目录
摘 要 ............................................................. 1 1.绪论 ............................................................... 2 1.1 课题背景 ....................................................... 2 1.2 课题研究的目的和意义 ........................................... 2 2.系统方案设计 ....................................................... 3 2.1 循迹原理 ....................................................... 3 2.2 系统总体框图 ................................................... 3 2.3 轨迹检测模块 ................................................... 3 2.3.1传感器模块 .................................................. 4 2.3.2检测放大器方案 .............................................. 4 2.4 MCU控制模块 .................................................... 4 2.5 电机及驱动模块 ................................................. 4 2.5.1转向和动力 .................................................. 4 2.5.2电动机模块 .................................................. 4 2.5.3调速系统 .................................................... 5 2.5.4电机驱动模块 ................................................ 5 2.6 电源模块 ....................................................... 5 2.7 显示模块 ....................................................... 5 2.8 系统工作原理 ................................................... 6 3.硬件设计 ........................................................... 7 3.1 电源模块设计 ................................................... 7 3.1.1 智能车电源设计要点 ......................................... 7 3.1.2 低压差稳压芯片LM2940 简介 .................................. 7 3.2 单片机最小系统设计 ............................................. 8 3.3 前向通道设计 .................................................. 10 3.4 后向通道设计 .................................................. 14 3.4.1 后向通道简介 ............................................. 14 3.4.2 后轮电机驱动模块设计 ..................................... 14 4.软件设计 .......................................................... 17 4.1 系统总体流程图 ................................................ 17 4.2 PWM调速简介以及实现 ........................................... 18 4.3 程序的模块化设计 .............................................. 19 4.3.1 小车循迹原理流程图 ........................................ 19 4.3.2 定时器中断程序流程图 ...................................... 20 6.结束语 ............................................................ 21 参考文献 ............................................................ 22 附 件 ............................................................ 23
基于单片机的简易寻迹小车设计
摘要
智能车辆作为现代社会的新产物，以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备，智能小车的研究和开发正成为广泛关注的焦点。本设计是一种基于单片机控制的简易自动寻迹小车系统，系统的设计主要分为总体方案设计、硬件和软件设计，其中每一部分均采用模块化设计原则，使得设计易读、易修改、易扩充。
该设计重点介绍循迹小车如何解决轨迹检测和路线跟随问题。系统以AT89C51为控制核心，利用定时器T0通过定时器中断产生PWM波形，通过调整占空比控制小车速度和转向。利用红外光电传感器ST188对路面黑色轨迹进行检测，并将路面检测信号反馈给单片机，单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制左右轮电机的转速以调整小车转向，从而使小车能够沿着环形黑色轨迹自动行驶，达到自动寻迹的目的。
关键词：AT89C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车
Abstract
Intelligent vehicle is a new product of modern society， and product development based on intelligent vehicle has become a key equipment automation logistics transportation， flexible production organization system， research and development of intelligent vehicle is becoming the focus of attention. The design is a simple car auto tracing system based on single-chip microcomputer control， system design mainly includes design， as the scheme of hardware and software design， where each part adopts modular design makes the design principle， readable， easy to modify， extend.
The design focuses on how to solve the problem of trajectory tracking car detection and route to follow problem. System uses AT89C51 as the control core， using the timer T0 timer interrupt through PWM waveform generation， by adjusting the duty cycle control vehicle speed and steering. For tracing using infrared photoelectric sensor ST188， and the pavement detection signals back to the SCM， SCM to analysis signal collected， timely control left and right wheel motor speed to adjust the car steering， so that the car can along the ring shaped black trajectory automatically， to achieve the purpose of automatic tracing.
keyword: AT89C51 microcontroller， photoelectric detector， PWM speed， electric car
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基于单片机的简易寻迹小车设计
1.绪论
1.1课题背景
目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。
智能车辆作为移动机器人的一个重要分支正得到越来越多的关注。
1.2课题研究的目的和意义
目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理。
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。机器人要实现循迹功能，还可以扩展自动避障等功能，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。
通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识
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基于单片机的简易寻迹小车设计
2.系统方案设计
按照题目要求，本次设计的系统是利用主控芯片控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行检测，并将检测信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现小车的寻迹前行。设计的首要问题即解决路径检测和小车转向。
2.1循迹原理
采用与地面颜色有较大差别的线条(例如白色路面上画一条黑色曲线)作引导线，由于不同颜色对光线的反射系数不同，因此可根据反射光的强弱来判断路径是否正确。
在该模块中可选用一种简单有效、应用较普遍的检测方法——红外探测法[1]。 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。
正是基于光电传感器对是否接收到反射信号所产生的电压信号原理，经过后续电路处理来判断行车路径是否正确，通过单片机控制系统调节寻迹小车的转向使其能够自动检测到引导线，并沿此引导线移动。
2.2系统总体框图
根据设计要求，小车系统主要分为以下几个模块: 单片机控制模块、轨迹检测模块、电机驱动模块。系统框架图如图2.1所示
单片机 控制 模块 电机驱动模块 电机 轨迹检测模块 图2.1 系统框架图
小车
2.3轨迹检测模块
根据引导线与路面的反射系数不同，通过以光电传感器为核心的光电检测电路对路面两种颜色进行区分，并将传感器信号转化为不同电平信号，将此电平信号送单片机，由单片机控制转向电机作相应的转向，确保小车沿引导线行驶。
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基于单片机的简易寻迹小车设计
2.3.1传感器模块
采用光电传感器。光电传感器原理简单，实现方便，价格低廉，可集发射器和接收器于一体。使用这类光电传感器电路简单，工作性能稳定，能完成需要的信号检测功能。
选择ST188红外光电传感器，它的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小、工作较稳定、外围电路简单。 2.3.2检测放大器方案
由于传感器的输出信号很微弱且带有噪音，因此必须先将该信号进行放大整形，整成高低电平形式再供单片机读取
综合考虑系统的各项性能，采用数字器件——施密特触发器。
施密特触发器是双稳态触发器的变形，它有两个稳定状态，触发方式为电平触发，只要外加触发信号的幅值增加到足够大，它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性，但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更强。
2.4 MCU控制模块
采用AT89C51单片机作为主控制器。AT89C51是一款低功耗，高性能的8位单片机，片内含有8KB的Flash片内程序存储器，256 Bytes的RAM，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断等。价格便宜，使用方便。编程实现难度低，适合用来实现系统的控制功能。
2.5电机及驱动模块
2.5.1转向和动力
转向和动力结合的电动小车。转向和动力结合的电动小车是使用两个独立的电动机各自带动一个轮胎位于两侧，通过两个轮胎速度的改变实现小车的转向。控制所用程序较少，控制器控制起来简单（这种转向方式类似于坦克的转向方式。）为了小车的平衡再装上保持平衡的轮子。 2.5.2电动机模块
采用直流电机。直流电机转动力矩大，响应快速，体积小，重量轻，较大的起动转矩使其有从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。可用变速齿轮改变其速度来达到本系统要求。价格较低。
选用减速比为1：74 的直流电机，减速后电机的转速为100r/min。若车轮直径为6cm，则小车的最大速度可以达到
V?2?r?v?2?3.14?0.03?100/60?0.314m/s能够较好的满足系统的要求。
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