统，基于它的智人 能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。 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。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案:第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速;第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。 1.2智能小车的现状 现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几届的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现循迹这个功能。 1 第二章 方案设计与论证 根据要求，确定如下方案:在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。 2.1 主控系统 根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下: 方案一: 选用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。 方案二: 采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。 针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了STC89C52单片机作为本设计的主控装置，此类单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。 综合考虑传感器、两部电机的驱动等诸多因素，我们决定采用方案二，充分利用单片机STC89C52的资源。 2.2 电机驱动系统 方案一: 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 2 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。 方案二: 采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。 方案三: 采用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，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路,如图2.1所示。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了芯片L298N，元器件L298N实物图如图2.2所示。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、制动和反转等优点。 综合以上方案分析，本论文设计采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。 图2.1 H桥式电路 3 图2.2 元器件L298N实物图 2.3 循迹系统 方案一: 采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。 方案二: 采用两只红外对管，结构如图2.3所示，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到的白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向。测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。(参考文献[3]) 方案三: 采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线(即小车回到轨道)再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次与第二种方案。 通过经济和性能综合比较，本文选取第二种方案来实现对小车的循迹。 4 图2.3 红外对管 2.4 机械系统 本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动系统具备以上特点。 驱动部分:由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。 电池的安装:将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。简单，而三轮运动系统具备以上特点。 2.5电源系统 方案一: 采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供5V电压，但占用资源过大。 方案二: 采用2支1.5V电池单电源供电，便能解决方案一的问题并让小车完成其功能。 所以综合以上分析，本设计中选用方案二来实现供电。 5 第三章 硬件设计 3.1总体设计 智能小车左右两边各用一个电机驱动，调制两个轮子的转速起停，从而达到控制转向的目的。车轮是万象轮，起支撑的作用。将循迹光电对管分别装在车体下的左右。当车身下左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，车向右修正。 主板设计框图如图3.1，所需原件清单如表3.1。 循迹红外对管 复位电路 报警电路 Stc89c52 时钟电路 电机驱动 图3.1 主板设计框图 表3.1 元件清单 元件 数量 元件 数量 元件 数量 直流电机 2只 电阻 若干 集成电路芯片 若干 单片机 1 块 二极管 若干 电容 若干 红外对管 3只 蜂鸣器 1只 电位器 若干 12M晶振 1只 杜邦线 若干 玩具小车 1个 排针 若干 6 3.2驱动电路 电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度，起停。L298N引脚图如图3.2所示，驱动原理图如图3.3。 图3.2 L298N引脚图 图3.3 电机驱动电路 7 3.3信号检测模块 小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，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。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法—红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理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，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，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，则小车上的接收管接收不到信号，再通过LM324作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。电路图如图3.4。 市面上有很多红外传感器，在这里我选用TCRT5000型光电对管。 图3.4循迹原理图 8 3.4主控电路 本模块主要是对采集信号进行分析，同时给出PWM波控制电机起停。通过光电传感器将信号传递给运算放大器，再传给单片机，由单片机处理信号，使驱动电路运作。其电路图如图3.5所示。 图3.5 主控电路 9 第四章 软件设计 4.1主程序 启动 循迹 是否检测到停止 停止 图4.1 主程序框图 4.2电机驱动程序 void goahead() { s1=1; s2=0; s3=1; s4=0; } void goback() { s1=0; s2=1; s3=0; s4=1; 10 } void turnleft() { s3=1; s4=0; } void turnright() { s1=1; s2=0; } void stop() { en1=0; en2=0; } 4.3循迹模块 开始 循迹框图: 前进 扫描I/O口，是否检 测到黑线 Y 左转 右转 左边 右边 图4.3循迹框图 11 循迹程序: void xunji() { if((left_red==1)&(right_red==1)) { en1=1; en2=1; goahead(); delay(150); en1=0; en2=0; delay(50); } else if((left_red==0)&(right_red==1)) { en1=0; en2=1; P0_0=!P0_0; turnleft(); delay(150); en1=1; en2=0; delay(50); } else if((left_red==1)&(right_red==0)) { en1=1; en2=0; P0_1=!P0_1; turnright(); delay(150); en1=0; en2=1; delay(50); 12 } else { stop(); } } 13 第五章 制作安装与调试 5.1 小车组装与调试 组装步骤: 第一步:电路部分基本焊接 电路焊接部分比较简单，焊接顺序按照元件高度从低到高的原则，首先焊接8个电阻，焊接时要用万用表确认阻值是否正确，焊接有极性的元件如三极管、绿色指示灯、电解电容要分清楚极性，按元件方向焊接，焊接电容时引脚短的是负极插入PCB丝印上阴影的一侧。 第二步:机械组装 将万向轮螺丝穿入PCB孔中，并旋入万向轮螺母和万向轮。电池盒通过双面胶贴在PCB上，引出线穿过PCB预留孔焊接到PCB上，红线接3V正电源，黄线接地。 机械部分组装可以先组装轮子，轮子由三片黑色亚克力轮片组成，装配前请将保护膜揭去，最内侧的轮片中心孔是长园孔，中间的轮片直径比较小，外侧的轮片中心孔是园的，用两个螺丝螺母固定好三片轮片，并用黑色的自攻螺丝固定在电机的转轴上，最后将硅胶轮胎套在车轮上。用引线连接好电机引线，最后将车轮组件用不干胶粘贴在PCB制定位置，车轮和PCB边缘保持足够的间隙，将电机引线焊接到PCB上。 第三步:安装光电回路 光敏电阻和发光二极管是反向安装在PCB上的，和地面间距约5毫米左右，光敏电阻和发光二极管之间距离也在5毫米左右。最后可以通电测试。 第四步:整车调试 在电池盒内装入2节1.5V电池，开关拨在“ON”位置上，小车正确的行驶反相是沿万向轮方向行驶，如果按住左边的光敏电阻，小车的右侧的车轮应该转动，按住右边的光敏电阻，小车的左侧的车轮应该转动，如果小车后退行驶可以同时交换两个电机的接线，如果一侧正常另一侧后退，只要交换后退一侧电机接线即可，小车循迹实物图如图5.1所示。 通过改变循迹板滑动变阻器器的大小来调试光敏电阻的灵敏度，通过改变延时程序来改变速度的大小。下表为小车运行的情况: 14 表5.1 小车调试情况 小车运行次数 成功循迹次数 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 图5.1 小车循迹实物图 15 结束语 经过一个多月的忙碌，在我和指导老师还有同学们共同的努力下，终于给智能循迹小车画上了句号。谁说不上是完美，但总算成功了。刚开始接触这个项目，我对其一点也不了解，无从下手。后来从硬件电路开始，慢慢了解其原理，也算知道个大概。在这期间我也遇到过很多问题。最开始的便是线路处理方面。其次是程序，程序是不可能一次性成功的。但是在不断的修改调试之后小车最终还是实现了预想的功能。 整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能:自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。小车以单片机STC89C51为核心，利用光电传感器检测白纸上的黑线，由于光遇到白纸会发生漫反射，而红外线遇到黑线则会被吸收，光电传感器将检测到的信号传输给运算放大器，再传输给单片机，由单片机处理信号后，将命令传达到驱动电路，使小车运作。 通过本次设计我掌握了很多以前不熟练的东西，认识了很多以前不熟悉得东西，使我在人生上又进了一步。也认识到很多的不足。 16 致谢 本设计能够顺利完成，还承蒙王老师以及身边的很多同学的指导和帮助。在设计过程中，最重要的是给了我解决问题的思路和方法，并且在设计环境和器材方面给予了大力的帮助和支持，在此，我对王老师表示最真挚的感谢～同时感谢所有帮助过我的同学～通过论文的撰写，使我能够更系统、全面地学习有关电子设计制作知识，并得以借鉴众多专家学者的宝贵经验，这对于我今后的工作和我为之服务的企业，无疑是不可多得的宝贵财富。 感些评阅老师百忙之中抽出时间对本论文进行了评阅。本次论文从选题到完成，每一步都是在王老师的悉心指导下完成的，倾注了王老师大量的心血。在此，谨向王老师表示崇高的敬意和衷心的感谢～在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，再次对老师道一声:老师，谢谢您～ 时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋渐进，毕业论文的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意～在此我向X学院X工程系的所有老师表示衷心的感谢，谢谢你们三年的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢三年里面你们孜孜不倦的教诲～ 17 参考文献 [1]郭惠，吴迅.单片机C语言程序设计完全自学手册[M].电子工业出版社,2008.10:1-200. [2]王东锋，王会良，董冠强. 单片机C语言应用100例[M]. 电子工业出版社,2009.3: 145-300. [3]韩毅，杨天. 基于HCS12单片机的智能寻迹模型车的设计与实现[M].学术期刊，2008， 29(18):1535-1955. [4] 王晓明. 电动机的单片机控制[M]. 学术期刊，2002，13(15):1322-1755. [5]Yamato I , et al 1 New conversion system for UPS using high fre2 quency link[J ]1 IEEE PESC ,1988 :210-320. [6]Yamato I , et al 1 High frequency link DC/ AC converter for UPS with a new voltage clamper[J ]1IEEE PESC ,1990 :52-105. 18