哈工大单片机课程设计_循迹小车_开题报告

Harbin Institute of Technology

课程设计说明书（论文）

课程名称：  单片机原理及应用   

设计题目：   教育机器人循迹    

院    系：        

班    级：             

设 计 者：               

学    号：         

指导教师：           

设计时间：   2013.9.2-2013.9.13   

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学课程设计任务书

 姓 名： 院 （系）：电气工程及自动化学院

 专 业：电子测量 班 号： 

工作计划安排：

1)2013.9.2——2013.9.3：任务布置、查阅资料，了解小车循迹原理；

2)2013.9.4——2013.9.5：根据要实现的功能及采用的方法设计程序流程并编写程序；

3)2013.9.6——2013.9.9：程序装载、调试运行各种拟实现的功能；

4)2013.9.10——2013.9.11：完成设定要实现的功能，撰写课程设计说明书；

开题报告

一、立项依据

1、项目背景

智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动的操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预订的道路进行。智能小车主要运用领域包括军事侦察与环境检测、探测危险与排除险情、安全检测受损评估、智能家居。可广泛应用于军事侦察、勘探、矿产开采等不便于人员实地堪察的环境。稍加改造，可应用于军事反恐、维和等领域，从而达到最大限度的避免人员伤亡，保存战斗实力的目的。因此，具有重要的军事和经济意义。随着汽车工业的，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，汽车开始向 电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。智能小车是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能与异地的综合系统，它集中的运用了计算机、传感、信息、通信、导航及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。

2、课题目的

通过课题的训练，逐渐从理论理解转向实际应用，并在应用中加深对理论的理解，提高同学们对单片机的兴趣。具备理论基础之后，逐步尝试应用扩展。单片机课程设计给了我们更大的挑战，课题的目的有以下几点：

(1)进一步熟练掌握单片机的使用方法、提高程序的编写能力；

(2)掌握单片机系统外扩器件的连接与使用；

(3)提高器件说明书以及时序过程的阅读、理解能力；

(4)掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法；

(5) 以单片机、红外传感器为控制器和探测器，通过软件编程实现小车跟踪黑色条纹带的循迹功能和尾随功能。

3、课题意义

通过软件编程、硬件电路搭建和现场调试等过程，加深对单片机IO口、定时器等硬件结构及其软件编程的理解与掌握，了解传感模块与单片机的接口电路与使用方法，培养严谨认真的科学素养，提高实践动手能力和工程素质。

4、设计要求

分别实现小车的循迹和尾随功能

二、实施方案

本课题中循迹小车由传感模块和控制模块构成。其中传感模块负责探测路面信息；控制模块根据根据传感器反馈的路面信息，发出相应PWM波驱动电机进而带动小车运动。本次设计的硬件框图如图1所示。

图1 硬件构成

1、传感模块

由两对分别置于小车车头部左右两侧的红外对管构成，每对都含发射管与接收管。接收管感受不同频率红外光的能力不同，用单片机控制发射管发出不同频率红外光，根据接收的输出情况即可判断目标与小车的距离。根据此原理，调整红外管的朝向，使用不同的控制策略可分别实现小车的循迹与尾随功能。

循迹过程中使用的传感器是红外对管，供电电压5V，输出开关信号，距离可调（调节范围较小）。红外线从发射管中发射后，如果遇到反射物体，则会反射回来，被接收管接受，返回信号为低电平（白）；如果没有遇到反射物体，或者反射物体较远，或者红外线被物体吸收，则接收管就无法接收到信号，返回信号为高电平（黑）。

根据此原理，可以利用两个红外对管，分别检测左边和右边的黑线边界，当左边的传感器出了黑线，小车右拐；当右边的传感器出了黑线，小车左拐；当两个传感器都在黑线中，小车前行。

图2 红外传感器示意图

2、控制模块

以ATS52单片机为核心，编写程序使单片机根据不同的路面信息发出不同的PWM波以驱动电机，进而实现对小车运动状态的控制。

小车的动作由电机控制，电机与单片机接口的连接如图2所示。 P1_0引脚输出用来控制右侧的伺服电机，而P1_1则用来控制左边的伺服电机。

图3  左、右电机连接图

控制电机运动转速及旋转方向的是高电平持续的时间，而低电平持续时间均相同，当高电平持续时间为1.3ms时，电机顺时针全速旋转，当高电平持续时间1.7ms时，电机逆时针全速旋转。当然前提是需要将电机调零，即在高电平持续时间为1.5ms时，调节电位器是电机停转。

图4  电机顺、逆时针旋转控制脉冲图

综上可知，调零完成之后若令左、右车轮电机高电平持续时间为1.5ms时，小车将处于静止状态。

若令左车轮电机高电平持续时间为1.7ms，右车轮电机高电平持续时间为1.3ms时，则左车轮电机逆时针，右车轮电机顺时针，小车将会以最快的速度前进。此时，若想改变小车的前进速度，则逐渐减小左电机的高电平时间，逐渐增加右电机的高电平时间，则可以减小车速。同理可知，若令左车轮电机高电平持续时间为1.3ms，右车轮电机高电平持续时间为1.7ms时，则左车轮电机顺时针，右车轮电机逆时针，小车将会以最快的速度后退。当需要转弯时，通过分析和测试我们可以知道，当小车想左转时，需令左右两轮均顺时针旋转，而当小车想右转时，需令左右两轮均逆时针旋转。

三、关键问题

1、传感模块距离检测程序

红外接收管都不同频率红外线的感知能力不同。利用这一点可检测前方白色障碍物与小车的距离。使红外发射管发出五种不同频率的电磁波，接收管对其接受能力依次增强。根据一个发射周期结束后接收管接收到信号的次数即可判断前方障碍物与小车的距离。该原理可用于小车的尾随程序设计。

若是黑色障碍物，发射出去的红外线全被障碍物吸收，接收管对任何频率的信号都不能接收。此时距离检测模块所反映出的距离便是最大值。该原理可用于小车循迹的程序设计。

2、运动控制策略的制定

(1)循迹小车

使两对红外对管对准路面。调整传感器位置，当小车检测到白色路面时，利用串口调试程序使其距离输出值为0、1；当检测到黑色路面时使其距离输出值为4、5。对两边传感器，编程实现当检测到白色路面时相应方向车轮前进，检测到黑色路面时相应方向车轮后退，即可实现小车的循迹功能。

(2)尾随小车

使两对红外对管对准前方要跟踪的物体。设置某一中心距离例如3。对两边传感器，当距离检测值大于3时相应方向车轮前进，当距离检测值小于3时，相应方向车轮后退，即可实现小车的尾随功能。