基于PID控制算法的气味循迹车设计

摘要：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。

关键词：单片机;PID;气味;循迹小车

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。

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。

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)

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。

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。

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：

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。

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_