循跡小車原理.doc

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尋跡小車 在歷屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中多次出現(xiàn)了集光、機(jī)、電于一體的簡(jiǎn)易智能小車題目。筆者通過論證、比較、實(shí)驗(yàn)之后，制作出了簡(jiǎn)易小車的尋跡電路系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)基于普通玩具小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并利用了小車的底盤、前后輪電機(jī)及其自動(dòng)復(fù)原裝置，能夠平穩(wěn)跟蹤路面黑色軌跡運(yùn)行。 　　總體方案 　　整個(gè)電路系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過比較器處理之后，送給軟件控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)方案方框圖如圖1所示。 圖1 智能小車尋跡系統(tǒng)框圖 　　傳感檢測(cè)單元 　　小車循跡原理 　　該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。 　　紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。 　　傳感器的選擇 　　市場(chǎng)上用于紅外探測(cè)法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡(jiǎn)單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠的集成式紅外探頭。ST系列集成紅外探頭價(jià)格便宜、體積小、使用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了ST168反射傳感器作為紅外光的發(fā)射和接收器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡(jiǎn)單，如圖2所示： 圖2 ST168檢測(cè)電路 　　ST168采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測(cè)方式。ST168的檢測(cè)距離很小，一般為8~15毫米，因?yàn)?毫米以下是它的檢測(cè)盲區(qū)，而大于15毫米則很容易受干擾。筆者經(jīng)過多次測(cè)試、比較，發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測(cè)物表面10毫米時(shí)，檢測(cè)效果最好。 　　R1限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流50mA的影響，用R1=150的電阻作為限流電阻,Vcc=5V作為電源電壓，測(cè)試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率完全能滿足檢測(cè)需要；可變電阻R2可限制接收電路的電流，一方面保護(hù)接收紅外管；另一方面可調(diào)節(jié)檢測(cè)電路的靈敏度。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龆说玫降氖悄M電壓信號(hào)，所以在輸出端增加了比較器，先將ST168輸出電壓與2.5V進(jìn)行比較，再送給單片機(jī)處理和控制。 　　傳感器的安裝 　　正確選擇檢測(cè)方法和傳感器件是決定循跡效果的重要因素，而且正確的器件安裝方法也是循跡電路好壞的一個(gè)重要因素。從簡(jiǎn)單、方便、可靠等角度出發(fā)，同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，將大大提高其循跡的可靠性，具體位置分布如圖3所示。 圖3 紅外探頭的分布圖 圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，X2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3中所示的行走軌跡黑線)在X1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，它的存在是考慮到小車由于慣性過大會(huì)依舊偏離軌道，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，從而提高了小車循跡的可靠性。 　　軟件控制單元 　　單片機(jī)選型及程序流程 　　此部分是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用?？刂品椒ㄓ泻芏?，大部分都采用單片機(jī)控制。由于51單片機(jī)具有價(jià)格低廉是使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，這里選擇了ATMEL公司的AT89S51作為控制核心部件，其程序控制方框圖如圖4所示。 圖4 系統(tǒng)的程序流程圖 　　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)變化，程序就進(jìn)入判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。 車速的控制 　　車速調(diào)節(jié)的方法有兩種：一是用步進(jìn)電機(jī)代替小車上原有的直流電機(jī)；二是在原有直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用pwm調(diào)速法進(jìn)行調(diào)速?？紤]到機(jī)械裝置不便于修改等因素，這里選擇后者，利用單片機(jī)輸出端輸出高電平的脈寬及其占空比的大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制小車的速度。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定合適的脈寬和占空比，基本能保證小車在所需要的速度范圍內(nèi)平穩(wěn)前行。 　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元 　　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)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率大小以及連接電路的簡(jiǎn)化要求選擇L298N，其外形、管腳分 布如圖5所示。 圖5 L298N管腳分布圖 　　從圖中可以知道，一塊L298N芯片能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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)雜電路需要。另外，L298N的驅(qū)動(dòng)功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負(fù)載能力不夠這個(gè)問題。 　　結(jié)語 此方案選擇的器件比較簡(jiǎn)單，實(shí)際中也很容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多次測(cè)試，結(jié)果表明在一定的弧度范圍內(nèi)，小車能夠沿著黑線軌跡行進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。不足之處，由于小車采用直流電機(jī)，其速度控制不夠精確和穩(wěn)定，不能實(shí)現(xiàn)急轉(zhuǎn)和大弧度的拐彎。 程序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar pro_left,pro_right,i,j; //左右占空比標(biāo)志 sbit left1=P2^0; sbit left2=P2^1; sbit right1=P2^2; sbit right2=P2^3; sbit en1=P1^0; sbit en2=P1^1; //循跡口 三個(gè)紅外傳感器 sbit left_red=P1^2; //白線位置 sbit mid_red=P1^3; //黑線位置 sbit right_red=P1^4; //白線位置 void delay(uint z) { uchar i; while(z--) {for(i=0;i<121;i++);} } void init() { left_red=0; //白線位置 mid_red=1; //黑線位置 right_red=0; TMOD=0X01；//定時(shí)器0選用方式1 TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; en1=1; en2=1; } void time0(void)interrupt 1 { i++; j++; if(i<=pro_right) {en1=1;} else en1=0; if(i==40) {en1=~en1;i=0;} if(j<=pro_left) {en2=1;} else en2=0; if(j==40) {en2=~en2;j=0;} TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; } void straight() //走直線函數(shù) { pro_right=39; pro_left=39; left1=0; left2=1; right1=1; right2=0; } void turn_left() //左轉(zhuǎn)彎函數(shù) { pro_right=5; pro_left=39; left1=0; left2=1; right1=1; right2=0; } void turn_right() //右轉(zhuǎn)彎函數(shù) { pro_right=39; pro_left=5; left1=0; left2=1; right1=1; right2=0; } void turn_back() //后退(反轉(zhuǎn))函數(shù) { left1=1; left2=0; right1=0; right2=1; pro_right=39; pro_left=39; } void infrared() //循跡 { uchar flag; if(left_red==1) {flag=1;} else if(right_red==1) {flag=2;} else if((left_red==0)&(mid_red==0)&(right_red==0)) {flag=3;} else flag=0; switch (flag) { case 0: straight(); break; case 1: turn_left(); break; case 2: turn_right(); break; case 3: turn_back(); break; default: break; } } void main(void) { init(); delay(1); while(1) { infrared(); // straight(); } } void int0(void)interrupt 0 { }