智能探路车系统的设计说明

1、 .PAGE11 / NUMPAGES15 .冶金职业技术学院毕业设计一种智能探路车系统的设计系 别_ 电子信息工程系_专 业_电子信息工程技术_班 级_ 09-1班_ _学生_ 史秀杰_指导老师_王盟_2011年12月01日摘要随着人工智能技术的不断成熟与发展，智能化设备得到了越来越广泛的应用，特别是在工业领域，智能化设备已经起到了主导性作用。论文主要设计一款智能探路车系统。该系统会使小车沿着特定的黑线循迹，利用搭建的智能探路小车进行循迹实验。设计主要采用AT89S52芯片，AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。只用Atmel公司高

2、密度非易失性存储器技术制造，与工业8051产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多单片机控制应用系统提供高灵活、超级有效的解决方案。论文采用AT89S52单片机控制电机驱动模块，使得智能探路小车实现前进、后退以与左右转向，小车前轮使用的是万向轮，使得小车可以通过驱动后轮可以达到转向的功能。关键字：AT89S52，智能探路小车，电机驱动目录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc310595124摘要 PAGEREF _Toc310595124 h

3、IHYPERLINK l _Toc3105951251 绪论 PAGEREF _Toc310595125 h 1HYPERLINK l _Toc3105951262 智能探路小车的介绍 PAGEREF _Toc310595126 h 2HYPERLINK l _Toc3105951272.1智能探路小车的功能特点 PAGEREF _Toc310595127 h 2HYPERLINK l _Toc3105951282.2 带减速机构密闭齿轮箱直流电机 PAGEREF _Toc310595128 h 2HYPERLINK l _Toc3105951292.3 万向轮 PAGEREF _Toc310

4、595129 h 2HYPERLINK l _Toc3105951302.4 电源部分 PAGEREF _Toc310595130 h 2HYPERLINK l _Toc3105951312.5 电源接口部分 PAGEREF _Toc310595131 h 2HYPERLINK l _Toc3105951322.6 电机接口 PAGEREF _Toc310595132 h 2HYPERLINK l _Toc3105951332.6.1 直流电机接口 PAGEREF _Toc310595133 h 2HYPERLINK l _Toc3105951342.6.2 恒速电机接口 PAGEREF _T

5、oc310595134 h 3HYPERLINK l _Toc3105951352.6.3 步进电机接口 PAGEREF _Toc310595135 h 3HYPERLINK l _Toc3105951362.7传感器 PAGEREF _Toc310595136 h 3HYPERLINK l _Toc3105951373 方案设计 PAGEREF _Toc310595137 h 4HYPERLINK l _Toc3105951383.1设计要求 PAGEREF _Toc310595138 h 4HYPERLINK l _Toc3105951393.2 硬件设计 PAGEREF _Toc3105

6、95139 h 4HYPERLINK l _Toc3105951403.2.1 电机选择 PAGEREF _Toc310595140 h 4HYPERLINK l _Toc3105951413.2.2 循迹设计 PAGEREF _Toc310595141 h 4HYPERLINK l _Toc3105951423.3 软件设计 PAGEREF _Toc310595142 h 5HYPERLINK l _Toc3105951433.3.1 软件设计方案 PAGEREF _Toc310595143 h 5HYPERLINK l _Toc3105951443.3.2 软件设计思路 PAGEREF _

7、Toc310595144 h 5HYPERLINK l _Toc3105951453.4 应用软件 PAGEREF _Toc310595145 h 5HYPERLINK l _Toc3105951464 过程设计 PAGEREF _Toc310595146 h 6HYPERLINK l _Toc3105951474.1 设计目的 PAGEREF _Toc310595147 h 6HYPERLINK l _Toc3105951484.2 设计过程 PAGEREF _Toc310595148 h 6HYPERLINK l _Toc3105951494.3 流程图分析 PAGEREF _Toc310

8、595149 h 6HYPERLINK l _Toc3105951505 总结 PAGEREF _Toc310595150 h 9HYPERLINK l _Toc3105951515.1 智能探路小车的应用 PAGEREF _Toc310595151 h 9HYPERLINK l _Toc3105951525.1.1 工业运输 PAGEREF _Toc310595152 h 9HYPERLINK l _Toc3105951535.1.2 农业灌溉 PAGEREF _Toc310595153 h 9HYPERLINK l _Toc3105951545.2 学习感触 PAGEREF _Toc310

9、595154 h 9HYPERLINK l _Toc310595155致 PAGEREF _Toc310595155 h 111 绪论自第一台工业智能机器以来，智能的发展已经遍与机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来智能机器的水平不断提高，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智能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经相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，与其视觉需要通过大量

10、的运算也成为智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传感器是一种实用有效的方法。该智能探路小车可以作为智能机器的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU，智能探路小车要实现循迹功能，感知引导线，可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进线路。基于上述要求，传感器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

11、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。CPU使用AT89S52单片机，配合软件编程实现。2 智能探路小车的介绍2.1智能探路小车的功能特点控制器采用主板+核心板架构。主板中间可搭载相配套的控制器模块。板上带有16个传感器接口，其中有8个接口可以兼容模拟信号的输入；另外还有四个直流减速电机接口；一个1602液晶屏接口；两个恒速电机接口；两个步进电机接口（预留）；两个

12、RS232串口等。系统配套提供AT89S52核心板。也可以更换为ARM7核心板，AVR核心板。提供8.4V 1500mAH镍氢电池组与电源充电器。2.2 带减速机构密闭齿轮箱直流电机带减速机构密闭齿轮箱直流电机，DC9V输入，200转/分钟；直流电动机固定在标准L型支架上，安装有外径72mm的橡胶车轮。2.3 万向轮标准万向轮，用于轮式移动智能机器小车支撑和随动，铁制材料表面镀锌处理，塑料轮体，顶盖安装孔的距离为53*36*24。2.4 电源部分电源部分采用的是镍氢电池组，7节充电电池连接，最大输出电流为1A，为主板提供动力源。2.5 电源接口部分用8.4V镍氢电池组为其供电，通过两片LM78

13、05稳压芯片进行分频，分别有两种电压值输出为5V，12V。从而满足系统板供电要求。2.6 电机接口2.6.1 直流电机接口板载的四路直流电机接口，用于给小车提供足够的动力来源。采用两片L298N电机驱动芯片，其中每一片L298N均可驱动两路直流电机。L298N部包含4通道路驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。2.6.2 恒速电机接口板载两路恒速电机接口，可用于外接小型直流电机。2.6.3 步进电机

14、接口主板预留步进电机接口，可外接两路步进电机，用于完成控制步进电机的正转、反转、转动角度以与转动速度。2.7传感器传感器分为光电传感器和红外传感器。光电传感器是由一组红外发射和接收器组成，能用来检测物体表面的反射率，对不同颜色的表面进行检测，完成检测的功能。光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光速，发射的光速一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管与红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有

15、光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应有该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。把发光器和收光器装入同一个装置，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器如果收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。接近传感器的输出是0和1的高低电平变化，其接口方式为3P，在主板上或是传感器转接板上都有3P接口，使用其中任意一个接口都可。红外传感器，也就是远距离探测传感器，检测前方是否有物体，红外距离探测器探测距离1050

16、cm，标准3P接口，检测前方有物体时输出电平为0，无物体时输出电平为1。3 方案设计3.1设计要求自动智能探路小车从安全区域启动。小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上画出设定的地图。3.2 硬件设计关于小车探索道路，我们设计了几套方案，其中包括小车采用直流电机还是步进电机，采用光电传感器还是红外传感器，这将对我们实验是否成功有很大的影响。3.2.1 电机选择电机分为直流电机和步进电机。我们在实验中采用的是直流电机，由于直流电机只需通过控制PWM输出的形式，便可以控制电机的正转运行和反转运行，用延时便可以控制小车的转弯幅度大小

17、；而步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数。相对而言，直流电机比较容易控制，所以我们采用的直流电机作为智能小车动力源。3.2.2 循迹设计这里的循迹是指智能探路小车在白色地板上，循着黑线行走，通常采取的方法是以下三种方案。方案1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的组织可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会反生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但这种方案受光照影响大，不能稳定工作

18、。因此我考虑其他更稳定的方案。方案2：用单光束反射式红外光电传感器。红外发射管发出红外线，红外接受管接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。外部环境对其有一定的影响。方案3：用RPR220型光电传感器。RPR220是一种一体化发射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。置可见光过滤器能减少离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发射二极管发出的光线反射活来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。虽然

19、第三方案最好，但由于不容易买到，所以选择了第二方案。3.3 软件设计两个光电传感器室安装在智能探路小车的车体前端，检测轨迹，使车体按固定轨迹前行。3.3.1软件设计方案软件设计方案也有两种：一种为轨迹在两个光电传感器之间，另一种为轨迹宽度相对两个传感器之间的距离宽，虽然看似这两种方案大不一样，其实两种方案只要修改一下转向就可以实现一样的功能了，我们在这里使用第一种方案，就是轨迹是在两个光电传感器之间的。3.3.2软件设计思路如果智能探路小车是沿着黑道行走，轨道在两个光电传感器之间的话，那么只要判断两个传感器哪个检测到有黑道，如果左端的传感器检测到有黑道，那么向左拐，如果右端的传感器检测到有黑道

20、的话，智能探路小车向右拐。3.4 应用软件我们此次编写程序使用的是KeilC51软件。KeilC51 u Vision2集成开发环境是Keil Software Inc/Keil Elektronik GmbH开发的基于80C51核的微处理器软件开发平台，嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立和管理、编译连接目标代码的生成、软件仿真硬件仿真等完整的开发流程。尤其C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。4 过程设计4.1 设计目的随着社会的进步和发展，机器世界已经融入了我们的生活，而智能探路小车探路为我们也可以带

21、来不小的帮助，比如，飞船上天的时候就可以由智能探路小车沿着路线去点火，不用人们冒着危险去工作，而且一些工厂可以由机器人自己沿着路线拉送货物，人们只需在起点或终点接应就可以了，不需要耗费大量的人力，可以创造更多的利润等等。4.2 设计过程由软件设计思路，我制出了流程图，可以大致反应智能探路小车是如何执行的。由于智能探路小车前轮为万向轮，所以智能探路小车在驱动整个小车前进时，只需要控制后轮的左右转向就能控制整个智能探路小车的转向，这就万向轮的好处，所以小车只使用了个两个驱动。电机驱动模块采用一片L298N（电机驱动）与74LS04（6组反向器），L298N部包含4通道路基驱动电路。可以方便的驱动两

22、个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。4.3 流程图分析如图4.1所示，当按下开关后，智能探路小车先直走前进，这与DIR0与DIR1有关系，当两者都为0的时候为前进，当两者都为1的时候表示后退，DIR1为左轮，DIR0为右轮。若DIR0=0且DIR1=1时表示左转，赋值相反则表示右转。我们设置的线路是在两个传感器之间的，当时的设计思路就是如果左传感器检测到黑线，说明小车行走偏右，所以应该向左拐，如果右传感器检测到黑线，就让小车往左拐，至于拐弯的大小和幅度一般和小车的延时程序有关系，我一般用的是延时100

23、ms，这个对于弯的大小也有好的控制。另外程序里面涉与的PWM0、PWM1也可以控制智能探路小车的转弯、前进和停止。但是他们的原理有些不一样，PWM0、PWM1是小车的使能，如果要想使小车前进，就把PWM0、PWM1都置为1，要想让小车往右拐，可以把小车右轮PWM0置为0，左轮PWM1置为1，其效果就是右轮停止转动，左轮继续前进，和DIR实现的功能是一样的，但是效果是不一样的。另外PWM还有一个比DIR更好的一方面是小车可以停止，只要把PWM0、PWM1都置为0，小车就会停止不动了。是否否左传感器是否检测到 黑线 传感器是否检测到黑线是小车前进继续前进左转开始图4.1 流程图对4.1流程图加以分

24、析，编写了程序：void main()while(1) DIR0=0; DIR1=0; /前进if(PA6=0)&(PA7!=0) /如果左轮检测到有黑线DIR0=0; DIR1=1; /左转 delay100ms(1); /转弯延时100ms DIR0=0; DIR1=0; /继续前进 if(PA7=0)&(PA6!=0) /如果右轮检测到有黑线 DIR0=1; PWM1=0; /右转，使左轮停止，右轮后退delay100ms(1); /转弯延时100ms PWM1=1;/左轮使能 DIR0=0; DIR1=0; /继续前进 5 总结5.1 智能探路小车的应用随着社会的发展和科学的进步，人们

25、周围出现了很多机械工具，机器出现在了很多的工业场所，农业场所，还有生活当中，智能机器也逐渐普遍进入了人们家庭中，本次设计的智能探路小车可以为工业领域，农业领域以与人们的生活方面带来很大的方便，可以减少人力，只需要智能探路小车就可以很好的做到。5.1.1 工业运输在工厂里有许多运输环节，比如进出货物的时候，可以利用智能探路小车运输，只需要把货物装载到机器人探路小车上，它就可以沿着指定的路线把货物运送到指定地点，而且人们只需在始点或终点接应小车，减少了人力，也为工厂减少了开支。5.1.2 农业灌溉现在虽然有了一些比较先进的农业灌溉技术，但是我所设计的这一款智能探路小车有很大优势，不需人工自己打药剂，只需要让小车沿着路线行走，一样可以实现药剂灌溉的功能，减少人们劳动的时间，可以交给智能探路小车去实现。5.2 学习感触在这次设计中，我完成了这次任务，设计出了循迹机器人，并详细的设计了智能探路小车的行走结构，控制系统、传感器类型的选择与排列布局。在软件方面也设计出了程序的流程图。在这次设计中，我学到了很多上