无人驾驶车的设计 毕业设计.docx
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无人驾驶车的设计 毕业设计.docx
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无人驾驶车的设计毕业设计
无人驾驶车
摘要:
本设计采用Atmel公司生产的8位单片机AT89C2051对小车、循迹以及机械手进行控制,通过I/O接口输出的信号作为步进电机和蜂鸣器的控制信号,信号由各部分检测电路送入单片机,继而驱动步进电机进行运行,带动小车进行向前和向后运行,调整小车前进方向,并且驱动机械手的手抓和释放,同时控制蜂鸣器播放语音。
主要包括循迹电路、红外检测电路、电动机正反转换向电路和看门狗电路。
设计集检测、微控等技术为一体,应用了数电、模电和小系统设计技术。
该设计具有一定的可移植性,能应用于一些高难度作业环境中。
关键词:
无人驾驶车;手抓;光电检测.
Pilotlessvehicle
Abstract:
ThisdesignusesAtmel's8-bitmicrocontrollerAT89C2051manufacturedrightcar,tracking,androbotcontrol,throughtheI/Ointerface,theoutputsignalasthecontrolofsteppermotorsandbuzzersignal,thesignalsentbythepartofthedetectioncircuitintothemicrocontroller,andthendriveasteppermotorrunning,drivingcartorunforwardandbackward,adjustingthecarthewayforward,andthedrivenmachineryhandclutchandrelease,whilecontrollingbuzzerplayvoice.Partofthecircuitmainlyincludesthefollowing:
trackingcircuit,infrareddetectioncircuit,powersupplycircuits,motorprosandconsofconversiontothecircuit,thewatchdogcircuit.Thisdesignisatest,micro-control,suchastechnologyintegration,applicationnumberofelectric,modularelectricity,smallsystemsdesign,technologydesign.Thedesigncanbeappliedtoanumberofverydifficultoperatingenvironment,quicklyandconveniently.
Keywords:
Pilotlessvehicle;Handfingernail;Electro-opticalexamination.
1前言
随着汽车工业经济的发展,关于汽车的研究也越来越受到人们的关注,各类电子设计大赛中也经常有智能小车的制作课题,全国高校也越来越重视这方面课题的设计,现今社会的不断发展中,各行各业的生产及运输过程中,无人驾驶小车及机械手的使用已经相当普及了,在工厂、码头以及在一些高难度作业环境中都可以见到无人驾驶小车,在这样的情况下我设计了智能化的无人驾驶小车,其目的是为了适应社会的发展以及提高我们的单片机控制技术。
可以看到,在不同的场合,无人驾驶小车的形状和功能有很多种,无人驾驶小车与传输带不同,传输带只能使用在一些固定的地方,它不可能像无人驾驶小车一样能够方便、快捷的进行物品的传输。
随着生产工艺和自动化程度的发展,控制方式有了较大的改变。
不过,虽然它们在方式上存在较多的差别。
但在控制思想和电路原理方面,有很多的共同之处,中间都少不了检测输入、数据处理、决策判断、驱动控制等环节。
我制作了这个无人驾驶小车它只是一个模型,但是工业中传输设备也可以用类似的原理制作出来,我的目的只是掌握了解这种小车的运作原理以及各门功课的联系及应用,以便在以后的工作中可以自如应用这些知识。
这次毕业设计及制作过程中,我使用了模拟电子技术、数字电子技术,单片机技术,光电检测技术,电气控制技术以及机械等技术进行设计及制作。
我把这几年中所学的理论知识基本都融合起来了,这次的设计及制作对理论联系实际有了很大的帮助,使我三年中所学的理论知识得到了升华,同时也提高了我的独立思考和动手能力。
2智能小车的设计方案论证
2.1小车的前进方案
方案一:
采用寻光系统设定小车的前进路线,该方案采用的是应用光敏元件(即红外发光二极管和红外光敏三极管)进行感光,从而测定小车的前进方向,该方案中小车的前进与后退是在同一路线上进行的,光线照射道路面上,根据在路上的线路的路面颜色的不同,反光系数的不同,影响的反射光的强弱从而检测到所要走的线路,利用发光二极管以及光敏电阻组成发射与接收装置,来测定所要走的路线,该方案传感器必须装在小车的底盘前沿,靠近地面。
方案二:
利用单片控制小车的路线,使其在所指定的路线上进行特定环境的运行,是操作和运行更加便捷、快速。
这样同时在设计上也避免了一些技术上的难题,这使得设计的无人驾驶车在一定的场合得到相对应的应用,也避免了在没有光或者光线较暗的场合不能应用但是却增加了软件上一些难题,使程序复杂化。
方案三:
采用普通发光二极管和光敏电阻组成的发射接收方案,该方案在实际的应用中,容易受外界光源的干扰,有时甚至检测不到,主要是因为可见光的反射效果跟地面的平坦程度,地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响虽然可以采取超高亮度发光二极管降低一定的干扰,但是在一定程度上增加了额外的功率消耗。
比较三种方案,方案一的应用较为方便、快捷,而且避免电路的复杂性,使得操作和制作过程简单化,也使得应用的更加方便快捷,在小车的设计上避免了小车因没有方向感而不能到达目的地,也使软件的设计上少了很多的不必要的麻烦,但必须装在小车的底盘前沿,靠近地面。
为避免设计上的一些难题和外界环境的影响,本设计采用第一种设计方案。
2.2电动机的选择
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:
采用普通直流电机。
直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,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,所以采用方案二。
2.3电动机驱动方案的选择
方案一:
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速目的。
但是电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵,且可能存在干扰。
更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小,但电流很大,分压不仅会降低效率,而且实现很困难。
方案二:
采用继电器对电动机的开与关进行控制,通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。
这个电路的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间长,易损坏,寿命较短,可靠性不高。
方案三:
采用四个大功率晶体管组成H桥电路,四个大功率晶体管分为两组,交替导通和截止,用单片机控制使之工作在开关状态,进而控制电动机的运行。
该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下,效率非常高,并且大功率晶体管开关的速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的电路。
由于方案三效率高,稳定性强,速度快,所以电动机驱动电路选择方案三。
2.4供电电源方案的选择
方案一:
采用两个电源供电。
将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源完全隔离,利用光电耦合器传输信号。
这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除,提高了系统的稳定性,但是多一组电池,增加了车身重量,增大了小车的惯性。
方案二:
采用单一电源供电。
电源直接给电动机供电,因电动机启动瞬间电流较大,会造成电源电压波动,因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电。
其供电电路比较简单。
在单片机中设置高低电平采用的是电池供电的方法。
通过比较,小车的机动性和灵活性更为重要,所以选用方案二为电路供电
2.5障碍物探测方案的选择
方案一:
脉冲调制的反射式红外发射接收器。
由于交流分量的调制信号,可大幅度减少外界干扰;另外红外发射接受管的最大工作电流取决于平均电流,如果采用占空比小的调制信号,在平均电流不变的情况下,瞬时电流很大(50~100mA),则大大提高了信噪比。
并且其反映灵敏,外围电路也很简单。
方案二:
采用超声波传感器,如果传感器接受到反射的超声波,则通知单片机前方有障碍物,否则通知单片机可以向前行驶。
如电动车前行遇到障碍时,此超声波信号被障碍物反射回来,由接收机接受,再通过一系列的信号处理,将信号转化成高低电平,继而送入单片机中进行处理。
市场上很多红外光电探头也都是基于方案一的原理。
这样不但能准确完成测量,而且能避免电路的复杂性,因此建议选择方案一。
2.6看门狗方案
实现硬件看门狗技术的方案有很多种,目前采用较多的方案有以下几种:
1.采用微处理器监控器;
2、采用单稳态电路来实现“看门狗”单稳态电路可采用74LS123;
3、采用内带振荡器的计数芯片
本设计采用第三种方案来实现“看门狗”电路。
下面就对该方案做一简单论证:
方法一:
采用CD4060使带振荡器的十四位计数器由该芯片构成的看门狗电路。
看门狗电路必须由硬件逻辑组成,不宜由可编程计数器充当,因为CPU失控后,可能会修改可编程计数器的参数,使看门狗失效,4060的RST线上阻容组成的微分电路很重要,因为扫描输入信号是CPU产生的正脉冲,若此信号变“1”后,由于干扰,程序乱飞,微分电路只能让上升沿通过,不会封死4060,看门狗仍可以计数起作用。
若没有微分电路,扫描信号上的“1”状态封死4060,使之不能计数,看门狗不起作用。
CPU必须在正确完成所有工作后才能发扫描输入信号,且程序中发扫描信号的地方不能太多,否则正好在哪里有死循环,看门狗就不产生计满输出信号,不能重新启动CPU。
4060的计满输出信号不但要接到MCS-51的RST脚,而且还应接到其他芯片的RST,因为程序乱飞后,其他具有RST脚的芯片也混乱了,必须全部复位。
方法二:
选用MAX813L构成的看门狗电路,这种电源监视器件的功耗很低,主要功能有三个:
复位、电源电压的监视、看门狗定时器。
为减少系统的功率消耗,本系统采用的是方法二,应用MAX813L组成的看门狗电路。
3单片机简介
3.1单片机发展概况及方向
单片机即“单片微型计算机”、“微控制器”、“嵌入式微控制器”,单片机一词起源于英文“SingleChipMicrocomputer”,简称SCM。
在单片机产生时,由于其原理和组成皆源于计算机,所以SCM是单片机的最好的称谓。
现在的单片机已经不是单单的计算,而是控制,国际上也逐渐采用“MCU”,即微控制器来代替SCM,形成了单片机界公认的、最终的统一名词。
目前,八位高性能单片机以成为主流,单片机发展具体体现在以下几个方面:
1.CPU功能增强;
2.内部资源增多;
3.引脚的多功能化;
4.低电压低功耗。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展,今后单片机的发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等方向发展。
单片机的最明显的优势,就是可以嵌入到各种仪器、设备中。
在目前,用户对单片机的需要越来越多,但是,要求也越来越高。
下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。
①内部结构的进步;②功耗、封装及电源电压的进步;③工艺上的进步
3.2单片机的特点及应用
1.控制功能强,可靠性高,适用性强。
2.集成度高,体积小。
3.有优异的性能价格比。
4.低功耗、低电压,便于生产便携式产品。
5.增加了I2C(Inter-IntegratedCircuit)串行总线方式、SPI(SprialPeripheralInterface)串行接口等,进一步缩小了体积,简化了结构。
6.单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统。
在日益发展的经济时代中,由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质,近年来,单片机在各行各业的发展中得到了极其广泛的应用,可概括为以下几个方面:
1、智能仪器仪表
2、机电一体化产品
3、实时工业控制
4、分布系统的前端模块
5、家用电器
另外还在交通行业得到广泛的应用,如汽车的自动驾驶、航天测控系统、黑匣子等。
3.5AT89C2051单片机简介
本设计的自动输送带及机械手的设计与制作主要由AT89C2051这块单片机控制,因为AT89C2051是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
AT89C2051是一个功能强大的单片机,但它只有20个引脚,15个双向输入/输出(I/O)端口,其中P1是一个完整的8位双向I/O口,两个外中断口,两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口,一个模拟比较放大器。
同时AT89C2051的时钟频率可以为零,即具备可用软件设置的睡眠省电功能,系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口,系统唤醒后即进入继续工作状态。
省电模式中,片内RAM将被冻结,时钟停止振荡,所有功能停止工作,直至系统被硬件复位方可继续运行。
(一)这块芯片的主要功能特性如下:
兼容MCS51指令系统
2k可反复擦写(1000次)FlashROM
15个双向I/O口
6个中断源
两个16位可编程定时/计数器
2.7-6.V的宽工作电压范围
时钟频率0-24MHz
128x8bit内部RAM
两个外部中断源
两个串行中断
可直接驱动LED
两级加密位
低功耗睡眠功能
内置一个模拟比较放大器
可编程UARL通道
软件设置睡眠和唤醒功能图及扰技术
(二)AT98C2051单片机内部逻辑及引脚
内部逻辑电路,AT98C2051内部逻辑可分为三部分:
1、8位CPU电路
2、存储器电路
3、输入、输出接口电路
4.1单片机抗干扰设计
4.1.1干扰的来源
单片机控制系统的应用很广泛,引起系统干扰的原因也很多,概括起来有以下几种:
(1)交流电源的干扰
(2)信号输入输出通道的干扰
(3)空间的辐射干扰
由于软件抗干扰措施是以CPU为代价的,如果没有硬件消除绝大多数干扰,CPU将疲于奔命,无暇顾及正常工作,严重影响系统的工作效率和实时性。
因此,一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的。
4.1.2抗干扰措施
使用硬件抗干扰技术是一种较为有效的抗干扰方法,常用的硬件抗干扰系统有:
滤波技术、隔离技术、去耦技术、接地技术等。
1、抑制来自电源的干扰
(1)屏蔽电源变压器可将电源变压器的原、副边分别加以屏蔽。
(2)使用交流稳压器用以克服电网电压波动对系统的影响。
(3)低通滤波器抑制由电网侵入的外部高额干扰。
(4)应用隔离变压器抑制高频噪声干扰。
2、光电隔离
3、供电抗干扰设计
4、配置滤波电容
5、接地技术
在单片机控制系统中,只要有以下几种接地:
模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。
在进行微机控制系统设计时,除系统硬件设计外,大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需求设计应用程序,因此,软件程序的设计在微机控制系统设计中占有重要地位,对于本系统软件更为重要。
为了完成上述任务,在进行软件设计时,通常把整个过程分为若干个部分,每一个部分叫做一个模块,所谓模块就是完成一定的功能,相对独立的程序段,这种程序段设计方法叫做模块程序设计法。
模块程序设计法的主要有点是:
✧1、单个模块比起一个完整的程序容易编写和调试;
✧2、模块可以共存,一个模块可以被多个任务同时在不同的条件下调用;
✧3、模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序,为设计者提供方便。
4.1.3“看门狗”技术
电路中Pc受到干扰而失控,引起程序乱飞也可能使得程序陷入死循环,指令技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境,此时系统完全瘫痪,如果操作者再长的话就可以按下人工复位按钮,强制系统复位,但是操作者不能一直监视着系统,也往往是在引起不良后果的时候才进行人工复位的,为使程序脱离“死循环”通常采用“看门狗”技术。
“看门狗”技术就是不断监视程序循环进行时间的,若发现时间超过已知的循环设定时间,则认为系统陷入“死循环”然后强迫程序返回的0000H入口,在0000H处安排一段出错处理程序,使系统运行纳入正规状态中。
看门狗技术可用硬件实现,也可由软件实现,也可由两者结合实现,本系统采用硬件电路与软件结合的方式来实现看门狗技术。
5硬件系统原理图
5.1整体工作原理及原理图
5.1.1原理分析
我的无人驾驶车是采用小车作为运动载体,通过控制小车电动机的运动来控制小车前进和后退。
为了实现小汽车的自动往返和智能控制,我选用了单片机进行控制。
设计以AT89C2051CPU为核心,CPU将传感器得到的信息进行综合判别和处理,然后发出指令给电机驱动电路,控制小车、语音以及机械手进行运动;使小车能够实现往返,并且能够精确地在停车线附近停车,利用循迹电路来控制小车的前进路线。
本设计使用了光电传感器装置检查物体,CPU的综合数据处理为小车按照预定程序运行提供了充分的保证。
由于没有语音芯片,最终只能蜂鸣器实现了语音播放的功能。
在运动过程中当光电检查装置检查到物体时,小车停止运行并启动蜂鸣器进行播放语音,语音播放完后机械手开始运行一段时间抓取物体后,小车开始前进(当光电检查装置再次检查到物体时,我们在设计时把它作为小车运行的目的地)。
在光电检查装置再次检查到物体后系统再次启动蜂鸣器的播放语音,在语音播放完后机械手开始运行并把物体放下,小车退回到出发地。
该无人驾驶车实际上是一个自动控制系统,这样的系统用单片机来实现是比较合适的。
鉴于市场上常见的51系列8位单片机的售价比较低廉,我们的设计采用了AT89C2051作为控制器件的核心,AT89C2051作为处理传感器传来的信号和控制转电动机的正反转的核心部件。
这样的设计不仅可以降低成本,还可以使系统更加稳定。
同时由于安装和调试工作可以并行进行,极大地缩短了总体设计和制造的时间。
5.1.2整体结构图
5.1.3硬件流程图
图5-2硬件流程图
5.1.4整体原理图
图5-3小车的整体结构图
本设计是采用单片机为核心部件,以多个单元电路为主要电路,构成小车系统控制电路,主要模块有主控制器单片机AT89C2051主控制器、循迹电路、红外检测电路、电源电路、电动机正反转向电路、看门狗电路。
各个单元模块在单片机的控制下各自实现在电路中的重要作用,整体协调工作,将所要实现的功能具体实现,即实现小车的启动,前行按照正常的路线前进,实现小车的手抓,返回等一系列动作,电路如图5-3所示。
5.2系统模块电路图
5.2.1循迹电路
小车行驶中对线路的检测是由循迹电路来完成的,循迹电路主要实现光电的检测,即利用各种传感器对电动车的位置、行车状态进行测量和控制。
在小车的前进路线上放置一条宽两厘米的很色带子,光线追踪是采用发射接受原理配置了一对红外线发射、接收传感器,该电路包括一个红外发光二极管,一个红外光敏三极管,及其上拉电阻。
红外发光二极管发射一定强度的红外光线照射物体,红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通,发射一个电平跳变信号。
此套红外光电传感器固定在底盘前沿,贴近地面,正常行驶时,发射管发射红外光,照射地面,光线经白色或者浅色系的地板上后被接收管接收,输出高电平信号,电动车经过黑线时,发射端发射的光被黑线吸收,接收端接收不到反射的光线,传感器输出低电平信号。
设计时将此系统设置两路,第一路放置在小车的左端,第二路设置在小车的右路,当小车前进时向左端偏离时,则左路的接收端可以接收到反射的光线,此时输出一个高电平,而右端则有黑色轨迹吸收光后输出一个低电平,此时两路电平同时送入到单片机中,则启动小车向右偏转知道回到正常的小车轨道中,当小车向右偏转而偏离轨道时,同理,小车的右路寻光系统输出高电平,左路输出低电平,此时,两路电平同时送入到单片机中去,则启动小车向左偏转直到回到正常的小车的运行轨道中,而当两路都输出低电平时,小车的行驶过程是正常的,将这几种情况下的两路电平送人到单片机AT89C2051中进行处理,判断执哪种预先编好的程序来控制小车的行驶状态。
这样,小车沿着正常的轨迹进行前进,在小车的前进的过程中经常会出现偏转的可能性,此循迹系统就避免了小车在前行中偏离正常的运行轨道。
电路如图5-4所示
(a)(b)
图5-4小车的循迹电路
5.2.2红外检测电路
该设计采用的是反射式红检测电路,此电路由共发射极电路及其外围电路产生方波振荡信号.并将接收的信号同其产生的方波信号的频率与相位进行比较,当某一连续输入的信号落在给定的通频带内时(即遇到障碍物时由感光元件组成的电路产生信号).锁相环电路将此信号锁定,即所谓的锁相。
三极管Q21的一部分用于产生约40MHz的振荡信号.作为检测电路产生的方波振荡信号的载波:
另一部分构成单稳态触发器,只有当前方有障碍时,它才会接收到负脉冲,并开始计向单片机传送信号。
具体情况如下:
在小车的前进中,当小车的红外反射系统检测的红外发射端,发出红外光,在小车的前进中,当小车的前方有物体时,红外光会被反射回来,这时由红外的接收端接收到该红外信号,而在小车的前进中,由于前方的物体一直会将小车发出的红外光不断地反射回来,这时接收端将会有一连串的信号传输给后级电路,后级电路将该信号锁定,从而将此信号传输到单片机中,从而改变小车的行驶状态,让小车实现障碍物的检测,使小车停止前进,从而使其他的电路经过单片机的操纵使得进行下一个机械动作。
电路如图5-5所示:
图5-5红外检测原理图
5.2.3电源电路
由于本系统用单一电源进行供电,对电路功耗的要求比较严格。
电动机的功耗是无法削减的;所以,我们采用此方发设置电源进行供电,以保证系统的正常运行。
在系统的软件设计中,经常采用电位的设置,为让系统工作时,各部分之间或多或少都会存在一定程度上的相互干扰,为此在设计中,设置电源的供给时会用一些电池来给各个供电开口置电,使得各个电路之间能够不受供电的影响,从而更加和谐的工作,也可以避免各部分之间工作的相互干扰,使得每一部分的工作能够顺利完成。
本系统采用的电源为+5V电源,供电电源电路如图5-6所示:
图5-6电源电路
5.2.4电动机正反转换向电路
图5-7电动机正反转换向电路
电动车正反转换向电路是由大功率晶体管组成H桥式电路,在该电路中AT89C2051单片机将控制脉冲从P1口输出,进入后续电路,用此信号来控制光电开关,光电隔离后由后级的三极管进入,将电压和电流信号进行放大,驱动电动机的线圈绕组,使电动机在不同的脉冲信
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