智能壁障小车设计报告书

1、设 计 说 明 书科学实践课程设计设 计 题 目 智能避障小车设计 所 在 系 信息与机电工程系 姓 名 学 号 指 导 老 师 专 业 年 级 电气工程及其自动化2009级 2012年5月19 日智能避障小车 摘要：利用三个（左、中、右）红外对管检测障碍物，并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动避障的功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。关键词：小车；STC89C52单片机；红外对管；L293D等。 一 引言 1.1智能壁障小车的意义和作用 随

2、着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。现在智能小车（机器人）得到很多人的关注和追捧，市场上五花八门的小车控制板和机器人控制板，价格昂贵，硬件自己动手的机率小，都是成品模块，学习电子应该先硬件后软件，这样你很快就能学会电子，我们的智能小车控制板可以搭载很多单片机和各种模块，接下来我会详细给大家介绍我们的智能小车控制板使用极其其他参数。利用红外对管检测障碍

3、物，并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。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。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。1.2、 参数指标 A. 充电输入电压 10-12V。 B. 充电电压 最大8.4V 。 C. 5V 输出最大电流 2A 。 D. 电机驱动电流最大 1.2A （2 个电机。1.3 、主要功能 A.控制2

4、个直流电机。 B.可使用红、绿、蓝三种核心来控制此板。 C.可给2节4.2V 锂电池串起来充电。 D.可输出5V 2A 的电压和电流。 E.可接其他5V TTL 模块和串口通讯模块。1.4智能小车的现状现智能小车发展很快，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。我此次的设计主要实现避障这个功能。由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。二 方案设计与论证根据要求，确定如下方案：在黄色塑料板上打孔，做出一个车底的形状，将电路板用螺丝固定在塑料板上，以及车轮还有两个电机装在左右车轮的附近，根据电路原理图，将电路接线。将A

5、T889C52单片机装在小车的中间部位，这样看上去甚是美观，大方！由于考虑到小车用的电较多，所以此次我们采取了2节4.2V 锂电池串起来充电，这样就解决了小车在跑的时候没电的困扰。根据黄色塑料板上做的小车的底板的基础上，加装光电检测器，实现对小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对小车的智能控制。这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。 2.1 主控系统根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案一

6、：选用一片CPLD（如STC89C52）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二： 采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，

7、单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，AT89C52单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了AT89C52单片机作为本设计的主控装置，52单片机具有功能强大的位操作指令。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。2.2 电机驱动模块小车的驱动模块的核

8、心是H桥驱动电机组成的L293D芯片。相关元器件如下：元器件数量L293D芯片1片直流电机2个电阻若干杜邦线若干单排插针若干IN4007型号二极管8个锂电池4.2V两块直流电机驱动模块设计L293D是著名的SGS公司的产品。为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。引脚和输出引脚的逻辑关系ENA(B) IN1(IN3)

9、 IN2(IN4) 电机运转情况 H H L 正 转 H L H 反 转 H 同IN2(IN4) 同IN2(IN4) 快速停止 L X X 停止 L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，调试通过。 图 直流电机驱动电路图 电机驱动原理图 2.3 避障模块方案一：采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。

10、方案二：采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的几率很小，所以最终未采用。方案三：采用一只红外对管置于小车中央。二只红外对管分别置于小车的前端两侧其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，这样就可以确定小车在水平方向上不会与障碍物相撞，也易让小车做出精确的转向反应。通过测试方案三就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。(参考文献5) 通过比较我采用方案三。2.4 机械系统本设计要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动系

11、统具备以上特点。驱动部分：由于直流电机功率较小，而小车上装有锂电池、2个电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动，且运动平稳。电池的安装：将电池放置在车体的电机上面位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。简单，而三轮运动系统具备以上特点。2.5电源模块方案一：采用2节4.2V 锂电池串起来充电。方案二：采用4支1.5V电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。方案三：采用8支1.5V电池双电源分别给单片机与电机供电。因为方案一我们采取了2节4.2V 锂电池串起来充电，这样就解决了小车在跑的时候没电的困扰。我选择了方

12、案一来实现供电。图8：稳压电源电路三 硬件设计3.1总体设计智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用。将避障光电对管分别装在车体上的左、中、右。当车身上左边的光电探测器检测到障碍物时，主控芯片控制电机，将左轮前进，右轮后退，当车身上右边的光电探测器检测到障碍物时，主控芯片控制电机，将左轮后退，右轮前进，避障的原理和循线一样，在车身上装三个光电对管，分别置在车上的左、中、右，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号并控制车子倒退以及左右转向，从而避开障碍物。3.2小车设计图：主要元件清单：元件数量元件数量元件数量

13、直流电机2只电阻若干集成电路芯片若干STC89c52 单片机1 块二极管若干电容若干光电红外对管3只4.2V 锂电池2块LED灯5个电机控制芯片2个 按键开关 6*6*5mm 轻触开关一个双头1P胶壳 长20CM 彩排线20根间距2.54mm 单排排针 单排针若干USB转串口下载线 STC下载线 ARDUINO下载线 CP2102一根智能小车底盘一个3.3驱动电路（参考文献4、6）电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度，起停。其引脚图如，驱动原理图如图。图 L293D引脚图

14、 图 电机驱动电路3.4主控电路本模块主要是对采集信号进行分析，同时制电机速度、起停、以及转速，其电路图如图。图 主控电路四 软件设计4.1电机驱动程序void goahead()s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;void goback()s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;void turnleft()s3=1;s4=0;void turnright()s1=1;s2=0;void stop()en1=0;en2=0;4.2避障模块避障框图：开始前进1号信号灯是否亮？2号信号灯是否亮？3号信号灯是否亮？2，3不亮，1亮左转1，3不亮，2亮后退1，2不亮，3亮右转1号，2号，3号，灯

15、全不亮，小车直线前进1号，2号，3号，灯全亮， 小车停止避障程序：#include #defineuchar unsigned char #define uint unsigned intuchar ma,mb,mc;sbit in=P35; /ir 左sbit in1=P11; /ir 中sbit in2=P36; /ir 右sbit out1 = P12 ; /mot1sbit out2 = P13 ; /mot2sbit out3 = P14 ; /mot3sbit out4 = P15 ; /mot4sbit key1 =P17;sbit key2 =P11;sbit key3 =P1

16、6;uchar zhuangtai1 ,zhuangtai2,zhuangtai3; void delay(uint t) /延时程序1 uchar j; while(t-)for(j=1;j0;j-); void you() /you out1=0; out2=1; out3=0; out4=1;void zuo() /zuo out1=1; out2=0; out3=1; out4=0;void qian() /前进 out1=1; out2=0; out3=0; out4=1;void hou() /后退 out1=0; out2=1; out3=1; out4=0; void ting

17、() /停止 out2=0; out4=0; out3=0; out1=0;/循迹void xunxian() uint flag; while(key1=0) zuo(); while(key3=0) you(); if(key1=0) flag=3; else flag=0; if(key2=0) flag=4; else flag=0; switch(flag) case 0: qian();break; /前 case 1: zuo();break; /左 case 2: you();break; /右 case 3: ting();break; /停 case 4 : hou();b

18、reak;void main(void) P2=0X00; while(1) xunxian(); 五 制作安装与调试51 PCB的设计制作与安装由于时间的原因以及技术的问题，我们直接采用了在网上购买电路板，不过还是通过自己的组装，采用螺丝将循迹板安装在车头，主板与电机驱动安装在车尾。52 小车调试通过改变避障板滑动变阻器器的大小来调试红外对管的灵敏度，通过改变延时程序来改变速度的大小。下表为小车运行的情况：小车调试情况小车运行次数成功避障次数1020314254 六 结束语 本系统以单片机C52芯片为核心部件，利用光电检测技术，红外避障,配合一套独特的软件算法实现了电动小车的沿跑道行驶、电机

19、的方向和速度控制、躲避挡板等功能，最终使小车完成题目中要求的各项任务。在系统设计过程中，充分发挥52板软件编程方便灵活的特点，结合电子电路知识设计电路，以满足系统设计的要求。因为时间有限，该系统还有许多值得改进的地方：红外避障有一定的缺陷，电机的全速行驶有点慢，硬件的连接和布局的设计冗余。在本次设计过程中，遇到不少棘手的问题，设计制作曾处于停滞状态，但通过仔细分析和自我心态调整后共同发现问题，并解决了问题。在这个过程中我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，亟须提高解决问题的能力，并且在以后的设计中能吸取经验，改进本次系统设计的缺陷，从而提高小组的竞争力。七 致谢本设计能够顺利完成，还承蒙郑老师以及身边的很多同学的指导和帮助。在设计过程中，老师给予了悉心的指导，最重要的是给了我解决问题的思路和方法，并且在设计环境和器材