屆別2013屆學號200914240145畢業設計目錄TOC\o"1-2"\u摘要 IAbstract II1緒論 11.1課題背景 11.2課題的目的和意義 11.3設計要求 12總體方案設計 22.1硬件設計 22.2最終方案 63硬件實現及單元電路設計 63.1主控制模塊 63.2單片機的時鐘電路與復位電路設計 73.3電源設計 73.4驅動電路 83.5E18-D50NK光電開關避障模塊 93.6紅外光電開關傳感器的安裝 103.7小車車體總體設計 114系統軟件設計方案 115系統的安裝與調試 125.1安裝步驟 125.2電路的調試 13總結 14參考文獻 15致謝 16附錄1整機電路原理圖 17附錄2部分源程序 18附錄3作品實物圖 23摘要隨著生產自動化的發展需要，機器人已經越來越廣泛地應用到生產自動化上，隨著科學技術的發展，機器人的傳感器種類也越來越多，其中紅外傳感器已經成為自動行走和駕駛的重要部件。紅外的典型應用領域為自主式智能導航系統，機器人要實現自動避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相當給機器人一個視覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統，采用紅外傳感器實現前方障礙物檢測。關鍵詞：智能小車；單片機；紅外線；避障ABSTRACTWiththedevelopmentofproductionautomation,robothasbeenwidelyappliedtotheautomationofproduction,withthedevelopmentofscienceandtechnology,sensortypesofrobotsaremoreandmore,whichhasbecomeanimportantpartofinfraredsensor,automaticwalkinganddriving.Typicalapplicationofinfraredforautonomousintelligentnavigationsystem,therobottorealizetheautomaticobstacleavoidancefunctionmustbeperceivedbarriers,perceivedbarrierstorobotisavisualfunction.Intelligentobstacleavoidanceisbasedoninfraredsensorsystem,implementationofobstacledetectionusinginfraredsensors.Keywords:Smartcar;SCM;infraredray;obstacleavoidance1緒論1.1課題背景目前，國內外的許多大學及研究機構都在積極投入人力、財力研制開發針對特殊條件下的安全監測系統。其中包括研究使用遠程、無人的方法來進行實現，如機器人、遠程監控等。無線傳輸的發展使得測量變得相對簡單而且使得處理數據的速度變得很快甚至可以達到實時處理。智能小車方面：智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多學科的科技創意性設計，一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發展的趨勢。該智能小車可以作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執行部分、CPU。機器人要實現自動循跡功能，感知引導線，實現小車自動識別路線，選擇正確的行進路線。通過構建智能小車系統，培養設計并實現自動控制系統的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實現小車的智能循跡。靈活應用機電等相關學科的理論知識，聯系實際電路設計的具體實現方法，達到理論與實踐的統一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認識。1.2課題的目的和意義本題目設計的是具有自動避障自動巡航的智能小車，其設計思想與一些日常生活迫切需要的機器人（如測距機器人，搜索機器人，管道探傷機器人）類似。由于采用了紅外傳感器，能耗較低，靈敏度較高。智能小車系統的設計采用了模塊化的設計方法，電路結構簡單，調試方便，有很大的擴展空間，稍加改動便可應用于實際生產生活中，也可作為高校學生以及廣大機器人愛好者學習研究使用。1.3設計要求1.小車可以實現一個相對穩定準確的自動巡航避障。2總體方案設計系統采用STC89C52單片機作為核心控制單元用于智能車系統的控制,小車車頭左右各一個E18-D50NK紅外線傳感器檢測前方，左右兩邊障礙物，用于判斷是否需要轉彎，防止小車碰到障礙。系統總體的設計方框圖如圖1所示。7805電源7805電源紅外線模塊紅外線模塊STC89C52主控模塊紅外線模塊紅外線模塊STC89C52主控模塊L298電機驅動模塊L298電機驅動模塊圖1系統總體方框圖2.1硬件設計2.1.1車體設計方案1：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉向后輪驅動，不能方便迅速的實現原地保持坐標轉90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，力矩小，空載轉速快，負載性能差，不易調速。而且這種電動車一般都價格不扉。因此我們放棄了此方案。方案2：買現成的車模。經過反復考慮論證，我們制定了買左右兩輪分別驅動，后萬向輪轉向的車模方案。即左右輪分別用兩個轉速和力矩基本完全相同的直流減速電機進行驅動，后裝一個萬向輪。這樣，當兩個直流電機轉向相反同時轉速相同時就可以實現電動車的原地旋轉，由此可以輕松的實現小車坐標不變的90度和180度的轉彎。綜上考慮，我們選擇了方案2。2.1.2主控制器模塊方案1：采用可編程邏輯器件CPLD 作為控制器。CPLD可以實現各種復雜的邏輯功能、規模大、密度高、體積小、穩定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模控制系統的控制核心。但本系統不需要復雜的邏輯功能，對數據的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經濟的角度考慮我們放棄了此方案。方案2：采用STC89C52單片機作為整個系統的核心，用其控制行進中的小車，以實現其既定的性能指標。充分分析我們的系統，其關鍵在于實現小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現出來它的優勢——控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優點。STC89C52單片機具有功能強大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達8K，對于本設計也綽綽有余，更可貴的是STC89C52單片機價格非常低廉。因此，這種方案是一種較為理想的方案。從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案2。2.1.3電源模塊由于本系統采用電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統供電。方案1：采用12V蓄電池為系統供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。方案2：采用6節1.5V干電池共9V做電源，經過7805的電壓變換后為單片機，傳感器供電。經過實驗驗證小車工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩定能夠滿足系統的要求，而且電池更換方便。綜上所述采用方案22.1.4電機驅動模塊方案1：采用繼電器對電動機的開或關進行控制,通過開關的切換對小車的速度進行調整.此方案的優點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案2：采用電阻網絡或數字電位器調節電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但電阻網絡只能實現有級調速，而數字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現很困難。方案3：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(如圖2)。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，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，穩定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調速技術。現市面上有很多此種芯片，我選用了L298N(如圖3)，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良。因此我們選用了方案3。圖2H橋式電路圖3L298N2.1.5電機模塊本系統為智能自動巡航電動車，對于電動車來說，其驅動輪的驅動電機的選擇就顯得十分重要。我們綜合考慮了一下兩種方案。方案1：采用步進電機作為該系統的驅動電機。由于其轉過的角度可以精確的定位，可以實現小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優點，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。經綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2：采用直流減速電機。直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生大扭力。能夠較好的滿足系統的要求，因此我們選擇了此方案。2.1.6避障模塊方案1：用超聲波傳感器進行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機。但是超聲波傳感器死角大，溫漂大，有時測不準。方案2：用紅外E18-D50NK光電開關進行避障。紅外E18-D50NK光電開關里的紅外發射管發射出紅外線，被物體阻斷或部分反射，里面的紅外接收管接收到反射回來的紅外線，然后有一個由高到低的電壓變化，E18-D50NK光電開關內部電壓比較器根據這個電壓的變化輸出數電信號給單片機處理。紅外E18-D50NK光電開關進行避障，使用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。我們最終選擇了方案3。2.2最終方案經過反復論證，我們最終確定了如下方案：車模用兩驅車模2、采用STC89C52單片機作為主控制器。3、用6節干電池供電。4、用紅外E18-D50NK光電開關進行避障巡航。5、L298N作為直流電機的驅動芯片。3硬件實現及單元電路設計3.1主控制模塊主控制最小系統電路如圖4所示。圖4單片主控電路3.2單片機的時鐘電路與復位電路設計本系統采用STC系統列單片機，相比其他系列單片機具有很多優點。一般STC單片機資源比其他單片機要多，而且執行速度快；STC系列單片機使用串口對單片機進行燒寫，下載程序較為方便；STC51單片機內部集成了看門狗電路；且具有很強抗干擾能力。本系統采用內部方式的時鐘電路和加電自復位的復位電路，如下圖5圖6所示：圖5時鐘電路 圖6復位電路由于單片機P0口內部不含上拉電阻，為高阻態，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時必須外接上拉電阻。3.3電源設計電源部分的設計主要采用7805芯片，使用7805芯片搭建的電路的優點是簡單、實用，78系列三端穩壓IC組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。并且完全能夠滿足壁障小車單片機控制系統和L298N芯片的邏輯供電的供電需要。7805芯片有3個引腳，分別為輸入IN端、輸出OUT端和接地GND端，通常情況下可以提供1.5A的電流，在散熱足夠的情況下可以提供大于1.5A的電流。7805芯片的輸入電壓可以為9V、12V、15V不等，輸出電壓穩定在5V，正負誤差不超過0.2V。7805芯片如圖7。基于這樣的情況再結合電機的工作電壓，選取了6節干電池9V作為7805的輸入電源，搭建的電源部分電路如圖8圖77805芯片圖8電源電路3.4驅動電路電機驅動一般采用H橋式驅動電路，L298N內部集成了H橋式驅動電路，從而可以采用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。其引腳圖如9，驅動原理圖如圖10。圖9L298N引腳圖圖10電機驅動電路3.5E18-D50NK光電開關避障模塊本系統對障礙物的檢測采用E18-D50NK型號的紅外傳感器，E18-D50NK傳感器是一種紅外線反射式接近開關傳感器，用于物體的反射式檢測，該傳感器具有體積小，功耗低，應用方便，穩定可靠等優點。輸出信號為數字量，不需要進行A/D轉換，可直接與單片機的I/O口相連，檢測到目標時信號線輸出是低電平，正常狀態時為高電平，為能讓單片機正常檢測，在信號輸出端需外接一個1KΩ上拉電阻。檢測距離可達50cm，距離可通過可調電位器調節。圖11E18-D50NK紅外傳感器光電開關E18-D50NK的技術參數:

1、輸出電流DC/SCR/繼電器Controloutput：100mA/5V供電

2、消耗電流DC<25mA

3、響應時間<2ms

4、指向角：≤15°,有效距離3-50CM可調

5、檢測物體：透明或不透明體

6、工作環境溫度：-25℃~+55℃

7、標準檢測物體：太陽光10000LX以下白熾燈3000LX以下

8、外殼材料：塑料電氣特性：

U:5VDC

I:100mA

Sn:3-50CM尺寸：直徑:17MM

傳感器長度:45MM

引線長度:45CM原理分析如圖11圖11避障原理E18-D50NK紅外光電開關發射出紅外線，被物體阻斷或部分反射，E18-D50NK內部紅外接收管接收到反射回來的紅外線，然后有一個由高到低的電壓變化，E18-D50NK內部電壓比較器根據這個電壓的變化輸出數電信號給單片機處理。當有光線反射回來時E18-D50NK信號腳輸出低電平。3.6紅外光電開關傳感器的安裝我們所設計的紅外光電傳感器在每一側都有一個，這樣可以全面的檢測前方障礙物紅外光電傳感器的實物安裝圖如12圖所示：圖12紅外光電傳感器安裝3.7小車車體總體設計本系統共設計兩個減速電機，分別置于車體兩端控制左右車輪；后輪使用萬向輪，維持車身平衡；E18-D50NK紅外光電開關置于車體前方左右兩邊；設計如圖13：圖13小車車體總體結構圖4系統軟件設計方案該方案的編程思路是先確定主程序，之后根據各硬件電路功能來設計子程序模塊，最后再將各模塊嵌入主程序中。本設計軟件方框圖如圖14所示。電機驅動子程序電機驅動子程序避開障礙子程序自動避障智能小車主程序圖14系統軟件設計方框圖如圖12所示為系統主程序流程圖。開始開始初始化檢測前方有障礙？避開障礙小車前進再次檢測轉彎YN圖15系統軟件的整體流程圖5系統的安裝與調試5.1安裝步驟1.檢查元件的好壞按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進行檢測，一定要仔細認真。而且要認真核對原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現錯誤焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時連續焊接時間不要超過10s，注意芯片的安裝方向。5.2電路的調試首先燒入電機控制小程序，控制電機正反轉，停止均正常。說明電機及驅動電路無誤。然后加入避障子程序，小車運轉正常時，調節紅外避障頭靈敏度使達到理想效果。在調試程序時，發現有的指令用的不正確，導致電路功能不能完全實現，另外軟件程序中的延時有的過長、有的過短。類似的現象還有很多就不一一列舉了。總結本智能小車電路在硬件上采用了E18-D50NK紅外光電開關組成的避障傳感器來避障。由于采用了6節干電池供電使系統的抗干擾性得到加強。在軟件上，充分利用了STC89C52的系統資源，使智能小車完美的實現了障礙物檢測、避開障礙物自動巡航等功能。本設計結構簡單，調試方便，系統反映快速靈活，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成有很大的擴展空間。經實驗測試，該智能小車設計方案正確、可行，各項指標穩定、可靠。雖然智能小車系統有很多優點，但在設計當中也存在著一些不足。由于紅外光電開關有檢測死角，對很小的障礙物難以檢測出來，所以在使用中需要注意障礙物大小。參考文獻[1]輝雄.智能電動小車的設計.電子報,2005—05—15(11)[2]李建法.超聲波測距的電路設計與單片機編程.安陽師范學院學報,2003:47-48[3]徐瑋.51單片機實現進步電機控制.電子制作,2006(11):15[4]戴仙金等.51單片機及其C語言應用程序設計.北京:清華大學出版社，2005[5]柳郭等.單片機開發應用技能與技巧.北京:中國電力出版社,2008[6]宋永冬.高精度超聲波測距系統設計.現代電子技術.2008,第15期:137-139[7]J.Kowitz.超聲技術及應用.科學技術出版社，1992：15-26[8]譚進懷.超聲波語音測距系統在車輛避障中的應用.微計算機信息.2008,第24卷:122-124[9]劉鳳然.基于單片機的超聲波測距系統.傳感器世界.2001,第8期:29-32[10]張建，李剛.超聲波測距系統的研究與設計.電氣電子教學學報.2005,第4期:4-6[11]何希才等.傳感器及應用[M].北京:機械工業出版社，2004:65-83[12]丁鎮生.傳感器及傳感技術應用.北京:電子工業出版社,1998:59-72[13]牛余朋.基于單片機的高精度超聲波測距電路.電子世界.2005.第5期:27-29[14]JohnF.Wakerly,數字設計原理與實踐.林生等譯.北京機械工業出版社,2003致謝本文是在李翔老師的精心指導下完成的。論文從選題到完成的整個過程中，得到了李老師的熱情幫助和精心指導。李老師嚴謹的治學態度、淵博的專業知識、敏銳的學術眼光、精益求精的精神給我留下了深刻的印象，并對我的學習和工作產生極大地促進作用。在論文完成之際，我要感謝李老師對我在四年學習和生活中的關心和教誨，特向李老師表示深深的敬意和感謝！本文在寫作過程中參考了大量的文獻資料，主要文獻資料已開列出來，本文的有些句子或段落引自這些參考文獻。在此向所有的作者表示深深的感謝！課題在研究過程中開展了一些調查活動，其中部分調查活動是由我的朋友協助完成，在此對我的朋友以及接受了課題調查的所有公司和消費者一并表示感謝！附錄1整機電路原理圖附錄2部分源程序#include<reg52.h> //調用單片機頭文件#defineucharunsignedchar//無符號字符型宏定義 變量范圍0~255#defineuintunsignedint //無符號整型宏定義 變量范圍0~65535sbitbiz_l=P1^0; //左邊避障sbitbiz_r=P1^1; //右邊避障/********************LN298電機驅動IO口定義*********************************/sbitqu_ll=P2^1; //左邊電機控制IN1sbitqu_zl=P2^0; //左邊電機控制IN2sbitqu_zr=P2^2; //右邊電機控制IN1sbitqu_rr=P2^3; //右邊電機控制IN2/*********************1ms延時函數*****************************/voiddelay_1ms(uintq){ uinti,j; for(i=q;i>0;i--) for(j=120;j>0;j--);}/***********************小車前進函數************************/voidgo(){ qu_ll=1; qu_zl=0; qu_zr=0; qu_rr=1; }/***********************小車后退函數************************/voidback(){ qu_ll=0; qu_zl=1; qu_zr=1; qu_rr=0; }/***********************小車左轉函數只有一個輪子動************************/voidleft(){ qu_ll=0; qu_zl=0; qu_zr=0; qu_rr=1; }/***********************小車左轉函數左邊輪子后退右邊輪子前進************************/voidleft_s(){ qu_ll