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江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第1页共46页轨迹跟踪小车的设计于制作摘要智能化作为现代文明的体现，更是以后全球的发展方向。有了智能的设备，我们就可以按照预先设定的内容在一个独立的环境里自动完成人们所希望完成的任务。智能寻迹就是其中的一个体现。本次设计的简易寻迹电动车，采用AT89S52单片机作为小车的检测和控制核心；采用红外传感器TCRC5000来检测路面上的黑色轨迹线，把信号反馈到单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车自动跟踪轨迹线。本设计结构简单，较容易实现，具有一定的智能化，一定程度体现了智能控制在生活中的运用。关键词89s52；红外线传感器；LM324电压比较器；L298N直流驱动芯片；PWM调速AbstractIntelligentasmoderncivilization,butalsothedevelopmentdirectionoftheglobalafter.Asmartdevices,wecaninpre-setcontentinanindependentenvironmentautomaticallypeoplehopetofinishthetask.Intelligenttracingisoneoftheembodiment.Thedesignofelectrictracingsimple,usingAT89S52SCMascontrolcoreandcartesting,TCRC5000usinginfraredsensorstodetectthepavement,theblacklinefeedbacktosignalthatthesingle-chipmicrocontroller,theworkmodecontroltrolleyautomatictrackingtrajectoryline.Thisdesignissimpleinstructure,easytorealizetheintellectualized,toacertainextent,reflectedintheapplicationofintelligentcontroloflife.Keywords89s52；Infraredsensors；LM324Voltagecomparator；L298NDirectdrivechip；PWMcontrol江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第2页共46页目录前言……………………………………………………………………4第一章系统概述………………………………………………………51.1路面轨迹检测系统………………………………………………………………51.1.1系统的功能……………………………………………………………………51.1.2系统的原理……………………………………………………………………51.1.3系统的设计方案………………………………………………………………61.2直流调速系统…………………………………………………………………131.2.1晶闸管的直流斩波器基本原理……………………………………………131.2.2H桥式电机驱动电路………………………………………………………151.2.3单片机总系统原理图………………………………………………………18第二章系统硬件设计………………………………………………192.1路面检测系统部分……………………………………………………………192.289s52单片机硬件结构………………………………………………………212.3直流驱动模块…………………………………………………………………252.4系统连接框图…………………………………………………………………29第三章系统软件设计………………………………………………313.1定义端口程序段……………………………………………………………333.2单片机工作状态初始化以及延时PWM控制程序………………………343.3电机状态定义并调用延时程序以产生PWM波……………………………353.4寻迹程序及路面抗干扰……………………………………………………363.5调速的算法…………………………………………………………………383.6主程序设计…………………………………………………………………39江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第3页共46页第四章数据测试与性能分析………………………………………414.1测试方法与仪器……………………………………………………………414.2系统性能的分析……………………………………………………………41第五章结论…………………………………………………………42参考文献…………………………………………………………43致谢……………………………………………………………………44附录程序清单………………………………………………………45江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第4页共46页前言随着机械自动化的不断发展，人们在生活的各各方面都希望能够利用自动化的操作来提高工作效率，使生产发展能够得到不断的提高。近来在轨迹跟踪方面的话题研究也不断引起人们的更多关注，国内外更是开展了一系列的智能轨迹跟踪系统的竞赛活动。在实际应用当中，具有智能化的机器人在人们无法触及的工作场合下更是大显身手，如各种军事机器人、勘探机器人等。和我们日常生活更为接近的有各种医疗机器人、汽车自动泊位系统、自动驾驶系统。轨迹跟踪系统的设计在机器人领域有着重要的地位，可以说是机器人实现智能化的一个重要的指标。任何一个机器人想要实现智能化就必须能够实现对外部环境的自我感知判断并作出相应的反应，最终完成人们布置的任务。文献【1】通过有限时域非线性预测控制的泰勒级数近似,构造了最优非线性预测控制器,实现了非完整移动机器人对期望轨迹的平滑渐进跟踪。文献[2]通过全局视觉识别移动目标,并提出一种基于状态转移的预测控制方法来截取移动目标,实现了足球机器人守门员的实时角色任务。文献[3]用多层反传神经网络建立了机器人非线性运动学模型,提出了一种基于神经预测控制的移动机器人路径跟踪方法。本文以全向机器人为研究对象,通过对轨迹跟踪问题的分析，制作了一辆能够自动跟踪地面上的轨迹的小车。通过课题的研究，进一步巩固所学的专业知识；学习课程以外的知识，培养综合应用知识的能力，开拓眼界。并且锻炼了动手能力，实现理论与实践的有效结合。本次设计主要包含以下几方面的研究内容：1、实现路面轨迹线的数字化采集。2、完成PWM调速原理的算法3、利用单片机输出PWM波控制直流电机的转速从而控制小车的行进轨迹。4、使用专用的直流电机驱动芯片来控制电机工作。5、完成整体硬件的组装调试工作。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第5页共46页第一章系统概述1.1路面轨迹检测系统1.1.1系统的功能系统主要实现的功能是车辆能够沿着地面上预先所画出的任意形状的黑色轨迹导线行走。途中可以避免因轨迹线不规则所可能产生的误差而偏离跑道以及能够实现在弯道处的过弯的任务。1.1.2系统的原理在现有玩具电动车的基础上，加装红外线检测传感器，把路面信息传回单片机。利用单片机实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，然后由单片机所检测的各种数据实现对电动车的直流芯片智能控制，从而达到自动寻迹的目的。路面导线图1-1系统原理框图整个轨迹跟踪系统的原理框图如图1-1所示。由图可知系统是由红外线传感检测电路，单片机信号处理及PWM输出【4】部分，直流驱动控制芯片电路，左右轮两个电机组成。红外线检测电路是用于把路面的黑色轨迹线通过传感器以电平方式输出给单片机处理的单元部分。单片机信号处理部分是通过前面检测电路送来的数据进行处理选择相应的程序输出不同的PWM波给下级芯片以达到控制电机转速的目的。直流驱动控制芯片电路是用来直接控制电机的专用芯片，因为单片机所输出的电压不足以驱动电机的工作，所以要通过使用该芯片来间接控制电机。红外线传感检测电路单片机信号处理及PWM直流驱动芯片控制电路左右轮直流电机江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第6页共46页1.1.3系统的设计方案1.路面轨迹检测系统，轨迹检测系统主要实现对路面轨迹线的检测，即利用红外传感器对电动车行驶路径上的黑色导线进行读取判断【4】，并把实时数据通过高低电平的方式传回单片机，以供单片机处理作出判断，输出结果。光线检测的原理：本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的引导轨迹（2cm宽的黑线），经LM394电压比较器【5】和可变电阻进行微调，整形后送单片机控制。图1-2行车方向检测电路原理图行车方向检测电路如图1-2所示。电路采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏二极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射路面，红外光敏二极管在接收到反射回来的红外线后导通，若没有接受到反射的红外线则截止。而路面的轨迹是黑色的，可以吸收掉发射出的红外线，因此传感器接触到黑线就会截止、未接触黑线而是照射地面就导通。本系统共设计三个红外线传感器【6】，分别放置在电动车的左中、右三个方向，用来读取地上的黑色轨迹线。当行车方向偏离轨迹的时候，通过这三个红外线感应装置就可以判断出行车偏离的方向，将实时信息以高低电平的方式传送回单片机，然后通江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第7页共46页过单片机的处理，相应的控制直流芯片就可以修正行车路线，最终完成自动寻迹的任务。红外线传感器的工作过程如下：当行车方向向右偏离轨迹线的时候，会有两种情况发生，○1中间和左侧红外线传感器同时接触到地面黑线、右侧传感器接触白色地面○2左侧一个传感器接触黑线、中间和右侧传感器接触地面白色部分。这两种情况都是行车方向右偏移的情况。相似的小车发生左偏移的时候也有两种情况。所以根据这些不同的状态可以列出小车行车的修正状态表。表1-1小车行车方向修正状态表：左光电管中间光电管右光电管行动修正状态101直行100小右转110大右转001小左转011大左转111停车注：表中0，1表示经过lm324比较器处理过后的电平信号，1为高电平、0为低电平这三个传感器作为行车数据的输入信号由单片机的I/O口输入，那么就需要一个TTL的电压，而且要根据需求可以对传感器的灵敏度进行微调，满足灵敏度的需要。所以可以把这三路信号引入由LM324组成的电压比较器进行电平的整形，最终给单片机使用。2.使用电压比较器对信号的整形输出。电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较，在UiUr和UiUr两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。而Ui变化经过Ur时，比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。比较器有各种不同的类型。对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。比较器的特点【7】：江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第8页共46页⑴工作在开环或正反馈状态。放大、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。⑵非线性。由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。⑶开关特性。比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。由于比较器的上述特点，在分析时既不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，也