循迹小车评测报告

2018/2018学年第1学期

课程名称：信号检测与控制技术实训 班 级：计 控 0901 姓 名：王 军 教案周数：2周

地 点： 电 子 创 新 实 训 室 指导教师：吴洋、吴钢、孙蔚

信息项目学院

目录

第一章绪论- 1 -

1.1引言- 1 -

1.2传感器的分类- 1 - 1.3 电机的分类- 1 - 1.4设计总体要求- 2 - 第二章硬件设计- 2 -

2.1关键元件选择讨论- 2 - 第三章软件设计- 8 -

3.1程序设计总体思路- 8 - 3.2小车状态定义- 8 - 3.3PWM控制的实现- 11 - 3.4程序主函数流程图- 12 - 第四章系统制作- 12 -

4.1实际电路焊接- 12 - 4.2软硬件联调- 13 - 第五章总结和参考文献- 14 -

5.1 总结- 14 -

5.2参考文献和相关网站- 14 -

附录1：程序代码- 15 -

附录2：元件列表- 16 -

第一章绪论

1.1引言

随着控制技术及计算机技术的发展，寻迹小车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色。本文所述小车寻迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线，并以最短的时间完成寻迹。采用一定的算法使得小车在直道上加速行驶，在弯道又可以减速转弯。为了使小车快速、平稳地行驶，系统必须把路径识别、相应的转向电机控制以及直流驱动电机控制准确地结合在一起。 自动寻轨小车的工作原理是以单片机为控制核心的一阶闭环控制系统。在实验室条件下，在一张白纸上用黑色胶纸制出机器车预先设定的运行轨迹。因为本次采用的前端传感器具有识别黑、白颜色的能力。因此，由前端光电传感器，单片机和驱动单元共同作用，保证小车能够在预先设定的轨迹上行驶。 1.2传感器的分类

实现寻迹小车的视觉功能有多种方式：

(1> 可使用CCD摄像头进行图象采集和识别方法，但是不适用在小体积系统使用，并且还涉及图象采集、图象识别等领域。 (2>电容式接近传感器，基于检测对象表面靠近传感元件时的电容变化。 (3>超声波传感器，根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度。

(4>红外反射式光电传感器，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管(或光敏三极管>。 1.3 电机的分类

可以作为寻迹小车驱动单元的电机有如下两种：

(1>采用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。 (2>采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。 1.4设计总体要求

设计一个基于直流电机的自动寻迹小车，使小车能够自动检测地面黑色轨迹，并沿着黑色车轨迹行驶。系统方案方框图如图所示。

系统方案方框图

第二章 硬件电路设计

2.1总体设计

§2.1.1整体硬件设计框图的设计

此设计的整体方案是：用AT89C51单片机做信号的采集和处理。在AT89C51芯片的P0口连接信号的采集；经过单片机的处理，然后在P1口输出处理后的信号，送给驱动电路<驱动电动机的芯片）。整体设计框图如图所示：

整体硬件框图

2.2关键元件选择

§2.2.1传感器的选择

方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。

当发光二极管发出的可见光照射到黑带时，光线被黑带吸收，光敏二极管为检测到信号，呈高阻抗，使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到地面时，它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到，其阻抗迅速降低，此时输出端为高电平。但是因为光敏二极管受环境中可见光影响较大，电路的稳定性很差。 方案二：采用光敏电阻接受可见光检测。

四组光敏电阻用于检测可见光信号。当光敏电阻检测到黑带时，输出端为低电平，当光敏电阻没有检测到黑带时，输出端为高电平，信号返回给单片机，通过单片机控制前轮的转向。光敏电阻易受环境影响，稳定性也很差。 方案三：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。

采用四组红外光敏耦合三极管发射和接受红外信号，外面可见光对接收信号的影响较小。接收的红外信号转换为电压信号经LM324进行比较，产生高电平或低电平返回给AT89S52。

综上所述，本设计采用反射型光电传感器，型号为TCRT5000，TCRT5000型反射型光电传感器技术指标如下： 光强度曲线如图所示：

TCRT5000光强度曲线图

元件封装如图所示：

TCRT5000元件封装图

§2.2.2电机的选择

因为普通直流电机更易于购买，小车对于精度要求不是特别高，同时电路和控制相对简单，所以本设计采用直流电机作为驱动单元。 §2.2.3电机驱动芯片的选择

方案一：采用分立元件的H桥驱动电路。 方案二：采用集成的H桥驱动电路芯片。

因为集成的H桥驱动电路芯片体积小，稳定性高，因此选用集成的驱动电路芯片作为电机的驱动芯片，型号为L298，L298芯片有如下特点： 1.内含二个H-Bridge 大电流双全桥式驱动器；

2.可驱动46V、2A以下的步进电机； 3.1.2A峰值每通道输出电流； 4.使用简易； 5.温度过高保护； 6.内置钳位二极管。 封装如图所示：

L298元件封装图

内置电路如图所示：

L298内置电路图

2.2电路原理图

§2.2.1总体设计方案

系统的总体架构如图所示：

系统的总体架构图

整体电路如图所示：

整体转换电路图

§2.2.2处理信号电路设计方案

此设计可以参考《单片机原理与应用技术》这册书的38页，有详细说明。最小系统用的元器件有：电阻<100Ω和8.2kΩ各一个）、晶振<12MHZ）、瓷片电容<30pF，两个）、电解电容<10µF一个）。单片机最小系统电路图如下：

单片机最小系统图

§2.2.3采集信号电路设计方案

此设计中，在AT89C51单片机中采集信号的管脚是：P0.0、P0.1、P0.2。采集信号光电对管的器件是TCRT5000，此元件采集的信号在经过比较器LM324的处理，然后再传输到单片机中进行处理。采集信号电路架构如图所示：

采集信号电路架构图

采集信号电路如图所示：

光电传感器电路图

§2.2.4驱动电动机电路设计方案

因为电动机的工作电压为12V，所以，此时必须经过驱动芯片，给电动机提供工作电压。此设计中，用的是L298芯片，并且还需要用二极管保护电动机和L298芯片，此时，把采集的信号经过单片机的处理，输入到电动机驱动芯片的IN1、IN2、IN3、IN4引脚上，如果为高电平，则对应的输出引脚上输出为Vs，如果为低电平，则输出为0V，此芯片的输出引脚为OUT1、OUT2、OUT3、OUT4,与输入引脚一一对应。例如：IN1为高电平，则对应的OUT1=Vs；IN1为低电平，则对应的OUT1=0V。此设计中，因为电动机的工作电压为12V，所以Vs=12V，也就是，Vs引脚上接12V电压。驱动电动机电路如下图所示：

驱动电机电路图

§2.2.5电源电路设计方案

电源采用双路开关电源。明伟牌D-30W双路开关电源。输出<5V、12V）。实物图如下图所示：

双路开关电源

该开关电源尺寸为129X98X38mm，交流输入转换由开关选择，具有过流短路保护功能，能自冷散热。低价位、高可靠。 输入电压范围----85～132VAC/175～264VAC，47～63Hz开关选择； 冲击电流----冷起动电流15A/115V 30A/230V； 直流电压可调范围----额定输出电压的10%；

启动、上升、保持时间----200ms，100ms,30ms；

耐压性---输入输出间；输入与外壳1.5KVAC，输出与外壳，0.5KVAC，历时一分钟；

工作温度、湿度---- -10℃～+60℃，20%～90%RH； 安全标准----符合CE标准； EMC标准----符合CE标准； 连接方法----7位9.5mm接线端子；

质量/包装----0.41Kg,45PCS/19.5Kg/1.2CUFT 表1 型号 D-30A 输出 差值±2%±3,-7% 范围50mV 100mV 效率 72% 5V,0.5V~4.04A12V,0.1~1.0A第三章 软件设计

3.1程序设计总体思路

小车通过光电传感器获得路径信息，通过AT89C51进行判断小车所处的状态，通过控制H桥驱动芯片来控制前进电机前行及转向电机进行相应的动作。小车的前行通过光电对管小车通过三组传感器获得信息，因此可将小车分为八种状态，不同的状态下小车有不同的动作。

§3.2.1小车与黑线方向垂直状态

黑线 传感器

三个传感器都检测到黑线，当小车处于此状态时，小车左转，使得小车之后沿着

黑线运动。

§3.2.2黑线略偏左状态

黑线 传感器

左传感器和中传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车向左转。

§3.2.3黑线正中状态

传感器 黑线

只有中传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车方向不变，直向前开动。

§3.2.4黑线极度偏左状态

黑线 传感器

只有左传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车向左转弯。

§3.2.5黑线略偏右状态

传感器 黑线

右传感器和中传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车向右转弯。

§3.2.6不可能出现状态

因为黑线只有一条，所以不可能只有左传感器和右传感器检测到黑线而中传感器没有检测到黑线。

§3.2.7黑线极度偏右状态

传感器 黑线

只有右传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车向右转弯。

§3.2.8没有寻找到黑线状态

传感器

没有传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车保持直行，而向前寻找

黑线。定义此状态的意义在于，小车可以不必放到黑线上才能寻迹，只要黑线在小车的前方，小车就可以先寻找到黑线，之后沿着黑线运动。 3.3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3个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面的光电传感器探测到黑线，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；如果是右面的光电传感器探测到了黑线，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。如果是右面和右边的光电传感器探测到了白线，而中间的光电传感器探测到黑线，即车身端正压住黑线，小车向没有偏出轨迹，则应使小车向前行。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。循迹流程图如下图所示：

循迹流程图

3.4程序主函数流程图

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下图所示：

程序主函数流程图

程序代码如下：

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0100H MAIN:MOV P1,#0FAH MOV 21H,#00H WJ:MOV A,P0

CJNE A,#0F8H,L1 LCALL ZG SJMP WJ L1:MOV A,P0

CJNE A,#0F9H,L2 LCALL YG SJMP WJ L2:MOV A,P0

CJNE A,#0FBH,L3 LCALL YG SJMP WJ L3:MOV A,P0

CJNE A,#0FCH,L4 LCALL ZG SJMP WJ L4:MOV A,P0

CJNE A,#0FDH,L5 LCALL ZZ SJMP WJ L5:MOV A,P0

CJNE A,#0FEH,L6 LCALL ZG SJMP WJ L6:MOV A,P0

CJNE A,#0FFH,WJ LCALL ZZ SJMP WJ

ZZ:MOV P1,#0FAH MOV 21H,P0 CJNE A,21H,WJ AJMP ZZ

ZG:MOV P1,#0F8H MOV 21H,P0 CJNE A,21H,WJ AJMP ZG

YG:MOV P1,#0F2H MOV 21H,P0 CJNE A,21H,WJ AJMP YG END

第四章 系统制作

4.1实际电路焊接

§4.1.1、焊接的基本步骤

1）、烙铁头上先熔化少量的焊锡和松香，将烙铁头和焊锡丝同时对准焊点。 2）、在烙铁头上的助焊剂尚未挥发完时，将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点，开始熔化焊锡。

3）、当焊锡浸润整个焊点后，同时移开烙铁头和焊锡丝。焊接过程一般以2～3s为宜。焊接集成电路时，要严格控制焊料和助焊剂的用量。为了避免因电烙铁绝缘不良或内部发热源对外壳感应电压而损坏集成电路，实际应用中常采用拔下电烙铁的电源插头趁热焊接的方法。 §4.1.2、出现的问题

焊脚太大或太小，电路出现连接的时连接的现象 焊出来的板子出现虚焊，电路有时无法导通。

§4.1.3、解决的方法

焊接前，应对元器件引脚或电路板的焊接部位进行处理，一般有“刮”、“镀”、“测”三个步骤：

“刮”：就是在焊接前做好焊接部位的清洁工作。一般采用的工具是小刀和细砂纸，对集成电路的引脚、印制电路板进行清理，去除其上的污垢，清理完后一般还需要往待拆元器件上涂上助焊剂。 “镀”：就是在刮净的元器件部位上镀锡。具体做法是蘸松香酒精溶液涂在刮净的元器件焊接部位上，再将带锡的热烙铁头压在其上，并转动元器件，使其均匀地镀上一层很薄的锡层。 “测”：就是利用万用表检测所有镀锡的元器件是否质量可靠，若有质量不可靠或已损坏的元器件，应用同规格元器件替换 4.2软硬件联调

§4.2.1烧写程序的过程与方法

打开Keil软件，新建项目，输入程序，并设置生成HEX文件。然后打开烧写程序软件，把AT89C51芯片放入下载器中，然后先擦除芯片内容，添加生成的HEX文件，进入烧写程序过程，最后在进行校验。 §4.2.2出现问题

<1）出现电源指示灯不亮； <2）左中右指示灯不起作用； <3）比较器中的输出电压不符合逻辑； <4）左右轮不听指示，胡乱拐弯。

§4.2.3解决方法

<1）解决电源指示灯问题，首先看正负极是否接反？如果接反，调整电源线的正负方向。其次查看电路板的焊接情况和电路是否良好？如果有虚焊，则重新焊接此部分，并加固焊接；如果有焊错情况，比如发光二极管接反，则反正过来即可，等等； <2）解决左中右指示灯不起作用，看看电路是否接错，发光二极管是否接反，若有此情况，及时改正；

<3）解决比较器的输出电压不符合逻辑，首先看看比较器的管脚是否接错，其次看看比较器的参考电压，是否在高电压和低电压之间。如果还是不行，再看看有没有输入电压，如果有，则证明比较器坏了，更正即可； <4）左右轮不听指示，看看电路是否接错或接反，改正即可。

以上问题都解决了，然后再次启动电源，查看焊接的电路板显示效果。有问题，再次修改。

第五章 总结和参考文献

5.1 总结

通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，能比较流畅的沿着黑线运动。小车在直道上可以加速行驶，在弯道又可以减速转弯。如增加传感器的个数可以实现更为精确的黑线识别，使得小车跑的更快更稳。 致谢：在这次设计过程中我得到了广大同学的大力支持和帮助，在此特向帮助过我的同学和各位老师致以诚挚的谢意和忠心的感谢。并特别感谢指导老师孜孜不断的教导。 5.2参考文献和相关网站

[1] 朱清慧，张凤蕊.Proteus教程-电子线路设计、制版与仿真技术

及应用.清华大学出版社，2008.8.第一版 [2] 吴立新.实用电子技术手册.机械工业出版社，2003.9

[3] 杨建良，李新国.数字电子技术基础.武汉大学出版社，2007.10

[4] 周润景，张丽娜.Proteus入门实用教程.机械工业出社.2007.9 [5] 李全利.单片机原理及应用.清华大学出版社.2006.2 [6] 董少明.单片机原理及应用.邮电出版社

附录1：程序代码

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0100H MAIN:MOV P1,#0FAH MOV 21H,#00H WJ:MOV A,P0 CJNE A,#0F8H,L1 LCALL ZG SJMP WJ L1:MOV A,P0 CJNE A,#0F9H,L2 LCALL YG SJMP WJ L2:MOV A,P0 CJNE A,#0FBH,L3 LCALL YG SJMP WJ L3:MOV A,P0 CJNE A,#0FCH,L4 LCALL ZG SJMP WJ L4:MOV A,P0 CJNE A,#0FDH,L5 LCALL ZZ

SJMP WJ L5:MOV A,P0 CJNE A,#0FEH,L6 LCALL ZG SJMP WJ L6:MOV A,P0 CJNE A,#0FFH,WJ LCALL ZZ SJMP WJ ZZ:MOV P1,#0FAH MOV 21H,P0 CJNE A,21H,WJ AJMP ZZ ZG:MOV P1,#0F8H MOV 21H,P0 CJNE A,21H,WJ AJMP ZG YG:MOV P1,#0F2H MOV 21H,P0 CJNE A,21H,WJ AJMP YG END

附录2：元件列表

=========================================================================== 电容：

30pF ×2 10uF×1 电阻：

8.2K ×1

20K ×3 300×4 100×1 20K(可变>×3 其他：

LED ×4 AT89C51×1 L298×1

LM324 ×1 晶振<12M） ×1 TCTR5000 ×3 车身 ×1 二极管 ×8

======================================================================= 2018年12月31日星期

五