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摘 要 本文详细介绍了基于ATmega16为主控芯片的迷宫巡线小车制作方案。采用红外对管实现迷宫巡线小车的信号采集,通过单片机的I/O口将采集的数据输入单片机,单片机利用PID等算法处理采集到的信息后通过输出PWM波对小车电机进行控制。采用L298N芯片作为电机驱动模块的处理芯片,配合单片机的控制处理并加之以成熟的软件算法,可实现对小车的实时控制。
关键词 ATmega16;红外对管;PID算法;PWM波;实时控制
中图分类号:TP368 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2013)14-0015-02
随着现代科技的不断发展,汽车产业领域也发生着翻天覆地的变化,各类科技应用齐上,诸如超声波避障,雷达测距,红外对管循迹,视频循迹等应有尽有。智能车概念被广泛提出给汽车产业带来了机遇也带来了挑战。未来必将是智能化的时代,是科技大融合的时代,基于红外对管巡线的巡线小车作为智能车循迹的一种重要方式,以其高直观性,高准确性必将在未来的科技领域占领一席之地。在这样的大背景下研究基于红外对管巡线的巡线小车具有深远的意义。
1 原理概述
本系统主要以ATmega16单片机为控制核心。采用TCRT5000(反射式光电传感器)采集信号,将实际路径信号转换成电信号并传递给控制模块。单片机处理路面信息后通过输出的PWM波来控制后轮两电机的转速,从而控制后面万向轮的转向。
2 硬件设计
2.1 信息采集模块
本系统采用TCRT5000红外光电传感器来构件信号采集模块。TCRT5000红外光电传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成,输出信号经过施密特电路整形后,稳定可靠。
2.2 数据处理控制模块
本系统采用的是ATmega16单片机作为主控芯片,ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
2.3 电源稳定模块
本系统采用的是LM7805来给系统提供稳定的5V直流电源,LM7805用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如lm7806表示输出电压为正6 V,lm7909表示输出电压为负9 V。
2.4 驱动模块
L298N是ST公司生产的一种高电压,大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是:工作电压高,最高工作电压可以达到46 V,输出电流大,瞬间峰值电流可达3 A,持续工作电流为2 A,额定功率25 W。
3 软件设计
本系统只能在软件下才能运行,单片机自上电后,启动复位键开始运行程序。程序先进行单片机所需端口,定时器0、1的初始化。接着将信息采集模块所采集到的信息经过运算放大器后每隔一段时间(定时器0溢出中断)比较放大输入到单片机I/O口。然后处理采集到的信息,得到一个返回值,作为增量式PID函数的输入,根据PID得到的不同结果设置两个电机对应的PWM波的占空比,即改变其匹配值,从而改变小车的运动状态,达到调节的作用。
PID控制算法:
1)PID是比例、积分、微分的缩写,将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,用这一控制量对被控对象进行控制。PID分为位置式PID和增量式PID。位置式PID是累积过去的所有误差,而增量式PID是累积本次和前两次的误差。本项目为了消除误差,累积的误差不能太大,所以使用了增量式PID,并且主要使用了比例运算P。
2)增量式PID控制算法公式为:
△U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)
A=Kp(1+T/Ti+Td/T);B=Kp(1+2Td/T);C=Kp(Td/T);△U(k):控制量的增量;e(k):控制器输入与设定值之间的误差;KP:比例系数;Ti:积分时间常数;Td:微分时间常数;T:调节周期。
4 总结
本文介绍了基于ATmega16单片机为控制核心迷宫巡线小车的系统设计方案。通过红外对管时时采集路况信息,利用单片机处理采集的信息,以PWM波的形式输出控制信号对直流电机进行控制。通过对路径算法的研究,实现了小车巡线走迷宫的功能。
参考文献
[1]康华光.模拟电子技术基础.华中科技大学[M].高等教育出
版社.
[2]江海波,王卓然,耿德根.深入浅出AVR单片机[M].中国电力出版社.
[3]张军,宋涛.AVR单片机C语言程序设计[M].电子工业出
版社.
[4]谭浩强.C语言程序设计[M].清华大学出版社.
[5]http://wenku.baidu.com/view/9b4ed13a87c24028915fc3c9.html.智能迷宫小车设计方案.百度文库.
关键词 ATmega16;红外对管;PID算法;PWM波;实时控制
中图分类号:TP368 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2013)14-0015-02
随着现代科技的不断发展,汽车产业领域也发生着翻天覆地的变化,各类科技应用齐上,诸如超声波避障,雷达测距,红外对管循迹,视频循迹等应有尽有。智能车概念被广泛提出给汽车产业带来了机遇也带来了挑战。未来必将是智能化的时代,是科技大融合的时代,基于红外对管巡线的巡线小车作为智能车循迹的一种重要方式,以其高直观性,高准确性必将在未来的科技领域占领一席之地。在这样的大背景下研究基于红外对管巡线的巡线小车具有深远的意义。
1 原理概述
本系统主要以ATmega16单片机为控制核心。采用TCRT5000(反射式光电传感器)采集信号,将实际路径信号转换成电信号并传递给控制模块。单片机处理路面信息后通过输出的PWM波来控制后轮两电机的转速,从而控制后面万向轮的转向。
2 硬件设计
2.1 信息采集模块
本系统采用TCRT5000红外光电传感器来构件信号采集模块。TCRT5000红外光电传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成,输出信号经过施密特电路整形后,稳定可靠。
2.2 数据处理控制模块
本系统采用的是ATmega16单片机作为主控芯片,ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
2.3 电源稳定模块
本系统采用的是LM7805来给系统提供稳定的5V直流电源,LM7805用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如lm7806表示输出电压为正6 V,lm7909表示输出电压为负9 V。
2.4 驱动模块
L298N是ST公司生产的一种高电压,大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是:工作电压高,最高工作电压可以达到46 V,输出电流大,瞬间峰值电流可达3 A,持续工作电流为2 A,额定功率25 W。
3 软件设计
本系统只能在软件下才能运行,单片机自上电后,启动复位键开始运行程序。程序先进行单片机所需端口,定时器0、1的初始化。接着将信息采集模块所采集到的信息经过运算放大器后每隔一段时间(定时器0溢出中断)比较放大输入到单片机I/O口。然后处理采集到的信息,得到一个返回值,作为增量式PID函数的输入,根据PID得到的不同结果设置两个电机对应的PWM波的占空比,即改变其匹配值,从而改变小车的运动状态,达到调节的作用。
PID控制算法:
1)PID是比例、积分、微分的缩写,将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,用这一控制量对被控对象进行控制。PID分为位置式PID和增量式PID。位置式PID是累积过去的所有误差,而增量式PID是累积本次和前两次的误差。本项目为了消除误差,累积的误差不能太大,所以使用了增量式PID,并且主要使用了比例运算P。
2)增量式PID控制算法公式为:
△U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)
A=Kp(1+T/Ti+Td/T);B=Kp(1+2Td/T);C=Kp(Td/T);△U(k):控制量的增量;e(k):控制器输入与设定值之间的误差;KP:比例系数;Ti:积分时间常数;Td:微分时间常数;T:调节周期。
4 总结
本文介绍了基于ATmega16单片机为控制核心迷宫巡线小车的系统设计方案。通过红外对管时时采集路况信息,利用单片机处理采集的信息,以PWM波的形式输出控制信号对直流电机进行控制。通过对路径算法的研究,实现了小车巡线走迷宫的功能。
参考文献
[1]康华光.模拟电子技术基础.华中科技大学[M].高等教育出
版社.
[2]江海波,王卓然,耿德根.深入浅出AVR单片机[M].中国电力出版社.
[3]张军,宋涛.AVR单片机C语言程序设计[M].电子工业出
版社.
[4]谭浩强.C语言程序设计[M].清华大学出版社.
[5]http://wenku.baidu.com/view/9b4ed13a87c24028915fc3c9.html.智能迷宫小车设计方案.百度文库.