【導(dǎo)讀】正成為廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易自動(dòng)尋跡小車系統(tǒng)，化設(shè)計(jì)原則，使得設(shè)計(jì)易讀、易修改、易擴(kuò)充。該設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹循跡小車如何解決軌跡檢測(cè)和路線跟隨問題。

　　

【正文】 1，而 IN2信號(hào)變?yōu)?0，那么 Q2 和 Q3 將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī) （圖 ） 。 圖 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的信號(hào)示意圖 由于 H 橋電路有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際制作過(guò)程中電路又比較麻煩，因此在本設(shè)計(jì)中采用 H 橋集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N。 L298N 的工作原理和以上介紹的 H 橋相同，以下 圖 L298N的引腳圖和 表 33為 輸入輸出關(guān)系表。 表 33： L298N輸入輸出關(guān)系 圖 L298N外部引腳 單片機(jī) P2口控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖 。 E NA B L EIN1IN2Q3NP NQ4NP NU1A N DU2A N DU3A N DU4A N DU5NO TU6NO TQ1NP NQ2NP N+ V SR S A重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 24 圖 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路圖 在驅(qū)動(dòng)電路中，主要利用單片機(jī) PWM波形控制 電機(jī)轉(zhuǎn)速?！?。 P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 0I N15I N27E N A6O UT 12O UT 23E N B11O UT 313O UT 414I N310I N412S E N S A1S E N S B15G ND8VS4V C C9 U2L 2 9 8左輪右輪+ 6 V重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 25 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 ，單片機(jī)需要通過(guò)查詢與檢測(cè)電路相接的 I/O口狀態(tài)，以判斷行車軌跡狀況，然后通過(guò)不同占空比的 PWM波，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。軟件設(shè)計(jì)主要通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)，即包括傳感器信號(hào)的讀?。ㄓ蓡纹瑱C(jī) 查詢與檢測(cè)電路相連的I/O口狀態(tài)，確定檢測(cè)信號(hào)的來(lái)源 ）和 PWM波的產(chǎn)生（由單片機(jī) T0定時(shí)器實(shí)現(xiàn)）。 系統(tǒng)總體流程圖 程序主要的任務(wù)是，讓單片機(jī)查詢傳感器模塊發(fā)出的路面 檢測(cè) 信號(hào)，根據(jù)信號(hào)作出反應(yīng)，控制電動(dòng)機(jī)工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡。 在設(shè)計(jì)中采用 兩級(jí)光電傳感器作為路經(jīng)檢測(cè)元件，當(dāng)?shù)谝患?jí)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)小車開始轉(zhuǎn)向，此時(shí)若第二級(jí)傳感器再檢測(cè)到黑線小車加速轉(zhuǎn)向，直到第二級(jí)和第一級(jí)傳感器都不再檢測(cè)到黑線為止。 其程序流程圖 。 圖 系統(tǒng)程序流程圖 N Y 系統(tǒng) 初始化 第一級(jí) ST188 是否檢測(cè)到黑線 直行 轉(zhuǎn)向子程序 1 Y N 第二級(jí) ST188 是否檢測(cè)到黑線 轉(zhuǎn)向子程序 2 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 26 PWM 調(diào)速 簡(jiǎn)介以及實(shí)現(xiàn) PWM—— 脈沖寬度調(diào)制，即占空比可變的脈沖波形 [3]。也就是說(shuō)用單片機(jī)產(chǎn)生一定周期的方波，而且方波中高電平的時(shí)間可以已自己調(diào)整，這就是 PWM 波。 PWM是智能小車設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的應(yīng)用，首先 轉(zhuǎn)向 的控制就是給一定占空比的方波來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)角的，其次后輪電機(jī) 的調(diào)速也是通過(guò)不同占空比的方波來(lái)實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于 PWM波的產(chǎn)生不同的單片機(jī)雖然有不同的方式但是大致的原理是一樣的，對(duì)于 51單片機(jī)由于沒有自帶 PWM波產(chǎn)生的寄存器因此需要通過(guò)軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì) 以定時(shí)器計(jì)數(shù)的方式產(chǎn)生 PWM 波 ,如圖 ， D為預(yù)設(shè)占空比， T為定時(shí)周期 。 51 單片機(jī)也可以采用相同的方式，有所不同的是 51 單片機(jī)中并沒有上面所提到的寄存器，因此需要自己設(shè)定一些變量進(jìn)行計(jì)數(shù)。在設(shè)置定時(shí)器時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： ① 合理選擇進(jìn)入中斷的時(shí)間和計(jì)數(shù)上限。 ② 計(jì)數(shù)上限和最終的 PWM 頻率的選擇應(yīng)由外部器 件的具體要求決定。 圖 PWM 時(shí)序圖 本系統(tǒng)中通過(guò)控制 51單片機(jī)的定時(shí)器 T0的初值，從而可以實(shí)現(xiàn) 出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如 ）中斷一次 ， 就使 。 將直流電機(jī)的速度分為 100個(gè)等級(jí) ， 因此一個(gè)周期就有個(gè) 100脈沖 ， 周期為 100個(gè)脈沖的時(shí)間。速度等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù)。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù)占一個(gè)周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分?jǐn)?shù)。 一個(gè)周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大 ， 加 在電機(jī)兩端的電壓越大 ， 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時(shí) ， 就可以得到不同的電機(jī)平均速度 ， 從而達(dá)到調(diào)速的目的。精確地講 ， 平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 27 系 ， 在一般的應(yīng)用中 ， 可以將其近似地看成線性關(guān)系。 程序的模塊化設(shè)計(jì) 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。 為了完成要求設(shè)計(jì)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分 ，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法 [13]。 模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是： 1) 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫及調(diào)試； 2) 模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用； 3) 模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑ 中斷 子程序﹑轉(zhuǎn)向子程序構(gòu)成。 小車循跡 原理 流程圖 小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī) I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè) I/O口有信號(hào)，即 進(jìn)入判斷處理程序 ， 先確定 4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級(jí)傳感器或右面第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。 循跡流程圖如圖 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 28 圖 循跡原理流程圖 由于第二級(jí)方向控制為第一級(jí)的后備，則兩個(gè)等級(jí)間的 轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級(jí)通常是在超出第一級(jí)的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來(lái)，則通常使第二級(jí)轉(zhuǎn)向力度大于第一級(jí)，即 Turn_left2 Turn_left1， Turn_right2 Turn_right1 (其中Turn_left2， Turn_left1， Turn_right2 ， Turn_right1為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通過(guò)改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來(lái)改變 )，具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。 小車的具體運(yùn)行狀況如 表 41所示。 啟動(dòng)循跡模式 探測(cè)黑線 是否檢測(cè)到黑線 判斷處理程序 向左轉(zhuǎn) Turn_left2 向左轉(zhuǎn) Turn_left1 向右轉(zhuǎn) Turn_right1 向右轉(zhuǎn) Turn_right2 繼續(xù)前進(jìn) N Y 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 29 表 41：小車運(yùn)行狀況表 左輪轉(zhuǎn)速 左 2傳感器 左 1傳感器 右 1傳感器 右 2傳感器 右輪轉(zhuǎn)速 運(yùn)行方式 30 0 0 0 0 30 直行 5 0 1 0 0 50 左轉(zhuǎn) 5 1 1 0 0 60 加速左轉(zhuǎn) 50 0 0 1 0 5 右轉(zhuǎn) 60 0 0 1 1 5 加速右轉(zhuǎn) 0 其它 其它 其它 其它 0 停止 定時(shí)器 中斷程序流程圖 利用 51單片機(jī)的 T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，讓單片機(jī) P2口的 不同的方波 ， 然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后控制直流電機(jī)。 程序開始時(shí)，初始化定時(shí)器TO，設(shè)置定時(shí) 定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（ 本次設(shè)計(jì)采用 ） 中斷一次 ， 就使 或 。中斷程序流程圖如圖 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 30 圖 定時(shí)器 中斷程序流程圖 部分程序設(shè)計(jì) 1) 延時(shí)子程序。制作一個(gè)延時(shí)子程序，讓指令執(zhí)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間。 void delay_1ms(uint d) { uint i。 while(d) for(i=0。i75。i++)。 } 2) 定時(shí)器中斷函數(shù)。在此函數(shù)中控制 和 端口產(chǎn)生 PWM 波形，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 Y N 定時(shí)器賦初值 計(jì)數(shù)變量賦值 t=0 計(jì)數(shù)值 t占空比？ 和 輸出高電平 和 輸 出低電平 開始 結(jié)束 Y N t+1≥ 100 ? ？ t=0 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 31 void timer0( ) interrupt 1 { if(tzkb1) ENA=1。 else ENA=0。 if(tzkb2) ENB=1。 else ENB=0。 t++。 if(t=100) {t=0。} TH0=(65536100)/256。 TL0=(65536100)%256。 } 3) 轉(zhuǎn)向子程序。 通過(guò)控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，即利用不同占空比的PWM 波控制左右輪的轉(zhuǎn) 速。 void qianjin( ) { zkb1=30。zkb2=30。 } void turn_left1( ) { zkb1=5。zkb2=50。 } void turn_left2( ) { zkb1=5。zkb2=60。 } void turn_right1( ) { zkb1=50。zkb2=5。 } void turn_right2( ) { zkb1=60。zkb2=5。 } 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 32 4) 主程序。 void main( ) { init( )。 zkb1=30。 zkb2=30。 ERROR1=1。 START1=0。 while(1) { IN1=1。IN2=0。IN3=0。IN4=1。 ENA=1。ENB=1。 while(1) { xunji( )。 } } } 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 33 結(jié)果分析及結(jié)論 在本設(shè)計(jì)中 主要利用 Keil軟件進(jìn)行程序的調(diào)試， 生成 .HEX文件，通過(guò) Proteus電路仿真及程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真以觀察實(shí)驗(yàn)效果 。 Proteus 軟件仿真結(jié)果 利用 Proteus軟件仿 真 設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真試驗(yàn)程序和器件是否能完成設(shè)計(jì)的要求。軟件 仿真可以隨意修改源程序。利用 Proteus軟件繪制仿真圖 ， 利用 Keil軟件將全部程序裝換成 HEX類型，載入后仿真。 圖 電機(jī)運(yùn)行結(jié)果 仿真圖 圖 四路光電傳感器輸入 仿真圖 P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 0I N15I N27E N A6O UT 12O UT 23E N B11O UT 313O UT 414I N310I N412S E N S A1S E N S B15G ND8VS4V C C9 U2L 2 9 8左輪右輪+ 6 VP 0 . 0P 0 . 3P 0 . 2P 0 . 1321411U 3 : AL M 3 2 4567411U 3 : BL M 3 2 41098411U 3 : CL M 3 2 4121314411U 3 : DL M 3 2 45vR71 0 KR81 0 KR91 0 KR 1 01 0 K左 1 左 2右 1右 2R 1 12 2 0R 1 22 2 0R 1 32 2 0R 1 42 2 0S W 5S W S P S TS W 6S W S P S TS W 7S W S P S TS W 8S W S P S T87%R V 21k58%R V 31k6