單片機(jī)的智能尋跡避障小車設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的智能尋跡避障小車設(shè)計(jì)目錄摘要ABSTRACT第一章 緒 論1.1智能小車的意義和作用 1.2智能小車的現(xiàn)狀 第二章 方案設(shè)計(jì)與論證 2.1 主控系統(tǒng)2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2.3 循跡模塊2.4 避障模塊2.5 機(jī)械系統(tǒng)2.6電源模塊第三章 硬件設(shè)計(jì) 3.1總體設(shè)計(jì)3.2驅(qū)動(dòng)電路3.3信號(hào)檢測(cè)模塊3.4主控電路第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1主程序模塊4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序4.3循跡模塊4.4避障模塊結(jié)束語參考文獻(xiàn)基于單片機(jī)的智能尋跡避障小車設(shè)計(jì)摘要：利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線與障礙物，并以STC89C52單片機(jī)為控制芯片控制電動(dòng)小汽車的速度及轉(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)

2、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(duì)管 Intelligent tracking and obstacle-avoid carAbstract：Based infrared detection of black lines and the road obstacles, and use a STC89C52 MCU as the controlling core for the speed and direction, A electronic drived, which can automatic track and avo

3、id the obstacle, was designed and fabricated. In which, the car is drived by the L298N circuit, its speed is controlled by the output PWM signal from the STC89C52.Keywords: Smart Car; STC89C52 MCU; L298N; Infrared Emitting Diode第一章 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，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。近年來機(jī)器人

4、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?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)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(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)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(shí)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(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，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(shí)用有效

5、的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)視覺功能。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(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?，傳感檢測(cè)部分考慮到小車一般不需要感知清晰

6、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(jià)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(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STC89C52單片機(jī)，配合軟件編程實(shí)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(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、避崖等基

7、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。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。第二章 方案設(shè)計(jì)與論證根據(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)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下方案，具體如下：方案：采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其

8、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)出來它的優(yōu)勢(shì)控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、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(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

9、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STC89C52單片機(jī)的資源。2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案：。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(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單的實(shí)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L2

10、98N(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(shí)現(xiàn)頻繁的無級(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橋式電路圖2.2 L298N2.3 循跡模塊方案：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(cè)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(shí)現(xiàn)循跡的功能。(參考文獻(xiàn)3)。圖2.3 紅外對(duì)管2.4 避障模塊方案：采用一只紅外對(duì)管置于小車右側(cè)。通過測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開障礙

11、物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。(參考文獻(xiàn)3)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(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)，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：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。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)智能

12、小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)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(duì)管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，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(cè)到黑線時(shí)，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，在車身右邊裝一個(gè)光電對(duì)管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車子倒退,轉(zhuǎn)向，從而避開障礙物。主板設(shè)計(jì)框圖如圖3.1，所需原件清單如表3.1。Stc89c52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)框圖表3.1 元件清單元件數(shù)量元

13、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(duì)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(gè)排針若干3.2驅(qū)動(dòng)電路（參考文獻(xiàn)4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來控制小車的速度，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(duì)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

14、該模塊中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法紅外探測(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LM324作比較器來采集高低電平，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。以及再檢測(cè)到障礙報(bào)警等作用。其電路圖如圖。圖3.5

15、主控電路第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1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主程序框圖：圖4.1 主程序框圖4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序void goahead()s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;void goback()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循跡模塊開始前進(jìn)掃描I/O口，是否檢測(cè)到黑線Y左邊 右邊左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)N循跡框圖：圖4.2 循跡框圖循跡程序：void xunji()if(left_red=1)&(right

16、_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;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

17、一點(diǎn)，報(bào)警后退左轉(zhuǎn)前進(jìn)右轉(zhuǎn)Y循跡是否檢測(cè)到黑線前進(jìn)N圖4.3 避障避障程序：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+)en

18、1=1;en2=1;delay(130);en1=0;en2=0; delay(50);stop();delay(10);turnright();for(i=0;i<18;i+)en1=1;en2=0;delay(130);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);

19、else goto loop;elseen1=1;en2=1;goahead();delay(80);en1=0;en2=0;delay(50);goto xun;自我評(píng)價(jià)：整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：（1） 自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來。（2）當(dāng)小車探測(cè)到前進(jìn)前方的障礙物時(shí)，可以自動(dòng)報(bào)警調(diào)整，躲避障礙物，從無障礙區(qū)通過。小車通過障礙區(qū)后，能夠自動(dòng)循跡（3）自動(dòng)檢測(cè)停車線并自動(dòng)停車。從運(yùn)行情況來看循跡的效果比較好，避障的效果不是很好，我們認(rèn)為是由于電源不能穩(wěn)定而是的小車的速度不好控制，這也是我這次設(shè)計(jì)最大的誤區(qū)，沒有選取穩(wěn)定的電源。我相信如果實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的允許下我肯定能解