【正文】 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告（2014— 2015學(xué)年 第 2學(xué)期）課程名稱: 自動循跡小車設(shè)計(jì) 班 級 ： 電子1202 學(xué)號姓名 ： 1402120203 1402120218 指導(dǎo)教師： 　 完成時間: 2015年7月7日 前言當(dāng)今世界，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理也都向著自動化、信息化、智能化方向發(fā)展。隨著人們生活水平的提高，人們越來越希望全智能化的生活，智能化的東西可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個環(huán)境里自動的運(yùn)作，不需要人為的管理，為工業(yè)生產(chǎn)或日常生活提供很大的便利。在自動化生產(chǎn)線，智能倉庫管理及物流配送等領(lǐng)域，當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣或者許多人工無法完成的搬運(yùn)或者裝卸時，機(jī)器人卻能夠適應(yīng)這樣惡劣的環(huán)境，這時候就需要智能循跡小車這樣的機(jī)器來完成此類任務(wù)，基于現(xiàn)場和生活的實(shí)際需要，研究智能循跡小車的意義不言而喻。自動循跡小車就是最簡單的智能化產(chǎn)品，通過單片機(jī)的控制，能夠讓其沿著固定的軌道自動行駛，通過對其的擴(kuò)展，可以充分的應(yīng)用在工廠自動化、軍事領(lǐng)域、倉庫管理、自動停車系統(tǒng)、智能玩具或民用服務(wù)等諸多領(lǐng)域，例如在自動倉庫、碼頭、搬運(yùn)、涂裝等物流作業(yè)部門工作的物流小車就是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來的。而且通過對這個課題的學(xué)習(xí)，通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，能夠讓自己對單片機(jī)的了解和應(yīng)用進(jìn)一步加深，另外，通過這次的設(shè)計(jì)，能夠大大提高自己的動手能力，也更大的激發(fā)自己的興趣。國內(nèi)外的研究概況：國外智能車輛的始于上世紀(jì)50年代，它的發(fā)展歷程大致可以分為以下三個階段：第一階段：1954年美國BarrettElectronic公司研究開發(fā)出了世界上第一臺自主引導(dǎo)車系統(tǒng)，該系統(tǒng)只是一個運(yùn)行在固定路線上的拖車式運(yùn)貨平臺，但它卻具有了智能車輛最基本的特征無人駕駛。第二階段：從80年代中后期，在歐洲，普羅米修斯項(xiàng)目于1986年開始了在這個領(lǐng)域的探索，在美洲，美國于1995年成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟，其目標(biāo)之一就是研究發(fā)展智能車輛的可行性，并促進(jìn)智能車輛技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化，在亞洲，日本與1996年成立了高速公路先進(jìn)巡航/輔助駕駛演劇協(xié)會，主要目的是研制自動車輛導(dǎo)航的方法，促進(jìn)日本智能車輛的整體進(jìn)步。進(jìn)入80年代中期，設(shè)計(jì)和制造智能車輛的浪潮席卷了全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺。第三階段：從90年代開始，智能車輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模的研究階段。最為突出的是，美國卡內(nèi)基梅隴大學(xué)機(jī)器人研究所完成了Navlab系列的自主車的研究，取得了顯著的成就。相比于國外，我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究開始于20世紀(jì)80年代，而且大多數(shù)研究尚處于針對某個單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。雖然我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達(dá)國家，但是我國也取得了一系列的成果，主要有：中國第一汽車集團(tuán)公司和國防科技大學(xué)于2003年研制成功了我國第一輛自主駕駛轎車；上海交通大學(xué)應(yīng)用現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)出了一種自動駕駛汽車模型，該模型在汽車系統(tǒng)的動力學(xué)建模的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了自動駕駛的專項(xiàng)系統(tǒng)，它能根據(jù)彎道的彎曲變化程度實(shí)時的計(jì)算出車輛的轉(zhuǎn)向盤角度，控制車輛按照預(yù)設(shè)道路行駛；清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自1988年開始研制的THMR系列移動機(jī)器人取得了很大的成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已經(jīng)能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下，進(jìn)行道路跟蹤和避障自主行駛。目錄……………………………………………………………………………………………….2……………………………………………………………………………………………….4………………………………………………………………………………………….5………………………………………………………………………………5…………………………………………………………………................6………………………………………………………………………………………….7…………………………………………………………………………………..7 …………………………………………………………………………………..8 …………………………………………………………………………………11 …………………………………………………………………………………13………………………………………………………………………………...14 傳感器的接收情況……………………………………………………………………...14 小車的狀態(tài)分析………………………………………………………………………...16………………………………………………………………………………………...15 …………………………………………………………………………..15 ………………………………………………………………………..15 定時器的程序………………………………………………………………………15 循跡程序……………………………………………………………………………19………………………………………………………………………………...19 …………………………………………………………………………………..19 …………………………………………………………………………………..22………………………………………………………………………………...23 ……………………………………………………………………………..23 …………………………………………………………………………………..24附錄………………………………………………………………………………………………..27部分程序………………………………………………………………………………………27摘要本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)控制的簡易自動循跡小車，小車能夠沿著寬約2CM的黑色軌跡行駛，能夠非常流暢的轉(zhuǎn)大于90176。小于180176。的彎道。本設(shè)計(jì)包括電源模塊、微處理器控制模塊、循跡模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊。其中控制器模塊以C51單片機(jī)為控制核心，以有機(jī)玻璃作為小車的車架，循跡模塊是用紅外光傳感器來檢測小車的運(yùn)動軌跡，電機(jī)驅(qū)動模塊使用的是L293D電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動2個直流減速電機(jī)。利用放置在小車前方的4個光電對管將檢測到的信號送到單片機(jī)，單片機(jī)對檢測到的信號進(jìn)行分析判斷，利用單片機(jī)生成的PWM波來及時控制2個電動機(jī)各自的運(yùn)行狀態(tài)，從而使小車沿著黑色軌跡自動行駛，實(shí)現(xiàn)小車自動循跡的目的。本設(shè)計(jì)不僅給出了硬件設(shè)計(jì)流程，而且還給出了完整的硬件電路圖和控制程序。在完成的既定的路線的基礎(chǔ)上，我們也進(jìn)行了很多的測試，小車的速度有了很大的提高。另外，本實(shí)驗(yàn)與以往的小車不同之處在于，受溫度控制的PID算法的啟發(fā)，添加了類似于PID的算法，即對小車的偏差進(jìn)行了調(diào)整，使得小車的行駛軌跡更加準(zhǔn)確，適應(yīng)能力更強(qiáng)。關(guān)鍵詞：AT89C51 電機(jī)驅(qū)動模塊 PWM波 紅外光傳感器 自動循跡 PID 一、設(shè)計(jì)方案（一）、總體設(shè)計(jì) 智能小車采用的動力整體結(jié)構(gòu)如下圖，當(dāng)傳感器收到信號后，單片機(jī)系統(tǒng)會對采集到的信息進(jìn)行判斷，輸出信號控制電機(jī)驅(qū)動電路，改變左右兩邊的車輪的轉(zhuǎn)速使智能小車直行或轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)循跡的功能。整體實(shí)物簡圖 如圖1所示： 圖1實(shí)物結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，小車的整體結(jié)構(gòu)分為4大部分分別為：電源以及驅(qū)動模塊，電機(jī)以及小車底盤，控制以及顯示模塊，傳感器模塊。 圖2 整體框圖如圖，當(dāng)傳感器檢查到的信號發(fā)生改變時，會發(fā)送高低電平給單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)通過不斷的掃描這些信號來獲得小車當(dāng)前的狀態(tài)信息。隨后，單片機(jī)通過改變輸出給驅(qū)動模塊的pwm波來對小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。此時，傳感器信號發(fā)生改變，進(jìn)入下一個循環(huán)。（二）、方案選擇與比較電動機(jī)的選擇方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，響應(yīng)快速，體積小，重量輕，直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn),能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求，價(jià)格便宜。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行原件。控制方便，體積小，靈活性和可靠性高，具有瞬時啟動和急速停止的優(yōu)越性，比較適合本系統(tǒng)控制精度高的特點(diǎn)。但步進(jìn)電機(jī)的抖動比較大，輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，價(jià)格還比較昂貴，所以這里不采用此方案。由于直流電機(jī)價(jià)格便宜、控制簡單，因此本設(shè)計(jì)用方案一。電動機(jī)驅(qū)動模塊的選擇方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，且可能存在干擾。更主要的問 題在于一般電動機(jī)的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開與關(guān)進(jìn)行控制，通過控制開關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個電路的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間長，易損壞，壽命較短，可靠性不高。方案三：采用專用電機(jī)驅(qū)動芯片L293D作為電機(jī)驅(qū)動芯片。L293D中有兩套H橋電路，剛好可以控制兩個電機(jī)。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要?；谝陨系姆治?，建議電動機(jī)驅(qū)動電路選擇方案三。電源模塊方案一：電腦USB串口供電。能直接為單片機(jī)提供穩(wěn)定的+5V直流電壓。USB串口線又容易得到。但需要很長的線，這樣導(dǎo)致無法在室外工作。方案二：。經(jīng)7805穩(wěn)壓后給單片機(jī)供電。在不超過單片機(jī)工作電壓范圍的情況下，又能驅(qū)動直流電機(jī)。這個電源結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，容易得到，而且能夠重復(fù)使用。方案三：采用4節(jié)普通5號電池作為小車的供電電源。，單片機(jī)需要5V電源，因此用7805穩(wěn)壓到5V后供電，但是其放電電流不大，導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)速很慢，而且在使用過程中，其電壓會明顯降低，這樣導(dǎo)致經(jīng)過7805穩(wěn)壓后電壓小于5V，完全無法帶動整個系統(tǒng)正常工作，因此放棄該方案。綜上所述，選擇方案二作為小車電源模塊，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠?？刂破鞯倪x擇方案一：AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，該系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試，并且價(jià)格便宜。方案二：采用FPGA作為