智能循迹避障小车设计

摘要本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51可靠性能高，实验测试结果满足要求。本文着重叙述了该系统的硬件设计方法、软件设计方法及测试结果分析。小车运行方案，在现有玩具电动车的基础上，加装红外线光电开关模块和红外寻线模块，实现对电动车位置、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电动车的智能控制。关键词：80C51单片机、红外线传感器、光电开关、电动小车AbstractThesystemrequirementsofthedesignprojectforthepurposeofthe80C51microcontroller forthecontrol ofthecore,the useofthehuntandinfraredsensors,automaticobstacleacoidancecontrolofelectriccars,andthephotoelectricswitchtothebarrierfunction.Theelectriccircuitconstructionofwholesystemissimple,thefunctionisdependable.Experimenttestresultsatisfytherequest,thistextemphasizesintroducedthe hardwaresystemdesigns andtheresultanalyse.Carisrunningtheprogram,undertheexistingtoyelectriccar,basedontheinstallationofsupersonicsensorandinfraredsensors,toachievethelocationofelectric vehicles,operational status of the real-time measurement, measurementdatasenttothemicrocontrollerforprocessing,thenSCMdetectedaccordingtoavarietyofdatatoachieveintelligentcontrolofelectricvehicles.Keywords:80C51singlechipcomputer, infraredsensors,switch,theelectriccar目录第第1章绪论1研究目的及意义 1第2章整体设计框架 第2章整体设计框架 3方案选择及论证 3控制模块选择 4路面探测黑线轨迹模块 4探测路面障碍模块 5电机模块 6电机驱动模块 6车架选择 7最终方案选择 73章硬件设计8方案可行性分析3章硬件设计8系统总体设计框图 9红外线光电开关模块 9光电开关的工作原理 10光电开关的类型 10光电开关电路的设计 13电机驱动模块 13红外循线模块 15红外放射式光电传感器特性与工作原理 15红外循线具体设计与实现 16最小系统模块 17晶振电路的设计 17复位电路的设计 174章软件设计4章软件设计19主程序流程图 19避障子程序流程图 20第5第5章系统调试和测试 21安装步骤 21电路调试 23光电开关模块调试过程 23电机模块调试过程 23红外循线模块调试过程 24测试结果与分析 25结结论 26致谢 27参考文献 28附录系统设计原理图 28附录设计系统部分源代码 29PAGEPAGE10第1章绪论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。智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气控制工程、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。本课题所设计的智能小车，既具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成灵活运动的自动化生产设备。随着工业自动化的不断发展,工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。在制作的产品中，发现一些比较符合实际应用的玩具，而且成本低廉，能够运用实际生产并且有一定的新颖度，有一定的社会需求。在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机，为自己在以后实现创业这个宏伟的目标中打下一个坚实的基础。研究目的及意义通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测障碍、寻线和电机驱动等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹以及避障。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。从对红外线、电机驱动和光电开关在智能小车上的应用，可以进一步研发，将红外线技术应用到现实中的车辆上，比如红外线倒车警报系统、红外车辆防盗系统等等很多方面都可以利用。国内外发展情况十九世纪末，随着内燃机的诞生，人们发明了最现代化的交通工具——汽车。经过一个多世纪的发展，汽车技术、性能有了很大的提高，人们充分享受到了汽车带来的巨大便利。但是，在享受汽车带来便利的同时，人们也发现汽车也给社会的发展带来了不少的损失，甚至危害到了人们的人身安全。由于公路客运、货运输量的迅速增长，人们深受交通拥挤、堵塞严重事故频繁和环境污染等公害的困挠。尤其是随着高速公路发展，汽车速度的提高，各类恶性交通事故的发生呈不断上升趋势，给人们的生命财产造成了巨大的损失。同时，经常性的交通拥挤和环境污染等也给现代城市的可持续发展带以解决道路交通的公害问题。我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于2080200312km/h170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。在国外，美国国家科学委员会曾预言：“20世纪的核心武器是坦克，21200080局(DARPA)NASA1997VERTIS23ITSZ2章整体设计框架方案选择及论证根据题目要求，系统要实现循线、壁障功能，必须要划分成为六个模块。对各个模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。控制模块选择方案一：采用可编程逻辑器件CPLDI/O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。且从使用及经济的角度考虑，最终放弃了此方案。方案二：1616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。但是当凌阳单片机作为处理器时，电路较为复杂，而且方案成本较高。方案三：ATMELAT89C51AT89C5151CMOS8从节约成本的角度考虑，最终选择了方案三路面探测黑线轨迹模块在该设计中智能小车从起跑线到终点是对路面轨迹进行探测，探测路面黑线轨迹模块的大致原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱判断是否小车沿黑线行驶。方案一：采用可见光发光二级管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其它环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采用超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。方案二：降低环境光源干扰，提高了控制精度。基于此，拟选用方案二。探测路面障碍模块方案一：采用红外线光电开关。由于红外线指向性强，在介质中传播远，因而红外线经常应用于距离的测量、障碍物的探测等。红外线探测障碍物并绕过障碍物模块是利用红外线发射器向某一方向红外线，红外线在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，红外线接收器收到反射光经相应的电路进行处理，以测定障碍物的方位及距离，并向小车发送控制信号以使小车绕过障碍物。方案二：采用超声波穿感器，超声波传感器探测障碍是利用超声波发送模块向某一方向发射超声波，超声波在空气中传播，在一定距离内遇到测定的障碍物就会立即返回超声波接受模块接受，再由相关电路处理，以测定障碍物的相关方位、距离。超声波传感器成本相对较高，但是为了本题目更加的实用和有效，超声波传感器成本相对较高，电路较为电机模块方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。方案二：调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源。电机驱动模块方案一：使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，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R行不利。方案二：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。方案三：采用由集成了双极性管组成的H桥电路芯片L298N。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。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桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。车架选择方案一：使用四轮驱动的电动小车，这样速度方面非常流畅，但灵活性不足，特别是遇到障碍物时，转弯非常不流畅，程序方面还要相对复杂，对于小车的躲避障碍物非常不利。方案二：使用两轮驱动的电动小车，虽然速度上无法与四轮的小车相提并论，不过灵活性上却是大大的提升，对于躲避障碍物方面有重要的改变，非常适合题目要求。综合两种方案的优缺点，决定选择方案二。最终方案选择经过反复论证，最终确定了如下方案：采用AT89C51单片机作为控制器；用反射式红外发射-接收器进行黑线检测；采用红外线光电开关来探测路面障碍物；L298N作为直流电机的驱动芯片；电机模块使用普通直流电机；使用两轮的车架增加灵活性。方案可行性分析光电开关避障模块，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。光电开关避障模块，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。本次设计采用红外线漫反射型光电开关，它是通过发光器发出一个光信号，当障碍物挡住光时，把部分光线反射回来，收光器就接受到光信号，输出一个开关信号。输出的开关信号由控制器处理，判断前方是否由障碍，从而确定是否要转向。通过分析，此模块可以用来探测障碍。动力方面，此次设计使用了L298NL298N四相电机的专用驱动器，即内含两个HTTL46V、2A综上所述，可以看出方案的可行性非常之高，可以安心地进行智能小车实物的创作。根据题目要求，做出以下电路图以及各模块实现功能概述。3章硬件设计智能小车采用两轮驱动，左右两边各用一个电机驱动，调制两个后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。将检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机减速，车向右修正。方传感器检测到障碍物时，车子向右转，从而避开障碍物。系统总体设计框图系统硬件电路的设计采用了模块化的设计方法，系统硬件电路由光电开关避障模块，单片机最小系统模块，电源模块，电机驱动以及寻迹模块多部分组成，各模块即可组合联调也可单独使用。如图3-1设计方框图。光电模块发光器光电模块发光器电机驱动模块光电模块收光器单片机AT89C51电源模块循迹模块发光器循迹模块收光器图3-1系统功能模块图红外线光电开关模块在本设计中红外光电开关模块是智能小车前向通道的主要组成部分，本E3F-DS30C4由单片机89C51产生。E3F-DS30C4的工作电压为5V，工作电流为10mA，驱由单片机89C51产生。E3F-DS30C4的工作电压为5V，工作电流为10mA，驱动电流为100mA，感应距离为30cm。结合题目指标和实际测试结果，本设计中设定感应距离为6cm。光电开关的工作原理光电开关是传感器中的一种,它把发射端和接受端之间光的强弱变化为电流的变化以达到探测的目的。光电开关是光接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无得。所以能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱对目标物体进行探测。工作原理如图3-2所示。障碍物发光器障碍物发光器图3-2光电开关工作原理图光电开关的类型红外线光电开关它利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为四种：漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关、槽式光电开关。漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。图3-3为漫反射光电开关工作原理图。图3-3漫反射式光电开关工作原理图镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。图3-4为镜反射式光电开关工作原理图。图3-4镜反射式开关工作原理图对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，3-5槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。图3-6为槽式光电开关工作原理图。11图3-5对射式光电开关工作原理图槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。图3-6为槽式光电开关工作原理图。图3-6槽式开关工作原理图本次设计所使用的光电开关德国SICD公司所生产的E3F-DS30C4，如图3-7。E3F-DS30C4为常开型红外线漫反射式光电开关，由于漫反射光电开关的工作方式，决定了其功用，正符合本设计检测障碍物所用。图3-7E3F-DS30C4红外线漫反射式光电开关12光电开关电路的设计E3F-DS30C41为红色，接电源；231K3-8E3F-DS30C4电路连接图。图3-8光电开关电路连接图电机驱动模块I/OL298NL298NSGS司的产品，内部包含4L298NHTTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A3-9115L298N2OUT2和OUT3OUT42571012ENA，ENB89C51L298N3-113表3-1L298N逻辑功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)电机运行情况HHL正传HLH反转HHH快速停止HLL快速停止L任意任意停止图3-9电机驱动电路原理图图3-10电机驱动实物图14由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，所以在电机的驱动信号输入端并联电容，用以滤除噪声干扰。电机驱动模块实物图如图3-10所示。红外循线模块红外放射式光电传感器特性与工作原理反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图3-11所示。发射发射接收反射表面图3-11红外发射接收原理15红外循线具体设计与实现接近传感器应用场合不同选择不同，感觉的距离范围不同，可从几毫米到几米。对于自动寻迹和小车轮子的测速传感器，反射距离都在1cmFS-359F048W6048W传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，寻迹小车一共安装有两个红外光电传感器，选用运算放大器LM324，光电传感器检测到的信号经放大器放大整形送微处理器判断、运算、控制。LM32414封装，内置四个运算放大器的集成器件，用1LM324MCULM324的红外循线模块原理图如图3-12图3-12含有LM324的红外传感器电路原理图16最小系统模块晶振电路的设计12MHz20pF3-13所示。由于机器周期为晶体周期的12倍，因此使用该晶体时，机器周期=1us。晶体和瓷片电容相同，在焊接时没有正负极之分X2X12.3V左右（±0.5V。图3-13晶振电路复位电路的设计复位电路比较简单，由一个10pF的电解电容、一个开关按键、一个10K的电路构成，如图3-14所示。17图3-14复位电路图电源模块本次设计所用的电源为12V7812180512V5V12V3-15的稳压电路图。7805广泛。7805123图3-15含有7805的稳压电路图18PAGEPAGE284在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制小车。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对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑避障子程序﹑循线子程序、中断子程序等构成。主程序流程图4-1为主程序流程框图，打开电源，小车运行。小车检测黑线，如果遇到黑线，则红外传感器输出高电平，小车沿着黑线行驶。小车装有两个右边灯亮，小车向右。左右两个传感器不断修正轨迹，使小车始终保持沿黑线行驶。小车运行，在检测黑线的同时，也在检测障碍物，如果小车前方有障碍，光电开关给单片机输出一个低电平，同时小车安装程序往右行驶，避开障碍。开始开始小车运行N检测黑线N检测障碍物YY小车右转沿黑线行驶小车前进图4-1主程序流程图避障子程序流程图4-2平，光电传感器检测障碍物，如前方有障碍物，红外线光电传感器向单片机输出低电平，单片机接收低电平信号，控制电机改变转向；如前方无障碍物小车向前运行。开始开始小车运行N检测障碍物Y小车右转小车向前图4-2避障模块流程图循线子程序流程图4-3红外线接收管为高电平，则小车向左转，如不是，则继续运行；如果右边红外接收管为高电平，则小车向右转，如不是则保持运行。5章系统调试和测试安装步骤检查元件的好坏按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分开始开始小车运行左边红外接收Y右边红外接收管高电平Y管高电平NN小车左转小车右转小车前进图4-3循线子程序流程图别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。放置、焊接各元件后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。电路调试首先烧入电机控制小程序，控制电机正反转，停止均正常。说明电机及驱动电路无误。然后加入避障子程序，小车运转正常时，光电开关模块灵敏代表有用不需更换，接着输入程序进行简单的循线活动，测试灵敏度是否达到要求。在调试程序时，发现有的指令用的不正确，特别测试红外循线模块的时候，一些比较急的弯，转弯不够灵活，非常容易走出跑道，对于这段程序调试了比较长的时间。光电开关模块调试过程温度为-25℃~+55℃。温度为-25℃~+55℃。当电路连接好，检测小车有无变相，若无，光电开关常态下正常。调试过程中，可取出一张白纸，当作障碍物，挡在小车面前方3cm处，如果小车向右转，则光电开关正常。在把白纸放在小车前方4cm处，在测量小车有无反应。按照如此方法，调节软件程序，最后成功把小车的探测距离，确定在要求范围内。电机模块调试过程由于采用的电机供电电压是PWM5%~65频率的升高，感抗增大，导致电流减小。尤其设计中所采用的电机是遥控车电机，额定电流较小，线圈匝数必然较多，感抗自然就较大。PWM的原理，其实就是面积等效原理，在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。红外循线模块调试过程首先利用万用表测试是否有发光二极管不亮的，有的话再坚持是否因为短路或者二极管烧坏，接着在输入程序，接着做一个简单的跑道进行简单的测试，跑道如图5-2。B起点B起点A起点D起点E起点C起点图5-2红外测试跑道DB和利用塑胶减小光的影响，最后成功让小车顺利过弯成功。测试结果与分析测试方法当小车穿过障碍物区时看小车是否碰到障碍物及小车能否顺利通测试结果从测试结果看，基本上该智能电动车能较好的完成要求的各种功能。同时，在测试中有时会有误动作和误差。原因是受实验条件的约束，如跑道不平整、电动车的性能不好、电机电源消耗过快等因素，这些都有待改进。结论本智能小车电路在硬件上采用了红外线光电开关来检测障碍。PWM技术的应用解决了电动机驱动效率和电机速度控制的问题；采用红外线传感器很好的解决了循线的问题，从而实现更加智能化的循线方式，在软件上，充分89C51本设计结构简单，调试方便，系统反映快速灵活，硬件电路由可拆卸模块拼接而成有很大的扩展空间。经实验收测试，该智能小车设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。虽然智能小车系统有很多优点，但在设计当中也存在着一些不足。如光由于没采用双电源供电，使系统的抗干扰性还是欠佳，红外循线部分还可以ST178致谢历时三个月的毕业设计已经告一段落。经过自己不断的搜索努力以及张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，张老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩，她的指导使我受益非浅，在此对张艳老师表示深深的感谢。通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学三年的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这三个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。由于自身水平有限，设计中一定存在很多不足之处，敬请各位老师批评指正。参考文献1辉雄.智能电动小车的设计.电子报,2005—05—15(11)徐玮.51,2006(11):15戴仙金等.51C,2008何希才等.传感器及应用[M]2004:65-83,1998:59-72JohnF.Wakerly,数字设计原理与实践.林生等译.北京机械工业出版社,2003王艳，基于51单片机的红外遥控小车设计和制作，机电信息，2010-04-25,28～3210张立、杨立，电动小车的循迹，电子世界，2004-06-01,5～811 Yasushi Saito,Brian N Bershad,and H