【正文】 ...........................................................................................19 PID 控制算法 .........................................................................................................205 調(diào)試 ......................................................................................................................................21 調(diào)試方法 ......................................................................................................................21 測試 結(jié)果與分析 ..........................................................................................................216 結(jié)論與展望 .........................................................................................................................23致 謝 .....................................................................................................................................24參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................25附 錄 .....................................................................................................................................261 緒 論 研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的智能化和小型化越來越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來，傳統(tǒng)玩具的市場逐步縮水，高科技智能化的電子類玩具則逐步成為市場的主流。智能小車，也被稱之為輪式機(jī)器人。機(jī)器人由于具有高度的靈活性、可以幫助人們提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)，在世界各地的生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5] 。它是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制，模式識(shí)別，電子、電氣、單片機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制以及車速控制等模塊組成。 研究目的和意義隨著人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，智能化的電子玩具深受人們的喜愛，尤其是各種智能小車，由于這類玩具具有較好的交互性，可控性，能夠給人們帶來很好的娛樂以及參與其中的體驗(yàn)，高科技智能化的電子類玩具逐漸成為市場的主流。因此，智能化小車的研究不僅具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，還具有極為廣闊的應(yīng)用前景和市場價(jià)值。整體設(shè)計(jì)可以分為如下幾個(gè)模塊，控制核心采用 MCS51 系列中的 AT89S52 單片機(jī)，循跡避障是通過傳感器實(shí)現(xiàn)的，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制小車的自動(dòng)避障，從而發(fā)出避障信號(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用常用的 PWM 方式進(jìn)行電機(jī)的降壓調(diào)速控制，小車的速度通過液晶屏來顯示。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性能高。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與論證 總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝反射式紅外光電傳感器、超聲波傳感器、速度檢測傳感器以及光敏二極管陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。系統(tǒng)整體方框圖如圖 21 所示。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求[7]。選擇合適的傳感器可以使設(shè)計(jì)簡便，還可以簡化硬件電路。根據(jù)小車功能的要求有兩種方案，一種是使用紅外光電傳感器，另一種是使用 CCD 傳感器。兩種方案的主要區(qū)別是使用的傳感器不同。表 21 循跡檢測方案對(duì)比紅外光電傳感器 CCD 傳感器受外界干擾程度 小 較小實(shí)時(shí)性 好 差對(duì)主控芯片要求 較低 較高成本 較低 高從上表中可以很明顯的看出，紅外傳感器相對(duì)于 DDC 傳感器來說，在實(shí)時(shí)性和對(duì)主控芯片的要求方面都比 CCD 傳感器要好。 障礙物檢測系統(tǒng)根據(jù)題目功能的要求，小車在循跡行駛過程中要能準(zhǔn)確的避開途中遇到的障礙物，因此對(duì)檢測距離有一定要求。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實(shí)現(xiàn)理想定向方案。這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。表 22 障礙檢測系統(tǒng)方案對(duì)比紅外檢測 超聲波檢測檢測距離 4~10cm ~精確度 1cm 1cm受外界環(huán)境干擾程度 易受外界環(huán)境干擾 不易受外界環(huán)境干擾硬件電路 所需元器件少，尺寸小，安裝簡便稍復(fù)雜，安裝簡便成本 8 元左右 6 元左右從上表可以看出，相對(duì)紅外檢測，超聲波檢測距離遠(yuǎn)，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車需要在行駛過程中檢測障礙物，顛簸，光照方面可能會(huì)對(duì)檢測產(chǎn)生影響。 光源檢測系統(tǒng)光源檢測使用常見的光敏器件，光敏二極管。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化） 。當(dāng)有光照射時(shí)，光敏二極管呈強(qiáng)電阻，經(jīng)比較器輸出一個(gè)高電平，反之則輸出低電平。即有光照時(shí) LED 亮，無時(shí)則滅。兩種方案的主要區(qū)別如表 23。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以用于小車驅(qū)動(dòng)。方案一：使用直流電機(jī)，加上適當(dāng)減速比的減速器。直流電機(jī)只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機(jī)的速度。常用的驅(qū)動(dòng)方式是 PWM 方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。方案二：使用步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。去而且其轉(zhuǎn)動(dòng)不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)[8]。具體差別見下表 24。步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行精確的位置控制，但驅(qū)動(dòng)電路麻煩，鑒于本設(shè)計(jì)中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機(jī)即可滿足小車要求的精度。 單片機(jī)控制電路系統(tǒng)此部分是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部分，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。單片機(jī)要完成電機(jī)控制、循線控制、避障控制金屬檢測控制和光源檢測控制等工作。雖然這款單片機(jī)本身沒有 PWM 模塊，但若采用本身有 PWM 模塊的單片機(jī)就會(huì)產(chǎn)生資源浪費(fèi)。且能很好的滿足題目要求。數(shù)碼管使用簡單，價(jià)格低廉，但一個(gè)數(shù)碼管只能顯示一個(gè)數(shù)字，要顯示多位數(shù)據(jù)時(shí)要使用多個(gè)數(shù)碼管，這就增加了硬件電路的復(fù)雜度和額外功耗。液晶顯示電路簡單，使用方便，一個(gè)液晶顯示器就可以同時(shí)滿足此處同時(shí)顯示速度和距離的要求，且更加直觀明了。將四個(gè)紅外線光電傳感器裝在車體的底盤前端，小車根據(jù)傳感器檢測到的情況執(zhí)行。小車速度的檢測也是靠的紅外線，只不過是器件的型號(hào)不同，速度檢測的傳感器用的是對(duì)射式，避障用的是直射式?？梢院芎玫臐M足小車所需的精度。整體原理電路圖如圖 31 所示。起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。通過對(duì)單片機(jī) AT89S52 寫入程序，可以方便的用軟件來控制整個(gè)過程 .控制部分如圖32 所示。 輸出 PWM信號(hào)，~ 分別控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)。AT89S52 單片機(jī)介紹：AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(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，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。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。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程[16]。圖 33 AT89S52 引腳排列圖● 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容；● 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器；● 1000 次擦寫周期；●全靜態(tài)操作：0Hz ～33Hz；●三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；● 32 個(gè)可編程 I/O 口線；●三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；●八個(gè)中斷源；●全雙工 UART 串行通道；●低功耗空閑和掉電模式；●掉電后中斷可喚醒；●看門狗定時(shí)器；●雙數(shù)據(jù)指針；●掉電標(biāo)識(shí)符。不過 P0 口是漏極開路的 8 位雙向 I/O 口，而其他 P 口都是具有內(nèi)部上拉電阻的 8 作為輸出口要外部上拉電阻。具體見表 31 和表 32。地十八引腳和第十九引腳分別為振蕩器反相放大器的輸入端和輸出端。從單片機(jī)輸出的信號(hào)功率很弱，即使在沒有其它外在負(fù)載時(shí)也無法帶動(dòng)電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們加入了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用 L298 集成 H 橋芯片。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