避障智能小车创新训练

智能小车课程设计INTELLIGENTVEHICLEDESIGNCOURSE设计课题避障智能小车创新训练专业班级测控0901时间2013年3月摘要本次毕业设计分为四个模块电源模块、路面检测模块、单片机最小系统、电机驱动模块。电源模块是采用12V电源双路供电，一路直接供给电机，一路经过稳压电路输出5V电源给LM324、单片机和L298N。路面检测模块主要通过碰撞传感器、红外传感器、超声波传感器和火焰传感器实现路面检测及行走。单片机最小系统是满足单片机工作的系统。电机驱动选择的是驱动芯片L298直接驱动两个直流减速电机，并采用PWM调节速度，达到两个电极不同速度，从而控制小车的行驶速度。关键词单片机电源路面检测电机驱动PWMABSTRACTTHISGRADUATIONDESIGNISDIVIDEDINTOFOURMODULESTHEMODULEPOWERSUPPLYMODULE,PAVEMENTDETECTIONMODULE,MCUMINIMUMSYSTEM,MOTORTHEPOWERSUPPLYMODULEISTHEUSEOF12VSUPPLYDUALPOWERSUPPLY,ADIRECTSUPPLYMOTOR,ANOUTPUTVOLTAGESTABILIZINGCIRCUIT5VPOWERSUPPLYTHROUGHTHELM324,MCUANDL298NTHEROADDETECTIONMODULEMAINLYTHROUGHTHECOLLISIONSENSOR,INFRAREDSENSOR,ULTRASONICSENSORANDFLAMESENSORTOREALIZETHEROADDETECTIONANDWALKINGTHESMALLESTSINGLECHIPSYSTEMISSYSTEMSATISFIESTHEMONOLITHICCOMPUTERWORKTHEMOTORDRIVEISTHECHOICEOFDRIVECHIPL298DIRECTDRIVETWODCGEARMOTOR,ANDUSEPWMTOADJUSTTHESPEED,UPTOTWOELECTRODESOFDIFFERENTSPEED,SOASTOCONTROLTHECARSSPEEDKEYWORDSINGLECHIPMICROCOMPUTERPOWERSUPPLYPAVEMENTDETECTIONPWM目录摘要2目录31引言411智能小车的意义和作用412智能小车的现状513论文各部分的主要内容52模块设计621电源模块622电压比较器模块623控制电机模块624电机驱动模块725主控制芯片模块826传感器模块83硬件电路的设计1131总体装配图1132接线说明1233STC控制板144软件设计1541PWM1542开发软件165总体调试186致谢187参考文献201引言11智能小车的意义和作用自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVGAUTOGUIDEVEHICLE）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。12智能小车的现状智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几届的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现碰撞避障、红外避障、避崖、灭火功能。13论文各部分的主要内容第1章对智能小车意义和作用、现状进行简单阐述。第2章介绍了各模块的设计，包括电源模块、传感器模块。第3章阐述了智能小车系统的硬件电路的设计，其中包括总体说明图、接线说明、STC控制介绍等。第4章首先介绍了该系统的软件编程，以及程序调试过程中所用到的程序调试软件及其调试环境。最后总结部分说明了本论的主要内容，举出了在系统测试过程中所发现的问题，并提出了可能的解决方案。2模块设计21电源模块方案1采用单电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响单片机的性能，稳定性比较弱。方案2采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起来，唯一的缺点就是会增加小车的重量。综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案。22电压比较器模块市场上可以做电压比较器的运放，实在是太多，根据实验室现有条件以及器件选择经济并且能满足使用要求的原则，本次电压比较器选择实验室现有的LM324，此器件价格便宜，并且带有真差动输入的四运算放大器。23控制电机模块方案1采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2采用小型直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。为了能够较好的满足系统的要求，我们选择了方案2。24电机驱动模块方案1采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案2采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案3采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路如图A。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N如图B。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、超载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。AH型桥式电路BL298N实物图25主控制芯片模块方案1可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。方案2选用51系列的单片机，AT89S52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比ARM低。根据自己的知识能力，实验室现有条件，选用STC89C52RC单片机作为本次毕业设计的主控芯片，而且此芯片烧程序也不需要专用的下载器，另一方面节省了成本，只要安装USB转串口驱动，在普通的计算机上就可以烧写程序，很方便。26传感器模块1碰撞传感器碰撞传感器有机电开关式、电子开关式和水银开关式3大类型。常用的机电开关式碰撞传感器有滚轴式、滚球式和偏心锤式。本机器人采用开关式碰撞传感器，它利用机械运动来控制触点的开合，触点的断开或闭合则通过上层板控制电机的运转。2红外传感器红外线反射传感器是利用红外线反射的原理，根据反射的强度来判定前方障碍的有无。在距离适中的时候测量精度很高。由于使用的是红外线，所以抗干扰能力很强。这样更加确保了机器人的稳定性。一般可以制作料位液位计、报警器、自动门、倒车防撞仪、玩具等。3超声波传感器基本工作原理（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10US的高电平信号；（2）模块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离（高电平时间声速（340M/S）/2。4火焰传感器火焰模块，是能够测量可见光、红外光强弱的电子部件。接口线，由四条线组成黑色线地线红色线电源线（5V）黄色线信号线，用于测量红外光值棕色线信号线，用于测量可见光值火焰模块主要用于测量环境光的强弱。3硬件电路的设计31总体装配图32接线说明1、车体划分如下图，图口已标出车头，左右轮，左右电机的划分2、主控板电机控制信号接口由于车体采用的是直流电机，所以我们需要一个直流电机驱动板，主控输出控制信号给驱动板即可，接线如下图3、驱动板简介驱动板电源与控制板电源直接相连4、驱动板电源及电机接线如下图33STC控制板电源接口电源指示灯电源开关ISP下载接口串口下载接口5VGND51复位键AVR复位键P1口P3口P374VAVR复位51复位P35V12M晶振11M晶振P274VP25VP074VP05VP174VP15VP0口P2口MCU4软件设计在进行单片机控制系统设计时，除了系统硬件设计以外，大量的工作就是如何根据系统每一个现象或者作用设计应用程序。因此，软件设计在单片机控制系统设计中占有重要的地位。对于本系统，软件更为重要。本次软件设计需要完成以下两个任务。1单片机根据传感器I/O口的输入状态，来相应的执行判断程序，来达到小车的前进，后退，停止；2单片机两个I/O口同时产生两个占空比不相同的方波，来控制小车电机的车速，来达到小车的左转弯、右转弯；为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实际上就是完成一定功能，相对独立的程序段，这中程序设计方法叫做模块化程序设计法。模块化程序设计方法的主要优点是1、单个模块化起一个完整的程序易编写及调试；2、模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；3、模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。41PWM脉冲宽度调制PWM，是英文“PULSEWIDTHMODULATION”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面,如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加；电机断电时,速度逐渐减少。只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。42开发软件1、KEILCKEILC的软件界面如下2、STC_ISP_V35软件的操作界面如下5总体调试（1）测试仪器及方法测试仪器包括数字万用表，示波器，直流稳压电源等。数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数；示波器用于测试PWM输出口的波形。直流稳压电源主要用来给系统提供精准的电压源。（2）注意事项此设计是单片机应用系统的开发性实验。通过此设计可知在单片机系统开发过程应注意以下事项1）硬件的选择。选择适合设计目地的元器件是一个重要的方设计环节。不能以元器件是否是最高性能作为选择元器件的标准。往往高性能器件的价格也是较高的。应根据项目设计的需要选择元器件，能够满足设计需要作为标准选择元器件。2）因为单片机系统设计是硬件和软件相结合的设计，所以系统和硬件和软件必须紧密配合，协调一致。应不断调整硬软件设计，以提高系统工作效率。（3）问题及解决通过多次调试，发现小车有以下几方面的问题1）自制导线不合格。究其原因，一方面是对压线钳的熟练及合理运用方面不够灵活，另一方面是对专业基本功掌握不够。2）程序逻辑方面不够严谨，导致在行驶过程中不按预期的路线去行驶。究其原因，一方面由于电路自身缺陷导致程序有误，另一方面由于C语言掌握不够，需要加强。针对以上问题，改进方案如下（1）解决方案先用万用表对自制导线进行测量，检测合格则使用。（2）解决方案先对程序进行软件调试，进行单步运行，软件调试成功在进行硬件调试，最终实现预期要求。6致谢历时几个月的毕业设计已告一段落。进过自己不断的搜索努力以及孙老师的耐心指导和热情帮助，本设计已经基本完成。在这段时间里，孙老师严谨的治学