自動避障循跡小車設計畢業(yè)論文

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1、自動避障循跡小車設計畢業(yè)論文 中國礦業(yè)大學 本科生畢業(yè)設計 姓 名:****學 號: *** 學 院: 徐海學院 專 業(yè):自動化 設計題目: 自動避障循跡小車 專 題: 指導教師: ** 職 稱: 教授 ** 2012 年 6月 徐州 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計任務書 專業(yè)年級 ** 學號 ** 學生姓名 ** 任務下達日期:** 畢業(yè)設計日期: ** 畢業(yè)設計題目: 自動避障循跡小車 畢業(yè)設計主要內容和要求: 利用AT89C52芯片,L

2、298N芯片制作自動避障循跡小車 學習AT89C52單片機的基本工作原理 學習簡單的小車設計和制作 完成小車的設計和制作 對小車進行調試 指導教師簽字:鄭 重 聲 明 本人所呈交的畢業(yè)設計,是在導師的指導下,獨立進行研究所取得的成果。所有數據、圖片資料真實可靠。盡我所知,除文中已經注明引用的內容外,本畢業(yè)設計的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體,均已在文中以明確的方式標明。本論文屬于原創(chuàng)。本畢業(yè)設計的知識產權歸屬于培養(yǎng)單位。 本人簽名: 日期: 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計指導教師評閱書 指導教

3、師評語(①基礎理論及基本技能的掌握;②獨立解決實際問題的能力;③研究內容的理論依據和技術方法;④取得的主要成果及創(chuàng)新點;⑤工作態(tài)度及工作量;⑥總體評價及建議成績;⑦存在問題;⑧是否同意答辯等): 成 績:指導教師簽字: 年月日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書 評閱教師評語(①選題的意義;②基礎理論及基本技能的掌握;③綜合運用所學知識解決實際問題的能力;③工作量的大小;④取得的主要成果及創(chuàng)新點;⑤寫作的規(guī)范程度;⑥總體評價及建議成績;⑦存在問題;⑧是否同意答辯等): 成 績:評閱教師簽字: 年月日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計答辯及綜合成績 答 辯 情 況 提 ?出 ?問 ?

4、題 回答問 題 正確 基本 正確 有一般性錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答答辯委員會評語及建議成績: 答辯委員會主任簽字: 年 月 日 學院領導小組綜合評定成績: 學院領導小組負責人: 年 月 日 摘 要 智能小車是移動式機器人的重要組成部分,本設計通過不斷檢測各個模塊的傳感器的輸入信號,利用紅外對管檢測黑線實現循跡,超聲波傳感器測距實現避障,采用存儲空間較大的AT89C52作為主控制芯片,電動車電機驅動采用L298N芯片,根據內置的程序分別控制小車左右兩個

5、直流電機運轉,實現小車自動識別路線,能較有效的控制其在碰上障礙物時能轉彎角度及循跡行駛。本設計結構簡單,較容易實現,在一定程度上體現了智能。 關鍵詞:智能小車;STC89C52單片機; L298N;超聲波傳感器;紅外對管 ABSTRACT The Smart car is an important part of the mobile robot,By constantly testing the various modules of sensor input signal,using infrared ray to detect black lines on the tube, ult

6、rasonic sensors ranging to avoid obstacle.The system uses AT89C52 of storage space as the main control chip,Electric vehicle motor drive L298N chip,Built-in program to control two DC motors in the car running,Realize that the car automatically identify the route,More effective control of the turning

7、 angle in a specific location and driving error handling.This design is simple, more easily achievedTo a certain extent reflects the intelligence. Keywords: Smart car ; STC89C52 microcontroller ; L29N ;Ultrasonic sensors ; Infrared Emitting Diode 目 錄 1 緒論 1 1.1智能小車的研究與意義 1 1.2智能小車的現狀 3 1.2.1

8、國外移動機器人研究 3 1.2.2國內移動機器人的狀況 4 1.2.3小車避障現狀綜訴 4 1.2.4智能小車的現狀 4 1.3論文研究內容與主要結構 5 1.3.1基于單片機控制的智能循跡避障小車 5 1.3.2文章主要結構 5 2 方案選型設計 6 2.1車體設計 6 2.2電機驅動設計 6 2.2.1電機選擇 6 2.2.2驅動選擇 7 2.2.3H橋式電路工作原理 9 2.2.4PWM調速技術 9 2.3循跡模塊 9 2.3.1光電傳感器的工作原理 9 2.3.2光電傳感器的分類和工作方式 9 2.3.3光電傳感器的選擇 10 2.4避障模塊 11

9、 2.4.1超聲波測距的原理 11 2.4.2超聲波傳感器的分類 12 2.4.3超聲波測距特點 12 2.4.4超聲波模塊選擇 13 2.5顯示模塊 14 2.5.1數碼管的結構及工作原理 14 2.5.2數碼管的選擇 15 2.6控制系統(tǒng)模塊 15 2.6.1單片機的發(fā)展 15 2.6.2AT89C52單片機的簡單介紹 17 2.7電源模塊 17 3 硬件設計 18 3.1總體設計 18 3.1.1小車總體概述 18 3.1.2小車總體設計框圖 19 3.2驅動電路設計 19 3.3信號檢測模塊電路設計 21 3.3.1循跡模塊信號檢測電路 21 3.3

10、.2壁障模塊和顯示信號檢測電路 22 3.4顯示模塊電路設計 24 3.5主控電路設計 27 3.5.1單片機最小系統(tǒng)設計 27 3.5.2主控電路圖 30 4 軟件設計 31 4.1主程序設計 31 4.1.1主程序框圖 31 4.1.2主程序流程圖 32 4.2循跡模塊程序設計 33 4.3顯示模塊程序設計 33 4.4避障模塊程序設計 34 5 制作安裝與調試 35 5.1小車的安裝 35 5.2小車的調試 35 5.3智能小車的功能 36 結論 37 參考文獻 38 附錄: 40 中文譯文 44 致 謝 52 1 緒論 1.1智能小車的研究

11、與意義 移動機器人是機器人領域的一個分支,他的研究始于60年代末期,斯坦福研究院(SRI)的Nits Nilssen和Charles Rosen 等人,在1966年至1972年間研制出了名為Shake的自主移動機器人[1]。 進入20世紀80年代以后,人們的研究方向逐漸轉移到了面向實際應用的室內移動機器人的研究,并逐步形成了自主式移動機器人AMR(Indoor Autonomous Mobile Robot概念。美國國防高級研究計劃局(DARPA)專門立項,制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕,如DARPA的“戰(zhàn)略計算機”計劃中的自主地面車輛(A

12、LV)計劃(1983?1990),能源部制定的為期十年的機器人和智能系統(tǒng)計劃(RIPS)(1986?1995),以及后來的太空機器人計劃;日本通產省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃;歐洲尤里卡中的機器人計劃等。初期的研究,主要從學術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理,并建立試驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高,導致室外機器人的研究未達到預期的效果,但卻帶動了相應技術的發(fā)展,為探討人類研制智能機器人的途徑積累了經驗。同時,也推動了其他國家對移動機器人的研究與開發(fā)[2]。 智能小車作為移動機器人的典型代表,目前國內外的許多大學都在積極投入人力、財力進行開發(fā)。主要表現在

13、大學生的各種大型的創(chuàng)新比賽,比如:亞洲廣播電視聯盟亞太地區(qū)機器人大賽(ABU ROBCON)、全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽等眾多重要競賽都能很好的培養(yǎng)大學生對于機電一體化的興趣與強化機電一體化的相關知識。但很現實的狀況是,國內不論是在機械還是電氣領域,與國外的差距還是很明顯的,必須加倍努力,為逐步趕上國外先進水平并超過之而努力。智能小車,是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策,自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng),它可以分為三大組成部分:傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU。機器人要實現自動避障功能,還可以擴展循跡等功能,感知導引線和障礙物。可以實現小車自動識別路線,選擇正確的行進路線,并檢測到障礙物自動躲

14、避[3]。 在移動機器人中,傳感器起著舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器等都在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其中,超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低,被廣泛用作移動機器人的測距傳感器,以實現避障、定位、環(huán)境建模和導航等功能[4]。考慮實際情況,傳感檢測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像,只要求粗略感知即可,所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器和超聲波傳感器來充當。智能小車的執(zhí)行部分,是由直流電機來充當的,主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅動直流電機一般有兩種方案:第一,勿需占用單片機資源,直接選擇有PWM功能的單片機,這樣可以實現精確調

15、速;第二,可以由軟件模擬PWM輸出調制,需要占用單片機資源,難以精確調速,但單片機型號的選擇余地較大[5]?？紤]到實際情況,本文選擇第二種方案。CPU使用STC89C52單片機,配合軟件編程實現。 單片機在現今社會的應用領域越來越廣泛,無論是生活,生產上,單片機的身影無處不在。ATMEL公司的STC89C52單片機可以廣泛的應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。STC89C52可以說是單片機領域的主流產品,其應用如此廣泛,所以有必要學習和應用該單片機,以滿足實際產品開發(fā)的需求,也是適應社會智能化、自動化的趨勢[6]。 以89C52為控制核心,利用超聲波

16、傳感器檢測道路上的障礙,控制智能小車的自動避障,快慢速行駛,以及自動停車,并可以自動記錄時間、里程和速度,自動尋跡和尋光功能。89C52是一款八位單片機,它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。它是第三代單片機的代表。 第三代單片機包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產品,如8xC152?80C51FA/FB?80C51GA/GB?8xC451?8xC452,還包括了Philips?Siemens?ADM?Fujutsu?OKI?Harria-Metra?ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色?與80C51兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接

17、口電路擴展,以實現Microcomputer完善的控制功能為己任,將一些外部接口功能單元如A/D?PWM?PCA可編程計數器陣列?WDT監(jiān)視定時器?高速I/O口?計數器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機中,在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線,為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機80C51系列8xC592單片機引入了具有較強功能的設備間網絡系統(tǒng)總線----CANController Area Network BUS[5]。 該設計的實際意義是通過構建智能小車系統(tǒng),培養(yǎng)設計并實現自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐的過程中,熟悉以單片機為核心控制芯

18、片,設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路,采用算法實現小車的智能控制。靈活的運用所學的相關學科的理論知識,結合實際電路設計的具體實現方法,達到理論和實際的統(tǒng)一。在此過程中,加深對理論知識的理解和認識。且該設計具有實際意義,可以應用于考古、機器人、娛樂等許多方面。尤其是在玩具機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。所以本設計與實際相結合,現實意義很強境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)??它集中地運用了計算機、傳感、信息、通訊、導航、人工智能及自動控制等技術??是典型的高新技術綜合體[3]。 1.2智能小車的現狀 1.2.1國外移動機器人研究 到20世紀90年代,以研制高水平的環(huán)境信

19、息傳感器和信息處理技術,適應性強的移動機器人控制技術,真實環(huán)境下的規(guī)劃技術為標志,展開了移動機器人更高層次的研究。隨著技術的進步,移動機器入開始在更現實的基礎上,開拓各個應用領域,向實用化前進[2]。如1997年牛津大學機器人研究小組采用分布式濾波及局部智能控制代理的系統(tǒng)模式,利用卡爾曼濾波方法融合來自攝像機、激光測距、聲納的數據信息,設計出了在已知或未知的工廠環(huán)境下工作的移動機器人。美國國家航空和宇宙航行局(nasa)資助研制的八足行走機器人。丹蒂Ⅱ”,作為能實現遠程探險的高性能移動機器人,于1994年在斯珀火山的火山口迸行了成功的表演。美國nasa研制的火星探測機器人“sojourner”

20、于1997年登上火星,驗證了自主移動機器人在火星表面運動和進行科學試驗的可行性。2003年,美國nasa又派出兩個火星著陸器,這兩個著陸器上各帶勇氣號和機遇號火星漫游者,到火星上采集數據.在任務期間,“勇氣”創(chuàng)造了日行27.5米的紀錄,打破了“sojourner”97年創(chuàng)下的日行7米的記錄;“機遇”號也己成功地在火星上進行了多種科學實驗。后來,美國宇航局又在研究另一種新型的火星探測器一火星科學實驗室(MSL),是一種適用于所有地形的多用途機器人,乃執(zhí)行任務。德國研制了一種輪椅機器人,并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境中和1998年漢諾威工業(yè)商品展覽會大廳環(huán)境中進行了超過36小時的考驗,所表

21、出的性能是其它現存的輪椅機器人和移動機器人所不可比的。另外,自從1996年成功地舉行了第一次世界機器人足球賽以來,現在一年一度的世界機器人足球賽已經吸引了越來越多的團體參加,極大地推進了多移動機器人技術的研究,成為研究和驗證人工智能成果的實驗床[6]。 1.2.2國內移動機器人的狀況 在國內,從“七五”開始,我國的移動機器人研究開始起步,經過多年來的發(fā)展,已經取得了一定的成績。清華大學智能移動機器人于1994年通過鑒定。涉及到五個方面的關鍵技術:基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術研究;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術研究;路徑規(guī)劃的仿真技術研究;傳感技術、信息融合技術研究;智能移動機器人的設計和實

22、現。香港城市大學智能設計、自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人。中國科學院沈陽自動化研究所得AGV和防暴機器人。中國科學院自動化所自行設計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學于1996年研制成功的導游機器人等[1]。 自主移動機器人的研究雖取得了很大的進展,但是對于復雜的應用,仍不能令人滿意。 1.2.3小車避障現狀綜訴 避障的目標就是沒有人的干預下使機器人有目的地移動并完成特定任務,進行特定操作。機器人通過裝配的信息獲取手段,獲得外部環(huán)境信息,實現自我定位,判定自身狀態(tài),規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動作。要實現移動機器人更高的智能化,機器人在行走和探索的過程中,避障行為

23、是必不可少的。在行走過程中實現避障行為是非常重要的,它可以避免造成機器人本體的損壞以及重要設備的損壞,使機器人無論在什么環(huán)境下都能夠正常工作,因此機器人的避障控制系統(tǒng)的成為當今研究的熱門課題[1]。 采用先進、可靠的傳感器和計算機技術實現智能機器人的避障研制, 傳感器融合技術近年來被引入到了機器人導航研究中,并已取得令人振奮的成果,采用常規(guī)傳感器導航的移動機器人將成為機器人產業(yè)的主要發(fā)展方向[5]。當然,在一些復雜的地理條件下,非視覺傳感器的探測范圍就不如視覺系統(tǒng)那么完整,目前對于一些高精度的導航還難以勝任,因而開發(fā)新型傳感器或按照一定融合策略構造傳感器陣列以彌補單個傳感器的缺陷,以及提出新

24、的融合方法來完善探測的結果,都將是重要的研究方向[3]。 1.2.4智能小車的現狀 智能小車作為移動式機器人的一個重要分支,隨著機器人研究的深入受到越來越多人的關注。它是計算機控制與電子技術的融合,集傳感器探測(光源、障礙物)、單片機自動控制、電機調速等于一體,可以說是計算機、傳感器、信息、通訊、導航、人工智能及自動控制等技術的一個綜合體,為電子設備智能化提供了很好的實例[5]。現今社會智能小車發(fā)展很快,從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質成果。其基本可實現循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能[7],這幾界的電子設計大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列

25、。我此次的設計主要實現循跡避障這兩個功能。根據實際設計制作基于STC89C52單片機智能小車的過程,在智能小車的自動循線、避障、檢測、控制、顯示等方面提出一些見解。 1.3論文研究內容與主要結構 1.3.1基于單片機控制的智能循跡避障小車 隨著微電子技術的不斷發(fā)展,單片機不但集成程度越來越高,已可以在一塊芯片上同時集成CPU、存儲器、定時器/計數器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器、A/D 轉換器、D/A 轉換器等多種電路,而且體積越來越小,功耗越來越低,這就很容易將計算機技術與測量控制技術結合,組成智能化測量控制系統(tǒng)[8]。這種技術促使機器人技術也有了突飛猛進的發(fā)展,目前的機器人技術

26、發(fā)展異常迅速,已經出現了各種各式的用于各種用途的機器人了,機器人的設計與制造已經不是很高難度的事情了,已經具有普及性了。 本文設計以STC89C52 單片機作為檢測和控制核心。采用紅外光電傳感器檢測路面黑線及障礙物,應用超聲波傳感器測距,利用單片機控制電動機的轉動方向和轉速。通過軟件編程實現小車的行進、繞障。通過對電路的優(yōu)化組合,可以最大限度地利用51 單片機的全部資源。P0 口用于連接VCC,P1 口用于傳感器的數據采集與中斷控制,P2口用于電動機的驅動控制。這樣做的優(yōu)點是:簡單有效,降低了總體設計的成本。 1.3.2文章主要結構 文章主要包括下面幾個內容: 1、綜述小車的研究與現狀

27、,闡述文章的大致方向 2、對智能小車進行方案總設計,主要包括車體的選擇、電驅模塊驅動電機的選擇、循跡模塊和壁障模塊傳感器的選擇控制系統(tǒng)模塊和電源模塊的選擇 3、對小車進行硬件的設計,給出電路圖 4、結合自己所學的專業(yè)知識,對小車進行軟件設計,使得小車能自動的壁障和循跡 5、對小車進行制作安裝與調試,對測試的結果進行分析 2 方案選型設計 2.1車體設計 直接購買的3輪車版,小車為3輪結構 。其中前面兩個車輪由前輪電機控制, 在信號控制下前后擺動,來調節(jié)小車的前進方向和為小車提供動力。在自然狀態(tài)下,保持前進。后面1個車輪有軸承,為整個小車提供方向,所以又稱后面的輪子為方向輪,驅動的

28、兩個輪子為驅動輪。能適應題目中小車準確前進、后退、轉彎的要求,而且這種車版一般都價格適中。而自己制作車版成本比較高,且比較粗糙,對于白色基板上的道路面行駛,車身重量以及平衡都要有精確的測量,而且也要控制好小車行駛的路線和轉彎的力矩及角度,這些都比較難良好地實現。 2.2電機驅動設計 2.2.1電機選擇 使用直流電機作為電動車的驅動電機,直流電機的控制方法比較簡單,只需給電機的兩根控制線加上適當的電壓即可使電機轉動起來,電壓越高則電機轉速越高。對于直流電機的速度調節(jié),可以采用改變電壓的方法,也可采用PWM調速方法。PWM調速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式,通過改變方波的占空比實現對

29、電機轉速的調節(jié)。 雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點,如可以精確的定位,可以實現小車前進路程和位置的精確定位但是步進電機的輸出力矩較低,隨轉速的升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,其轉速較低,不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。所以最后確定使用直流電機。 2.2.2驅動選擇 開始時想采用SM6135W電機遙控驅動模塊。SM6135W是專為遙控車設計的大規(guī)模集成電路。能實現前進、后退、向右、向左、加速五個功能,但是其采用的是編碼輸入控制,而不是電平控制,這樣在程序中實現比較麻煩,而且該電機模塊價格比較高,所以放棄。 圖1 后采用電機驅動芯片L298N(見圖1)。L298N是ST公司生產的一種

30、高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝,為單塊集成電路,高電壓,高電流,四通道驅動,可直接的對電機進行控制,無須隔離電路。對照表1通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平,即可以對電機進行正反轉,停止的操作,非常方便,亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調試時在依照邏輯關系表,用程序輸入對應的碼值,能夠實現對應的動作。采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單,加速能力強,采用由達林頓管組成的 H型橋式電路(見圖2)[17]。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)下,精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下,效率非常高

31、,H型橋式電路保證了簡單的實現轉速和方向的控制,電子管的開關速度很快,穩(wěn)定性也極強,是一種廣泛采用的 PWM調速技術[6]。 EN A(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機運轉情況 H H L 正傳 H L H 反轉 H IN1(IN3 IN2(IN4) 快速停止 L X X 停止 表1 L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關系 圖2 H橋式電路 2.2.3H橋式電路工作原理 電路得名于“H橋式驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿,而電機就是H中的橫杠。 H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉,必須導

32、通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況,電流可能會從左至右或從右至左流過電機,從而控制電機的轉向。 2.2.4PWM調速技術 這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大,能承受頻繁的負載沖擊,還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。 2.3循跡模塊 利用光電傳感器實現循跡的基本原理 2.3.1光電傳感器的工作原理 光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電傳感器在一般情況下,有三部分構成,它們分為:發(fā)送器、接收器和檢測電路。 發(fā)送器對準目標發(fā)射光束,發(fā)射的光束

33、一般來源于半導體光源,發(fā)光二極管LED、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射,或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面,裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路,它能濾出有效信號和應用該信號。 此外,光電開關的結構元件中還有發(fā)射板和光導纖維。 三角反射板是結構牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成,能夠使光束準確地從反射板中返回,具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角,使光束幾乎是從一根發(fā)射線,經過反射后,還是從這根反射線返回。 2.3.2光電傳感器的分類和工作方式 1、槽型光電傳感器 把一個光發(fā)射器和一個接收器面

34、對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光,在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時,光被遮擋,光電開關便動作。輸出一個開關控制信號,切斷或接通負載電流,從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。 2、對射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開,就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關,簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側,檢測物通過時阻擋光路,收光器就動作輸出一個開關控制信號。 3、反光板型光電開關把發(fā)光器和收光器

35、裝入同一個裝置內,在它的前方裝一塊反光板,利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式或反射鏡反射式光電開關。正常情況下,發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住,收光器收不到光時,光電開關就動作,輸出一個開關控制信號。 4、擴散反射型光電開關它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器,但前方沒有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光,并把光部分反射回來,收光器就收到光信號,輸出一個開關信號。 2.3.3光電傳感器的選擇 這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走,通常采取的方法是紅外探測法。 紅外探測法,即利用紅外線在不同顏色的物

36、體表面具有不同的反射性質的特點,在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射,反射光被裝在小車上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收,小車上的接收管接收不到紅外光。 單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限,一般最大不應超過3CM[5]。 開始時采用發(fā)光二極管+光敏電阻,但是該方法缺點明顯:易受到外界光源的干擾,有時甚至檢測不到黑線,主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產生直接影響?？朔巳秉c的方法:采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾,但這又會增加檢測系統(tǒng)的功耗

37、。 后采用脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調制信號,則可大幅度減少外界的干擾;此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流,如果采用占空比小的調制信號,在平均電流不變的情況下,瞬時電流很大(50~100mA)(ST-188允許的最大輸入電流為50mA),則大大提高了信噪比。此種測試方案反應速度大約在5us。 2.4避障模塊 探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器,它是利用向目標發(fā)射超聲波脈沖,計算其往返時間來判定距離的。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。其優(yōu)點是價格便宜,易于使用,且在10m以內能給出精確的測量。 2.4.1超聲波測距的原理 超聲波是一種在彈

38、性介質中的機械振蕩,其頻率超過20KHz,分橫向振蕩和縱向振蕩兩種,超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。它有折射和反射現象,且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性,可做成各種超聲波傳感器,結合不同的電路,可以制成超聲波儀器及裝置,在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應用[7]。 作為超聲波傳感器的材料,主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉變成電能,故它分為發(fā)送器和接收器。 通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波,根據接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與雷達測距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一

39、方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s,即:s340t/2) 2.4.2超聲波傳感器的分類 為了研究和利用超聲波,人們已經設計和制造了許多超聲波發(fā)生器。總體上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產生超聲波,一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電式、磁致伸縮型和電動型等。機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性不相同,因而用途也也不相同。目前,常用的

40、是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際是利用壓電陶瓷晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器的內部結構,有兩個壓電芯片和一個共振板。當兩極外加脈沖信號,其頻率等于晶體的固有頻率時,壓電芯片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,便產生超聲波。如果兩電極問未外加電壓,當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電芯片做共振,把機械能轉化成電信號,這時就成了超聲波接收器。 2.4.3超聲波測距特點 超聲波指向性強,能量消耗緩慢,在介質中傳播的距離較遠,因而超聲波經常用于距離的測量,如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業(yè)

41、實用的要求,因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用[7]。 為了使移動機器人能自動避障行走,就必須裝備測距系統(tǒng),以使其及時獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。超聲波測距系統(tǒng),就是為小車了解其前方、左側和右側的環(huán)境而提供一個運動距離信息[8]。 由于超聲實現方便,技術成熟,成本低,且周圍環(huán)境對于超聲波的影響也不大,所以超聲避障成為移動機器人常用的避障方法[7]。從國內外研究情況來看,超聲波裝置主要用作測距,通過測量聲源與目標物之間的往返傳播時間,求得目標物的距離。在有些情況下,超聲波傳感器是光學系統(tǒng)無可比擬的。超聲波傳感器的優(yōu)點主要表現如下[10]: 1、對于黑暗的環(huán)境和物體,

42、超聲波傳感器幾乎不受惡劣環(huán)境的影響,仍然能夠實時準確的探測障礙物信息,反饋給信息處理設備。 2、和光學傳感器相比,超聲波傳感器不僅可以探測到障礙物的存在,而且能夠得到障礙物距機器人的距離,便于機器人做出決策。 3、雖然光傳播速度比聲音快,但計算機控制器延時和電機響應速度等特點將限制機器人執(zhí)行任務的速度,因此光速快的優(yōu)勢并不明顯。 2.4.4超聲波模塊選擇 采用US100超聲波模塊 US100主要技術參數 表2 US100主要參數 電氣參數 US100超聲波模塊 工作電壓 DC2.4V~5.5V 靜態(tài)電流 2mA 工作溫度 -20~+70度 輸出方式 電平或UART(跳

43、線帽選擇) 感應角度 小于15度 探測距離 2cm~450cm 探測精度 0.3cm+1% UART 模式下串口配置 波特率9600,起始位1位,停止位1位,數據位8位,無奇偶校驗,無流控制 US100超聲波測距模塊可實現0~4.5m的非接觸測距功能,擁有2.4~5.5V的寬電壓輸入范圍,靜態(tài)功耗低于2mA,自帶溫度傳感器對測距結果進行校正,同時具有GPI0,串口等多種通信方式,內帶看門狗,工作穩(wěn)定可靠。 US100 5pin接口各自的定義 從左到右依次編號1.2.3.4.5 各自定義 1號Pin 接VCC電源(2.4V~5.5V) 2號Pin 為UART時接TX端,

44、為電平觸發(fā)時接Trig端 3號Pin 位UART時接RX端,為電平觸發(fā)時接Echo端 4號Pin 接外部電路的地 5號Pin 接外部電路的地 表3 US100各pin接口定義 2.5顯示模塊 選用LED數碼管用作顯示 2.5.1數碼管的結構及工作原理 LED數碼管(LED Segment Displays)是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件,引線已在內部連接完成,只需引出它們的各個筆劃,公共電極。led數碼管常用段數一般為7段有的另加一個小數點,還有一種是類似于3位“+1”型。位數有半位,1,2,3,4,5,6,8,10位等等.,led數碼管根據LED的接法不同

45、分為共陰和共陽兩類,了解LED的這些特性,對編程是很重要的,因為不同類型的數碼管,除了它們的硬件電路有差異外,編程方法也是不同的。共陰和共陽極數碼管,它們的發(fā)光原理是一樣的,只是它們的電源極性不同而已。 LED數碼管要正常顯示,就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼,從而顯示出我們要的數位,因此根據LED數碼管的驅動方式的不同,可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 A、靜態(tài)顯示驅動: 靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O口進行驅動,或者使用如BCD碼而是進位器進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單,顯示亮度高,缺點是占用I/O口多,如驅動5個數碼管靜態(tài)顯

46、示則需要5*840根I/O口來驅動,要知道一個89S51單片機可用的I/O口才32個。故實際應用時必須增加驅動器進行驅動,增加了硬體電路的復雜性。B、動態(tài)顯示驅動: 數碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一,動態(tài)驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起,另外為每個數碼管的公共極COM增加位元選通控制電路,位元選通由各自獨立的I/O線控制,當單片機輸出字形碼時,所有數碼管都接收到相同的字形碼,但究竟是哪個數碼管會顯示出字形,取決于單片機對位元選通COM端電路的控制,所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開,該位元就顯示出字

47、形,沒有選通的數碼管就不會亮[19]。 通過分時輪流控制各個LED數碼管的COM端,就使各個數碼管輪流受控顯示,這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中,每位元數碼管的點亮時間為1~2ms,由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極體的余輝效應,盡管實際上各位數碼管并非同時點亮,但只要掃描的速度足夠快,給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料,不會有閃爍感,動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的,能夠節(jié)省大量的I/O口,而且功耗更低。 2.5.2數碼管的選擇 為節(jié)省單片機I/O端口,采用四位一體共陰極動態(tài)數碼管。 2.6控制系統(tǒng)模塊 考慮選用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作為系統(tǒng)的核心部件,實現控

48、制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點,可利用VHDL語言進行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機有較大的劣勢。同時,CPLD的處理速度非常快,而小車的行進速度不可能太高,那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高,在這一點上,MCU就已經可以勝任了。若采用該方案,必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此,不采用該種方案,進而提出了其他設想。 結合實際需求采用89C52作為主控制芯片,該芯片有足夠的存儲空間,可以方便的在線ISP下載程序,能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要,對于本作品系統(tǒng)已經足夠,采用該芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片,能夠準確的計算出時間,有很

49、好的實時性。 2.6.1單片機的發(fā)展 1946年第一臺電子計算機誕生至今,依靠微電子技術和半導體技術的進步,從電子管??晶體管??集成電路??大規(guī)模集成電路,使得計算機體積更小,功能更強。特別是近20年時間里,計算機技術獲得飛速的發(fā)展,計算機在工農業(yè),科研,教育,國防和航空航天領域獲得了廣泛的應用,計算機技術已經是一個國家現代科技水平的重要標志[14]。 單片機誕生于20世紀70年代,象Fairchild公司研制的F8單片微型計算機。所謂單片機是利用大規(guī)模集成電路技術把中央處理單元Center Processing Unit,也即常稱的CPU和數據存儲器RAM、程序存儲器ROM及其他I/

50、O通信口集成在一塊芯片上,構成一個最小的計算機系統(tǒng),而現代的單片機則加上了中斷單元,定時單元及A/D轉換等更復雜、更完善的電路,使得單片機的功能越來越強大,應用更廣泛[14]。 20世紀70年代,微電子技術正處于發(fā)展階段,集成電路屬于中規(guī)模發(fā)展時期,各種新材料新工藝尚未成熟,單片機仍處在初級的發(fā)展階段,元件集成規(guī)模還比較小,功能比較簡單,一般均把CPU、RAM有的還包括了一些簡單的I/O口集成到芯片上,象Fairchild公司就屬于這一類型,它還需配上外圍的其他處理電路方才構成完整的計算系統(tǒng)。類似的單片機還有Zilog公司的Z80微處理器。 1976年INTEL公司推出了MCS-48單片機

51、,這個時期的單片機才是真正的8位單片微型計算機,并推向市場。它以體積小,功能全,價格低贏得了廣泛的應用,為單片機的發(fā)展奠定了基礎,成為單片機發(fā)展史上重要的里程碑[20]。 在MCS-48的帶領下,其后,各大半導體公司相繼研制和發(fā)展了自己的單片機,象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初,單片機已發(fā)展到了高性能階段,象INTEL公司的MCS-51系列,Motorola公司的6801和6802系列,Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名電氣公司NEC和HITACHI都相繼開發(fā)了具有自己特色的專用單片機[20]。 80年代,世界各大公司均競相研制出品種多功能強的單片機

52、,約有幾十個系列,300多個品種,此時的單片機均屬于真正的單片化,大多集成了CPU、RAM、ROM、數目繁多的I/O接口、多種中斷系統(tǒng),甚至還有一些帶A/D轉換器的單片機,功能越來越強大,RAM和ROM的容量也越來越大,尋址空間甚至可達64kB,可以說,單片機發(fā)展到了一個新的平臺。 單片機經歷了SCM、MCU、SOC三大階段[21]。1.SCM即單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)階段,主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構。“創(chuàng)新模式”獲得成功,奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上,Intel公司功不可沒。2.

53、MCU即微控制器(Micro Controller Unit)階段,主要的技術發(fā)展方向是:不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時,對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路,突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關,因此,發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看,Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面,最著名的廠家當數Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢,將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此,當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時,不要忘記Intel和Philips的歷史功績[14]。 單片機是嵌入式系統(tǒng)

54、的獨立發(fā)展之路,向MCU階段發(fā)展的重要因素,就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決;因此,專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展,基于SOC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此,對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)[13]。 2.6.2AT89C52單片機的簡單介紹 在眾多的單片機系列中,AT89C52是一種低功耗,高性能CMOS8位微控制器,具有8K系列可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造,與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序儲存器在系統(tǒng)可編程,也適應于

55、常規(guī)編程。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。 AT89C52有40個引腳,32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口,同時內含2個外中斷口,3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口,2個讀寫口線,AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程S系列的才支持在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起,特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 2.7電源模塊 在本系統(tǒng)中,需要用到的電源有單片機的5V,L298N芯片的電源5V和電機的電源7?15V。所以需

56、要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。 方法1:用9V的鋅電源給前、后輪電機供電,然后使用7805穩(wěn)壓管來把高電壓穩(wěn)成5V分別給單片機和電機驅動芯片供電。這種接法比較簡單,但小車的電路功耗過大會導致后輪電機動力不足。 方法2:采用雙電源。為了確保單片機控制部分和后輪電機驅動的部分的電壓不會互相影響,要把單片機的供電和驅動電路分開來,,即:用6節(jié)干電池7.2V來驅動電機芯片,然后用7805穩(wěn)壓管來穩(wěn)成5V供給單片機,后輪電機的電源用3V供電,這樣有助于消除電機干擾,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 基于以上分析,選擇方法2。 3 硬件設計 3.1總體設計 3.1.1小車總體概述 智能小車采用

57、前輪驅動,前輪左右兩邊各用一個電機驅動,調制前面兩個輪子的轉速起停從而達到控制轉向的目的,后輪是萬象輪,起支撐的作用。將循跡光電對管分別裝在車體下的左右。當車身下左邊的傳感器檢測到黑線時,主控芯片控制左輪電機停止,車向左修正,當車身下右邊傳感器檢測到黑線時,主控芯片控制右輪電機停止,車向右修正。 避障的原理在車身前方裝有超聲波傳感器,當其檢測到障礙物時,主控芯片給出信號報警并控制車子倒退、轉向,從而避開障礙物。 電路分為電源模塊、單片機模塊、電機驅動模塊、循跡模塊、壁障模塊。 3.1.2小車總體設計框圖 圖3 總體設計框圖 3.2驅動電路設計 電機驅動采用H橋式驅動電路,L298N

58、內部集成了H橋式驅動電路,從而采用L298N電路來驅動電機。通過單片機給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度,起停。 L298N的管腳如圖4所示,驅動原理電路圖如圖5所示。 圖4 L298N管腳圖 圖5 電機驅動電路 3.3信號檢測模塊電路設計 將單片機用作測控系統(tǒng)時,系統(tǒng)中總要有被測信號輸入通道,拾取必要的輸入信息。作為測試系統(tǒng),對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務,對控制系統(tǒng)來說,對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。因此,信號檢測模塊占有重要地位。 3.3.1循跡模塊信號檢測電路 小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上

59、行駛,由于黑線和白紙對光線的反射系數不同,可根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”??黑線。在該模塊中我采用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法??紅外探測法。 紅外探測法,即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射,反射光被裝在小車上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收,則小車上的接收管接收不到信號,再通過LM324作比較器來采集高低電平,從而實現信號的檢測(見圖6)。 圖6 紅外傳感電路 3.3.2壁障模塊和顯示信號檢測電路 避障和顯示模塊都是使用的US100超聲波模塊作為信號來源,它共

60、有2種工作原理,分為串口和電平觸發(fā)。 電平觸發(fā)測距工作原理: 在模塊上電前,首先去掉模式選擇跳線上的跳線帽,使模塊處于電平觸發(fā)模式。只需要在Trin/TX管腳輸入一個10US以上的高電平,系統(tǒng)便可發(fā)出8個40KHZ的超聲波脈沖,然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后,模塊還要進行溫度值的測量,然后根據當前溫度值對測距結果進行校正,將校正后的結果通過Echo/RX輸出。 在此模式下,模塊將測距值轉化為340M/S時的時間值的2倍,通過Echo端輸出一高電平,可根據此高電平的持續(xù)時間來計算距離值。即距離值為:(高電平時間*340M/S/2。 串口觸發(fā)測距工作原理 在模塊上電前,首先插上模式選擇跳線上的跳線帽,使模塊處于串口觸發(fā)模式。只需要在Trin/TX管腳輸入OX55(波特率9600),系統(tǒng)便可發(fā)出8個40KHZ的超聲波脈沖,然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后,模塊還要進行溫度值的測量,然后根據當前溫度值對測距結果進行校正,將校正后的結果通過Echo/RX輸出。 輸出的距離值共兩個字節(jié),第一個字節(jié)是距離的高八位(HData),第二個字節(jié)為距離的低八位(LData),單位為毫米。即距離為(HData*256+LData)mm。