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    基于單片機的智能循跡小車設計

    來源:UC論文網2018-10-06 09:38

    摘要:

      摘要:設計了一款速度快、運行穩定、循跡精度高的智能小車,首先利用5路光電對管采集路面信息;3路光電開關采集前方障礙物信息;然后,將獲得的信息轉化為能夠被單片機識別的數字信號;最后,采用單片機為主控制...

      摘要:設計了一款速度快、運行穩定、循跡精度高的智能小車,首先利用5路光電對管采集路面信息;3路光電開關采集前方障礙物信息;然后,將獲得的信息轉化為能夠被單片機識別的數字信號;最后,采用單片機為主控制芯片,根據路面信息,對直流電機進行脈寬調速,控制小車的行進、轉彎和停止。由于5路光電對管分布在小車底盤的不同角度,提高了小車對不同彎度路徑的判斷能力,根據路徑彎度調整PWM波形的占空比以達到控制小車轉彎速度的目的,使小車準確沿既定路線自動行駛。實驗證明采用該方法設計的智能小車在保證運行速度的前提下,可以提高循跡精度、減少漂移次數。


      關鍵詞:單片機;循跡;脈寬調速;


      作者簡介:裴曉敏,1981年出生,工學博士,遼寧石油化工大學講師,主要研究方向為智能控制。


      1引言


      循跡小車制作是目前電子競賽中的一個熱門課題[1-2]。通常在比賽中要求小車能沿著與地面具有明顯對比度的黑色或白色引導線前進,并能在前進過程中自動躲避障礙物,在意外偏離引導線的情況下自動回位,達到終點的時間和循跡效果決定競賽成績,時間越短,循跡過程中與引導線偏離發生的次數越少,成績越好。


      本設計采用單片機AT89S52作為路面信息檢測、輸入信號處理和電機控制的核心,根據電路功能需要設計車體,2個直流電機作為主驅動,附加相應的電源電路和下載電路構成整體電路。自動尋跡功能采用紅外光電對管實現,信號經LM339電壓比較器比較之后送給單片機,由單片機通過控制驅動芯片L293D驅動小車的電機,并用PWM技術對電機的速度進行調節和控制,實現小車的動作。


      2硬件及電路


      智能循跡小車是由單片機控制電路、循跡電路、避障電路、電動機驅動電路等部分組成的。


      2.1循跡電路


      用ST188型光電對管作循跡傳感器。ST188是一種一體化發射型光電探測器,發射管采用一個砷化鎵紅外發光二極管,而接收管是一個高靈敏度、硅平面光電三極管。利用ST188紅外光電對管組成尋跡電路結構比較簡單、并且受光照影響小、工作穩定且實用,并通過與電壓比較器配合構成循跡傳感器電路。在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光,當紅外光照射到白線后的發生漫反射,反射光被接收管接收,光敏三極管導通,比較器LM324就會輸出低電平;若照射到黑色背景,則紅外光被吸收,接收管接收不到發射管發出的光線,光敏三極管無法導通,比較器輸出高電平。將比較器輸出結果送入單片機,單片機依據比較器輸出的高低電平來確定白線的位置和小車行走路線。


      從簡單、方便、可靠的角度出發,同時在底盤設5個光電循跡傳感器,大大提高了其循跡的可靠性,光電對管循跡傳感器在車底盤分布位置如圖2所示。


      2.2避障電路


      用紅外光電開關進行避障,工作原理是根據由投光器發出的光束被物體阻斷或部分反射情況作出判斷,只要是能夠反射光線的物體均能檢測到。光電開關電路搭接簡單,使用方便。受光器接收到反射光線時,輸出低電平,作為單片機的外部中斷。當沒有光線發射回來時,輸出高電平。


      車體前方左、中、右方向設置3組紅外光電開關,可以完成對前方障礙物判斷。當前方無障礙物時,沒有紅外光線反射回來,機器人按原來路線行走;當受光器接收到反射光線時,小車會根據預先設置的程序來實現相應的避障功能。小車在硬件設計中通過單片機的P3.0、P3.1與P3.2口與紅外光電開關的接收探頭連接。


      2.3單片機控制電路


      整個循跡小車用51單片機作為控制系統,它完成整個系統的信號處理和協調控制功能。單片機基本系統電路如圖4所示,將單片機的P3.0、P3.1、P3.2端口作為避障開關輸入端口,P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4作為循跡電路輸入端口,P0.1和P0.2口作為電機方向控制端口,P3.5和P3.7為電機轉速控制端口。


      2.4電機驅動電路


      鑒于所使用的直流電機功率較小,電機部分采用由L293D驅動的直流電機。采用直流電機的原因是直流電機轉動力矩較大,體積小,重量輕,裝配簡單,并且使用、控制都比較方便。L293D內部集成了雙橋型H橋電路,通過內部邏輯生成使能信號。H橋電路的輸入量可以用來設置電機轉動方向,使能信號用于脈寬調整,L293D將2個H橋電路集成到1片芯片上,這樣,用1片芯片可以同時控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN1、IN1、IN2,其中EN1是使能信號,IN1、IN2為電機轉動方向控制信號,IN1、IN2分別為1,0時,電機正轉,反之,電機反轉。選用一路PWM連接EN1引腳,通過調整PWM的占空比可以改變電機電樞電壓的接通和斷開時間比,進而調整直流電機電樞上的平均電壓大小,從而控制電動機的轉速。當小車運行的時候,遇到偏轉或者轉向的問題,PWM控制可以實現對電動機的轉速控制,從而平穩改變轉向。電機驅動電路如圖5所示,IN1和IN2只有輸入電平不同時才能控制電機正轉或者反轉,只要利用單片機的一路I/O口,接反相器74HC14之后分別接IN1和IN2引腳,即可控制電機的正反轉。


      3循跡小車軟件設計


      3.1尋跡狀態分析


      小車尋跡所需的5個紅外光電對管分布如圖2所示,把小車行進時分成5種狀態,分別是高速左轉、高速右轉、低速左轉、低速右轉、前行;當右1檢測到白線時,高速右轉;當左2檢測到白線時,低速左轉,利用PWM調制將左側電機速度調制低速,右側電機全速運行;當右2檢測到白線時,低速右轉,從而在較短時間內完成路線的調整,高低速度調整由控制PWM波的占空比實現。尋跡子程序中紅外光電對管與小車偏轉方向關系如表1所示,表中數值1代表高電平,0代表低電平,根據紅外光電對管原理,低電平為檢測到白線。


      3.2電機PWM調速分析


      紅外光電對管接收信號,通過比較器將信號傳入單片機中,小車進入尋跡模式,單片機開始不斷地掃描與探測器連接的I/O口,一旦檢測到某個I/O口有信號變化,就執行相應的判斷程序,單片機輸出控制信號控制小車運行狀態。單片機采用T0定時計數器產生PWM波,分別有P3.5、P3.7口輸出PWM波,控制電機轉速,由P0口輸出電機方向控制信號。


      改變單片機的定時器T0的初值使P3.5和P3.7口輸出不同占空比的脈沖波型。占空比為高電平脈沖個數占1個周期總脈沖個數的百分數,調整占空比可以調整轉速。1個周期加在電機兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比,占空比越大,加在電機兩端的電壓越大,電機轉動越快。電機的平均速度等于在一定的占空比下電機的最大速度乘以占空比。


      3.3主程序流程


      小車進入循跡模式后,開始不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口,一旦檢測到某個I/O口有信號變化,就執行相應判斷程序,把相應信號發送給電動機從而控制小車運行狀態。主程序流程如圖6所示。


      3.4小車循跡流程


      小車進入循跡模式后,一旦檢測到某個I/O口有信號,即進入判斷處理程序,先確定5個探測器中的哪個探測到了白線,然后相應的執行前進、左轉、右轉操作,循跡程序流程如圖7所示。


      4實驗結果


      按照本文設計方法制作智能循跡小車,實際測試結果表明:該方法設計的小車運行平穩,在長時間工作中沒有偏離白線,轉彎處運行平穩,轉速可隨行走路徑自動調整,小車整體性能穩定,未發生漂移。將本文方法設計的小車(本文小車)、3路循跡未采用PWM調速算法小車(小車1)、3路尋跡采用PWM調速算法小車(小車2)在運行速度和平穩性方面進行了比較,如表2所示。與小車1,小車2相比本文小車速度持平,但是穩定性得到大幅度提高。在相同的比賽場地中未出現漂移和偏離軌道現象,總體成績最高。


      5結論


      設計一款高精度、高穩定的智能循跡小車,詳細地介紹了循跡小車的硬件電路、循跡控制方法和軟件實現。本文方法增加到5路循跡之后,小車對于小轉彎、大轉彎靈敏度更強,更容易順利通過;小車對于斜線形轉彎處理應變速度有所提高,不再出現偏離路徑現象;采用PWM調速方式工作,速度更穩定。

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