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基于STC12C5A60S2单片机及PID控制算法的气味循迹车设计

2018年02月06日 18:19 次阅读

气味源的循迹是目前的研究热点之一,在以后的日常生活以及生产方面有着较为广泛的运用。本文介绍了一种基于 STC12C5A60S2单片机设计的简便智能气味循迹小车。采用两个气味传感器,根据浓度差判断气味流向,并通过PID算法控制舵机打出偏角,使小车循着气味行走。整个硬件模块的设计结构简单灵活,通过实验仿真,在室内时变气流场的环境下,该小车能达到气味循迹要求。

气味循迹可以从事寻找有毒有害气体泄漏源、寻找爆炸源等相关工作,受到科研人员高度关注,发展十分迅速。同时,随着人们日常生活智能化程度的增强,具有智能控制系统的小车、机器人层出不穷,而这些智能体将在未来工业生产和日常生活中扮演更重要的角色。智能车,是一种能感知环境和自动有目的地行驶的综合系统。我们也可以这样认为,智能车也是智能机器人的一种形式,它的双腿我们用轮子代替,因而更加简单实现和控制。

耗时长、跟随性能差是当下智能气味循迹车在循迹过程中普遍存在着的情况。本文介绍的智能气味循迹车的控制核心是STC12单片机,能自动感知附近特定的气味,并应用

PID算法调节舵机,控制方向遵循气味来向前行,实验结果显示能有效缩短循迹时间,改善智能车的跟随性能。

1 硬件系统及其工作原理

1.1 硬件系统设计

智能车的系统(图1)的组成模块有:电源模块(变压稳压)、控制处理模块、传感器模块(探寻气味)、转向控制模块、电机驱动模块和状态显示模块等。控制处理模块为STC12 C5A单片机,由ULN2003APC驱动电机,采用后轮驱动,舵机由单片机直接控制,而舵机控制前轮转向。部分电路图(图2)和电路板实物图(图3)如下。

a.jpg

b.jpg

1.2 工作原理简介

本设计中,智能小车先由气味传感器感知两个方向的气味浓度,传送给单片机的AD口,由单片机进行判断,判断两个方向的浓度高低,然后通过PID算法,控制舵机打出偏角,跟随轨迹前行。

c.jpg

2 芯片配置及其功能

2.1 单片机STC12C5A60S2介绍

STC12C5A60S2引脚图如图4所示。

此单片机具有如下配置:RAM拥有1 280字节,具备40个通用I/O口,复位后为准双向口/弱上拉。具有EEPROM、看门狗功能。5.0 V单片机为:11~17 MHz,3.3 V单片机为:8~12 MHz。Power Down模式可由外部中断唤醒,INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCPO/P1.3,CCPO/P1.3。

双串口,RxD2/P1.2,TxD2/P1.3。

气味传感器是气味循迹小车的关键模块,气体感应的准确性关系着小车最终能否寻找到气味源。本实验采用一个MS5100传感器。MS5100通电后,圆圈内的金属化合物能感知特定气味,其电阻随气味浓度升高而降低,则增大,输送给单片机的AD口,因为单片机能判断此气味传感器所处位置的气味浓度。(电路图如图5)

d.jpg

2.2 舵机模块

本设计中舵机(图2中舵机部分)采用PWM信号(脉宽调制信号)作为控制信号,控制周期为20 ms,拥有0.5~2.5 ms的脉冲宽度,以及0~180度的舵盘偏移角度,呈线性变化。也就是说,给它提供一定的脉宽,它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上,无论外界转矩怎样改变,直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号,它才会改变输出角度到新的对应的位置上。

2.3 电机驱动模块

由于单片机提供的电流无法直接驱动小车上的直流电机,故本设计采用外接驱动芯片达林顿管,即ULN2003作为电机驱动(图2中电机驱动部分),控制电机转动。此芯片能承受较高的工作电压和电流,采用编程产生有序的PWM波,对电机进行控制,能达到速度可调的效果。

2.4 指示灯显示模块

本设计中采用发光二极管,将将传感器的采集结果直接输出,可直观了解到各个传感器的工作情况。通过对观察传感器工作情况与的行驶小车状态,可判断小车是否正常工作。

e.jpg

2.5 电源模块

本设计中单片机、电机驱动等元器件的正常工作均需要稳定的电压,因此采用LM7805和LM7806并配上稳压滤波电路分别将干电池的电源直接变压成5 V和6 V的直流电源,来提供单片机、舵机、电机等元件工作所需电源。

f.jpg

3 实验

智能车追踪气味源的关键在于快速地分析气味的流向,并迅速准确地控制舵机打出偏角。然而在连续转弯时,由于曲率变化过大,加上小车具有一定的速度,舵机响应又需要一定的时间,所以在实际中经常出现小车来不及掉头而随意冲撞的情况。本设计中采用PID算法来控制舵机转向,在智能车对气味的跟随性能上有明显改善,能实现快速准确地控制(图8)。PID算法公式:

g.jpg

其中:Kp为比例控制参数;

KI为积分控制参数;

KD为微分控制参数。

h.jpg

C语言是实验的主要编程语言,上述PID算法代码可用下面语句实现:

PID_out=(servo_P*error_history[2]//比例

+servo_I*error_sum/10//积分

+servo_D*(error_history[2]-error_history[1])//微分

)/10;//这里的能将小数计算转换成整数计算,以减轻单片机的负担

4 结束语

本设计系统的主控模块采用的STC12C5A60S2单片机,可以将气味传感器输入的模拟量通过AD转换转换成数字量从而使运算更加简便,加上合适的 PID运算,能对舵机进行较为准确的控制,从而能够达到智能车跟随气味行走的目的。本方案系统设计合理有序。不足的地方就在于传感器的灵敏度,本设计需要传感器能较为准确地判断比较两个传感器所处位置的浓度差,而一般的传感器不能很好的达到这一要求。本实验最终的结果实现了智能小车对气味的感知,并能寻找高浓度的方向。通过对智能气味循迹车添加PID算法控制的实验证明:添加算法后,小车循迹更加迅速准确,有较强的适应能力。

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C语言基本知识点和编程规范详解

局部变量,不加说明默认为auto型,即动态存储,如果不赋初值,将是一个不确定的值。而将局部变量定义为...

发表于 2018-03-29 09:21 152次阅读
C语言基本知识点和编程规范详解

怎样才能快速学习8051单片机呢

学习单片机,你不能没有一本纸质的教程,到本地的书店挑选或便宜的可以到卓越、当当网掏一掏。有了教程能更...

发表于 2018-03-29 09:16 298次阅读
怎样才能快速学习8051单片机呢

关于51单片机的电容、电感、频率测量仪(LCF表...

大体测量范围电感测量范围: 0.1μH-----1H小电容测量范围: 1pF----2....

发表于 2018-03-28 17:00 663次阅读
关于51单片机的电容、电感、频率测量仪(LCF表...

一文看懂单片机排阻的作用

本文开始介绍了排阻的阻值读取方式,其次介绍了排阻的作用和排阻的引脚说明,最后介绍了51单片机最小系统...

发表于 2018-03-28 10:29 149次阅读
一文看懂单片机排阻的作用

以太网控制器ENC28J60配置单片机“电子邮差...

为简化系统设计,本系统采取直接发送16×16LED点阵数据的方法,此方法可以去除单片机汉字点阵库的设...

发表于 2018-03-27 10:03 126次阅读
以太网控制器ENC28J60配置单片机“电子邮差...

基于单片机的智能环境数据采集小车系统设计

本文主要一个基于单片机的智能环境数据采集小车系统的设计,能实现环境温湿度的采集、发送、接收、处理、显...

发表于 2018-03-27 00:45 208次阅读
基于单片机的智能环境数据采集小车系统设计

单片机串行接口工作方式

串行口的工作方式0为移位寄存器输入输出方式,方式0发送或接收完8位数据后由硬件置位发送中断标志TI或...

发表于 2018-03-26 16:22 557次阅读
单片机串行接口工作方式

atmega48单片机特性 atmega48的低...

atmega48单片机低功耗系统设计首要是选择合适的单片机。atmega48单片机是一款8位微控制器...

发表于 2018-03-26 15:48 91次阅读
atmega48单片机特性 atmega48的低...

多级操作菜单显示系统设计

本文旨在提供一个轻量级的单片机多级菜单实现方法,以较少的系统资源消耗和简单方便的方法完成菜单设计。考...

发表于 2018-03-26 15:07 82次阅读
多级操作菜单显示系统设计

单片机5V转3.3V电平的19种方法技巧

在选择 LDO 时,重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数...

发表于 2018-03-26 14:51 859次阅读
单片机5V转3.3V电平的19种方法技巧

基于Atmega 8单片机的车辆加速减速PID控...

本文介绍的汽车自动巡航控制系统可以有效地减轻驾驶员的疲劳,避免交通事故,并利于环保。当在高速公路上长...

发表于 2018-03-26 14:50 176次阅读
基于Atmega 8单片机的车辆加速减速PID控...

基于C8051F023单片机的OLED显示实现设...

本文利用单片机C8051F023作为128×64单色OLED的控制核心器件,采用的是维信诺公司的一款...

发表于 2018-03-26 14:47 121次阅读
基于C8051F023单片机的OLED显示实现设...

基于STM32F103VCT6单片机的微位移控制...

根据微位移控制系统的设计要求,首先应保证控制系统的定位精度,其次应尽量做到结构简单,成本低,操作简便...

发表于 2018-03-26 14:39 211次阅读
基于STM32F103VCT6单片机的微位移控制...

单片机怎么学快?快速学单片机方法

当前的单片机种类很多,但是 51 是最基础的,因此单片机的学习最好也是从 51 开始,不仅容易上手,...

发表于 2018-03-26 08:53 317次阅读
单片机怎么学快?快速学单片机方法

你该了解的单片机复位电路

影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分:射频干扰,电源线或电源内部产生的干扰

发表于 2018-03-23 16:03 770次阅读
你该了解的单片机复位电路

51单片机程序执行流程详细分析

由于本次进入指令寄存器中的内容是74H(操作码),以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到...

发表于 2018-03-21 17:40 868次阅读
51单片机程序执行流程详细分析

这21个晶振难题弄清单片机就好懂了

有关51单片机有关晶振的问题一并总结出来,希望对学51的童鞋来说能有帮助

发表于 2018-03-21 16:18 702次阅读
这21个晶振难题弄清单片机就好懂了

超详细的C语言运算符优先级

每当想找哪个运算符优先级高时,很多时候总是想找的就没有,真让人气愤!现在,终于有个我个人觉得非常全的...

发表于 2018-03-20 17:00 445次阅读
超详细的C语言运算符优先级

51单片机模拟串口的三种方法

随着单片机的使用日益频繁,用其作前置机进行采集和通信也常见于各种应用,一般是利用前置机采集各种终端数...

发表于 2018-03-20 16:52 626次阅读
51单片机模拟串口的三种方法

单片机技术在电阻焊中的应用

电阻焊一般是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化...

发表于 2018-03-20 15:44 352次阅读
单片机技术在电阻焊中的应用

浅谈金箔定位系统中单片机的作用

随着物质文化生活水平的提高,人们对于包装、装饰材料的要求也越来越高,只有将计算机控制引入到模切烫金机...

发表于 2018-03-20 11:24 110次阅读
浅谈金箔定位系统中单片机的作用

89C51单片机的工作方式与工作原理

除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需按复...

发表于 2018-03-20 11:01 606次阅读
89C51单片机的工作方式与工作原理

关于单片机89C51指令汇集

1.数据传送指令汇总 2.算术运算类指令汇总 3.控制转移类指令汇总 4.逻辑运算指令汇总 5.布...

发表于 2018-03-20 10:53 133次阅读
关于单片机89C51指令汇集

基于单片机的电动模型汽车自动控制系统设计

全国大学生电子设计竞赛中的C题,要求设计一个以 单片机 为核心器件实现对行驶中的 电动模型汽车 自动...

发表于 2018-03-20 10:43 225次阅读
基于单片机的电动模型汽车自动控制系统设计

电子研发低成本方案导致的灾难性后果

当时国内从事动态密码器研发生产的公司并不多,而能拥有自主知识产权的公司更少。公司创始人是剑桥大学毕业...

发表于 2018-03-20 08:42 531次阅读
电子研发低成本方案导致的灾难性后果

单片机资源少,不能拒绝RTOS

不要拒绝RTOS!

发表于 2018-03-19 15:10 410次阅读
单片机资源少,不能拒绝RTOS

逐次逼近型ADC的原理

逐次逼近式AD转换器与计数式A/D转换类似,只是数字量由“逐次逼近寄存器SAR”产生。SAR使用“对...

发表于 2018-03-19 13:51 427次阅读
逐次逼近型ADC的原理