小車循跡課程設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 需求分析1</p><p>　　1.1 設(shè)計題目1</p><p>　　1.2 設(shè)計目的1</p><p>　　1.3 設(shè)計任務(wù)及要求1</p><p>　　1.3.1 總體任務(wù)1</p><p&

2、gt;　　1.3.2 個人任務(wù)1</p><p>　　1.3.3 設(shè)計要求1</p><p>　　1.4 硬件設(shè)備與開發(fā)工具2</p><p>　　1.4.1 硬件設(shè)備2</p><p>　　1.4.2 開發(fā)工具2</p><p>　　第2章 概要設(shè)計3</p><p>　　2.1

3、總體方案設(shè)計3</p><p>　　2.2 小車循跡原理3</p><p>　　2.3 主要功能的設(shè)計原理及實現(xiàn)方法3</p><p>　　2.3.1 小車前進功能設(shè)計3</p><p>　　2.3.2 小車旋轉(zhuǎn)功能設(shè)計4</p><p>　　2.3.3 小車偏移修正功能設(shè)計4</p><

4、;p>　　第3章 詳細設(shè)計5</p><p>　　3.1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)5</p><p>　　3.2 系統(tǒng)主程序流程6</p><p>　　3.3 功能模塊詳細設(shè)計6</p><p>　　3.3.1 起點到D點路線模塊設(shè)計6</p><p>　　3.3.2 D點到終點路線模塊設(shè)計7</p>

5、;<p>　　3.3.3 終點到中心點模塊設(shè)計8</p><p>　　3.3.4 中心點到起始點路線模塊設(shè)計8</p><p>　　第4章 系統(tǒng)調(diào)試與操作說明10</p><p>　　4.1 系統(tǒng)調(diào)試10</p><p>　　4.1.1 硬件調(diào)試10</p><p>　　4.1.2 軟件調(diào)試1

6、0</p><p>　　4.1.3 軟硬件聯(lián)調(diào)10</p><p>　　4.2 調(diào)試中遇到的問題10</p><p>　　4.3 操作說明11</p><p>　　第5章 總結(jié)和體會12</p><p><b>　　參考文獻12</b></p><p><b

7、>　　附錄14</b></p><p><b>　　第1章 需求分析</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計題目</b></p><p>　　小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　1.2 設(shè)計目的</b></p><

8、p>　　(1)掌握和鞏固所學(xué)的51單片機知識，加強對相關(guān)知識的理解和運用。</p><p>　　(2)學(xué)會運用所學(xué)的專業(yè)知識，提高對實際問題的解決能力。</p><p>　　(3)提高編程能力和加強團隊合作。</p><p>　　1.3 設(shè)計任務(wù)及要求</p><p>　　1.3.1 總體任務(wù)</p><p>　

9、　(1)完成硬件設(shè)計并連線，以MCS-51單片機為控制核心，根據(jù)4個QTI傳感器采集的數(shù)據(jù)控制舵機的運轉(zhuǎn)，進而控制車輪的速度和方向。</p><p>　　(2)用C語言編程實現(xiàn)以下小車行駛線路：起始點→中心點→D點，旋轉(zhuǎn)360度→紅色點，旋轉(zhuǎn)180度→原路返回。小車前行時慢速行駛，小車返回時速度加快。</p><p>　　1.3.2 個人任務(wù)</p><p>　　用

10、C語言編程實現(xiàn)小車旋轉(zhuǎn)180度→原路返回這一模塊功能設(shè)計和總體調(diào)試，當(dāng)小車原路返回時，速度加快，在小車原理返回時，不斷修正小車的行駛路線。</p><p>　　1.3.3 設(shè)計要求</p><p>　　完成設(shè)計方案論證，硬件原理圖設(shè)計、電路建構(gòu)、軟件編程、調(diào)試、運行以及使用說明文檔的建立等一整套工作任務(wù)?？刂栖浖褂肅語言編程；系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，提交一個滿足要求的小車循跡控制系統(tǒng)設(shè)計。</p

11、><p>　　1.4 硬件設(shè)備與開發(fā)工具</p><p>　　1.4.1 硬件設(shè)備</p><p>　　由AT89S52單片機最小系統(tǒng)板、四個QTI傳感器、兩個舵機、兩個車輪、一塊7.4V鋰電池、穩(wěn)壓電路板、ISP下載線、面包板組成的小車一臺，Windows xp操作系統(tǒng)PC機一臺。</p><p>　　1.4.2 開發(fā)工具</p>

12、<p>　　KeilC51編程軟件、progisp下載器、串口調(diào)試小助手等軟件。</p><p><b>　　第2章 概要設(shè)計</b></p><p>　　2.1 總體方案設(shè)計</p><p>　　硬件設(shè)計部分，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，小車要根據(jù)指定的軌道完成不同的路線的選擇，小車在前進的過程中，需要識別路面信號，故采用四個QIT傳感

13、器來探測信號，通過不停的檢測與判斷來控制小車。小車的運動軌跡需由核心單片機來控制，由</p><p>　　AT89S52單片機最小系統(tǒng)板來進行設(shè)計實現(xiàn)。</p><p>　　軟件設(shè)計部分，將整個過程分為四個子模塊來實現(xiàn)，分別為起點到D點，D點到終點，終點到中心點，中心點到起始點。在運動過程中還需設(shè)計旋轉(zhuǎn)360度和180度的旋轉(zhuǎn)子模塊，當(dāng)小車偏離軌跡候后，需設(shè)計修正子模塊。最后為了使小車停到

14、指定區(qū)域，還需編寫停止子模塊。</p><p>　　2.2 小車循跡原理</p><p>　　小車循跡的原理主要是通過小車上的四個QIT傳感器不斷地來探測信號，當(dāng)傳感器</p><p>　　探測到黑色時，則返回給系統(tǒng)為1的信號，反之，則返回給系統(tǒng)0的信號，通過傳感器探測的信號，在小車的行駛路線中來進行相應(yīng)的處理。</p><p>　　小車在循

15、跡時，可能會出現(xiàn)偏移的情況，這時就需要對小車軌跡進行修正處理，當(dāng)四個QTI傳感器信號狀態(tài)為0110時，則表明小車為正確為正確行駛路線，繼續(xù)直線運動；如果四個QTI傳感器信號狀態(tài)為0100或1000時判定小車右偏時，對小車路線進行作左修正；如果四個QTI傳感器信號狀態(tài)為0010或0001時判定小車位左偏，對小車前進路線進行做修正，這樣經(jīng)過不斷修正來實現(xiàn)小車的循跡前進。</p><p>　　2.3 主要功能的設(shè)計原理

16、及實現(xiàn)方法</p><p>　　2.3.1 小車前進功能設(shè)計</p><p>　　此模塊原理是向伺服電機輸出若干個PWM波，波形的占空比可控制小車移動，通過</p><p>　　時間寬度和延時產(chǎn)生信號，作用于電機，從而控制其運動。在本次設(shè)計中，向伺服電機PWM波過程已經(jīng)被模塊化在頭文件中，即motion()函數(shù)中，通過對motion()函數(shù)的三個參數(shù)進行設(shè)置來實現(xiàn)控

17、制電機轉(zhuǎn)動從而控制小車前進。</p><p>　　2.3.2 小車旋轉(zhuǎn)功能設(shè)計</p><p>　　小車旋轉(zhuǎn)的原理是調(diào)整兩輪的移動方式、速度及移動步數(shù)。當(dāng)需旋轉(zhuǎn)360度時，將</p><p>　　左輪設(shè)置為后退狀態(tài)，右輪為前進狀態(tài),多次調(diào)試測出旋轉(zhuǎn)所需的步數(shù)，旋轉(zhuǎn)360度時步數(shù)設(shè)置為100，當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)180度時，只需修改旋轉(zhuǎn)步數(shù)為50即可。</p>&

18、lt;p>　　2.3.3 小車偏移修正功能設(shè)計</p><p>　　小車偏移修正功能即對小車傳感器信號狀態(tài)進行檢測并作出相應(yīng)的處理的過程，在修正過程中偏移情況及其信號狀態(tài)如下：</p><p>　　當(dāng)小車發(fā)生左偏移時，各傳感器狀態(tài)信號如下：</p><p>　　此時通過調(diào)節(jié)左右輪的速度來實現(xiàn)，左偏時調(diào)用motor_motion(1770, 1740,1)實現(xiàn)左

19、輪前進速度大于左輪前進速度來實現(xiàn)向右偏移來對偏移進行修正。</p><p>　　當(dāng)小車發(fā)生右偏移時，各傳感器狀態(tài)信號如下：</p><p>　　此時通過調(diào)節(jié)坐游輪的速度來實現(xiàn)，右偏時調(diào)用motor_motion(1550, 1300,1)，通過調(diào)節(jié)左右輪的速度，當(dāng)右輪速度大于左輪速度進行修正。</p><p>　　當(dāng)小車發(fā)生偏移后，先判斷是哪邊偏移，然后根據(jù)不同的情

20、況進行修正。修正原理</p><p>　　是，當(dāng)通過調(diào)節(jié)左右輪的速度來達到的。當(dāng)左偏移時調(diào)用，當(dāng)右偏移時，調(diào)用。直到掃描信號為0110時，停止修正。</p><p><b>　　第3章 詳細設(shè)計</b></p><p>　　3.1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　小車是由多個硬件零件組裝而成，每個零件負責(zé)不同的功能，

21、根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要實現(xiàn)的主要功能，來進行硬件設(shè)計。硬件設(shè)計原理圖如下：</p><p>　　圖3-1 硬件原理圖</p><p>　　根據(jù)硬件原理圖，來進行硬件間的連線，系統(tǒng)接線圖如下：</p><p>　　圖3-2 硬件接線圖</p><p>　　3.2 系統(tǒng)主程序流程</p><p>　　小車循跡不僅需要硬件的支持，

22、也需要軟件支持，通過程序進行小車控制。本次系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化思想進行設(shè)計，本系統(tǒng)設(shè)計了四個模塊，分別為起點到C點路線模塊、C點到終點路線模塊、終點到中心點模塊、中心點到起始點路線模塊。通過對每個功能模塊的調(diào)用實現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。系統(tǒng)主流程圖如下：</p><p>　　圖3-3 系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　3.3 功能模塊詳細設(shè)計</p><p>　　3.3

23、.1 起點到D點路線模塊設(shè)計</p><p>　　起點到D點，主要是從開始就前進，在前進過程中不停檢測傳感器傳過來的信號，通</p><p>　　過判斷小車是否偏離路線后決定是否修正。如果檢測到0000信號，則執(zhí)行旋轉(zhuǎn)360度程序。</p><p>　　設(shè)計函數(shù)run_start（）來實現(xiàn)此模塊功能。程序流程圖如下：</p><p>　　圖3

24、-4 起點---D點模塊流程圖</p><p>　　3.3.2 D點到終點路線模塊設(shè)計</p><p>　　D點到終點，首先在旋轉(zhuǎn)360后，要向前沖出2步，繼續(xù)前行，前行過程中也進行檢</p><p>　　測也修正，當(dāng)遇到1001信號時，執(zhí)行旋轉(zhuǎn)180度。設(shè)計函數(shù)run_point（），其關(guān)鍵代碼為：</p><p>　　if(P21_sta

25、te()&&(!P22_state())&&(!P23_state())&&P24_state()){motor_motion(13</p><p>　　00,1300,40);}</p><p><b>　　程序流程圖如下：</b></p><p>　　圖3-5 D點---終點流程圖</p

26、><p>　　3.3.3 終點到中心點模塊設(shè)計</p><p>　　終點到中心點循跡過程中，不斷地通過傳感器檢測信號，進行路線修正。當(dāng)?shù)谝淮螜z測到1111信號時，這表示已經(jīng)到達中心點，將檢測次數(shù)i加1。設(shè)計函數(shù)run_middle（）；</p><p>　　模塊程序流程圖如下：</p><p>　　圖3-6 終點—中心點流程圖</p>

27、<p>　　3.3.4 中心點到起始點路線模塊設(shè)計</p><p>　　中心點到終點行駛過程中，不斷檢測信號，進行路線修正，當(dāng)?shù)诙螜z測到1111</p><p>　　信號時，調(diào)用一個死循環(huán)，不停執(zhí)行時小車停止的方法motor_motion(1500, 1500,1)。代</p><p><b>　　碼如下：</b></p&

28、gt;<p><b>　　while(1){</b></p><p>　　motor_motion(1500,1500,1);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　設(shè)計函數(shù)run_back（），其流程圖如下圖： </p><p>　　圖3-6 終點-起始點程序流

29、程圖</p><p>　　第4章 系統(tǒng)調(diào)試與操作說明</p><p>　　本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計中</p><p>　　采用模塊設(shè)計法，所以方便對各電路模塊功能進行逐級測試：單片機控制模塊的調(diào)試、紅外對管尋跡模塊的調(diào)試及電機控制模塊和停車控制模塊的調(diào)試，最后將各模塊組合后結(jié)合軟件進行整體測試。</p>

30、<p><b>　　4.1 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　4.1.1 硬件調(diào)試</p><p>　　將小車組裝完成后，根據(jù)硬件接線圖將各個部件進行連接，然后結(jié)合軟件共同實現(xiàn)，當(dāng)連接單片機與電機控制芯片的I/0加上一定的電平可以實現(xiàn)電機左右轉(zhuǎn)向，前后轉(zhuǎn)向以及停止等功能，同時通過程序延時降低電機轉(zhuǎn)速。</p><p>　　4.1

31、.2 軟件調(diào)試</p><p>　　將編好的程序進行調(diào)試，主要是檢查語法錯誤并確認硬件完整無誤。由于本系統(tǒng)是分</p><p>　　模塊進行程序設(shè)計的，所以調(diào)試時先分模塊進行調(diào)試。如小車旋轉(zhuǎn)程序和軌道修正程序，在調(diào)試時將它放在一個子程序里單獨測試，看其是否能夠完成預(yù)定的功能，如能，測試通過，否則，修改并反復(fù)測試直到通過。</p><p>　　雖然在軟件的調(diào)試過程中，

32、綜合利用了設(shè)定斷點、單步、跟蹤等調(diào)試手段，使得調(diào)試</p><p>　　工作更易進行。但是也出現(xiàn)了一定的問題，如小車速度沒起到明顯效果等等。通過了多次</p><p>　　分離合并，方法得以解決，以及多次修改參數(shù)，達到綜合效果。</p><p>　　4.1.3 軟硬件聯(lián)調(diào)</p><p>　　各功能模塊都調(diào)試通過之后，將各個模塊連接起來與硬件

33、結(jié)合進行聯(lián)合調(diào)試。在進行聯(lián)合調(diào)試時，經(jīng)過反復(fù)的實驗，不斷的來修改參數(shù)來完善結(jié)果。使程序按照要求設(shè)計的要求進行。</p><p>　　4.2 調(diào)試中遇到的問題</p><p>　　在調(diào)試過程中，遇到了不少的問題，其中在進行小車360度旋轉(zhuǎn)時，由于小車旋轉(zhuǎn)的步數(shù)不確定，小車旋轉(zhuǎn)的角度沒有達到360度或者超過了360度，導(dǎo)致傳感器接收到的信號發(fā)生偏差，影響后續(xù)的功能模塊的實現(xiàn)。</p>

34、;<p><b>　　4.3 操作說明</b></p><p>　　將已編好的源程序，在KeilC51中進行編譯生成.hex文件，然后通過ISP下載線和progisp軟件將已生成的.hex文件燒寫到單片機中。當(dāng)燒寫成功后，拔掉下載線，然后在已設(shè)定好的路徑上，擺正小車的位置，打開小車上的開關(guān)。觀察小車是否按照預(yù)定的路徑進行行駛。</p><p><b

35、>　　第5章 總結(jié)和體會</b></p><p>　　本次計算硬件綜合設(shè)計采用的是團隊合作方式進行設(shè)計的，每個成員負責(zé)不同的模塊設(shè)計。每個人都付出了自己的努力，通過這次課程設(shè)計，使我不僅了解團隊合作的重要和強大，</p><p>　　一個人的知識面和精力是有限的，在團隊中每個人都發(fā)揮出自己的力量，當(dāng)將所有人的力量集中起來后，就能將軟件設(shè)計的更完善。</p>

36、<p>　　雖然在硬件綜合設(shè)計期間正在緊張的考研復(fù)習(xí)階段，但是，自己還是堅持獨立完成了自己負責(zé)的模塊，雖然沒有親自進行硬件的設(shè)計，但是通過自己動手編寫程序并和小組成員程序的結(jié)合并調(diào)試成功，自己還是從中學(xué)到了不少東西。</p><p>　　其次，使我明白編寫一個好程序不易，需要不斷調(diào)試和修改，使程序不斷地完善。設(shè)計過程中，我也深刻地認識到程序設(shè)計必須首先分析清楚系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，把業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)化為代碼。其次是

37、不怕麻煩，多次調(diào)試，不斷改進，軟硬件結(jié)合后就具有一定的探究性。在整個過程中我學(xué)會了怎樣將程序植入到芯片里去，怎么燒寫程序。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 沈德金，陳粵初．MCS-51系列單片機接口電路與應(yīng)用程序?qū)嵗本┖娇蘸教齑髮W(xué)出版社,1990</p><p>　　[2] 李華．MCS一51系列單

38、片機實用接口技術(shù)[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社．2003</p><p>　　設(shè)計者： 操時力 </p><p>　　日 期： 2011年12月30日</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　#include <reg52.h></p><p>

39、;　　#include "global.h"</p><p>　　#include "motion.h"</p><p>　　#include "qti.h"</p><p>　　#include "delay.h"</p><p>　　#define ANGLE

40、 50//180轉(zhuǎn)角</p><p>　　#define MID 1500//不動輪速</p><p>　　#define LOW_LEFT 1550//左輪慢速</p><p>　　#define LOW_RIGHT 1450//右輪慢速</p><p>　　#define HIG_LEFT 1700//左輪快速</p>&l

41、t;p>　　#define HIG_RIGHT 1300//右輪快速</p><p>　　void run_stat1(int left,int right){</p><p><b>　　while(1){</b></p><p>　　motor_motion(left, right,1); </p><p>

42、　　if((P21_state()&&P22_state()&&P23_state()&&P24_state())==1)break;</p><p>　　else if((P22_state()&&(!P23_state()))||(P21_state()&&(!P22_state())&&(!P23_state()

43、)&&(!P24_state())))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　motor_motion(1550, 1300,1); //左轉(zhuǎn)修正</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(((!P22_state())&

44、amp;&P23_state())||((!P21_state())&& (!P22_state())&&(!P23_state())&&P24_state()))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　motor_motion(1700, 1450,1); //右轉(zhuǎn)修正</p&

45、gt;<p><b>　　}else{</b></p><p><b>　　continue;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b>

46、;</p><p>　　void run_stat2(int left,int right){</p><p><b>　　while(1){</b></p><p>　　motor_motion(left, right,1); </p><p>　　if(((!P21_state())&&(!P22_

47、state())&&(!P23_state())&&(!P24_state()))==1)break;</p><p>　　else if((P22_state()&&(!P23_state()))||(P21_state()&&(!P22_state())&&(!P23_state())&&(!P24_state()

48、)))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　motor_motion(1550, 1300,1); //左轉(zhuǎn)修正</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(((!P22_state())&&P23_state())||(

49、(!P21_state())&& (!P22_state())&&(!P23_state())&&P24_state()))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　motor_motion(1700, 1450,1); //右轉(zhuǎn)修正</p><p><b>　

50、　}else{</b></p><p><b>　　continue;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　

51、void run_point(int left,int right){</p><p>　　motor_motion(left,right,2);</p><p><b>　　while(1){</b></p><p>　　motor_motion(left,right,1);</p><p>　　if(P21_stat

52、e()&&P22_state()&&P23_state()&&P24_state())break;</p><p>　　else if((!P21_state())&&P22_state()&&P23_state()&&P24_state())break;</p><p>　　else if((

53、P22_state()&&(!P23_state()))||(P21_state()&&(!P22_state())&&(!P23_state())&&(!P24_state())))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　motor_motion(left, right-150,1

54、); //左轉(zhuǎn)修正</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(((!P22_state())&&P23_state())||((!P21_state())&& (!P22_state())&&(!P23_state())&&P24_state()))</p>

55、<p><b>　　{</b></p><p>　　motor_motion(left+200, right,1); </p><p><b>　　//右轉(zhuǎn)修正</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b

56、></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void run_back(){</p><p>　　run_stat1(HIG_LEFT,HIG_RIGHT);</p><p>　　motor_motion(MID-50,MID+50,7); </p><p>　　mo

57、tor_motion(MID,MID-200,ANGLE);</p><p>　　run_stat1(HIG_LEFT,HIG_RIGHT);</p><p>　　motor_motion(HIG_LEFT,HIG_RIGHT,60);</p><p><b>　　while(1)</b></p><p>　　motor

58、_motion(MID,MID,1);</p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　int main(){</p><p>　　run_stat1(LOW_LEFT,LOW_RIGHT);</p><p>　

59、　motor_motion(MID-50,MID+50,7);//后退</p><p>　　motor_motion(MID+200,MID,ANGLE);//右轉(zhuǎn)</p><p>　　motor_motion(HIG_LEFT,HIG_RIGHT,2);//前進</p><p>　　run_stat2(LOW_LEFT,LOW_RIGHT);</p>

60、<p>　　motor_motion(MID-200,MID-200,2*ANGLE);//轉(zhuǎn)360</p><p>　　run_point(LOW_LEFT,LOW_RIGHT);</p><p>　　motor_motion(MID-200,MID-200,ANGLE);//轉(zhuǎn)180</p><p>　　run_back();</p>