1、智能循迹碰撞红外小车讲解J I A N G S U U N I V E R S I T Y智能小车课程设计Intelligent vehicle design course 设计课题： 避障智能小车创新训练 专业班级： 测控0901 学生姓名： 张展、 杨明鹏、张家宝 学生学号：3090302012、3090302014、3090302013 指导教师： 孙智权 时间：2013年3月摘要本次毕业设计分为四个模块：电源模块、路面检测模块、单片机最小系统 、电机驱动模块。电源模块是采用12V电源双路供电，一路直接供给电机，一路经过稳压电路输出5V电源给LM324、单片机和L298N。路面检测模块主
2、要通过碰撞传感器、红外传感器、超声波传感器和火焰传感器实现路面检测及行走。单片机最小系统是满足单片机工作的系统。电机驱动选择的是驱动芯片L298直接驱动两个直流减速电机，并采用PWM调节速度，达到两个电极不同速度，从而控制小车的行驶速度。关键词 单片机 电源 路面检测 电机驱动 PWMAbstractThis graduation design is divided into four modules: the module power supply module, pavement detection module, MCU minimum system, motor. The power
3、supply module is the use of 12V supply dual power supply, a direct supply motor, an output voltage stabilizing circuit 5V power supply through the LM324, MCU and L298N. The road detection module mainly through the collision sensor, infrared sensor, ultrasonic sensor and flame sensor to realize the r
4、oad detection and walking.The smallest single-chip system is system satisfies the monolithic computer work. The motor drive is the choice of drive chip L298 direct drive two DC gear motor, and use PWM to adjust the speed, up to two electrodes of different speed, so as to control the cars speed. Key
5、word Single chip microcomputer power supply Pavement detection PWM目录摘要 2目录 31 引言 41.1 智能小车的意义和作用 41.2 智能小车的现状 51.3论文各部分的主要内容 52 模块设计 62.1电源模块 62.2 电压比较器模块 62.3 控制电机模块 62.4 电机驱动模块 72.5 主控制芯片模块 82.6传感器模块 83 硬件电路的设计 113.1 总体装配图 113.2 接线说明 123.3 STC控制板 144 软件设计 154.1 PWM 154.2 开发软件 165 总体调试 186 致谢 187 参
6、考文献 201 引言1.1 智能小车的意义和作用自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，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相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只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
7、CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、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觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVGauto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等
8、功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感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STC89C52单片机，配合软件编程实现。1.2 智能小车的现状智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光
9、入库、避崖等基本功能，这几届的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现碰撞避障、红外避障、避崖、灭火功能。1.3论文各部分的主要内容第1章对智能小车意义和作用、现状进行简单阐述。第2章介绍了各模块的设计，包括电源模块、传感器模块。第3章阐述了智能小车系统的硬件电路的设计，其中包括总体说明图、接线说明、STC控制介绍等。第4章首先介绍了该系统的软件编程，以及程序调试过程中所用到的程序调试软件及其调试环境。最后总结部分说明了本论的主要内容，举出了在系统测试过程中所发现的问题，并提出了可能的解决方案。2 模块设计2.1电源模块方案1：采用单
10、电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响单片机的性能，稳定性比较弱。方案2：采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起来，唯一的缺点就是会增加小车的重量。综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案。2.2 电压比较器模块市场上可以做电压比较器的运放，实在是太多，根据实验室现有条件以及器件选择经济并且能满足使用要求的原则，本次电压比较器选择实验室现有的LM324，此器件价格便宜，并且带有真差动输入的四运算放大器。2.3
11、 控制电机模块方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2：采用小型直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。为了能够较好的满足系统的要求，我们选择了方案2。2.4 电机驱动模块方案1：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换
12、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2：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但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。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案3：采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，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路(如图a)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。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型桥
13、式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N(如图b)。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、超载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。a H型桥式电路 b L298N实物图2.5 主控制芯片模块方案1：可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。 方案2：选用51系列的单片机
14、，AT89S52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比ARM低。根据自己的知识能力，实验室现有条件，选用STC89C52RC单片机作为本次毕业设计的主控芯片，而且此芯片烧程序也不需要专用的下载器，另一方面节省了成本，只要安装USB转串口驱动，在普通的计算机上就可以烧写程序，很方便。2.6传感器模块1 碰撞传感器碰撞传感器有机电开关式、电子开关式和水银开关式3大类型。常用的机电开关式碰撞传感器有滚轴式、滚球式和偏心锤式。本机器人采用开关式碰撞传感器，它利用机械运动来控制触点的开合，触点的断开或闭合则通过上层板控制电机的运转。2 红外传感器红外线反射传感器
15、是利用红外线反射的原理，根据反射的强度来判定前方障碍的有无。在距离适中的时候测量精度很高。由于使用的是红外线，所以抗干扰能力很强。这样更加确保了机器人的稳定性。一般可以制作料位液位计、报警器、自动门、倒车防撞仪、玩具等。3 超声波传感器基本工作原理： （1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号； （2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回； （3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S）/2。4 火焰传感器火焰模块，是能够测量可见光、红外光强弱的电子部件。 接口线，由四条线组成黑色线：地线红色线：电源线（+5V）黄色线：信号线，用于测量红外光值棕色线：信号线，用于测量可见光值 火焰模块主要用于测量环境光的强弱。3 硬件电路的设计3.1 总体装配图3.2 接线说明1、 车体划分如下图，图口已标出车头，左右轮，左右电机的划分2、 主控板电机控制信号接口由于车体采用的是直流电机，所以我们需要一个直流电机驱动板，主控输出控制信号给驱动板即可，接线如下图3、 驱动板简介驱动板电源与控制板电源直接相连4、 驱动板电源及电机接线如下图
