小車自動(dòng)尋跡控制

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1、西南民族大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1方案論證與設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)自動(dòng)尋跡小車模型，能夠沿著白紙上黑色的軌跡平穩(wěn)、流暢的行進(jìn)。場(chǎng)地如圖1所示：圖1：場(chǎng)地示意圖1.1.2設(shè)計(jì)要求（1）小車能夠正確的尋找黑線行進(jìn)；（2）小車在行進(jìn)時(shí)不要蛇行前進(jìn)；（3）小車在彎道上行駛時(shí)不要脫軌。1.2模塊方案的論證與比較根據(jù)題目的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)小車能夠沿著黑色的軌跡前進(jìn)，同時(shí)能夠自動(dòng)搜尋黑色軌跡行進(jìn)的功能。本系統(tǒng)主要由電源模塊、尋跡傳感器模塊、控制器模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊等組成。其系統(tǒng)方案框圖如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊功能，提出了幾種設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行論證。控制器模塊

2、測(cè)速計(jì)程模塊顯示模塊尋跡模塊驅(qū)動(dòng)模塊穩(wěn)壓模塊電源模塊圖2 系統(tǒng)方框圖1.2.1車體設(shè)計(jì)方案1：自己制作電動(dòng)小車。如果自己制作小車的話成本將會(huì)太高，我們也沒(méi)有那么多的精力去做這些事情。因此我們放棄了此方案。方案2：購(gòu)買玩具電動(dòng)小車。購(gòu)買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪及其電機(jī)。為我們做設(shè)計(jì)提供了很大的平臺(tái)，同時(shí)很容易購(gòu)買到我們需要的車體。因此我們最終選用了方案2。1.2.2控制器模塊方案1：采用凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A作為控制核心。它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是本系統(tǒng)主要是進(jìn)行尋跡運(yùn)行的檢測(cè)

3、以及電機(jī)的控制。從系統(tǒng)編程的簡(jiǎn)潔性考慮，我們放棄了使用凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)而考慮其它的方案。方案2：采用89C54RD+芯片，它屬于89C51系列的產(chǎn)品，具有如下特性：時(shí)鐘主頻可設(shè)置在0-80M，具有16K的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器和1280字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和1K的E2PROM，內(nèi)置看門狗并支持雙倍速，具有較高的性價(jià)比。選擇89C54RD+芯片的原因還在于它有一顯著優(yōu)點(diǎn)，即具有在線可編程（ISP）的特性，即不用通用的編程器，只需在用戶系統(tǒng)上就可下載/燒錄用戶程序到89C54RD+芯片。不用仿真器，這樣給軟件的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了更多的方便和靈活性。綜上分析，選擇方案2。1.2.3電源模塊由于本系統(tǒng)

4、需要電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。方案1：采用12V蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，在小車上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。方案2：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池為直流電機(jī)供電，用2節(jié)鋰電池經(jīng)過(guò)7805的電壓變換為單片機(jī)和傳感器供電。再用2節(jié)鋰電池經(jīng)另一套7805電壓變換電路為舵機(jī)供電。采用此種供電方式后，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，舵機(jī)直流電機(jī)工作互不影響，且電池的體積較小，能夠滿足系統(tǒng)的要求。綜上考慮，我們選擇了方案2。1.2.4電機(jī)模塊本系統(tǒng)為小車自動(dòng)尋跡，對(duì)于小車來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要

5、。由于本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡的準(zhǔn)確搜索和精確測(cè)量，我們綜合考慮了一下兩種方案。方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車對(duì)速度有一定要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2：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(jiǎn)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。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。因此，我們選擇了方案2。1.2.5電機(jī)驅(qū)

6、動(dòng)模塊方案1：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。很容易受到外界干擾。我們放棄了此方案。方案2：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，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。因此，我們選用了方案2。1.2.6穩(wěn)壓模塊方案1：采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電，然后采用一片7809將電壓穩(wěn)定至9V，最后經(jīng)7805將電壓穩(wěn)至5V，給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電，但7

7、809和7805壓降過(guò)大，使7809和7805消耗的功率過(guò)大，導(dǎo)致7809和7805發(fā)熱量過(guò)大，因此，我們放棄了這種方案。方案2：采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。2576的輸出電流最大可至3A，完全滿足系統(tǒng)要求。綜上考慮，我們選擇了方案2。1.2.7光電傳感器模塊1.2.7.1紅外光電傳感器原理光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢?jiàn)光轉(zhuǎn)換成某種電量的傳感器.光敏二極管是最常見(jiàn)的光電傳感器.光敏二極管的外型與一般二極管一樣,只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口,以便于光線射入,為增加受光面積,PN結(jié)的面積做得較大,光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下,并與負(fù)

8、載電阻相串聯(lián),當(dāng)無(wú)光照時(shí),它與普通二極管一樣,反向電流很小(A),稱為光敏二極管的暗電流;當(dāng)有光照時(shí),載流子被激發(fā),產(chǎn)生電子-空穴,稱為光電載流子.在外電場(chǎng)的作用下,光電載流子參于導(dǎo)電,形成比暗電流大得多的反向電流,該反向電流稱為光電流.光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比,于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào).光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外,還有對(duì)電信號(hào)放大的功能.光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大,一般光敏三極管只引出兩個(gè)極發(fā)射極和集電極,基極不引出,管殼同樣開(kāi)窗口,以便光線射入.為增大光照,基區(qū)面積做得很大,發(fā)射區(qū)較小,入射光主要被基區(qū)吸收.工作時(shí)集

9、電結(jié)反偏,發(fā)射結(jié)正偏.在無(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流Iceo=(1+)Icbo(很小),比一般三極管的穿透電流還小;當(dāng)有光照時(shí),激發(fā)大量的電子-空穴對(duì),使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大,此刻流過(guò)管子的電流稱為光電流。集電極Ic=(1+)Ib?？梢?jiàn)光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。如圖3：圖3：光電傳感器原理圖發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元

10、件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。此外，光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有反射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的反射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實(shí)用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變反射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過(guò)反射后，還是從這根反射線返回。1.2.7.2光電傳感器的分類槽型光電傳感器把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽光電傳感器。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光，在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成

11、一次控制動(dòng)作。槽形開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。對(duì)射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi)，就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開(kāi)關(guān)就稱為對(duì)射分離式光電開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。反光板型光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開(kāi)關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到；一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光

12、電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來(lái)，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。1.2.7.3光電傳感器的特性曲線事實(shí)上，紅外光電傳感器特性并不是簡(jiǎn)單的白區(qū)高電壓，黑線低電壓，其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標(biāo)記線的水平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越低，離黑線越遠(yuǎn)，則電壓越高，具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系與光電管型號(hào)以及離地高度有關(guān)，如下圖4所示：圖4：光電傳感器的特性曲線因此，只要根據(jù)傳感器電壓偏移距離特性關(guān)系，即傳感器電壓上的大小就可以確定各傳感

13、器與黑色標(biāo)記線的距離，進(jìn)而獲得車身相對(duì)路徑標(biāo)記線的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息。1.2.7.4光電傳感器方案的選擇根據(jù)光電傳感器的工作原理以及特性曲線我們初步擬訂了三種方案。方案1：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線反射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線反射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案2：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照

14、射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我們放棄了這個(gè)方案。方案3：用TCRT5000型光電對(duì)管。TCRT5000是一種反光板型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度的光電三極管。TCRT5000其具有如下特點(diǎn)：（1）塑料透鏡可以提高靈敏度。（2）內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響。（3）體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。（4）當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路

15、簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。因此，我們選擇了方案3。1.3小車尋跡的方法與原理1.3.1紅外探測(cè)法尋跡這里的尋跡是指小車在白色地板上尋黑線行走，通常采取的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò)15cm。對(duì)于發(fā)射和接收紅外線的紅外探頭，可以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。經(jīng)過(guò)上面比較

16、分析我們選用TCRT5000型光電對(duì)管。1.3.2單片機(jī)如何控制尋跡單片機(jī)控制尋跡的原理一般是分兩步走的：第一步，通過(guò)矩陣式掃描，即給光電傳感器矩陣分別輸入兩個(gè)“1”信號(hào)的行值，將輸出的4個(gè)列值信號(hào)分別存入兩個(gè)地址（如30H、31H）的低4位，低4位從高到低分別對(duì)應(yīng)著4個(gè)方向：前、后、左前、右前。然后用“F0”與這八位做“或”邏輯運(yùn)算，即屏蔽掉高四位后作為本次的信號(hào)值；第二步，將本次的信號(hào)值與上一次掃描處理后的信號(hào)值進(jìn)行邏輯處理，得出一個(gè)新方向，作為小車行進(jìn)的方向。在這個(gè)程序里，邏輯處理內(nèi)外層得到新方向是尋跡的關(guān)鍵。按照以下3種規(guī)則執(zhí)行：前后比較規(guī)則，內(nèi)外層切換規(guī)則，優(yōu)先級(jí)規(guī)則。（1）前后比較

17、規(guī)則此規(guī)則是這個(gè)算法的核心規(guī)則。它的目的是盡可能的用新探測(cè)到的黑點(diǎn)作為新方向。新方向F通過(guò) （1）來(lái)求得。邏輯處理前“0”表示黑線軌跡，邏輯處理后“1”表示軌跡行進(jìn)方向。舉例如下：以內(nèi)層為例，設(shè)當(dāng)前測(cè)得的值為，且前一次測(cè)得的值為經(jīng)過(guò)上述（1）邏輯處理后，假設(shè)結(jié)果為，則正前方是行進(jìn)的新方向。（2）內(nèi)外層切換規(guī)則如果4個(gè)光電傳感器前后兩次所檢測(cè)的值完全一樣，則在邏輯處理后會(huì)出現(xiàn)全零，這時(shí)保持原方向行進(jìn)。如果碰到曲線拐彎或者曲線斷續(xù)，則有可能出現(xiàn)多個(gè)“1”即多個(gè)方向，這時(shí)可采用“內(nèi)外層切換規(guī)則”，也就是說(shuō)從內(nèi)層切換到外層，啟用外層掃描值重復(fù)上述前后比較規(guī)則來(lái)進(jìn)行判斷。啟用外層信號(hào)進(jìn)行二次判斷能很好的

18、處理曲線拐彎及曲線斷續(xù)等內(nèi)層處理不好的情況。但用外層信號(hào)判斷，因?yàn)槠鋫鞲衅鞑贾玫拈g隙距離比內(nèi)層大，其控制精度不如用內(nèi)層信號(hào)判斷。（3）糾錯(cuò)規(guī)則在運(yùn)行中，傳感器有可能受到干擾而發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)導(dǎo)致小車走錯(cuò)或迷失方向，這個(gè)時(shí)候糾錯(cuò)規(guī)則能讓小車后退起到糾錯(cuò)作用。所謂糾錯(cuò)規(guī)則就是在走錯(cuò)后出現(xiàn)了內(nèi)外層左面、前面、右面均沒(méi)有探測(cè)到軌跡線的情況下，讓小車后退，一直退到前面?zhèn)鞲衅骼镉袀鞲衅魈綔y(cè)到軌跡線為止。此時(shí)再用（1）式求得新的行進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能。2硬件電路的設(shè)計(jì)2.1控制器模塊電路的設(shè)計(jì)在控制器模塊中應(yīng)用STC89C54RD+芯片，作為控制核心對(duì)光電傳感器送來(lái)的各種信號(hào)進(jìn)行分析處理并作出相應(yīng)的動(dòng)作。其

19、工作原理如圖5光電傳感器組STC89C54RD+芯片控制直流電機(jī)控制小車轉(zhuǎn)向圖5：硬件框圖2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。它的基本原理圖如圖6所示。全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開(kāi)關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。圖6：H型全橋式電路原理圖在小車動(dòng)作的

20、過(guò)程中，我們要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S2導(dǎo)通且S3、S4關(guān)斷，到S1、S2關(guān)斷且S3、S4導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號(hào)完全互補(bǔ)，但是，由于實(shí)際的開(kāi)關(guān)器件都存在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，絕對(duì)的互補(bǔ)控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過(guò)程中，下橋臂導(dǎo)通了。這個(gè)過(guò)程可用圖7說(shuō)明。因此，為了避免直通短路且保證各個(gè)開(kāi)關(guān)管動(dòng)作之間的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)在理論上要求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實(shí)際上卻必須相差一個(gè)足夠的死區(qū)時(shí)間，這個(gè)矯正過(guò)程既可以通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號(hào)之間增加延時(shí)，也可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。

21、由于電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大，如果只用一組電源時(shí)會(huì)影響單片機(jī)的正常工作，所以我們選用雙電源供電。一組5V給單片機(jī)和控制電路供電，另外一組9V給電機(jī)供電。在控制部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分之間用光耦隔開(kāi)，以免影響控制部分電源的品質(zhì)。2.3 PWM控制調(diào)速PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大。它的原理就是直流斬波原理，如圖6所示。若S3、S4關(guān)斷，S1、S2受PWM控制。假設(shè)高電平導(dǎo)通，忽略開(kāi)關(guān)管損耗，則在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t，周期為T，波形如圖8所示，則電機(jī)兩端的平均電壓為：U=Vcc*t/T=*Vcc ，其中，=t/T稱為占空比，Vcc為電

22、源電壓（電源電壓減去兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的飽和壓降）。圖8：PWM控制波形圖電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。PWM控制波形的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，例如用555搭成的觸發(fā)電路，但是這種電路的占空比不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，不能用于自動(dòng)控制小車的調(diào)速。而目前使用的大多數(shù)單片機(jī)都可以直接輸出這種PWM波形，或通過(guò)時(shí)序模擬輸出，最適合小車的調(diào)速，我們系統(tǒng)采用的STC89C54RD+芯片，通過(guò)改變PWM波形來(lái)改變占空比，從而控制電機(jī)調(diào)速。在實(shí)際制作過(guò)程中，我們認(rèn)為控制信號(hào)的頻率不需要太

23、高，一般在400Hz以下為宜，占空比16級(jí)調(diào)節(jié)也完全可以滿足調(diào)速要求，并且在小車行進(jìn)的過(guò)程中，占空比不應(yīng)該太高，在直線前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎的時(shí)候應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。若車速太快，則在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費(fèi)時(shí)間。這時(shí)圖8可以根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。我們經(jīng)過(guò)調(diào)試將小車驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比設(shè)為8/16以下。2.4光電傳感器的電路設(shè)計(jì)與安裝2.4.1光電傳感器電路的設(shè)計(jì)根據(jù)題目的要求，自動(dòng)尋跡小車要沿著黑線運(yùn)行，采用TCRT5000型光電對(duì)管進(jìn)行探測(cè)。其工作電路圖如下所示，在圖9所示電路中，電阻R1，W5起限流的作用，防止TCRT5000因電壓過(guò)大燒毀。R6與R8均為上拉電阻。通過(guò)調(diào)解電阻W6可以調(diào)節(jié)

24、比較器的參考電壓，經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當(dāng)規(guī)則，可以直接供單片機(jī)查詢使用。而且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測(cè)與調(diào)理電路。圖9光電對(duì)管檢測(cè)電路2.4.2光電傳感器的安裝在小車自動(dòng)尋跡行走過(guò)程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤(pán)裝設(shè)5個(gè)TCRT5000型光電傳感器，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其尋跡的可靠性。這5個(gè)TCRT5000型光電傳感器的具體安裝位置如圖10所示。圖中尋跡傳感器共安裝5個(gè)，成“一”字型排列。其中傳感器2與傳感器3為第一級(jí)方向控制傳感器，傳感器1與傳感器4為第二級(jí)方向控制傳感器。小車行走時(shí)，始終保持黑線在

25、傳感器2和傳感器3這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)探測(cè)器一旦探測(cè)到有黑線，單片機(jī)就會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即只要第5個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，其他4個(gè)傳感器均檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)直線行駛；若小車由于慣性過(guò)大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去。可以看出，第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車尋跡的可靠性。3軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)程序流程圖本系統(tǒng)的控制方案是根據(jù)傳感器模塊所獲得的當(dāng)前小車行駛的信息，控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N

26、動(dòng)作進(jìn)行PWM調(diào)速，從而調(diào)整小車的行駛方向和速度，使小車達(dá)到自動(dòng)尋跡行駛的目的。圖11為系統(tǒng)程序流程圖。開(kāi)始進(jìn)行初始化驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)小車自動(dòng)尋跡尋跡完成停止圖11：系統(tǒng)程序流程圖3.2尋跡算法流程圖小車的路徑搜索算法是自動(dòng)尋跡小車設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。此系統(tǒng)路徑搜索算法采用簡(jiǎn)單的switch語(yǔ)句，根據(jù)檢測(cè)到黑線的光電傳感器的位置判斷舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，同時(shí)給出相應(yīng)的速度控制信號(hào)。程序流程圖如圖12所示。開(kāi)始角度檢測(cè)中間的傳感器檢測(cè)到黑線舵機(jī)不偏轉(zhuǎn)，電機(jī)速度給定值最大左邊的傳感器檢測(cè)到黑線舵機(jī)左轉(zhuǎn)，角度越大，速度給定值越小舵機(jī)右轉(zhuǎn)，角度越大，速度給定值越小經(jīng)延時(shí)修正后繼續(xù)前進(jìn) 圖12：尋跡算法流程圖3.3

27、通過(guò)軟件避免直通短路從前面的分析可知，橋式驅(qū)動(dòng)電路中，由于開(kāi)關(guān)管有開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，因此存在上下橋臂直通短路的問(wèn)題。直通短路的存在，容易使開(kāi)關(guān)管發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)燒毀開(kāi)關(guān)管，同時(shí)也增加了開(kāi)關(guān)管的能量損耗，浪費(fèi)了小車寶貴的能量。死區(qū)時(shí)間的問(wèn)題，只有在正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的時(shí)候才存在，而在正轉(zhuǎn)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)啟動(dòng)的時(shí)候并沒(méi)有，因此不需要修正。如果開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間非常小，或者在硬件電路中增加延時(shí)環(huán)節(jié)，都可以降低開(kāi)關(guān)管的損耗和發(fā)熱。當(dāng)然，通過(guò)軟件避免直通短路是最好的辦法，它的操作簡(jiǎn)單，控制靈活。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間，就是在突然換向的時(shí)候，插入一個(gè)延時(shí)的環(huán)節(jié)，待開(kāi)關(guān)管關(guān)斷之后，再開(kāi)通應(yīng)該開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管。圖13為利用軟件修

28、正死區(qū)時(shí)間的流程圖，在開(kāi)關(guān)管每次換向的時(shí)候，不立即進(jìn)行方向的切換，而是先使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷一段時(shí)間，使其完全關(guān)斷后再換向打開(kāi)另外的開(kāi)關(guān)管。這個(gè)關(guān)斷時(shí)間由單片機(jī)軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序是否換向是否調(diào)整速度改變占空比跳速延時(shí)修正換向圖13：修正死區(qū)時(shí)間的流程圖4系統(tǒng)功能測(cè)試4.1測(cè)試儀器測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表1所示。表1 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1DF1731SL1ATA型直流穩(wěn)壓電源1無(wú)2TDS1002數(shù)字存儲(chǔ)示波器1無(wú)3CA1640P20型函數(shù)發(fā)生器1無(wú)4FLUKE 15B型萬(wàn)用表1精度為位5ZSD-803A型秒表1精度為6PC機(jī)1Intel Celeron 2.4G，256

29、DDR4.2傳感器與檢測(cè)體間距的測(cè)試為了使光電傳感器TCRT5000能夠準(zhǔn)確的識(shí)別行駛軌跡，必須將光電傳感器TCRT5000與行駛軌跡的距離調(diào)試到最佳位置。因此我們用萬(wàn)用表測(cè)試集電極的電流大小，來(lái)尋找其與軌跡間距大小的關(guān)系，從而確定光電傳感器TCRT5000與軌跡間的最佳距離。測(cè)試數(shù)據(jù)用曲線表示，如圖14所示。圖14：集電極電流與軌跡間距的關(guān)系于是根據(jù)集電極電流的大小與光電傳感器到被檢測(cè)黑線之間的距離d的關(guān)系圖，我們將小車上的光電傳感器TCRT5000離黑線間的距離調(diào)試為9mm左右，從而使光電傳感器TCRT5000能夠迅速準(zhǔn)確的將檢測(cè)到的信息反饋給單片機(jī)STC89C54RD+，達(dá)到最佳的尋跡效

30、果。結(jié)束語(yǔ)本文設(shè)計(jì)了一個(gè)小車自動(dòng)尋跡控制系統(tǒng)。在硬件上，該系統(tǒng)采用STC89C54RD+單片機(jī)為控制核心，協(xié)調(diào)電源模塊、傳感器模塊及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊的工作；在控制算法上，采用路徑搜索算法和類PI控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的舵機(jī)轉(zhuǎn)角和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。此外，系統(tǒng)還完成了對(duì)加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂舵機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)與車速的配合控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該小車自動(dòng)尋跡時(shí)路徑準(zhǔn)確，穩(wěn)定性好，達(dá)到了我們預(yù)期的目的。參考文獻(xiàn)1.李正軍。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20052.陳懂。智能小車的多傳感器數(shù)據(jù)融合J?，F(xiàn)代電子技術(shù)，20053.高峰編。單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)。北京：科學(xué)出版社，20034.何立民。MCS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。北京：北京航空航天大學(xué)出社，200318