智能尋跡小車

智能循跡小車本文論述了基于單片機的智能循跡小車的控制過程。智能循跡是基于自動引導機器人系統(tǒng)，用以實現小車自動識別路線，以及選擇正確的路線。智能循跡小車是一個運用傳感器、單片機、電機驅動及自動控制等技術來實現按照預先設定的模式下，不受人為管理時能夠自動實現循跡導航的高新科技。該技術已經應用于無人駕駛機動車，無人工廠，倉庫，服務機器人等多種領域。本設計采用STC89C52單片機作為小車的控制核心；采用TCRT5000紅外反射式開關傳感器作為小車的循跡模塊來識別白色路面中央的黑色引導線，采集信號并將信號轉換為能被單片機識別的數字信號；采用驅動芯片L298N構成雙H橋控制直流電機，其中軟件系統(tǒng)采用C程序，本設計的電路結構簡單，容易實現，可靠性高。關鍵詞：智能小車 STC89C52單片機 L298N 智能循跡目 錄一、 緒 論11.1 智能循跡小車概述11.1.1 循跡小車的發(fā)展歷程回顧11.1.2 智能循跡分類21.1.3 智能循跡小車的應用31.2 智能循跡小車研究中的關鍵技術4二、 智能循跡小車總體設計方案52.1 整體設計方案52.1.1 系統(tǒng)設計步驟52.1.2 系統(tǒng)基本組成52.2 整體控制方案確定6三、 系統(tǒng)的硬件設計83.1 單片機電路的設計83.1.1 單片機的功能特性描述83.1.2 晶振電路93.1.3 復位電路93.2 光電傳感器模塊103.2.1 傳感器分布113.3 電機驅動電路123.3.1 L298N引腳結構133.3.2 電機驅動原理133.3.3小車運動邏輯15四、 系統(tǒng)的軟件設計164.1 軟件設計的流程164.2 本系統(tǒng)的編譯器17五、 系統(tǒng)的總體調試225.1 硬件的測試225.2 系統(tǒng)的軟件調試22參考文獻24III一、 緒 論進入二十一世紀，隨著計算機技術和科學技術的不斷進步，機器人技術較以往已經有了突飛猛進的提高，智能循跡小車即帶有視覺和觸覺的小車就是其中的典型代表。1.1 智能循跡小車概述智能循跡小車又被稱為Automated Guided Vehicle，簡稱AGV，是二十世紀五十年代研發(fā)出來的新型智能搬運機器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光學或其他自動導引裝置，可以沿設定的引導路徑行駛，安全的運輸車。工業(yè)應用中采用充電蓄電池為主要的動力來源，可通過電腦程序來控制其選擇運動軌跡以及其它動作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來確定其行進路線，無人搬運車通過電磁軌道所帶來的訊息進行移動與動作，無需駕駛員操作，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。AGV的另一個特點是高度自動化和高智能化，可以根據倉儲貨位要求、生產工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運行路徑的費用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比非常低廉。AGV小車一般配有裝卸機構，可與其它物流設備自動接口，實現貨物裝卸與搬運的全自動化過程。此外，AGV小車依靠蓄電池提供動力，還有清潔生產、運行過程中無噪音、無污染的特點，可用在工作環(huán)境清潔的地方。1.1.1 循跡小車的發(fā)展歷程回顧隨著社會的不斷發(fā)展，科學技術水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來代替人來做一些非常危險，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就誕生了機器人這門學科。世界上誕生第一臺機器人誕生于1959年，至今已有50多年的歷史，機器人技術也取得了飛速的發(fā)展和進步，現已發(fā)展成一門包含：機械、電子、計算機、自動控制、信號處理，傳感器等多學科為一體的性尖端技術。循跡小車共歷了三代技術創(chuàng)新變革： 第一代循跡小車是可編程的示教再現型，不裝載任何傳感器，只是采用簡單的開關控制，通過編程來設置循跡小車的路徑與運動參數，在工作過程中，不能根據環(huán)境的變化而改變自身的運動軌跡。支持離線編程的第二代循跡小車具有一定感知和適應環(huán)境的能力，這類循跡小車裝有簡單的傳感器，可以感覺到自身的的運動位置，速度等其他物理量，電路是一個閉環(huán)反饋的控制系統(tǒng)，能適應一定的外部環(huán)境變化。第三代循跡小車是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構成感官系統(tǒng)，通過采集外部的環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車，能獨立完成任務，有其自身的知識基礎，多信息處理系統(tǒng)，在結構化或半結構化的工作環(huán)境中，根據環(huán)境變化作出決策，有一定的適應能力，自我學習能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車能獨立工作，一方面應具有較高的智慧和更廣泛的應用，研究各種新機傳感器，另一方面，也掌握多個多類傳感器信息融合的技術，這樣循跡小車可以更準確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息1。1.1.2 智能循跡分類AGV從發(fā)明至今已經有50多年的歷史，隨著應用領域范圍的不斷擴大，其種類和形式也變得更加多樣化。一般根據行駛的導航方式將智能循跡小車分為以下幾種類型：(1)電磁感應式電磁感應式引導一般在地面上，沿預定路徑埋電線，當高頻電流通過導線，電線周圍產生電磁場流動， AGV小車上安裝兩個對稱的電磁感應傳感器，他們收到的電磁信號差異可以反映的AGV偏離程度路徑的程度。 AGV自動化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車輛的轉向，連續(xù)的動態(tài)的閉環(huán)控制設置能夠保證AGV對設定路徑的穩(wěn)定自動跟蹤。在目前商業(yè)用途的AGV中，特別是大型和中型小車，絕大多數都采用電磁感應導航。(2)激光式安裝有可旋轉的激光掃描器的AGV，可安裝在墻壁或有高反射激光定位標志的支柱上或者路徑上運行，AGV依靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標志反射回的激光束，車載計算機，計算出當前車輛的位置和運動方向，通過內置的數字地圖和校準位置相比，以實現自動處理。目前，這種AGV類型的應用比較廣泛?；谕瑯拥脑恚绻す鈷呙鑳x被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導的AGV小車可以轉變?yōu)榧t外引導和超聲引導的AGV。(3)視覺式視覺引導式AGV是的迅速發(fā)展和比較成熟的AGV，這種AGV配備CCD攝像機，傳感器和車載電腦，在車載計算機中設置有AGV欲行駛路徑周圍環(huán)境圖像數庫。在AGV的行駛過程中，相機得到的圖像與圖像數據庫進行比較，以確定當前位置和車輛周圍的圖像信息并對駕駛下一步作出決定。這種AGV小車并不需要設置任何的人工物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計算機圖像采集，存儲和處理技術飛速發(fā)展的今天，這種類型的AGV實用性越來越強。此外，還有鐵磁陀螺慣性引導式AGV、光學引導式AGV等多種形式的AGV2。1.1.3 智能循跡小車的應用智能循跡小車發(fā)展歷史及主要應用場所如下：(1)倉儲業(yè)1954年，來自美國南卡羅來納州的Mercury Motor Freight公司成為第一批把AGV小車的應用到倉庫的使用者，來實現出入庫貨物的自動處理。至今世界上有超過2100個廠家把大約2萬臺大型或小型的AGV小車應用到自己的倉庫中。中國的海爾集團在2000年把9臺AGV小車投產到了自己的倉庫區(qū)，形成一個靈活的AGV自動數據庫處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少33500的儲存和裝卸貨物的任務。(2)制造業(yè)在制造業(yè)的的生產線中AGV小車大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運送任務。由多臺AGV小車組成的物流運輸處理系統(tǒng)，較人工搬運系統(tǒng)來說更靈活，運輸路線可以根據生產過程及時調整，使一條生產線，生產十幾個產品，大大提高了生產的靈活性，企業(yè)的競爭力。在1974年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車組裝廠，提高了運輸系統(tǒng)的靈活性，使用以AGV小車為載運工具的裝配線，采用該裝配線后，減少了20%裝配時間、減少了39%組裝錯誤，減少了57%投資資金回收時間以及減少了5%的員工費用。目前，在世界主要的汽車生產廠家，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾AGV小車已被廣泛應用。近年來，作為CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，直譯為基于計算機的現代集成制造系統(tǒng))的基礎搬運工具，AGV已經深入到機械加工，家電制造，微電子制造，煙草等行業(yè)，生產業(yè)和加工業(yè)已成為AGV小車使用最廣泛的領域。(3)郵局、圖書館、港口碼頭和機場在郵局，圖書館，碼頭和機場候機樓等人口密集的公眾場所，存在著大量的物品的運送工作，充滿不定性和動態(tài)性強的特點，搬運過程往往也很單一。AGV有著可并行工作、自動化、智能化和處理靈活的特點，可以很好的滿足這些場合的運輸要求。1983年瑞典的大斯得哥爾摩郵局，1988年日本東京的多摩郵局，1990年中國上海的郵政相繼開始使用AGV小車來完成郵品的搬運工作。在荷蘭的鹿特丹港口，50輛被稱為“院子里的拖拉機”的AGV小車每天都在把集裝箱從船邊運送到幾百米以外的倉庫中。(4)煙草、醫(yī)藥、化工、食品對于處理一些需要在清潔、安全、無排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產品生產如煙草、制藥、食品、化工等產品時應考慮AGV小車的應用。在全國許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團、玉溪紅塔集團、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠，應用激光引導式AGV完成托盤貨物的搬運工作。(5)危險場所和特種行業(yè)在軍事方面，以AGV小車為基礎有著自動駕駛和檢測功能的設備，可用于戰(zhàn)場偵察和掃雷，英國軍方正在開發(fā)MINDER偵察系統(tǒng)，這是一種具有地雷探測、銷毀和路線驗證能力自動型偵察車。在鋼鐵廠，AGV小車負責爐料運輸，大大降低了工人們的勞動強度。在核電廠的核儲存地點使用AGV小車，以避免輻射的危險。AGV小車可在黑暗環(huán)境中，準確、可靠的運輸物料3。1.2 智能循跡小車研究中的關鍵技術現在全世界越來越多的國家都在做著研究智能化、多樣化的自動汽車導航的工作。自動汽車導航是一個非常復雜的系統(tǒng)，它不僅應具有正常的運動功能的成分，而且還應具有任務分析，路徑規(guī)劃，信息感知，自主決策等類似人類的智能行為。人類可以利用自己的聽覺、視覺、味覺、觸覺等功能獲取事物的信息，人類的大腦再根據已經掌握的知識對這些信息進行綜合分析，從而全面了解認知事物。這樣一個認識事物、分析事物和處理信息的過程稱之為信息融合過程。多傳感器信息融合的基本原理就是模仿人類大腦的這個過程，得到一個對復雜對象的一致性解釋或結論。多傳感器信息融合是協調多個分布在不同地點，相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀測量信息加以綜合，協調使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，以減少不確定性，得到對物體或環(huán)境的一致性描述的過程4。多傳感器信息融合具有許多性能上的優(yōu)點：(1)增加了系統(tǒng)的生存能力；(2)減少了信息的模糊性；(3)擴展了采集數據覆蓋范圍；(4)增加了可信度；(5)改善了探測性能；(6)提高了空間的分辨力；(7)改善了系統(tǒng)的可靠性(8)信息的低成本性5。本文主要由五章組成，第1章為緒論，主要講述循跡小車的發(fā)展歷程及在目前所應用領域中的作用。第2章為總體規(guī)劃智能循跡小車系統(tǒng)的設計，包含主系統(tǒng)流程圖。第3章是系統(tǒng)的硬件設計，其中包含單片機電路的設計，光電傳感器模塊和電機驅動電路。第4章為系統(tǒng)的軟件設計，主要介紹的是軟件實現過程的框圖。第5章是對硬件和軟件的調試，最終保證了系統(tǒng)的正常運行。二、 智能循跡小車總體設計方案2.1 整體設計方案本系統(tǒng)采用簡單明了的設計方案。通過高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成的傳感器循跡模塊判斷黑線路經，然后由STC89C52通過IO口控制L298N驅動模塊改變兩個直流電機的工作狀態(tài)，最后實現小車循跡。2.1.1 系統(tǒng)設計步驟(1)根據設計要求，確定控制方案。(2)利用Protel 99se設計合理的硬件原理圖。(3)畫出程序流程圖，使用C語言進行編程，運用WAVE 6000進行模擬調試。(4)將各元件焊接在PCB板上，并將程序燒錄到單片機內。(5)進行調試以實現控制功能。2.1.2 系統(tǒng)基本組成智能循跡小車主要由STC89C52單片機電路、TCRT5000循跡模塊、L298N驅動模塊、直流電機、小車底板、電源模塊等組成。H橋驅動模塊直流電機紅外光電循跡傳感器模塊電源模塊單片機電路路 徑小車圖2.1智能循跡小車控制系統(tǒng)結構框圖(1)單片機電路：采用STC89C52芯片作為控制單元。STC89C52單片機具有低成本、高性能、抗干擾能力強、超低功耗、低電磁干擾，并且與傳統(tǒng)的8051單片機程序兼容，無需改變硬件，支持在系統(tǒng)編程技術。使用ISP可不用編程器直接在PCB板上燒錄程序，修改、調速都很方便。(2)TCRT5000循跡模塊：采用脈沖調制反射式紅外發(fā)射接收器作為循跡傳感器，調制信號帶有交流分量，可減少外界的大量干擾。信號采集部分就相當于智能循跡小車的眼睛，由它完成黑線識別并生產高、低平信號傳送到控制單元，然后單片機生成指令來控制驅動模塊來控制兩個直流電機的工作狀態(tài)，來完成自動循跡。JY043W型光電管和電壓比較器LM393為核心部分，再加上必要的外圍電路。(3)L298N驅動模塊：采用L298N作為電機驅動芯片。L298N具有高電壓、大電流、響應頻率高的全橋驅動芯片，一片 L298N可以分別控制兩個直流電機，并且?guī)в锌刂剖鼓芏?。該電機驅動芯片驅動能力強、操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。L298N的使能端可以外接電平控制，也可以利用單片機進行軟件控制，滿足各種復雜電路的需要。另外，L298N的驅動功率較大，能夠根據輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠的問題。(4)直流電機：采用雙直流電動機。直流電動機的控制方法比異步電動機簡單，只需給電機兩條控制線加上適當的電壓就能使電機旋轉，在正常工作電壓范圍，電壓越高直流電機轉速越高。直流電動機調速方法分為兩種：一種是直接調整電壓，另一種通過PWM調速。PWM調速就是使加在直流電機兩端的電壓波形為矩形波，改變矩形波的占空比就能實現電壓的改變，從而實現電機轉速的改變。(5)電源模塊：由三個串聯1.5V干電池作為電源。通過7805穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，通過0.1uF和470F電容進行濾波。2.2 整體控制方案確定圖2.2為循跡小車的系統(tǒng)控制框圖。引導線是小車跟蹤的目標，檢測系統(tǒng)檢測車的相對路徑，然后將此信息輸入到單片機，單片機處理此信息后，將控制命令輸出到驅動模塊，以控制小車的直流電機，保證小車快速平穩(wěn)地沿預先設定好的路線行駛。黑色引導線單片機光電循跡傳感器驅動模塊和直流電機圖2.2智能循跡小車系統(tǒng)控制框圖采用3個1.5V的可充電池組作為主電源。STC89C52單片機作為主控制器。因為小車電機內部裝有減速齒輪組，所以不需考慮調速功能，采用電機驅動芯片L298N控制直流電機，而不使用步進電機。L298N是利用TTL電平進行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正轉、反轉和停止操作，亦能滿足直流減速電機的要求，用該芯片作為電機驅動具有的操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。這樣單片機和循跡傳感器組成了一個帶有反饋信號的系統(tǒng)。三、 系統(tǒng)的硬件設計3.1 單片機電路的設計一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，設計相應的電路；二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、A/D、D/A轉換器等。3.1.1 單片機的功能特性描述單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜。單片機內部也有和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件。單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。本課題選擇了STC公司的生產的STC89C52單片機。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器。一個芯片上擁有8位CPU，并且在系統(tǒng)可編程Flash。STC89C52提供給為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標準功能:8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，兩個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。此外，空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。表3.1 STC89C52單片機和AT89S52單片機的對比STC89C52單片機AT89S52單片機序存儲空間8K字節(jié)8K字節(jié)數據存儲空間512字節(jié)256字節(jié)EEPROM存儲空間內帶4K字節(jié)無是否可以直接使用串口下載可以不可以3.1.2 晶振電路在STC89S52單片機上內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內部方式產生或外部方式產生。在1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩器就產生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯諧振回路。從XTAL1接入，如圖3.2所示。由于外部時鐘信號經過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有要求。本設計選用的是12MHZ無源晶振、2個22pF電容，使得一個機器周期是1s。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，而兩個電容則是起到并聯諧振的作用，如果沒電容，振蕩電路會因為沒有回路而停振，電路不能正常工作。圖3.2 單片機晶振電路圖3.1.3 復位電路復位電路的作用是在上電或復位過程中，控制CPU的復位狀態(tài)：這段時間內讓CPU保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中的。施密特觸發(fā)電路是一種波形整形電路，當任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，產生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內之噪聲干擾電路的正常工作。如遙控接收線路，傳感器輸入電路都會用到它整形。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。本設計采用的電容值為10F的電容和電阻采用1.5K和200的電阻。如圖3.3所示上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當單片機已在運行之中時，按下復位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現上電且開關復位的操作6 7。圖3.3 單片機復位電路圖3.2 光電傳感器模塊循跡光電傳感器原理，就是利用黑線對紅外線不同的反射能力通過光敏二極管或光敏三極管，接收反射回的不同光強信號，把不同光強轉換為電流信號，最后通過電阻，轉換為單片機可識別的高低電平。光電傳感器實現循跡的基本電路如3.4所示。圖3.4 循跡傳感器電路圖循跡傳感器工作原理：TC端是傳感器工作控制端，為高電平時，發(fā)光二極管不工作，傳感器休眠，為低電平時，傳感器啟動。Signal端為檢測信號輸出，當遇到黑線，黑線吸收大量的紅外線，反射的紅外線很弱，光敏三極管不導通，Signal輸出高電平；當遇到白線，與黑線相反，反射的紅外線很強，使光敏三極管導通，Signal輸出低電平。這種探測方法，即利用紅外線在不同顏色的表面特征，具有不同的反射性能，汽車行駛過程中接收地面的紅外光。當紅外光遇到白色路線，地板發(fā)生漫反射，安裝在小型車的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路線，紅外光將被黑線吸收，安裝在小車上的接收管沒有收到紅外光。控制器會根據是否收到反射的紅外光為判斷依據來確定的黑線的位置和小車的路線。紅外探測器距離通常是不應超過15厘米的。紅外發(fā)射和接收紅外線感應器，可以使自己或直接使用集成紅外探頭。調整左右傳感器之間的距離，兩探頭距離約等于黑線寬度最合適，選擇寬度為3 5厘米的黑線。該傳感器的靈敏度是可調的，傳感器有時遇到黑線卻不能送出相應的信號，通過調節(jié)傳感器上的可調電阻，適當的增大或減小可改變靈敏度。另外，循跡傳感器的放置也是有講究的，有兩種方法，一種是兩個都是放置在黑線內側緊貼黑線邊緣，第二種是都放置在黑線的外側，同樣緊貼黑線邊緣。本設計采用第二種方法。單片機燒錄程序后，就可以執(zhí)行循跡指令了。如果小車向前行駛時向左偏離了黑線，那么右邊傳感器會產生一個高電平，單片機判斷這個信號，然后向右拐回到黑線。兩傳感器輸出信號為低電平時，小車前進。如果小車向右偏離黑線，左邊傳感器產生一個高電平，單片機判斷這個信號，然后向左拐。這樣，小車一定不會偏離黑線。若兩個光電傳感器同時輸出的信號為高電平，即單片機判斷的都為高電平時，小車向前直走。3.2.1 傳感器分布傳感器通過信號采集，向單片機提供信息。因此傳感器合理的布局很重要，傳感器布局需要考慮小車行駛過程中信息檢測的準確度和前瞻性，能使在相同數量的傳感器下，獲得更多的數據。傳感器的布局一般有以下三種：一字型布局，M型布局和活動型布局。一字型布局即所有傳感器在同一直線上。一字型布局分為等距排布型和非等距排布型。等距排布型不利于采集準確的彎道信息。考慮到弧度信息采集的連貫性，非等距排布采用等角原則，即在垂直平分線上方處某點，以等角的引射線與直線的交點就是傳感器的分布點，此種方法檢測連貫簡單，更容易控制小車。M型布局即傳感器的布局成M型，M型布局最適合檢測多彎道的軌跡。由于傳感器不在同一直線上，故小車轉彎時，左右兩邊后部的傳感器有較大的采樣空間，兩邊前端的傳感器則對采集的信號有更好的前瞻性，M型中間底部的傳感器擇更好的確定小車的位置。整個布局有利于在彎道處提高小車速度。但相對一字型布局，M型布局容易產生不穩(wěn)定信號，從而產生信號震蕩，影響小車行駛的穩(wěn)定性?；顒有筒季植捎镁仃嚹Ｊ?，將傳感器排布成矩陣形狀，通過對不同位置傳感器采集到信息的選擇來適應各種不同的跑道。這樣對不同路況有更強的適應性。 此種方案可調性大，但此種方法需要較多傳感器，冗余較大，比較笨重，增加小車的重量，不利于小車的加減速。最終決定采用M型布局方法來對4個傳感器進行布局，這種布局方法的前瞻性最好。3.3 電機驅動電路本設計采用L298N電機專用驅動芯片帶動兩個12V的直流電動機。直流電機由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。其中L298N是ST公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部包含4通道邏輯驅動電路?？梢则寗觾蓚€直流電機或驅動兩個二相電機，也可單獨驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V。直接通過電源來調節(jié)輸出電壓，直接通過單片機的IO端口提供信號，使得電路簡單，使用更方便。L298N可接受標準的TTL邏輯電平信號VSS，VSS通常接4.57V的電壓。4腳VS接電壓源，VS可接電壓范圍VIH為2.546V。L298N芯片輸出電流可達2.5 A，可驅動電感負載。L298N是一個內部有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動芯片，可以用來驅動直流電動機、步進電動機。使用標準邏輯電平信號控制，直接連接單片機管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。L298N有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作。3.3.1 L298N引腳結構圖3.5 L298N 驅動芯片表3.3 L298N引腳編號與功能引腳編號名稱功能1電流傳感器A在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流2輸出引腳1內置驅動器A的輸出端1，接至電機A3輸出引腳2內置驅動器A的輸出端2，接至電機A4電機電源端電機供電輸入端,電壓可達46V5輸入引腳1內置驅動器A的邏輯控制輸入端16使能端A內置驅動器A的使能端7輸入引腳2內置驅動器A的邏輯控制輸入端28邏輯地邏輯地9邏輯電源端邏輯控制電路的電源輸入端為5V10輸入引腳3內置驅動器B的邏輯控制輸入端111使能端B內置驅動器B的使能端12輸入引腳4內置驅動器B的邏輯控制輸入端213輸出引腳3內置驅動器B的輸出端1，接至電機B14輸出引腳4內置驅動器B的輸出端2，接至電機B15電流傳感器B在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流3.3.2 電機驅動原理電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。圖3.6 L298N內部H橋驅動電路圖3.6為一個典型的直流電機的控制電路。被命名為“H橋驅動電路”主要是因為電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。如圖所示，H橋電機驅動電路包含四個三極管和一個電機。電機運轉，必須遵循導通對角線上的一對三極管?；诓煌龢O管對的導通情況可以控制電機的轉向，電流可可以從左至右流過電機，也可以從右至左流過電機。如圖3.6所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右流過電機，然后再經Q4回到電源負極，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。下面分析另一對三極管Q2和Q3，當兩個三極管同時導通的情況下，電流將從右至左流過電機。從而驅動電機沿逆時針方向轉動。驅動電機時，保證H橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值，該電流僅受電源性能限制，可能燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實際驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。圖3.7 所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎上增加了四個二極管來保護電路。四個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關。采用以上方法，電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIRL信號為“0”，DIRR信號為“1”，并且使能信號是“1”，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經電機；如果DIRL信號變?yōu)椋骸?”，而DIRR信號變?yōu)椤?”，那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。圖3.7 L298N驅動芯片和直流電機接線圖3.3.3 小車運動邏輯表3.4 小車運動邏輯使能端A使能端B左電機右電機左電機運行狀態(tài)右電機運行狀態(tài)小車運行狀態(tài)IN1IN2IN3IN4111010正轉正轉前行111001正轉反轉右轉111011正轉停止以右電機為中心原地右轉110110反轉正轉左轉110101反轉反轉后退111110停止正轉以左電機為中心原地左轉電機控制邏輯如下：以電機A為例，當使能端EN A為高電平時，如果輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機A反轉；如果輸入引腳IN1為高電平而輸入引腳IN2為低電平，電機A正轉。四、 系統(tǒng)的軟件設計4.1 軟件設計的流程目前，52系列單片機使用的編程語言主要有匯編語言和C語言這兩種。最接近機器的語言是匯編語言，其常用來編制與系統(tǒng)硬件相關的程序，如訪問I/O口、中斷處理程序等，它是一種最快而又最有效的語言，在對于程序的空間和時間要求很高的場合中 使用匯編語言是最佳的選擇，然而匯編語言也有其自身的缺點，比如程序開發(fā)周期較長、浮點運算處理復雜、程序移植性差等不利因素。在程序設計過程中C語言編程設計思想被稱為模塊化程序設計思想。有的時候為了有效地完成任務，把所要完成的任務分割成若干個相互獨立但相互又仍然有所聯系的模塊，這些模塊使得任務變得相對簡單，對外的數據交換相對簡單、容易編寫、容易檢測，容易閱讀和維護。本設計采用C語言來編譯程序。模塊化結構程序的設計，可以使系統(tǒng)軟件便于調試與優(yōu)化，也使其他人更好地理解和閱讀系統(tǒng)的程序設計。因此，軟件的設計上，運用了模塊化程序的結構對軟件進行設計，使得程序變得更加直觀易懂。程序的主要模塊有：主程序、定時溢出中斷服務程序、外部中斷服務程序。隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機的學者來說是十分必要的，如果使用C語言編程，那么Keil幾乎就是不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會事半功倍。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現高級語言的優(yōu)勢8。4.2 本系統(tǒng)的編譯器Keil編譯器軟件 Keil C51單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)可用于編輯C或匯編源文件。然后分別由C51編譯器編譯生成目標文件（.OBJ）。目標文件與庫文件一起經LIB51連接定位生成絕對目標文件（.ABS）。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM 中。打開Keil軟件后，出現如圖4.1所示界面。圖4.1 Keil 軟件主界面點擊Project-New Project?？梢孕陆ㄒ粋€工程，如圖4.2所示。圖4.2 Keil軟件新建工程界面點擊會出現的對話框中選擇工程存在路徑（如圖4.3所示），單擊“保存”后，出現界面。在此界面上選擇電路板上所用的單片機型號（如圖4.4所示），單擊“確定”。圖4.3 保存路徑界面圖4.4 選擇電路板上所用的單片機型號界面設置完成后，軟件會提示是否將8051上電初始化程序添加入工程。這個一般選“否”。這樣就建立好了一個空的51工程（如圖4.5所示）。圖4.5 建立空的51工程界面點擊File-New，便建立了一個空的文本框（如圖4.6所示）。圖4.6 建立空文本框界面到現在為止，就可以開始在里面輸入代碼了。保存時注意：如果是用C語言寫的程序，則將文本保存成*.c（如圖4.7所示）。圖4.7 保存文本改寫界面將寫完的程序添加到工程里面，如圖4.8所示，在左邊Project Workspace里的Source Group 1上右擊，選擇Add Files to Group Source Group 1。在打開的對話框中，選擇剛存的文件路徑和對應的擴展名。此時，程序就添加進了這個工程。圖4.8 添加工程界面下一步，就開始編譯剛輸入進去的代碼。接著，Keil會打出下面的提示：0 Error(s), 0 Warning(s).建立工程的時候，默認是不生成HEX文件的，得在編譯做如下設置：在Project Workspace里Target 1上右擊，選擇“Options for Target Target 1”。出現如圖4.9所示對話框，選擇“Output”按圖示，將箭頭所指的多選框勾上，點“確定”?，F在再點擊重新編譯，就會在工程所在文件夾里生成HEX文件9 10。圖4.9 生成HEX文件界面軟件設計系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.10所示。圖4.10 系統(tǒng)主程序流程圖五、 系統(tǒng)的總體調試5.1 硬件的測試按照之前設計好的智能循跡小車原理圖，詳細計算系統(tǒng)中各個元件的參數，選擇相應器件，制作實際電路板。然后選取萬用表的200歐姆檔來測試電路板。用紅、黑表筆來測試電路板上每條走線，如果測量的電阻值非常小時，證明走線沒有斷開，當其電阻值很大時，證明該條走線斷了，應該重新制作走線，使電路板在電氣上得到正確地連接。(1)晶振電路的測試在單片機正常運行的必要條件是單片機系統(tǒng)的時鐘穩(wěn)定正常。實際中，因為各種原因導致系統(tǒng)時鐘不正常而出現系統(tǒng)無法正常運行的情況時有，因此系統(tǒng)時鐘是否振是通電檢查的首要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)通電的狀況下，用萬用表的直流電壓檔(20V)，分別測量XTAL1和XTAL2引腳的電壓，看是否正常，在調試過程中，測得電壓XTAL1引腳應為2.05V,XTAT2應為2.15V。(2)復位電路的測試復位不正常也會導致系統(tǒng)不能工作。如果復位引腳始終為高電平，系統(tǒng)將始終處于復位狀態(tài)；如果始終為低電平，不能產生復位所需的高電平信號脈沖，則系統(tǒng)也可能無法正常工作。單片機正常工作時，RST復位引腳應為0V，按下復位按鍵時，復位引腳為高電平5V左右11。5.2 系統(tǒng)的軟件調試在軟件調試中，使用功能強大且的WAVE 6000軟件進行軟件編譯與調試,使用Microcontroller ISP Software及其配套的單片機對程序進行燒錄。軟件調試的流程是這樣的：先分別對主要的功能程序模塊進行模擬仿真調試；然后再將各程序模塊組織起來進行統(tǒng)調12。軟件的燒錄：第一步：安裝并運行Microcontroller ISP Software軟件；第二步：點擊Options欄的select device選項；這時出現一個對話窗口，按圖選擇后，點擊OK按鍵，如出現所示窗口，則說明電腦與開發(fā)板沒連接好或單片機沒插好等，需重裝檢查硬件連接，如果沒有出現則說明初始化成功。第三步：點擊File欄的Load Buffer選項打開已經編譯好的HEX文件。點擊載入，出現對話框點確定，再點擊圖“A”字圖標，出現對話框后，按軟件默認選項，點擊“OK”“OK”“OK”燒錄完成；否則重新檢查硬件連接后再重新燒錄。通過軟件檢查出程序中出現了許多的問題。經過多次的模塊子程序的修改，一步一步的完善程序，來解決出現的問題。在軟件的調試過程中主要遇到的問題如下：(1) 在測試中遇到小車遇到黑線電機不動.解決：首先使用試測儀對電路進行測試,觀察是否存在漏焊、虛焊、或電子元件損壞。(2)輸入程序后，小車循跡不靈敏，還有就是當拐彎度數過大，小車速度過快的時候，小車偶爾偏離軌道。解決：首先通過調節(jié)傳感器上的可調電阻，適當的增大或減小電阻可改變靈敏度。可以解決循跡不迅速的問題。參考文獻1 羅志增,蔣靜坪編著.循跡小車感覺與多信息融合M.北京:機械工業(yè)出版社,2003:1-10.2 蔡自興編著. 中國的智能循跡小車研究J. 莆田學院學報, 2002,9 (3):36-39.3 吳林編著. 智能循跡小車主題型號工作的回顧J. 循跡小車技術與應用，2001:6-9.4 歐青立,何刻忠等編著.室外智能循跡小車的發(fā)展及其關鍵技術研究J.循跡小車，2000,22(6):519-5265 楊鵑.多信息融合技術在移動循跡小車避障系統(tǒng)中的應用D. 哈爾濱：哈爾濱理工大學.2007.6 恒盛杰資訊編著Protel電路板設計從入門到精通. 第1版. 中國青年出版社.2006:1-1487 江思敏，陳明編著Protel電路設計教程. 第1版. 清華大學出版社，2006:1-2968 陳曉莉，張俊濤KEIL C51單片機仿真器的設計. 第二版. 陜西科技大學出版社，2006:19209 楊素行編著模擬電子技術基礎簡明教程第2版.高等教育出版社，2005:532-54710 余孟嘗編著數字電子技術基礎簡明教程. 第2版. 高等教育出版社. 1999:1-36111 李全利，遲榮強編著單片機原理及接口技術.第1版.高等教育出版社，2004:14-19112 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