寻迹小车结题报告

寻迹小车制作人：张青顾冰岩郭嘉专业：自动化082081摘要：本寻迹小车是以为车架，STC89C52单片机为控制核心，加以直流电机驱动电路、光电对管设计电路和电源电路以及其他电路构成。寻迹由RPR220型光电对管完成。关键词：STC89C52直流电机光电传感器自动寻迹电动车一、系统设计1、设计任务：（1）实现小车自由运动功能。（2）实现小车正反寻迹运动功能。（3）在指定路线上，小车延着黑线做寻迹运动，且拐直角弯，当到达指定位置后，小车自动寻着黑线返回到出发点。2、小车循迹的原理这里的循迹是指小车在地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。3、模块方案比较与论证（1）电源模块方案1：采用220V交流电，然后设计稳压等电路，将220V交流电变为直流，再分别稳压到12V和5V。但是这种方案，需要很长的电线，运动起来很不方便，而且危险系数微高，所以我们放弃了这种方案。方案2：采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案3：采用12V蓄电池为直流电机供电，用7805将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。综上考虑，我们选择了方案3。（2）电机模块方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不十分适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。综上考虑，我们选择了方案2。（3）寻迹传感器模块方案1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案2：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我们选择了方案2。二、硬件实现及电路设计1、微控制器模块的设计采用STC89C52作为控制器芯片，最小系统设计电路如下：2、光电对管电路的设计我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如1和图2所示。图1所示电路中，R1起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R2的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。VT1在该电路中起到滤波整形的作用。经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。因此我们考虑用比较器的方案。在图2中，可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。图1光电对管检测电路1图2光电对管检测电路24、电机驱动电路的设计我们采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。驱动电路的设计如下图所示：三、软件实现1、主程序流程图开始键盘扫描寻迹/定向寻迹子函数定向运动函数寻迹YNYN程序初始化定向是否完成任务寻迹定向是否2、小车寻迹流程我们用一个字节来代表车底的前后各四个光电传感器。用每一个位来代表当前传感器的检测状态。我们给小车分配三种速度，一种是正常直行的速度，第二种是小车转弯时的速度，第三种是小车停止。当小车转弯时，速度采用比正常速度慢的速度行走，当左侧两个探测器检测到黑线时，车会向左转；当右侧两个探测器检测到黑线时，车会向右转；当中间两个探测器检测到黑线时，车会停止几秒后，延原路返回。反寻迹时与正向寻迹相似。四、系统功能检测1、测试仪器及设备仪器名称型号用途数量PC机联想调试及下载程序1数字万用表MASTECHmy－65测量各电路工作情况1秒表记录时间11、功能测试小车从启动区启动，走到第一个弯后自动转直角弯，然后在其它弯道均能成功，一圈之后回到起点。所用时间总计28.666秒。等待3秒之后，小车延反方向后退寻迹行驶，再次走到起点，如此反复这一过程。小车正常行驶速度为17.64cm/s，小车转弯速度15.96cm/s。当给小车设定成定向运动后，小车不断在原地做圆周运动，直到关闭。2、小车寻迹路线图起点正反寻迹路线五、结论测试表明，小车能够较好的完成任务的基本要求，寻迹误差较小。六、心得体会在这几天的积极准备下，我们实现了小车的基本寻迹功能，由于种种原因，我们并未在比赛之前完成我们预期的各种功能，虽然我们的车身不十分美观，但小车运行起来还是比较稳定的，而且我们在性能和价格之间也作了比较好的平衡。另外，我们保留了各种硬件接口和软件子程序接口，方便以后的扩展和进一步的开发。这次比赛并不是小车的终点，我们还要增加测速、蔽障、显示、远程遥控等各种功能。