济南大学-微型计算机控制技术大作业

智能循迹小车——微型计算机控制技术考查作业

自动化与电气工程学院

随着现代化的不断发展，自动化越来越普及，对传感器的应用越来越多，要求精度越来越搞高，本设计面向机械自动化发展，采用了AT89S52单片机作为控制核心，利用红外对管传感器检测黑线达到循迹目的，以及自动停车，自动寻迹，整体系统的电路结构简单，可靠性能高。

采用技术主要有：

（1）AT89S52单片机应用；

（2）L298电机驱动及PWN电机调速；

（3）传感器的有效应用；

（4）程序算法的应用。

1、系统方案的选择

1.1 智能循迹小车的主控芯片的选择

方案一：采用Atmel公司的AT89S52单片机作为智能小车的主控芯片，AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，工作电压为5V，32个I/O 口，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。该芯片价格便宜，应用广泛，操作简单，硬件与软件设计相对简单。大学生广泛用于单片机学习与创作。资源足够用于智能小车的设计。因此，本设计选择了此芯片。

方案二：采用德州仪器公司生产的F系列单片机MSP430F1611作为智能小车的主控芯片，MSP430F1611是一款超低功耗单片机，工作电压范围为1.8V-3.6V,48 位I/O 口线，16-Bit RISC架构，但相应硬件复杂，软件编写相对难度大，而且价格昂贵，用于智能小车资源过剩，造成浪费。经过讨论，我们放弃了此方案。

1.2智能循迹小车电源模块的选择

方案一：直接用直流电源供电。采用LM7812和LM7805稳压后产生12V和5V的直流电压，供给系统各个模块用。虽然直接用直流电源供电，功率大，但由于有电源供电线的限制，这样就会对小车的行动造成诸多不便，为了能使小车能够简便地行驶，只能放弃这一方案。

方案二:采用容量为9000mA的锂电池供电，锂电池质量轻，容量大，能为小车较长时间地供电，更重要的是它体积小安装方便，因此，本设计选择了这一方案。

1.3 智能循迹小车电机驱动电路的选择

方案一：采用分立元件制作而成的H桥驱动电路作为电机的驱动电路。由分立元件制作的H桥驱动电路虽然可以驱动电机，成本也低廉，但是由于各个元件的参数不一样，稳定性难以保证，因此本设计放弃了这一方案。

方案二：采用专门的电机驱动芯片L298N驱动电机，性能稳定，经过不断试验，L298N能够很稳定地驱动电机的转动，也易于控制，所以，本设计采用了这一方案。

1.4 智能小车循迹模块的选择

方案一：采用红外对管进行黑线检测。红外对管的工作原理是：由红外发射管发出红外线，红外线遇到黑线后反射回来，再被红外接收管接收，再经过电压比较器输出高低电平给单片机识别。该方案受外界影响小，使用简单。

方案二：采用交流调制红外避障电路。其工作原理是，使音频锁相环芯片LM567发出调制脉冲驱动红外发射管发射红外线，然后再给红外接收管接收信号，再经过信号放大，输入到音频锁相环芯片LM567，如果LM567接收到的信号的频率和它本身产生的频率相同，则LM567输出一个低电平，否则，输出高电平。然后再给单片机识别。但是，示波器检测一直有低电平跳变，电路在受到外界红外线的干扰。因此，这一方案不可靠。

综上考虑，根据小车的需要，本设计选择了红外对管进行黑线检测。

1.5电机测速模设计

一、设计内容及设计要求

（1）电磁检验测转速模块

方案一：可选择透射式光电传感器或反射式光电传感器。这样需在车轮上作比较大的机械加工（打孔或粘贴黑白反光板），而且市场上能买到的可用的光电传感器体积较大，不易安装，反映慢误差比较大。

方案二：霍尔传感器，它利用在闭合回路中金属切割磁力线产生的感应电流来产生脉冲信号至单片机。通过检测车轮转过的转数乘上车轮的时间来计算转速，霍尔元件就是一种很好的可用于车轮转数计数的元件。在普通转盘计数的仪表中加装霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器。霍尔元件固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘位上，当转盘每转一圈，永磁铁经过霍尔元件一次即在信号端产生一个计量脉冲。

经过论证方案二计划方案

1.6 温度测量模块

该方案采用温度传感器DH11AS 18B20测量温度，DS18B20是Dallas公司生产的数字温度传感器，具有体积小、可靠性强，适用电压宽、经济灵活的特点。

本设计选择了18B20进行测量温度。

最终方案的选择。

经过反复的比较论证，本设计最终确定了以下方案：

（1）采用AT89S52作为主控芯片。

（2）采用L298N作为电机驱动模块的主芯片。

（3）采用红外对管制作黑线检测模块。

（4）采用容量为9000mA的锂电池作为小车的供电电源。

（5）采用霍尔元件测转数

（6）采用温度传感器DH11AS 18B2测量温度

1.7方案设计总体方框图

2 硬件的设计与实现

2.1 主控芯片AT89S52单片机最小系统板电路

本智能小车采用的单片机最小系统板是自己制做的AT89S52单片机最小系统板，它具有体积小，质量轻，使用方便等优点，能够很好的放置在智能小车中。原理图如表1。

表1

2.2 电机驱动模块电路

电机驱动模块采用专用驱动芯片L298N作为电机的驱动芯片。L298N是一种具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它的响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流减速电机，而且还带有控制使能端，用它作为驱动芯片，操作方便，稳定，性能优良。L298N的5、7引脚为一个电机的控制信号输入端，10、12引脚为另一个电机的控制信号输入端，2、3引脚为一个电机的控制信号输出端，13、14引脚为另一个电机的控制信号输出端，通过单片机对L298N的输入端进行指令控制，就能实现直流减速电机的正转和反转，从而控制小车前进和后退。

电机驱动电路原理图表1。

电机驱动电路原理图

L298N

2.3 红外对管制作黑线检测模块电路

采用红外对管制作循迹电路，当检测到黑线时，红外接受管导通，否则红外对管截止，通过比较器LM393电压比较，把电平状态送给单片机进而单片机处理。原理图附表1。

红外对管电路

2.4 电机测速模设计

霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm 级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

计量路程示意图

2.5 温度传感模块设计

DS18B20是Dallas公司生产的数字温度传感器，具有体积小、适用电压宽、经济灵活的特点。它内部使用了onboard专利技术，全部传感元件及转换电路集成在一个形如三极管的集成电路内。DS18B20有电源线、地线及数据线3根引脚线，工作电压范围为3～5.5 V，支持单总线接口。

准确的温度测量是很多嵌入式系统中重要的一点。在Linux操作系统下使用数字温度传感器DS18B20，不仅可以得到高精度的温度测量值，而且硬件简单可靠。

DS18B20的结构和工作原理

2.1DS18B20的内外结构

DS18B20的外部结构如图1所示。其中，VDD为电源输入端，DQ为数字信号输入／输出端，GND为电源地。

3 单片机控制的智能小车的PID C语言程序

#include

#define sense P1 /*宏定义光电传感器端口*/

#define input1 P0 /*左电机的IN1,IN2定义在P0口*/

#define input2 P2 /*右电机的IN3,IN4及ENA,ENB定义在P2口*/

//宏定义电机的具体端口

sbit MOTO1_INT1=P0^0;

sbit MOTO1_INT2=P0^1;

sbit MOTO1_ENA=P2^0;

sbit MOTO2_INT3=P2^5;

sbit MOTO2_INT4=P2^4;

sbit MOTO2_ENB=P2^2;

//宏定义传感器的具体端口

sbit sense_L=P1^3;

sbit sense_R=P1^6;

//宏定义金属传感器端口

sbit METAL=P1^1;

//宏定义DELAY函数中的一些变量

int Dtime1=20000;

int Dtime2=2000;

int i=0;

unsigned char SIGNAL(void); //传感器信号分析函数void DELAY(void); //延时函数

void main()

{

int a;

MOTO1_INT1=1; //使车开始时运动

MOTO1_INT2=0;

MOTO1_ENA=1;

MOTO2_INT3=1;

MOTO2_INT4=0;

MOTO2_ENB=1;

while(1)

{

if(METAL==1) //有金属时车停止

DELAY();

else

{

a=SIGNAL();

switch(a)

{

case 1:input2=0x25;break; //前进

case 2:input2=0x24;break; //左转

case 3:input2=0x21;break; //右转

default:break;

}

}

}

}

void DELAY() //延时函数

{

input2=0x20; //使驱动芯片的两个使能端为0，使两个电机停转for(i=0;i

input2=0x25; //使驱动芯片的两个使能端为1,使两个电机重新转for(i=0;i

}

unsigned char SIGNAL()

{

unsigned char Re;

Re=sense&0x28;

if(Re==40)return 1;//前进else if(Re==8)return 2;//左转else if(Re==32)return 3;//右转else return 1;//有错时前进

}