智能小车红外导航系统设计.docx
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智能小车红外导航系统设计.docx
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智能小车红外导航系统设计
智能小车红外导航系统
学生姓名:
学生学号:
院(系):
电气信息工程学院
年级专业:
指导教师:
助理指导教师:
二〇一五年五月
摘要
随着科学技术的急速发展,人类探索大自然的脚步越来越远。
然而,大自然中有很多不适合人类步入的恶劣环境。
所以就需要智能机器人替代人类进行探索。
在机器人探索过程中智能导航起到很重要的作用,为了避免机器人在运行过程中被障碍物所阻碍,就需要使用传感器实现避免障碍物阻碍。
传感器是智能小车在运动过程中避免碰撞的最后一道保护。
为了让智能小车能够像人一样在碰到障碍物之前就能发现并避开它,需要用到非接触检测传感器,如视觉摄像头。
在小型的智能小车制作中,采用摄像头视觉显然是一种比较复杂且成本昂贵的选择。
AT89S52单片机是一种功耗低、性能高8位的CMOS微控制器,拥有8K的系统可编程Flash存储器。
使用美国Atmel公司的高密度不易失性存储器技术制造的,它和工业上的80C51系列产品指令和引脚完全兼容。
AT89S52单片机的片上Flash允许程序储存器在系统可以编程,也适用在常规的编程器上。
在单芯片上,AT89S52单片机拥有很灵巧的8位CPU和系统可编程Flash,这些优势使得AT89S52单片机广泛应用在众多的嵌入式控制应用系统中。
本设计使用价格非常便宜且应用广泛的红外线(IR)部件进行通信和测量,采用AT89S52单片机为控制核心,利用红外传感器检测道路上的障碍,控制智能小车的伺服电机运行实现小车的自动避障。
控制机器人运动的伺服电机以不同速度旋转是通过让单片机的输入/输出(I/O)接口输出不同的脉冲序列来实现的。
从单片机的引脚开始,对各引脚进行分配,使伺服电机与红外传感组受到单片机的控制。
然后对红外传感器组进行电路设计。
最后用程序让整个系统各行其职。
整个系统的电路结构简单,可靠性能高。
通过实验的结果来看,本设计满足题目要求,本文重点介绍和讲解了该系统的硬件和软件的设计以及测试结果的分析。
关键词AT89S52红外传感器避障
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,humanfootstepsfartherexplorenature.Innature,however,therearealotofunfitforhumaninbadenvironment.Thereforeneedintelligentrobotsreplacehumantoexplore.Intelligentnavigationintheprocessofroboticexplorationplayaveryimportantrole,inordertoavoidtherobotbyobstaclesintheprocessofoperation,willneedtousethesensortoachievesteerclearofobstacles.
Sensorissmartcartoavoidcollisionintheprocessofmovementofthelastlineofprotection.Inordertomakesmartcartolikepeoplebeforetheyrunintoobstaclescandiscoverandavoidit,needtousenon-contactdetectionsensors,suchasvisioncamera.Insmallintelligentcarproduction,usingthecameravisionisclearlyamorecomplexandexpensiveoption.AT89S52SCMisakindoflowpowerconsumption,highperformance8-bitCMOSmicrocontroller,with8ksystemprogrammableFlashmemory.UsetheAtmelcompany'shighdensityisnoteasytolossofmemorytechnology,anditindustryonthe80c51seriesproductisfullycompatiblewithinstructionsandpin.AT89S52MCUchipFlashprogrammemoryisavailableontheinsystemprogramming,alsousedinconventionalprogrammer.OnthesinglechipAT89S52MCUhasaveryclever8-bitCPUandsystemprogrammableFlash,theseadvantagesmakeAT89S52singlechipcomputeriswidelyusedinmanyembeddedcontrolapplications.
ThisdesignUSESthepriceisverycheapandwidelyusedcommunicationandmeasurement,infrared(IR)componentsadoptAT89S52singlechipmicrocomputerascontrolcore,usinginfraredsensordetectionintheway,tocontrolthesmartcartorunservomotortorealizethecarautomaticobstacleavoidance.ControltherobotmovementoftheservomotorrotatingatdifferentspeedsbyMCUinput/output(I/O)interfaceoutputdifferentpulsesequences.StartingfromtheMCUpin,distributionofeachpin,maketheservomotorbysinglechipmicrocomputercontrolandinfraredsensorgroup.Theinfraredsensorgroupandcircuitdesign.Thelastusedprogramtomakethewholesystemall.Thecircuitofthewholesystemstructureissimple,reliableperformanceishigh.Throughtheexperiment,thisdesignsatisfiestherequirementofsubject,thispapermainlyintroducesandexplainsthedesignofhardwareandsoftwareofthesystemandtheanalysisofthetestresults.
KeywordsAT89S52,Infraredsensor,Obstacleavoidance
1绪论
1.1课题背景
随着社会的发展,计算机、微电子、信息技术行业都非常快速的进步,智能化技术的研究发展速度越来越快,智能度也是越来越高,其应用范围也有了非常大的扩展。
比如在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域都出现了智能化。
智能小车系统在汽车电子产业飞速发展的背景下,涉及了控制、模式识别、传感器技术、电子、电气、计算机与机械等多个学科。
主要有路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成。
同时,当今机器人的技术发展的如火如荼,其应用在国防等众多领域得到广泛开展。
神五、神六等升天、无人飞船等等无不得益于机器人技术的迅速发展。
世界上一部分发达国家已经把智能机器人设计比赛作为其创新教育的战略性手段。
比如在日本,每年都会举行如“NHK杯大学生机器人大赛”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人的制作比赛,比赛的参与者大部分都为在校学生,其目的是在通过这些比赛全面的增加学生的实践能力、创新能力、团队配合和进取精神,与此同时也让更多人学习了智能机器人的专业知识。
从某方面来看,机器人激素和反映出了一个国家的综合技术实力高低,而且智能小车是机器人的雏形,它的控制系统等方面的研制将有助于推动智能机器人控制系统的发展,同时也为智能机器人的研制提供了更加有利的手段。
随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子竞赛和省内电子竞赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
设计的智能电动小车能够实现在行驶中自动避障。
1.2课题研究现状、水平
随着社会的日益发展,智能机器人在现实生活中发挥其重要作用。
研究基于单片机的多信息采集避障机器人,可以在此基础上研发出更多自动化产品,列如自动巡逻机器人、自动吸尘器等从而提高人们的生活水平和质量。
在世界经济与人类生活水平急速提高的前提下,超级商城、大型的物流仓库的规模和数量的扩大,高层高档的商用楼日益增多,其安保系统自动化的需求必将日趋迫切。
如今这些安保系统仍然依赖于人力巡逻或CCD定位监控,显然已经不能满足夜间安保的要求,如果采用智能机器人实行定时、定点监控巡逻和不间断的流动巡逻相结合,将解决这些场所的安保问题,所以很多国家都在这个方面进行研究,争取更加的智能化,达到基本取代人力。
美国在智能机器人的研究
史上走过一条只重视理论研究,却忽视应用开发的曲折道路,不过在智能机器人的研究技术上美国仍然一直处于领先。
其技术全面、先进,适用性也很强。
其他发达国家如英国、俄罗斯、法国、日本等国也都在智能机器人的研究方面处于领先水平。
如今,中国的示教再现型机器人研究技术已经基本上成熟,并且在工厂中也得到了推广与应用。
我国自行生产的利用机器人进行喷漆的流水线在长春汽车厂和东风汽车厂进行生产,所以机器人研究在中国已经初步成型,不过还是有很大的空白需要填补。
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。
小车的智能避障是基于红外传感系统实现的,采用红外传感器来检测前方是否有障碍物以及障碍物的远近。
综合考虑各种因素,我们选择多功能信息采集避障小车作为我们的制作项目。
1.3本课题的发展趋势
随着社会经济与文明的飞速发展,人工智能技术、计算机软硬件技术、自动控制技术也在迅猛的发展,智能控制领域必将迎来其发展的黄金期。
机器人领域近几年有如下几个发展趋势:
1、机器人的性价比越来越高(单价不断下降),性能也越来越高(速度、精度。
可靠性、便于操作和维修性)。
2、工业中,工业机器人控制系统正在向PC机的开发型方向发展,以便于标准化和网络化。
同时,元器件的集成度提高,大大提高了系统的可靠性和易操作性以及可维护性。
3、传感器的作用日益重要,除传统的位置、速度、加速度等传感器外,视觉、声觉、力觉、触觉等多种传感器的融合技术已用来进行环境建模及决策控制。
2方案论证与选择
本课题是智能小车红外导航系统设计,课题重点研究的是红外导航部分,所以在设计方案时主要讨论红外传感器的设计。
是本次设计的核心部分。
下面我们对红外传感器进行方案讨论。
2.1系统方案设计
对于智能小车红外导航系统而言决定它的工作效率的条件,不仅由传感器决定,而传感器材料本身的性质决定、光线角度、物体颜色有关。
同时还与我们所选的控制核心有关,所以我们如果要最大限度的做好本次设计,那么我们必须选择好的控制核心。
下面我们就对于这方面分析与论证。
设计方案一:
图2.1系统设计框图
设计方案二:
图2.2系统设计框图
设计方案三:
2.2系统方案选择
方案分析:
对于以上两种方案,方案一是采用红外传感器组作为整个系统的信息采集模块,红外传感器组由红外LED和红外接收器组成,其优点:
电路简单,可以自己做,成本低;缺点:
受光线的影响大,不可测距。
方案二是采用超声波传感器作为整个系统的信息采集模块,其优点:
可以测量距离,受温度影响小,较稳定;缺点:
价格相对较贵,大量用不现实,一般网上卖的超声波模块测距最远在3、4米。
方案三是采用ARM板作为整个系统的控制核心,本身ARM是一个CPU设计厂商,他自己并不生产CPU。
其实在CPU发展初期ARM是想买INTEL的CPU设计图的,但是INTEL不卖,所以就自己研发了简单指令集类架构的处理器。
现在以ARM架构图纸二度开发的厂商很多,比较有名的几个三星、德州仪器、高通、英伟达……
ARM的主要优势在于功耗和功耗性能比,因为耗电量很低所以,一般用在移动设备上面。
现在在集成大型服务器上面也有用,因为功耗很低达到相同性能(与INTEL大型服务器相比)消耗的电能低很多。
缺点也是很明显的,他由于是基于简单指令集的处理器所以在单周期内处理复杂指令的能力要比X86架构差很多,而且他的处理器每一代之间都不是完全兼容的,又没有一个像Windows一样的系统,所以在使用ARM的设备上面,基本厂商要对每一种设备,每一种芯片的组合定制一个操作系统(比如现在的android虽然看上去都一样,但是A设备的系统放B设备上99.9%用不了)。
经过以上方案仔细的研究和反复的论证,我最终选择方案一作为本次设计的整体框架。
2.3本课题的研究内容
本课题是用AT89S52单片机作为控制核心的,以红外LED、红外接收器作为整个系统的信息采集模块,用伺服电机作为运动执行元件,实现小车的自动避障功能。
2.3.1课题的设计要求
1、发射出波长为980nm的红外线光;
2、检测到物体反射回来的38.5KHz的电信号;
3、小车实现自动避开障碍物的功能。
2.3.2本课题的创新点
本设计是利用红外线传感器充当小车眼睛,使小车具有到达人类所不能步入的恶劣环境下进行探测的基础。
它具有以下优点:
1、实现小车智能化,能自己做出选择,不需要认为控制。
2、整个系统处理速度快,不会出现小车停顿的问题。
3系统硬件设计
3.1系统框图设计
系统设计框图如下图所述,整个系统由单片机最小系统,红外检测模块,电机驱动模块组成。
小车起始时是处于静止状态,按下电源键使小车前进。
当再次按下电源键时小车停止前进。
当左边红外检测器检测到障碍物时,将一个P1_2的低电平转成高电平,单片机接受到信号后,通过程序将P1_1端由低电平转成高电平,延时1700ms后改低电平,P1_0改为高电平,延时1700ms后改为低电平延时20ms,从而使小车右转。
当右边红外检测器检测到障碍物时,将P1_2的低电平转高电平,单片机接收到信号后,通过程序将P1_1端口由低电平转成高电平,延时1300ms后改为低电平,P1_0改为高电平延时1300ms后改为低电平,延时20ms,从而使小车左转。
图3.1系统设计框图
3.2最小系统设计
3.2.1最小系统简介
单片机最小系统由复位电路、晶振电路、数据采集接口和电机控制接口组成。
所谓晶振电路即指单片机地时钟电路。
单片机晶振两个电容的作用:
这两个电容叫晶振的负载电容,分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,一般在几十皮发。
它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度,一般订购晶振时候供货方会问你负载电容是多少。
晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中
Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic(集成电路内部电容)+△C(PCB上电容)经验值为3至5pf。
复位电路的基本功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
单片机复位电路参数的选定须在振荡稳定后保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。
AT89S52单片机是整个开发板的控制中心,我们在选用电路时应该保证它的可靠性和抗干扰性.在选用具体电子器件的时候,应该确定它的各项参数,尽量使用参数相当的器件。
AT89S52单片机是一种功耗低、性能高8位的CMOS微控制器,拥有8K的系统可编程Flash存储器。
使用美国Atmel公司的高密度不易失性存储器技术制造的,它和工业上的80C51系列产品指令和引脚完全兼容。
AT89S52单片机的片上Flash允许程序储存器在系统可以编程,也适用在常规的编程器上。
在单芯片上,AT89S52单片机拥有很灵巧的8位CPU和系统可编程Flash,这些优势使得AT89S52单片机广泛应用在众多的嵌入式控制应用系统中。
主要特性如下:
1、与MCS-51单片机产品兼容;
2、8K字节在系统可编程Flash存储器;
3、1000次擦写周期;
4、全静态操作:
0Hz-33MHz;
5、三级加密程序存储器;
6、32个可编程I/O口线;
7、三个16位定时器/计数器;
8、8个中断源;
9、全双工UART串行通道;
10、空闲模式和掉电模式时功耗低;
11、掉电后片中断可被唤醒;
12、看门口定时器;
13、双数据指针;
14、掉电标识符。
AT89S52单片机的工作模式
掉电模式:
在掉电模式下,单片机的晶振不工作,最后一条执行指令激活
掉电模式。
单片机的片上RAM和有某些特殊功能的寄存器保持原值不变,一直到掉电模式终止才可能发生变化。
掉电模式的退出方式有硬件复位和外部中断等。
复位则重新定义了SFR的值,但是不会改变单片机片上RAM的值。
在Vcc没有恢复到正常工作电压时,硬件复位必须有效,并且应该保持足够长的时间让晶振重新工作和初始化。
空闲模式:
在空闲工作模式下,单片机的CPU处于睡眠状态,而单片机的所有片上外部所接设备继续在激活的状态。
可以通过软件产生这个状态。
在这种状态的时候,片上RAM和某些具有特别用处的寄存器的内容不发生变化。
在空闲模式下,任一个中断或硬件复位都能终止这种模式。
如果是硬件复位使空闲模式终止则只要2个机器周期的有效的复位信号即可,此时,单片机的片上硬件不允许访问内部RAM,但是允许访问端口的引脚。
在硬件复位终止次模式后,为了防止某些预想不到的写端口,所以激活空闲模式的那一条指令的下一条指令不应该是写端口或外部存储器。
正常工作模式:
典型功耗4Ma~7mA
图3.2AT89S52引脚图
AT89S52引脚功能说明
VCC:
连接电源
GND:
接地
P0口:
P0端口是一个有8位的漏极开路的双向输入/输出(I/O)口。
作为输出端口,每1位都能驱使8个TTL的逻辑电平。
向P0端口写入“1”时,引脚的作用是高阻抗的输入端口口。
当访问外面的程序和存储数据的存储器的时候,P0口也有低8位地址/数据复用的作用。
在这种模式下,P0具有内部与电源相连,并起到拉高电平作用的电阻。
此电阻还起到限流的作用的上拉电阻。
在flash编程时,P0端口也用来接收指令字节的作用;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验
时,需要外部与电源相连,并起到拉高电平作用的电阻。
此电阻还起到限流的作用的上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部与电源相连,并起到拉高电平作用的电阻。
此电阻还起到限流的作用的上拉电阻双向的8位输出/输入(I/O)口,p1的输出缓冲器能够驱动4个TTL的逻辑电平。
在对P1输入“1”的时候,上拉电阻就把P1拉高,这时候P1口可以作为输入口使用。
此外,P1_0当作定时器的外部计数输入(P1_0/T2),P1_2当作计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
P2口:
P2口是一个8位双向I/O口有内部上拉电阻,P2输出缓冲器能够驱动4个TTL的逻辑电平。
向P2写入“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用此时将输出电流。
因为其被外部拉低的引脚有内部电阻。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。
P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
3.2.2最小系统原理图设计
智能小车采用AT89S52单片机进行智能控制,开始由手动启动小车电源,并复位小车开始运行。
在运动过程中由红外光电传感器检测,遇到障碍时通过单片机控制小车进行转向,系统功能原理图如图所示。
图3.3AT89S52单片机最新系统图
3.3采集模块设计
3.3.1红外传感器组简介
红外LED发射红外光,如果智能小车下面有障碍物,红外线从障碍物发射回来,相当于智能小车眼睛的红外检测器,检测到从障碍物反射回来的红外光线,并且向单片机发出信号表明检测到物体,相当于智能小车的大脑的AT89S52单片机基于这个传感器的输入控制伺服电机。
在红外线(IR)接收/检测器内有内置的光滤波器,光滤波器除了检测需要检测的波长为980nm的红外光线外,它几乎是不会让其他光通过的。
红外检测器还有一个电子滤波器,它只会让大约38.5KHz频率的电信号通过。
也就是,检测器只寻找每秒闪烁38500次的红外光线。
这样就防止了普通光线对IR的干涉。
室内光的闪烁频率大概为100或120Hz。
由于120Hz在电子滤波器的38.5kHz通带频率之外,它完全被IR探测器忽略。
其实物图和原理图如下图
图3.4红外检测器与红外LED的符号实物图
元件清单:
(1)两个红外检测器
(2)两个IRLED
(3)四个470□电阻
(4)两个9013三极管
搭建红外线前灯
电路板的每个角安装一个IR组(IRLED和检测器)。
断开主板和伺服系统的电源
红外接收管为HS0038B特性:
引脚特性(从上到下):
1:
Vcc;2:
GND;3:
SIN。
检测波长:
980nm
允许电信号:
38.5KHz
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