紅外自動循跡小車實驗報告

1摘要 本實驗完成采用紅外反射式傳感器的自尋跡小車的設計與實現。采用與白色地面色差很大的黑色 路線引導小車按照既定路線前進，在意外偏離引導線的情況下自動回位，并能顯示小車停止的時間。 本設計采用單片機STC89C51作為小車檢測、控制、時間顯示核心，以實驗室給定的車架為車體， 兩直流機為主驅動，附加相應的電源電路下載電路，顯示電路構成整體電路。自動尋跡的功能采用 紅外對管LTH1550實現，信號經三極管9012放大，經LM339電壓比較器比較之后將信號送給單片機， 由單片機通過控制驅動芯片L298N驅動電動小車的電機，實現小車的動作。同時還可以將小車的停 留時間通過四位數碼管顯示。關鍵詞：STC89C51單片機；紅外對管LTH1550；紅外傳感器；尋跡2一、系統設計任務與要求 小車從上坡處開始行駛，到達坡頂停留5秒，由數碼管顯示停留時間，然后繼續行駛，到達坡 底開始沿黑線行駛，直到終點寬黑線停止。 二、 方案分析與論證 總體方案設計：根據題目，我們設計了以下方案并進行了綜合的比較論證，自動尋跡電動小車系統由小車主體 部分、微控制器模塊、尋跡傳感器模塊、電機驅動模塊、顯示模塊、電源模塊構成。 2.1 總體方案論證與比較方案一：采用數字電路來組成小車的各部分系統，實現各部分功能。本方案電路復雜，靈活性 不高，效率低，不利于小車智能化的擴展，設計困難。方案二：采用單片機來作為整機的控制單元。黑線檢測采用紅外對管對光源信號進行采集，再 經過三極管放大，電壓比較使輸出轉化為數字信號送到單片機系統處理。此系統比較靈活，采用軟 件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統硬件簡潔化，各類功能易于實現，能很好地滿足題目的 要求。方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現。方案二的 基本結構圖如下：圖１ 總體系統結構框圖3 ２.2 尋跡檢測方案的選擇 方案一：采用CCD傳感器。利用CCD傳感器進行自動導航的機器人已得到初步應用。但CCD傳 感器價格較高，體積較大，數據處理復雜，不適合本次實驗使用。 方案二：用紅外對管作為尋跡傳感器。紅外反射式傳感器由1個紅外發射管(發射器)和1個光 電二極管(接收器)構成。紅外發射管發出的紅外光在遇到反光性較強的物體(表面為白色或近白色) 后被折回，被光電二極管接收到，引起光電二極管光生電流的增大。將這個變化轉為電壓信號，該 電壓通過比較器LM339后轉換為高電平(單片機的有效電平) ，檢測出白線；若接收不到發射管發出 的光線則輸出為低電壓，該電壓通過比較器LM339后轉換為低電平(單片機的有效電平) ，檢測出黑 線。方案可行，且紅外對管使用方便，所以選用方案二。 原理圖見圖２。圖２ 正確選擇檢測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 電路好壞的一個重要因素。從簡單、方便、可靠等角度出發，同時在底盤裝設5個紅外探測頭，進 行兩級方向糾正控制，將大大提高其循跡的可靠性。 ２.3 電機驅動方案的選擇 方案一：采用繼電器對電動機的開或關進行控制,通過開關的切換對小車的進行調整.此方案的 優點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。 方案二：采用專用芯片L298N作為電機驅動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動 芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片 作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良。 因此決定采用方案三． ２.4 電機的選擇方案一：采用步進電機，步進電機具有快速啟動和停止能力，其轉換靈敏度比較高，正轉、 反轉控制靈活。但是步進電機的價格比較昂貴，且該實驗對小車速度等沒有特殊要求，因而，不選 用該方案。 4方案二：采用普通的直流電機。直流電機具有優良的調速特性，調速平滑、方便。調整范圍 廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無極快速啟動、制動和反轉。可以滿足實 驗要求。 2.5 穩壓模塊的選擇 7805穩壓芯片使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩壓電源,使其輸出電壓恰好為 5v，達到邏輯電路電壓要求，因此，直接選用7805作為穩壓芯片，將電壓穩壓至5V給單片機系統 和其他芯片供電。 2.6 顯示模塊方案的選擇 方案一：使用液晶顯示屏顯示時間。液晶顯示屏(LCD)優點是：低耗電量、無輻射危險，平面 直角顯示以及影象穩定不閃爍等優勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等。缺 點是：液晶顯示屏是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創建字符庫。編程工作量大， 控制器的資源占用較多，在使用時，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶的顯示芯片，不易維護，其 成本也偏高。并且本系統只需要顯示時間，信息量比較少，因此并不適于選用液晶顯示屏。 方案二：使用數碼管顯示行駛時間。數碼管具備數字接口，顯示清晰，價格較低，作為時間顯 示的器件性價比非常高，方便易行。 決定采用數碼管顯示行駛時間．5 三、 單元電路設計 3.1控制部分設計： 小車控制單元是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有運行的作用。本實驗采用的是 STC89C51單片機。控制部分設計包括單片機的復位電路及起振電路。單片機晶體振蕩模塊采用最常 用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路。振蕩晶體選擇11.0592MHz。具體電 路見圖3。單片機啟動運行時，都需要先復位，單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應 的外部電路復位。復位電路采用按鍵手動復位，電路見圖4。圖3 圖4 3.2尋跡部分設計題目要求小車要沿著畫出的黑線運動，但在運動過程中，車體不可避免地會偏離運動軌跡，為 了能使車體在偏離后可以自動調整方向，重新回到運動軌跡上，系統需要將車體的運動狀態及時地 以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制兩個電機的左轉，右轉，使小車重新回到軌跡上。 本設計中共使用５個集成的紅外對管LTH1550裝在車體的前方。 當檢測到黑線時，紅外對管的接收端接收到黑白線反射回來的紅外光，其輸出經LM339電壓比 較器后立即發生高低電平轉換，該信號經9012放大后送到單片機進行分析處理。然后將處理后的結 果發送到電機驅動模塊，進行校正。電路見圖５。6圖5 3.3．驅動部分設計 由于單片機輸出的信號不僅點壓偏低，而且負載能力不夠，不能用來直接驅動電機 L298N驅動芯片是性能優越的小型直流電機驅動芯片之一。它可被用來驅動二個直流電機。在 4—6V的電壓下，可以提供2A的驅動電流。L298N還有過熱自動關斷功能，并有反饋電流檢測功能， 符合電機驅動的需要。因此需要使用驅動芯片L298N，單片機輸出的信號，經過L298N實現功率的放 大，從而驅動電機工作。L298N芯片是一種高壓，大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準TTL 邏輯 電平信號和驅動電感負載的．電路圖見圖6．

總結

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