基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)智能避障小車

1、單片機(jī)設(shè)計(jì)智能避障小車摘要利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線與障礙物，并以STC89C51單片機(jī)為控制芯片控制電動(dòng)小汽車的速度與轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動(dòng)由L298N驅(qū)動(dòng)電路完成，速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制。本文首先介紹了智能車的發(fā)展前景，接著介紹了該課題設(shè)計(jì)構(gòu)想，各模塊電路的選擇與其電路工作原理，最后對(duì)該課題的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)與展望并附帶各個(gè)模塊的電路原理圖，和本設(shè)計(jì)實(shí)物圖，與完整的C語(yǔ)言程序。關(guān)鍵詞：智能小車；51單片機(jī)；L298N；紅外避障；尋跡行駛abstractUsing infrared detection black and obstacles to the line

2、 and STC89C51 microcontroller as the control chip to control the speed of the electric car and steering, so as to realize the function of automatic tracking and obstacle avoidance. Which the car driven by the L298N driver circuit is completed, the speed of the microcontroller output PWM wave control

3、. This article first introduces the development of the intelligent car prospect, then introduces the design idea, the subject selection of each module circuit and working principle of the circuit, the design process of the subject is summarized and prospect with each module circuit principle diagram

4、, and the real figure design, and complete C language program.Key words: smart car; 51 MCU; L298N; infrared obstacle avoidance; track driving一、緒論1.1智能小車的意義和作用自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍與機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域。近年來(lái)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。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)

5、航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué)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(jué)需要通過(guò)大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)。避障控制系統(tǒng)是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車（AVGauto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)避開(kāi)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做出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)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(cè)部分、執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避?；谏鲜鲆?/p>

6、，傳感檢測(cè)部分考慮使用價(jià)廉物美的紅外反射式傳感器來(lái)充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來(lái)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(dòng)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(shí)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(hào)的選擇余地較大?？紤]到實(shí)際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用80C51單片機(jī)，配合軟件編程實(shí)現(xiàn)。二、方案設(shè)計(jì)與論證現(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(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)貼片、尋光入庫(kù)、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展

7、。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障這兩個(gè)功能。根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)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(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。2.1 主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)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(shí)現(xiàn)控制與處

8、理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫開(kāi)發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)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(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)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(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)

9、揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能與可位尋址操作功能、價(jià)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(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)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(jì)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(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用STC89C51單片機(jī)的資源。2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一

10、：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)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(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：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(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)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(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開(kāi)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)。現(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N。這種調(diào)

11、速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)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)。圖2.1 H橋式電路2.3 循跡模塊方案一：采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過(guò)程極易出現(xiàn)問(wèn)題，而且容易因?yàn)?該部件造成整個(gè)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(duì)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(kāi)關(guān)接受到白線與黑線的情況來(lái)控制小車轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車向，測(cè)試表明，只要合理安裝

12、好兩只光電開(kāi)關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。方案三：采用三只紅外對(duì)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(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開(kāi)關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開(kāi)關(guān)重新檢測(cè)到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，小車在尋跡過(guò)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)定性都低于第二種方案。通過(guò)比較，我選取第二種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡。圖2.3 紅外對(duì)管2.4 避障模塊方案一：采用一只紅外對(duì)管置于小車中央。其安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向

13、反應(yīng)。方案二：采用二只紅外對(duì)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(duì)小車與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和與時(shí)反應(yīng)。但此方案過(guò)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(duì)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(duì)管置于小車右側(cè)。通過(guò)測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開(kāi)障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。(參考文獻(xiàn)3)通過(guò)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(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)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(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)

14、，在直流電機(jī)和輪車軸之間加裝了三級(jí)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(shí)可增加驅(qū)動(dòng)輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。2.6電源模塊方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過(guò)穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過(guò)大。方案二：采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電。所以，我選擇了方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。三、硬件設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)小車系統(tǒng)，用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可加減速調(diào)節(jié)；用紅外發(fā)射和接收傳感器控制小車在規(guī)定區(qū)域行走,用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)壁障，用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)薄鐵片的檢測(cè)，用光敏電阻實(shí)現(xiàn)探測(cè)光

15、源。主板設(shè)計(jì)框圖如圖3.1。Stc89c51循跡紅外對(duì)管時(shí)鐘電路復(fù)位電路報(bào)警電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)避障紅外對(duì)管圖3.1 主板設(shè)計(jì)框圖3.2驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來(lái)控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3.3。圖3.2 L298N引腳圖圖3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.3信號(hào)檢測(cè)模塊在該模塊利用紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)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(guò)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(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收

16、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(hào)，再通過(guò)LM324作比較器來(lái)采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。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(duì)管。圖3.4循跡原理圖3.4主控電路本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)給出PWM波控制電機(jī)速度，起停。以與再檢測(cè)到障礙報(bào)警等作用。其電路圖如圖5。圖3.5 主控電路四、軟件設(shè)計(jì)4.1主程序框圖啟動(dòng)循跡是否檢測(cè)到停止線停止是否檢測(cè)到障礙NY避障YN圖4.1 主程序框圖4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊void goahead()s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;void goback()

17、s1=0;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循跡模塊圖4.2 循跡框圖程序：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=1;P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;

18、en2=0;delay(50);else if(left_red=1)&(right_red=0)4.4避障模塊void bizhang()en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();goback();for(i=0;i<8;i+)en1=1;en2=1;delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i<11;i+)en1=0;en2=1;delay(130);en2=0;delay(50);stop();delay(10);goahead();for(i=0;i<22;i+)en1=1;en2=1;delay(130);en1=0;en2=0;delay(50);stop();delay(1