智能小车

竞赛园地 CONTEST 2011. 06 www.ele169.com62 图1 起始状态示意图 图2 平衡状态示意图 智能小车 作者 / 雷银 / 西华大学 ●●● 一、任务要求 本次设计的主要任务是设计并制作一辆智能小车， 要求实现小车的循线行走、自动停止、自动平衡三大 功能。起始状态如图 1 所示，平衡状态如图 2 所示。 二、工作原理 整个小车系统分为如图 3 所示的几个基本模块。 其中，寻迹模块采用反式光电二极管。红外发射管发 出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射， 若红外接收管接收到反射回的光线则为白线，输出高 电平 ；若红外接收管没收到反射光线则为黑线，输出 低电平。电机驱动部分采用电机专用驱动芯片 LM298。 寻找平衡点模块采用角度传感器。其中寻迹电路用的 是单片机 PC 口的 PC0、PC1，显示电路用的是单片 机的 PB 口，电机驱动用的是 PA 口低四位及定时器 T1 的 PWM 模块，测速部分用的是单片机的 T1 的输入 捕捉功能，平衡位置检测用的是单片机的 AD 部分的 AD7。内部资源还用到了定时器 T2 用于记录小车运行 时间。电原理图见图 4 所示。 模块电路 ： 1. 电机驱动电路 采用 L298N 驱动输出为 M1，M2，M3，M4（这里只画了 前两路）从单片机来的输入信号为 IN1，IN2，IN3，IN4。（见图 5） 2. 循线模块 90 1600m m A B 配重物体 C 200mm 400mm 90 800mm A B 70mm C d A d B 竞赛园地 CONTEST 632011. 06 图4 图5 电机驱动电路图 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 RXD TXD INT0 INT1 OC1B OC1A ICP OC2 1 2 3 4 5 6 7 8 40 39 38 37 36 35 34 33 JN1 JN2 JN3 JN4 RS RW EN ADC7 SCL SDA 10 30 32 31 11 12 13 VCC VCC VCC L2 K1 K1 D14 C10 C9C8 P4 PCPD RST R ST ATmega16-16PI R20 C11 SMHz JZ1 C12 22p C13 22p VCC AVCC AREF XTAL2 XTAL1 GND GND RESET 9 P3 MOS1 MOS0 SCK P1 PB P2 PA M M 22 23 24 25 26 27 28 29 14 15 16 17 18 19 20 21 角度 传感器 复位 电 机 驱 动 器 液 晶 显 示 器 红外 传感器 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 GND Sense A N.C Out1 Out2 Vs Input1 Enable A Input 2 GND IN1 IN2 L298 U1 M1 M2 M4 IN4 IN3 M4M3 D1 D4 R2 10k D3 D2 GND Sense B N.C Out4 Out3 Input4 Enable B Input 3 VSS GND IN4148 竞赛园地 CONTEST 2011. 06 www.ele169.com64 采用红外探测法来实现循线的功能，因此选用了型 号为 TCRT5000 的红外反射式光耦，应用电路如图 6 所示。 在实际中可以调整 R9 的大小来调整 TCRT5000 的 检测黑白的平衡点。安装位置示意图如图 7 所示。 本设计的小车对车速要求不高，所以就只用了两个 传感器。 电路安装问题，本作品使用通用板，裁剪成预想的 形状，然后焊接、调试。 3. 电源模块 因单片机及传感器需要的电压为 +5V，而电池组供 电电压为 +7.2V，通过二极管电阻、降压和 5V 稳压二极 管获得。 三、系统仿真 对所设计好的系统进行仿真调试。通过调试可以检 查出系统出现的一些错误，从而进行下一步的修改。 1 . 检测起始线小车前进的仿真 当两个红外传感器用开关代替，当第一次同时检测 到黑线时，即可判断检测到了起始线，两电机同时以相 同的速度转动，小车即直线前进。如图 8 所示。 2 . 平衡位置小车停止的仿真 用电位器代替角度传 感器，调整到中心点如图 9 所示。 3 . 检测终止线小车停止的仿真 当两个红外传感器第二次同时检测到黑线时，即可 判断检测到了终止线，两电机同时以相同的速度减速至 停止。 四、程序设计 主程序的作用是把小车的各个功能连接起来，以实 现小车预期的功能。图 10 为小车主程序的流程图。 1. 寻迹模块程序设计 寻迹程序是在程序开始时调用的，需要实现循线的 功能，同时还要留下返回接口，便于程序的返回。图 11 为寻迹程序的流程图。 流程描述 ：在循线的时候关闭显示器器以避免干扰， 然后初始化循线用到的端口，再检测循线传感器是否有 信号输入，如果有了就跳出循环，用 PWM 调速的方式 给驱动轮一个信号，接下来就是判断两个传感器的状态， 图3 系统总体 Atmega16 单片机主控板 寻迹电路 平衡位置 检测电路 显示电路 电机驱动 电路 稳压电源电路 v R3 200 R4 10k R1 5.1k U1A LM324 R9 1k VS1 PC1 2 1 3 4 8 VCC VCC U3 TCRT500 VS1 图6 TCRT5000接口电路图 小车控制 角度传感器 TCRT5白 色 黑线 前 图7 TCRT5000的安装位置示意图 竞赛园地 CONTEST 652011. 06 根据它们的状态执行小车方向的修正，同时检测终止线 是否到达，到达则停车并退出循环，打开显示器，返回 主程序。 2. 防脉冲干扰平均值滤波子程序设计 防脉冲干扰平均值滤波是连续进行 N 次采样 , 去掉 其中最大值和最小值 , 然后求剩下的 N-2 个数据的平均 值 , 作为本次采样的有效值（图 12）。该方法适用于变量 跳变比较严重的场合，这种滤波也应用边采样边计算的 图8 小车启动 图9(b) 小车停在平衡位置 图9(a) 图10 主程序流程图 初始化各模块 开始 上坡快速到达平衡 点位置，显示时间 寻找平衡点 是否到达平衡点 停止2秒，显示时间 到达终止点？ 停车 结束 N N Y Y 图11 循线程序流程图 方法。 3. LCD1602 显示子程序设计 LCD1602 显示子程序设计见图 13。 如果读者对本设计的源程序感兴趣，可以在本刊网 站 www.ele169.com 下载。 竞赛园地 CONTEST 2011. 06 www.ele169.com66 启动采样 开始 连续采样5次 找出5个数中的最 大、最小值 求和结果减去最大最 小值 剩余3个数求平均 结束 求和 返回值 图12 防脉冲干扰平均值滤波子程序 图13 显示子程序 初始化 开始 调用显示子函数， 显示当前时间 显示到达终点时间 结束 延时 平衡位置到否？ 终点位置到否？ N N Y Y END 在前壳上保证能调谐指示。元器件请详见表 1。 三、调试与组装过程 电路安装完后，对电路安装进行认真检查，无错误 后放入 2 节 5 号电池，通电试效果，先拨到“FM”波段， 收到 FM 广播后，微调线圈 L2（8T5），保证接收频率范 围是 76~108MHz，用一台成品 FM 收音机做参考，适当 拉开匝间距离，可以保证高端接收频率范围 ；缩短匝间 距离，可以保证低端接收频率范围，反复微调保证高低 端频率范围即可。再拨到“AM”波段，即可收到调幅广播， 微调线圈在磁棒上的距离，保证接收效果。 调试成功后，用自攻螺丝 2×5 固定电路板与前壳上， 后盖与前盖之间的固定用 4 个自攻螺丝固定，其中 2×5 螺丝一个固定于电池盒处，另外 3 个长的固定在盒面上。 这样一台实用的两波段收音机就做好了。 将塑料件安装在波段开关上。 安装前，后壳时，首先保证耳机插孔与外壳的配套。 END 25. 24. （上接 46 页）