創(chuàng)新設(shè)計課外科學(xué)實踐設(shè)計說明書

1、設(shè) 計 說 明 書科學(xué)實踐課程設(shè)計設(shè) 計 題 目 所 在 系 信息與機(jī)電工程系 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 老 師 鄭志聰 專 業(yè) 年 級 電氣工程及其自動化2009級 2012年5月19 日智能循跡避障小車 摘要：利用紅外對管檢測黑線與障礙物，并以STC89C52單片機(jī)為控制芯片控制電動小汽車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)自動循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動由L298N驅(qū)動電路完成，速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52單片機(jī)； L298N；紅外對管 引言 1.1智能小車的意義和作用 自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來

2、機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的夢想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實

3、用有效的方法。機(jī)器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（AVGauto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作。該智能小車可以作為機(jī)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(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆?，傳感檢測部分考慮到小車一般不需要感

4、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來充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進(jìn)方向和速度。單片機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機(jī)資源，直接選擇有PWM功能的單片機(jī)，這樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，難以精確調(diào)速，但單片機(jī)型號的選擇余地較大。考慮到實際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用STC89C52單片機(jī)，配合軟件編程實現(xiàn)。1.2智能小車的現(xiàn)狀現(xiàn)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(zhì)成果。其基本可實現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避

5、崖等基本功能。我此次的設(shè)計主要實現(xiàn)循跡避障這兩個功能。一 方案設(shè)計與論證根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。2.1 主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，我認(rèn)為此設(shè)計屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下：方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。

6、CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而小車的行進(jìn)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(diǎn)上，MCU就已經(jīng)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，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。方案二：采用單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐

7、富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對本設(shè)計特點(diǎn)多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡I/O口和程序存儲器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了P89C51RA單片機(jī)作為本設(shè)計的主控裝置，51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對于本設(shè)計也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用STC89C52單片機(jī)的資源。（要寫出選擇哪個方案）2.2 電機(jī)驅(qū)動

8、模塊方案一：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)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(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H型橋式電路(如圖2.1)。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動

9、機(jī)轉(zhuǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N(如圖2.2)。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)。（要寫出選擇哪個方案）圖2.1 H橋式電路圖2.2 L298N2.3 循跡模塊方案一：采用簡易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測，但實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且

10、誤測幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為 該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二：采用兩只紅外對管(如圖2.3)，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。(參考文獻(xiàn)3)方案三：采用三只紅外對管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場實測表明，小車在尋跡過

11、程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其成本與穩(wěn)定性都次與第二種方案。通過比較，我選取方案二來實現(xiàn)循跡。圖2.3 紅外對管2.4 避障模塊方案一：采用一只紅外對管置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。方案二：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用一只紅外對管置于小車右側(cè)。通過測試此種方案就能很好的實

12、現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。(參考文獻(xiàn)3)（參考文獻(xiàn)使用上標(biāo)）通過比較我采用方案三。2.5 機(jī)械系統(tǒng)本題目要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，而三輪運(yùn)動系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。驅(qū)動部分：由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小，而小車上裝有電池、電機(jī)、電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動，且運(yùn)動平穩(wěn)，在直流電機(jī)和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。電池的安裝：將電池放置在車體的電機(jī)前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時可增加驅(qū)動輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡單，而三輪運(yùn)動系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。2.6電源模塊方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓

13、，但占用資源過大。方案二：采用4支1.5V電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時給單片機(jī)與與電機(jī)供電。方案三：采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。所以，我選擇了方案三來實現(xiàn)供電。二 硬件設(shè)計3.1總體設(shè)計智能小車采用前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，調(diào)制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)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(dāng)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(jī)停止，車向左修正，當(dāng)車身下右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車向右修正。避障的原理和循線一樣，在車身右邊裝

14、一個光電對管，當(dāng)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(zhuǎn)向，從而避開障礙物。3.1.1主板設(shè)計框圖如圖3.1，所需原件清單如表3.1。Stc89c52循跡紅外對管時鐘電路復(fù)位電路報警電路電機(jī)驅(qū)動避障紅外對管圖3.1 主板設(shè)計框圖表3.1 元件清單元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量直流電機(jī)2只電阻若干集成電路芯片若干單片機(jī)1 塊二極管若干電容若干紅外對管3只蜂鳴器1只電位器若干12M晶振1只杜邦線若干玩具小車1個排針若干3.2驅(qū)動電路（參考文獻(xiàn)4）（參考文獻(xiàn)使用上標(biāo)）電機(jī)驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動電機(jī)。通過單片機(jī)給予L2

15、98N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅(qū)動原理圖如圖3.3。圖3.2 L298N引腳圖 圖3.3 電機(jī)驅(qū)動電路3.3信號檢測模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應(yīng)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(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)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

16、比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。避障亦是此原理。電路圖如圖3.4。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用TCRT5000型光電對管。圖3.4循跡原理圖（最好把柵格去掉）3.4主控電路本模塊主要是對采集信號進(jìn)行分析，同時給出PWM波控制電機(jī)速度，起停。以及再檢測到障礙報警等作用。其電路圖如圖3.5。圖3.5 主控電路（最好把柵格去掉）三 軟件設(shè)計4.1啟動循跡是否檢測到停止線停止是否檢測到障礙NY避障YN主程序框圖：圖4.1 主程序框圖（流程圖不夠明朗，不夠清楚，要改）4.2電機(jī)驅(qū)動程序void goahead()s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;void goback()s1=0

17、;s2=1;s3=0;s4=1;void turnleft()s3=1;s4=0;void turnright()s1=1;s2=0;void stop()en1=0;en2=0;4.3循跡模塊開始前進(jìn)掃描I/O口，是否檢測到黑線Y左邊 右邊左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)N循跡框圖：圖4.2 循跡框圖（流程圖不夠明朗，不夠清楚，要改）循跡程序：void xunji()if(left_red=1)&(right_red=1)en1=1;en2=1;goahead();delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);else if(left_red=0)&(right_red=1)en1=0;en2=

18、1; P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);else if(left_red=1)&(right_red=0)en1=1;en2=0;P0_1=!P0_1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);elsestop();4.4避障模塊避障框圖：開始后退一點(diǎn)，報警后退左轉(zhuǎn)前進(jìn)右轉(zhuǎn)Y左轉(zhuǎn)是否檢測到障礙前進(jìn)N圖4.3 避障框圖（流程圖不夠明朗，不夠清楚，要改）避障程序：void bizhang()en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();go

19、back();for(i=0;i8;i+)en1=1;en2=1;delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i11;i+)en1=0;en2=1;delay(130); en2=0;delay(50);stop();delay(10);goahead();for(i=0;i22;i+)en1=1;en2=1;delay(130);en1=0;en2=0; delay(50);stop();delay(10);turnright();for(i=0;i18;i+)en1=1;en2=0;delay(1

20、30);en1=0;delay(50);xun: if(left_red=1)&(right_red=0)loop: turnleft();en1=0;en2=1;delay(30);turnright();en1=1;delay(50);en1=0;delay(50);en2=0;delay(50);if(left_red=1)&(right_red=1);else goto loop;elseen1=1;en2=1;goahead();delay(80);en1=0;en2=0;delay(50);goto xun;第五章 制作安裝與調(diào)試5.1 PCB的設(shè)計制作與安裝采用protel繪制原理圖與PCB板，布線的過程中必須注意焊盤的大小與銅線的寬度。我選取的焊盤內(nèi)徑為0.8mm,外徑2mm；銅線寬1mm。從做板的情況來看基本達(dá)到制作得要求。采用螺絲將循跡板安裝在車頭，主板與電機(jī)驅(qū)動安裝在車尾。52 小車調(diào)試通過改變循跡板滑動變阻器器的大小來調(diào)試紅外對管的靈敏度，通過改變延時程序來改變速度的大小。下表為小車運(yùn)行的情況：表5.1 小車調(diào)試情況小車運(yùn)行次數(shù)