【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 小車跟蹤的目標(biāo)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)車的相對(duì)路徑，然后將此信息輸入到單片機(jī)，單片機(jī)處理此信息后，將控制命令輸出到驅(qū)動(dòng)模塊，以控制小車的直流電機(jī)，保證小車快速平穩(wěn)地沿預(yù)先設(shè)定好的路線行駛。 智能循跡澆水小車 10 圖 智能循跡小車 系統(tǒng)控制框圖 采用 2 個(gè) 的可充電池 并聯(lián) 組作為主電源。 STC89C52 單片機(jī)作為主控制器。因?yàn)樾≤囯姍C(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以不需考慮調(diào)速功能，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N控制直流電機(jī)，而不使用步進(jìn)電機(jī)。 L298N 是利用 TTL 電平進(jìn)行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作，亦能滿足直流減速電機(jī)的要求，用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有的操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 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)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。 這樣單片機(jī)和循跡傳感器組成了一個(gè)帶有反饋信號(hào)的系統(tǒng)。 圖 智能循跡 澆水 小車 澆水 系統(tǒng)控制框圖 圖 澆水 系統(tǒng)控 的 制框圖 。 光電開管 檢測(cè) 小 車 走過的地方有無植物 ，然后將此信息輸入到單片機(jī)，單片機(jī)處理此信息后，將控制命令輸出到 水泵 驅(qū)動(dòng)模塊，以控制的直水泵 ， 以此來實(shí)現(xiàn)澆水 。 電源采用的是兩節(jié) 的充電電池串聯(lián)來給直流電機(jī)和水泵供電。直流電機(jī)和 水泵工作電壓相對(duì)于單片機(jī)工作電壓比較大，為了保證水泵和小車的正常工作所以采用兩個(gè)電源。 驅(qū)動(dòng)模塊和直流電機(jī) 電源 光電循跡 傳感器 單片機(jī) 黑色 引導(dǎo)線 單片機(jī) 水泵驅(qū) 動(dòng) 水泵 光電開關(guān) 電源 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)電路的設(shè)計(jì) 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)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(shè)備，如鍵盤、顯示器、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器等。 單片機(jī)的功能特性描述 單片機(jī)又稱單片微控制器 ,它不是 完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜。單片機(jī)內(nèi)部也有和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲(chǔ)器件。 單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)。 本課題選擇了 STC 公司的生產(chǎn)的 STC89C52 單片機(jī)。 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(chǔ)器。一個(gè)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(yīng)用系統(tǒng)高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 :8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié)RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置 4KB EEPROM，兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。此外，空閑模式下， CPU 停止工 作，允許RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 表 STC89C52 單片機(jī)和 AT89S52 單片機(jī)的對(duì)比 STC89C52 單片機(jī) AT89S52 單片機(jī) 序存儲(chǔ)空間 8K 字節(jié) 8K 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 512 字節(jié) 256 字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間 內(nèi)帶 4K 字節(jié) 無 是否可以直接使用串口下載 可以 不可以 智能循跡澆水小車 12 晶振電路 在 STC89S52 單片機(jī)上內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)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(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。在 1 和 XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。從 XTAL1 接入，如圖 所示。由于外部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時(shí)鐘電路輸入的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒有要求。 本設(shè)計(jì)選用的是 12MHZ 無源晶振、 2 個(gè) 22pF 電容，使得一個(gè)機(jī)器周期是 1μs。 晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)，而 兩個(gè)電容則是起到并聯(lián) 諧振 的作用 ， 如果沒電容，振蕩 電路 會(huì)因?yàn)闆]有回路而停振，電路不能正常工作。 圖 單片機(jī)晶振電路圖 復(fù)位電路 復(fù)位電路的作用是在上電或復(fù)位過程中，控制 CPU 的復(fù)位狀態(tài)：這段時(shí)間內(nèi)讓 CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止 CPU 發(fā)出錯(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。 89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)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(dāng)任何波形的信號(hào)進(jìn)入電路時(shí)，輸出在正、負(fù)飽和之間跳動(dòng)，產(chǎn)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(gè) 臨界電壓且形成一個(gè)滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內(nèi)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(huì)用到它整形。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。 德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 本設(shè)計(jì)采用的電容值為 10μF 的電容和電阻采用 和 200Ω 的電阻。如圖 所示上電后，由于電容充電，使 RST 持續(xù)一段高電平時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行之中時(shí)，按下復(fù)位鍵也能使 RST 持續(xù)一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作 [6] [7]。 圖 單片機(jī)復(fù)位電路圖 光電傳感器模塊 循跡光電傳感器原理，就是利用黑線對(duì)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(qiáng)信號(hào)，把不同光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，最后通過電阻，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的高低電平。光電傳感器實(shí)現(xiàn)循跡的基本電路如 所示。 圖 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(shí)，發(fā)光二極管不工智能循跡澆水小車 14 作，傳感器休眠，為低電平時(shí)，傳感器啟動(dòng)。 Signal 端為檢測(cè)信號(hào)輸出，當(dāng)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(dǎo)通， Signal 輸出高電平；當(dāng)遇到白線，與黑線相反，反射的紅外線很強(qiáng)，使光敏三極管導(dǎo)通， Signal 輸出低電平。 這種探測(cè)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(dāng)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(huì)根據(jù)是否收到反射的紅外光為判斷依據(jù)來確定的黑線的位置和小車的路線。紅外探測(cè)器距離通常是不應(yīng)超過 15 厘米的。紅外發(fā)射和接收紅外線感應(yīng)器，可以使自己或直接使用集成紅外探頭。調(diào)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(diào)的，傳感器有時(shí)遇到黑線卻不能送出相應(yīng)的信號(hào)，通過調(diào)節(jié)傳感器上的可調(diào)電阻，適當(dāng)?shù)脑龃蠡驕p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(gè)都是放置在黑線內(nèi)側(cè)緊貼黑線邊緣，第二種是都放置在黑線的外側(cè)，同樣緊貼黑線邊緣。本設(shè)計(jì)采用第二種方法。 單片機(jī)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(shí)向左偏離了 黑線，那么右邊傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平，單片機(jī)判斷這個(gè)信號(hào)，然后向右拐回到黑線。兩傳感器輸出信號(hào)為低電平時(shí)，小車前進(jìn)。如果小車向右偏離黑線，左邊傳感器產(chǎn)生一個(gè)高電平，單片機(jī)判斷這個(gè)信號(hào)，然后向左拐。這樣，小車一定不會(huì)偏離黑線。若兩個(gè)光電傳感器同時(shí)輸出的信號(hào)為高電平，即單片機(jī)判斷的都為高電平時(shí)，小車向前直走。 傳感器分布 傳感器通過信號(hào)采集，向單片機(jī)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(cè)的準(zhǔn)確度和前瞻性，能使在相同數(shù)量的傳感器下，獲得更多的數(shù)據(jù)。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(dòng)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(zhǔn)確的彎道信息?？紤]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(diǎn)，以等角的引射線與直線的交點(diǎn)就是傳感器的分布點(diǎn)，此種方法檢測(cè)連貫簡(jiǎn)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(cè)多彎道的軌跡。由于傳感器不在同一直線上，故小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右兩邊后部的傳感器有較大的采樣空間，兩邊前德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 端的傳感器則對(duì)采集的信號(hào)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(gè)布局有利于在彎道處提高小車速度。但相對(duì)一字型布局， M 型布局容易產(chǎn)生不穩(wěn)定信號(hào)，從而產(chǎn)生信號(hào)震蕩，影響小車行駛的穩(wěn)定性。 活動(dòng)型布局采用矩陣模式，將傳感器排布成矩陣形狀，通過對(duì)不同位置傳感器采集到信息的選擇來適應(yīng)各種不同的跑道。這樣對(duì)不同路況有更強(qiáng)的適應(yīng)性。 此種方案可調(diào)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(duì) 4 個(gè)傳感器進(jìn)行布局，這種 布局 方法 的前瞻性最好 。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 本設(shè) 計(jì)采用 L298N 電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片帶動(dòng)兩個(gè) 12V 的直流電動(dòng)機(jī)。 直流電機(jī)由 定子和轉(zhuǎn)子 兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為 定子 ，定子的主要作用是產(chǎn)生 磁場(chǎng) ，由機(jī)座、主 磁極 、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為 轉(zhuǎn)子 ，其主要作用是產(chǎn)生 電磁轉(zhuǎn)矩 和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，通常又稱為 電樞 ，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 等組成。 其中 L298N 是 ST 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢则?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V。直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，直接通過單片機(jī)的 IO 端口提供信號(hào)，使得電路簡(jiǎn)單，使用更方便。 L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 邏輯電平信號(hào) VSS， VSS 通常接 ~7V 的電壓。 4 腳 VS 接電壓源， VS 可接電壓范圍 VIH 為~46V。 L298N 芯片輸出電流可達(dá) A，可驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載。 L298N 是一個(gè)內(nèi)部有兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)芯片，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，直接連接單片機(jī)