多功能智能探测小车 电子信息工程论文

SHANDONG毕业设计说明书多功能智能探测小车学院电气与电子工程学院专业电子信息工程学生姓名学号指导教师2012年6月摘要主控制系统的功能主要是启动小车、电机控制、LCD速度显示。系统主要由红外避障模块、声控模块、光电寻迹、电机驱动及语音播报模块组成。传感器检测控制系统通过各传感器检测引导线将控制信号送入单片机，经单片机判断、处理后，控制驱动电机和舵机的运行状态，以达到控制小车行进方向和速度的目的，使自动装载小车成功避障。动力系统，采用PWM波控制电机与舵机运行状态，同时采用PID方法实现对速度的闭环控制，使智能车系统能平稳的运行。LCD液晶速度显示器实时显示智能车的运行速度。采用AT89C51单片机作为智能小车控制核心。系统能实现对线路进行寻迹，小车可以前进或后退，遇到障碍物可以自行停止并可以实现反向运行，系统可以利用声音控制小车的启停。整个系统小巧紧凑，控制准确，性价比高，人机互动性好。关键词AT89C51单片机；红外避障；线路寻迹；直流减速电机ABSTRACTTHEMAINCONTROLFUNCTIONOFTHESYSTEMISTOSTARTTHECAR,MOTORCONTROL,LCDSPEEDDISPLAYSYSTEMISMAINLYBYINFRAREDOBSTACLEAVOIDANCEMODULE,VOICEMODULE,OPTOELECTRONICSANDMOTORDRIVETRACINGMODULESENSORMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEMTHROUGHTHEGUIDELINESOFTHEVARIOUSSENSORSTODETECTTHECONTROLSIGNALINTOTHEMICROCONTROLLER,MCUJUDGMENT,TREATMENT,ANDCONTROLTHEOPERATIONALSTATUSOFTHEDRIVEMOTORANDSTEERINGINORDERTOACHIEVETHEPURPOSEOFCONTROLOFTHECARMOVINGDIRECTIONANDSPEED,AUTOMATICLOADINGCAROBSTACLEAVOIDANCEPOWERSYSTEMS,PWMWAVECONTROLTHEMOTORANDTHESTEERINGGEARRUNNINGSTATE,WHILEUSINGTHEPIDMETHODTOACHIEVECLOSEDLOOPCONTROLOFSPEED,SMARTCARSYSTEMRUNNINGSMOOTHLYTHELCDSPEEDDISPLAYREALTIMEDISPLAYSPEEDOFTHESMARTCARUSEDASASINGLECHIPSMARTCARAT89C51CONTROLCORESYSTEMCANREALIZETHETRACINGLINES,CARSCANGOFORWARDORBACKWARD,ENCOUNTEREDOBSTACLESCANSTOPANDREVERSEOPERATIONCANBEACHIEVED,THESYSTEMCANUSEVOICETOCONTROLTHESTARTANDSTOPCARCOMPACTTHEENTIRESYSTEMTOCONTROLTHEACCURATE,COSTEFFECTIVE,GOODHUMANCOMPUTERINTERACTIONKEYWORDAT89C51MCUINFRAREDOBSTACLEAVOIDANCE；TRACING；DCMOTORSPEED目录摘要IIABSTRACTIII目录IV第一章引言111课题的目的意义112设计要求113总体设计方案1第二章单元硬件电路设计721光电对管寻迹模块722电机驱动电路的设计823红外避障模块824单片机AT89C51核心模块925RS485接口电路的设计926黑线检测模块电路设计1027红外线发射接收对管11第三章系统软件设计1231主程序流程图1232传感器数据处理及寻迹程序流程13第四章系统的具体设计与实现1441路面检测模块1442LCD显示模块1443测速模块1444控速模块1445复位电路模块1546模式选择模块1547最小系统图16第五章结论18参考文献19致谢及声明20第一章引言11、课题的目的意义智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制其速度，而智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。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一般有两种方案第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，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。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深课堂上学到的理论知识，更能将理论转化为实际运用，为将来打下坚实的基础。12设计要求（1）检测距离小车左右两侧1080CM以内的障碍物，并根据此距离的大小使小车车轮转向不同的角度，以避开障碍物。（2）使小车沿着黑线行走，偏离轨道时，可以自动调整。（3）检测车轮转速，通过比较测速电路测得的实际转速与理论转速的差距，判断小车是在较为平坦的地面行驶，还是在下坡或爬坡。若实际速度小于理论速度，则说明小车在爬坡，此时应增大PWM占空比，增大车轮电机驱动电压来使小车加速，帮助小车爬坡。相反，若实际速度大于理论速度，则说明小车正在下坡，此时减小PWM占空比，减小车轮电机驱动电压来使小车减速，节省功率消耗。通过测速、调速过程，实现小车转速的闭环控制。13总体设计方案（1）主板设计框图如图图1主板设计框图（2）车体设计方案1使用玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。方案2自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，前万向轮起支撑作用。3电机的选择对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本题目要实现对寻迹路线的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。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AT89C51循迹红外对管时钟电路复位电路报警电路电机驱动避障红外对管定位，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，价格比步进电机要便宜好多。我们所选用的直流电机减速比为174，减速后电机的转速为100R/MIN。我们的车轮直径为6CM，因此我们的小车的最大速度可以达到V2RV2314003100/600314M/S，达到设计要求。能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。4电机驱动模块由于电动车采用了前面使用万向轮，两个后轮各一个电机驱动的驱动方式，所以可使电动车旋转360度，这样即使前后方都碰到障碍物的时候，电动车也可以通过在原地不断旋转的方式找到避免撞击障碍物的线路。在电动机的控制上有两种方案可供选择。方案1利用9012、2SC8050、及电机构成驱动电路。如果单片机89C51控制口输出高电平，9012截止，2SC8050截止，电机停止运转。单片机89C51控制口输出低电平时，9012导通，2SC8050导通，电机开始运转。该电路比较简单，输出功率足够大，足以推动电机工作，并且电机工作时三极管性能非常稳定。但该方案中单片机部分和电机供电部分没有完全隔离，而电动机在切换时会产生巨大的反电动势，经常烧坏单片机，功耗很大。方案2利用LM298及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。单片机控制口接LM298的两个输入控制端IN1,IN2。L298的两个输出端OUT12,OUT210接电机。电机转动状态编码左电机右电机1IN11IN22IN12IN2左电机右电机电动车运行状态1010正转正转前行1001正转反转左转1000正转停以左电机为中心原地左转0110反转正转右转0010停正转以右电机为中心原地右转0101反转反转后退1111杀停杀停立刻停止根据上表可知，只要设定两块L298的1IN1,1IN2,2IN1,2IN2四个控制端口的不同编码，就可得到电动车的前进，后退，旋转等不同的运行状态；且L298的最大输出电流为22A，可使电动车快速运行。故采用方案2。5控制器模块方案1采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案2采用16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案3AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，FLASH程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP）。并行编程方式提供了高速的分组编程（页编程）方式，可节省编程成本和上市时间。ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的产生/更新能力实现了ISP的大范围应用从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。6线路跟踪电路方案1采用CCD单色摄像头，配计算机主板及图像采集卡。对白背景下，黑线的识别，目前做的比较成熟，效果相当好。但成本高，很难找到合适的载体。方案2采用颜色传感器。目前颜色传感器的应用，越来越广泛，效果也可以。但几百元的价格及相对复杂的处理电路，并且还需要光源，所以也不是一个很好的选择。方案3采用红外光电发射接收管。该传感器不但价格便宜，容易购买，而且处理电路简单易行，实际使用效果很好，能很顺利地引导小车按规定的线路寻迹。我们选择方案3。第二章单元硬件电路设计21光电对管寻迹模块图2所示电路中，R5（220）起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R9（10K）的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反射回来时，光电对管U2中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。VT1在该电路中起到滤波整形的作用。经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。考虑用比较器的方案，图中可调电阻R1可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。此光电对管电路简单，工作性能稳定。图2光电寻迹检测及放大电路图22电机驱动电路的设计我们采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，驱动电路的设计如图3所示M1OTR2D4PGN5V678EABI0US9L图3L298N驱动电路L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。23红外避障模块通过红外线的发射和接收来检测是否有障碍物的存在，接着对信号的反馈信息交由单片机进行处理。以下是单片机控制的红外检测电路的工作原理及相关的电路园路图由D1发射红外线，D2接收红外信号。由芯片LM567第R、C脚为译码中心频率设定端，一般通过调整其外接可变电阻W改变捕捉的中心频率。图中红外载波信号来自LM567的第5角，也即载波信号与捕捉中心频率一致，这时小车通过的单片机处理的结果是小车沿正确路线行走，这样就能够极大的提高抗干扰特性。保持舵机的运转状态能够稳定。减少外界的非障碍物的干扰。当接收到的红外载波信号和捕捉中心频率一致时，说明不是干扰，LM567的第8OUT角输出低电平。触发三极管的导通状态，使红外发射管发射，采用一体红外接收头接受信号。遇到障碍物时送给单片机一个高电平触发，由单片机进行处理，进而控制电机的运转。红外避障模块的电路原理图如下图4所示图4红外避障电路图24单片机AT89C51核心模块图5基于AT89C51的单片机系统25RS485接口电路的设计AT89C51单片机的串行通信口P30（RXD）和P31（TXD）的电平符合TTL/CMOS标准（逻辑“0”的电平范围为0V08V,逻辑“1”的电平为24V5VVCC）,它们首先通过光电隔离器件6N137隔离，以保护单片机不受传输通道的干扰影响，其中T01和T02是为了增加光隔输入端的驱动能力。光隔6N137的左侧电源与单片机相同，右侧必须采用另一组独立的5V电源，且两组电源不能供电。单片机侧RS485接口电路如图6所示。图6单片机侧RS485接口电路26黑线检测模块电路设计根据红外发射及接收的原理，由于此模块电路与避障模块电路类似，只是此模块使用集红外发射接收一体的ST188作为红外发射和接收装置，电路所用其他器件参数基本一只，因此在此不做详细分析。实际电路如图7所示图7黑线检测模块硬件电路图27红外线发射接收对管红外发射管工作电流一般为100MA左右，使用中长时间超过额定电流工作会造成期间损坏，此电路中限流电阻为220欧，则工作电流5/220为22MA左右；此电路实际测试中，感应距离15CM左右（从液晶上能看到电压变化），此距离为单程距离，从照片中可以看到；如果要增加感应距离，方法有三个一个是加大发射电流（减小限流电阻），二是用单片机定时进行脉冲发射，改变占空比，三是接收电流加三极管放大，提高接收电路灵敏度；此电路所用STC12C5A60S2为1TCPU，具有P1口内部ADC功能，传统51需改时延，并自己增加ADC模块红外线发射接收对管的工作图如图8所示图8红外发射接收管电路第三章系统软件设计31主程序流程图本设计的软件的主程序流程图如图9所示初始化硬件初始化I/0口开前面避障中断扫描前面传感器前面避障是否有中断开后面避障中断扫描后面传感器后面避障是否有中断前进后退开始是否有声音中断停止是否有声音中断停止YN小车目前状态小车目前状态NNYYNY走停走停图9系统软件流程图32传感器数据处理及寻迹程序流程小车循迹时采用4个传感器来检测小车的运行情况根据小车上传感器检测到的结果来调整小车的循迹运行，由单片机来处理检测到得情况，最后给电机发出指令来控制小车寻着正确的路径来走。根据不用方案的比较，我们采用的是将车底的4个光电传感器用一个字节来代表。把这个字节的每一个位用来代表当前传感器的检测状态。最后用用单片机来处理检测到的结果。调整小车的运行状态。根据小车底部的4个光电传感器的检测到的结果，我们把小车沿直线行进时的状态分成三种状态，当车底中间四个光电传感器都检测到白线时，小车在跑道的正上方，这时单片机就控制两电机以相同的速度沿检测到的白线全速运行。当检测到有一个传感器或者同侧的两个传感器偏出白线时，这时小车处于微偏状态，这时通过单片机调节将一个电机速度调慢，将另一电机速度调快，进而完成调整。当传感器检测到有三个电机偏出时，此时的小车处于较大的偏离状态，这时把一个电机的速度调至极低，另一电机全速运行，从而可以在较短时间内完成路线的调整。让小车沿正确的路线行走。用这种通过用检测到的传感器的状态由单片机处理的三种不同级别的调速的寻迹算法同单纯的判断检测到光电对管的位置并作出判断的方法相比而言，由传感器的状态来控制的单片机的程序思路要清晰一些，而且程序执行结果较好。该检测传感器子程序的流程图如图10所示图10传感器信息处理子程序流程图第四章系统的具体设计与实现41路面检测模块路面检测时应用一个金属感应器，将金属传感器安装在车盘下，使之离地的距离略小于或约为四毫米。当金属传感器检测到铁片时将对单片机发送中断信号，由单片机执行中断命令，改变输给电机驱动信号的电压占空比来控制小车的速度。42LCD显示模块在显示模块中采用1602LCD，采用单片机的总线模式连接。同时为节约电源，LCD的背光也用单片机进行控制。图11LCD显示接口电路43测速模块测速模块是通过霍尔元件感应磁铁来产生脉冲当霍尔元件在离磁场较近时输出会是高电平，其它时候是低电平，将每一个车轮均匀放四个小磁铁，计算一秒所得的脉冲数，从而计算出一秒小车轮子转动圈数，再测量出小车车轮周长即可计算出小车当前速度，累加可得到当前路程。再根据总的时间就可以计算出小车的速度。44控速模块由单片机得到的信号来控制电机的运转，即使用小车自身的电机驱动原理图来实现小车的速度控制，控速模块引用小车的电机驱动来实现。45复位电路模块单片机的复位电路通过手动来实现，复位电路图12所示。图1246模式选择模块对单片机中的两个中断口使用和感应铁片、感应速度所使用的中断口一样，通过一个与非门和按钮控制。来实现单片机对小车运转模式的选择，模式选择的原理图13所示图1347最小系统图从电路的整机电路图的实际效果的设计，对智能探测小车的各个部分进行分离设计，在前面章节对小车的各个的模块进行相应的设计和检验，而后对整个系统的设计做出规划，最终得到出小车系统的最小系统原理图，该系统主要用到的是单片机，所以主要的部分是最小系统图，各管脚的连接如图14所示，PA0至PA7端口接有上拉电阻，保证了单片机的正常工作。复位电路的S1为复位按键，可对单片机进行复位操作。复位是单片机的初始化的操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可以使单片机进行复位。复位的主要功能是将单片机初始化为0000H使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常程序以外，由于程序运行出错和操作出错而导致系统处于死锁状态的，为了摆脱死锁状态，也需按复位键来从新启动。系统中还采用振荡电路来实现单片机系统的时钟频率，晶振加电容的主要目的是滤波，这样可以使得晶振输出的波形更加平滑，方便给予单片机适用的信号，至于大小应该是一个经验值，这样的滤波效果最好，上下小幅度改变电容大小对系统影响不大。上电接电容是为了缓冲信号的改变，是保护芯片的设计。加1K电阻是防止VCC直接和地导通造成短路，损坏元器件。是单片机系统在规定的时钟频率下工作，保护单片机的正常工作秩序，从而实现最小系统图的功能。最小系统图实现了单片机本身通过与各单元电路的连接来实现控制整个小车，其中分别将于测速模块、显示模块、电机驱动模块、红外探测模块及循迹模块进行综合，在通讯协议方面采用RS485接口来实现单片机与各部分之间的对话，最小系统图实现了控制系统于各部分之间的连接关系，进而为实现整机电路做出大体上的规划。而后就可以完成整个小车核心部分的设计，进而对小车的整机电路进行完善，最后达到设计要求完成设计。以下是对设计的要求进行分析和检测得到的单片机核心的原理图，原理图中的插座就可以与相应的单元电路进行连接实现智能探测小车的功能要求，最小系统图如下页图中所示图14给出了小车内部的核心的最小系统图。该最小系统图如图14所示图14第5章结论在对智能探测小车进行相关设计时，主要是对小车的整个系统的要求进行拆分，对各个部件的要求进行相应的分析和讨论，在老师的辅导下和同学帮助下，设计的要求通过查找相关的资料进行可行性的分析和研究，最后得出最合理的设计方案，为小车的设计奠定了最重要的基础。通过查找各种资料先对多功能智能探测小车进行初步了解，进而通过对多功能智能探测小车的理解，在此过程中熟悉了51单片机的一些特性、指令系统、程序设计，学习MCS51系列单片机硬件资源的应用、MCS51单片机系统的扩展及接口技术。通过对MCS51单片机的了解和学习对最小系统图的设计做了很好的铺垫，通过查找相关智能小车的资料来规划智能探测小车的工作原理了解了像对小车的各个模块的设计是很重要的，以下给出相应单元电路模块的简单的设计理念，如下1显示模块LCD接口的设计、采用1602LCD，由单片机的总线模式连接。为节约电源，LCD的背光用单片机进行控制。2红外探测避障电路的设计、循迹电路的设计、通过NE555产生一个38KHZ的方波，触发三极管的导通状态，使红外发射管发射，采用一体红外接收头接受信号。遇到障碍物时送给单片机一个高电平触发，进而控制电机的运转。3测速模块的设计通过霍尔元件感应磁铁来产生脉冲当霍尔元件在