論文-紅外避障小車

1、第一章緒論1.1引言自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(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。人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人 勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想。由于在科學(xué)探索和緊急搶險(xiǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)與一些危險(xiǎn)或人類不能直接到 達(dá)的地域的探測(cè)，這些就需要用機(jī)器人來(lái)完成。隨著科技的發(fā)展，對(duì)于未知空間 和人類所不能直接到達(dá)的地域的探索逐步成為熱門，這就使機(jī)器人的自動(dòng)避障有 了重大的意義。而在機(jī)器人在復(fù)雜地形中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少也是最 基本的功能，因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)避障小

2、車可以作為地 域探索機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過(guò)障礙 物，所以我們的自動(dòng)避障小車就是基于這一目標(biāo)而設(shè)計(jì)的的，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，本次的設(shè)計(jì)中采用的技術(shù)主要有通過(guò)編程來(lái)控制小車的速度、傳感器的有 效應(yīng)用、新型芯片的采用等等。智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在 一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等等的用途。 所以我們的機(jī)器人不僅僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)到展循跡等功能，感 知導(dǎo)引線和障礙物等多個(gè)方面。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)1.2. 1設(shè)計(jì)思

3、想本系統(tǒng)要求自行設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能小車，該小車在前進(jìn)的過(guò)程中能夠檢測(cè)到 前方障礙并自動(dòng)避開(kāi)，達(dá)到避障的效果。我的設(shè)計(jì)思想是采用C8051F310單片機(jī) 為控制核心，利用位置傳感器檢測(cè)道路上的障礙，通過(guò)采集數(shù)據(jù)并處理后由單片 機(jī)產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和行動(dòng)控制，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避 障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車。1.2.2功能概述根據(jù)題目中的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由微控制器模塊、避障模塊、直流電機(jī) 及其驅(qū)動(dòng)模塊電源模塊等構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖如圖1-2-2所示：圖1-1系統(tǒng)方框圖微控制器模塊：通過(guò)采用C8051F310作為微控制器接受傳感器部分收集到的 外部信息進(jìn)行處理，并將結(jié)果輸出到

4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)運(yùn)行。避障模塊：采用位置傳感器的漫反射檢測(cè)來(lái)檢測(cè)前方是否有障礙，通過(guò)紅外 光電開(kāi)關(guān)采集到的信號(hào)送到微控制器。驅(qū)動(dòng)模塊：通過(guò)接收微控制器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到快慢速行駛， 轉(zhuǎn)向控制以及自動(dòng)停車。電源模塊：電源部分是為整個(gè)電路模塊提供電源，以便能正常工作。第二章硬件電路設(shè)計(jì)2.1關(guān)鍵元件選擇討論2.1.1單片機(jī)的選擇C8051F310器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片。下面列出了一 些主要特性：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）帶模擬多路器真正10位200ksps的25通道單端/差分ADC

5、CC8051F310/1/2/3）高精度可編程的25MHz內(nèi)部振蕩器5.16KB (C8051F310/1)或 8KB (C8051F312/3/4/5)在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器6.1280字節(jié)片內(nèi)RAM7.硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/I2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口8.4個(gè)通用的16位定時(shí)器具有5個(gè)捕捉/比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器片內(nèi)電壓比較器(2)12.29/25個(gè)端口 I/O (容許5V輸入)C&bugHWPOFLBroA_n- Out8 0 5 1C r e16kbyt-a FLASH258 byteSRft

6、MIK byl3ER.4MIS FR BjslcRlamsIEIAC&bugHWPOFLBroA_n- Out8 0 5 1C r e16kbyt-a FLASH258 byteSRftMIK byl3ER.4MIS FR BjslcRlamsIEIARPfia-WEF PfifPfia.-ZML2 WJ.-TX PfiSi-HX pe.fivovvsr pari 0巴上 V -QC8051F310原理示意圖Fort.3Latch具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F310 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用 于非易失性數(shù)

7、據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。用戶軟件對(duì)所有外設(shè)具有完 全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。MMMINTYPMAXA.1.6DA10.05-0.15A21.351.4DMMMINTYPMAXA.1.6DA10.05-0.15A21.351.4D1.45b0.3D0.370.45D9.DDD17.0。eo.aoEE17.DDTable4.2-LQFP-32Package Dim白nicngC8051F310封裝圖（-45C到+85C ）內(nèi)用nos (Lp敏g上d O dCLtLClEktLnos (Lp敏g上d O dCLtLClEktL黑LEOCJSCOhEZDi網(wǎng)gCoP0

8、.1124 PI 2PO.O223 PI.3GND322PI.4VDD4C8051F310/2/42i m.RST C2C5Top View20PI.6P3.0.C2D619 PI.?P3 17ia ps.oP3.2a17 P2.1v_CDOlCMEbr-T-t-IOeQ寸Z0心0EA? S !設(shè)計(jì)單片機(jī)及外圍電路電路原理圖單片機(jī)及外部擴(kuò)展單片機(jī)及外部擴(kuò)展2.1.2傳感器的選擇傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電 工委員會(huì)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換 成可供測(cè)量的信號(hào)”，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

9、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?智能導(dǎo)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)。視覺(jué)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(jué)的系統(tǒng)中考慮使用接近覺(jué)傳感器是一種實(shí)用有效的方法。避障小車是通過(guò)傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境，在復(fù)雜環(huán)境中自主移動(dòng)并完成避 障的任務(wù)，我們想要實(shí)現(xiàn)避障小車的視覺(jué)功能有多種方式，可以使用CCD攝像頭 進(jìn)行圖象采集和識(shí)別方法，基于檢

10、測(cè)對(duì)象表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化的電容 式接近傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過(guò)程中所受到的影響來(lái)檢測(cè)物體的接 近程度的超聲波傳感器以及包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè) 用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）的紅外反射式光電傳感器。由于 CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，而且紅外傳感器探測(cè)視角小， 方向性強(qiáng)一些，測(cè)量精度高，價(jià)格便宜，而且可以在夜間工作，因此紅外傳感器 可以作為視覺(jué)應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人避障?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測(cè)部分考慮到小車 一般不需要感知清晰的圖像，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(jià)廉物美的紅外反射式傳感器來(lái)充當(dāng)。我

11、們這次采用的小車傳感器是紅外位置傳感器，用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避 障。紅外線光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）屬于光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè) 物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限 于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)。漫反射式光電開(kāi)關(guān)是一種集發(fā)射器 和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足 夠量的光線反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。2.1.3電機(jī)類型的選擇電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電動(dòng)機(jī)分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī) 兩大類，所以我們?cè)诒苷闲≤嚨碾姍C(jī)選擇上就有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩種選擇方 式，現(xiàn)介紹如下：（1）交流電

12、機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有快速啟停能力，如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供 的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高， 使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。（2）直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的調(diào)速性能，可以用于許多調(diào)速性能要求較 高的場(chǎng)合調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑，過(guò)載能力較強(qiáng)，熱動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。通過(guò)上述比較，雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的 直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等 組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電 子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)價(jià)格較高，驅(qū)動(dòng)方面也較

13、復(fù)雜，由于我們 設(shè)計(jì)的小車對(duì)于精度要求不是特別高，電路和控制相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)價(jià)格低廉所以 我們最后還是選擇選擇直流電機(jī)。2.1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇我們?cè)谠O(shè)計(jì)小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)程中，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)和圖書(shū)室中查閱相關(guān) 資料，我們的選擇可以分為3種，分別介紹如下：（1）使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)在于線性 型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但是缺點(diǎn)也十分明顯，如 功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗 大，對(duì)于小車的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不利。（2）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.這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是

14、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。（3）采用由雙極性管組成的H橋電路，用單片機(jī)控制品體管使之工作在占空比 可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(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橋電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，而且它的 電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)。通過(guò)上述比較后，我們?cè)谶x擇時(shí)候選擇的是方式3,采用由雙極性管組成的 H橋電路的驅(qū)動(dòng)電路。下面我們對(duì)H橋驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行簡(jiǎn)短的介紹分析：圖2-1所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路” 是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直

15、腿，而電機(jī)就是H中的 橫杠（注意：圖2-1及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中 三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有畫(huà)出來(lái)）。如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管 和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管 對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。圖2-1 H橋驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。如圖2-2所示，當(dāng)Q1管 和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電 源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管 Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從

16、而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電 機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较颍?。圖2-3所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情 況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針?lè)较颍D2-2 H圖2-2 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖2-3 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三 極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此 時(shí)，電路中除了三極管外沒(méi)有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大 值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在

17、實(shí)際驅(qū)動(dòng) 電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開(kāi)關(guān)。圖2-4所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加 了4個(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè) 信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)。而2個(gè)非門通過(guò)提供一種方向輸人，可以保證任 何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。（與本節(jié)前面的示意圖一樣， 圖2-4所示也不是一個(gè)完整的電路圖，特別是圖中與門和三極管直接連接是不能 正常工作的。）DIR-LADIR-LAiD1R-R圖2-4具有使能控制和方向邏輯的H橋電路采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè) 使能信號(hào)。如果DIR-

18、L信號(hào)為0, DIR-R信號(hào)為1,并且使能信號(hào)是1,那么三 極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)（圖2-5）；如果DIR-L信號(hào)變?yōu)?, 而DIR-R信號(hào)變?yōu)?,那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī)。圖2-5使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用最后我們決定采用元件組成H橋電路來(lái)組成驅(qū)動(dòng)電路。我們可以用單片機(jī)控 制品體管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(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橋電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 速和方向的控制，而且它的電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如下:電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分2.1.5電源的選擇對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)，要認(rèn)真的分

19、析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入 電壓，輸出電壓和電流，還要仔細(xì)考慮總的功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對(duì) 負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電 源紋波，還有散熱問(wèn)題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的，效率高了，在負(fù)載功耗 相同的情況下總功耗就少，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了，對(duì)比LDO 和開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí)，評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的 時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力， 對(duì)于一些高性能的CPU應(yīng)用就會(huì)有嚴(yán)格的要求，因?yàn)楫?dāng)CPU突然開(kāi)始運(yùn)行繁重的 任務(wù)時(shí)，需要的啟動(dòng)電流是很大的，如果電源電路響應(yīng)速度不夠

20、，造成瞬間電壓 下降過(guò)多過(guò)低，造成CPU運(yùn)行出錯(cuò)。我們?cè)陔娫吹倪x擇上最后決定采用7.2V可充電動(dòng)力電池組。動(dòng)力電池組具 有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測(cè)試在用此種供電方式下，單 片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠 重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。設(shè)計(jì)電源原理圖如下：電源部分2.2電路原理圖及PCB設(shè)計(jì)2.2.1電路原理圖在本次電路設(shè)計(jì)中，前面的各個(gè)單元模塊的設(shè)計(jì)里面都進(jìn)行了相關(guān)的模塊設(shè) 計(jì)以及驗(yàn)證，如微控制器模塊設(shè)計(jì)電路，電源模塊設(shè)計(jì)電路以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的 設(shè)計(jì)電路，所以我們最后在PROTEL99SE中，設(shè)計(jì)了以下的電路原理圖。電路原理圖設(shè)計(jì)如

21、下:電源部分單片機(jī)及外部擴(kuò)展單片機(jī)及外部擴(kuò)展E.IbT：T：:Bnx =u n.i n E.IbT：T：:Bnx =u n.i n 二n j nxE-.IhTn iEHi電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、-上切孝；zdim：3i；8；己可艾：巖37:二LiMV；0n 、-上切孝；zdim：3i；8；己可艾：巖37:二LiMV；0n JL ME；K：K頃2.2.2 PCB 設(shè)計(jì)PCB即Printed Circuit Board的間寫(xiě)，中文名稱為印制電路板，又稱印 刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元 器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電

22、 路板。一塊完整的PCB主要由以下幾部分構(gòu)成：(1)：絕緣基材(2)：銅箔面(3)： 阻焊層(4)：字符層(5)：孔。我們?cè)O(shè)計(jì)的PCB設(shè)計(jì)以及布線圖如下：pmiriHiniaiin1:1aIHEklBiB=E吐iiinznaE；!=!M，gWLs i EiihiBBnnHsrTBr31皿.1pmiriHiniaiin1:1aIHEklBiB=E吐iiinznaE；!=!M，gWLs i EiihiBBnnHsrTBr31皿.1.部11I心咄siisiSKgBoiEisnriiJTniGN言PCB密度分析:由于電子元件對(duì)熱比較敏感，因此當(dāng)某個(gè)電路板上的某個(gè)區(qū)域元件密度過(guò)高 導(dǎo)致熱能容易集中，這樣

23、會(huì)降低這一區(qū)域內(nèi)的電子元件的使用壽命，在密度分析 圖中，用顏色代表密度級(jí)別，綠色代表低密度，黃色表示中密度，而紅色表示高 密度，從對(duì)布局好的電路板進(jìn)行密度分析，從圖中的密度分析結(jié)果可知，本次設(shè) 計(jì)的電子元件密度分布差異不大，密度分布均勻我們還可以從3D圖查看電路布局密度從3D圖我們可以看出，系統(tǒng)布局密度適 中。PCB完成圖如下：-JJ 一*一U0U0_n M-fiu* 匚 l n nnuonuonuonunu-JJ 一*一U0U0_n M-fiu* 匚 l n nnuonuonuonunu7口 cum2n*E口匚 nnnnaD FEOFCTEnEOE 門門nWi nJ nJ% 1L nysal

24、遠(yuǎn)倡！la皿昏IrHnu口OS s M口-I J - -nFL -該P(yáng)CB板最后鋪銅后就完成了 PCB的基本設(shè)計(jì)，該板子最后經(jīng)過(guò)測(cè)量的大小， 長(zhǎng)為 82.14mm，寬 50.55mm第三章軟件設(shè)計(jì)3.1程序設(shè)計(jì)總體思路在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們將C8051F310單片機(jī)作為控制核心，利用紅外位置傳感 器檢測(cè)道路上的障礙信息，而小車通過(guò)位置傳感器獲得路徑信息，當(dāng)有光線反射 回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平，并且將檢測(cè)到信號(hào) 返回到單片機(jī)中，然后C8051F310進(jìn)行判斷并開(kāi)始處理小車所處的狀態(tài)，采用單 片機(jī)產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和行動(dòng)控制，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng) 避障，快慢

25、速行駛，以及自動(dòng)停車。3.2程序流程圖開(kāi)始3.3 PWM控制的實(shí)現(xiàn)PWM (Pulse Width Modulation)控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。PWM控制 技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù) 正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。作 為直流電機(jī)的調(diào)速方式，PWM驅(qū)動(dòng)基本是不二的選擇，特別是單片機(jī)日益普及的 今天。而我們?cè)O(shè)計(jì)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與 控制波形的占空比成正比，因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比成比例，占空比越大，電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)越

26、快。我們?cè)诳刂瞥绦蛑锌梢栽O(shè)置一個(gè)寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)PCA0L的初值，通 過(guò)改變PCA0L的初值來(lái)對(duì)小車的方向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。3.4小車狀態(tài)定義我們?cè)谠O(shè)計(jì)小車的程序設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)思想如下，小車在運(yùn)行狀態(tài)中當(dāng)前方有障 礙的時(shí)候，傳感器將得到信號(hào)返回到單片機(jī)后，單片機(jī)產(chǎn)生中斷讓小車停駛，并 且產(chǎn)生PWM波讓小車前輪轉(zhuǎn)向中倒車一定的時(shí)間，然后再次返回到主程序中運(yùn) 行，直到再次檢測(cè)到障礙物時(shí)中斷，在次執(zhí)行直至順利到達(dá)目的地，完成避 障功能。第四章 結(jié)論通過(guò)此次設(shè)計(jì)，使我對(duì)所學(xué)過(guò)的知識(shí)有了更深層次的了解，并且對(duì)電機(jī)相關(guān) 知識(shí)、傳感器的了解以及電源電路的設(shè)計(jì)也有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。過(guò)各種方案的 討論及嘗試，再經(jīng)過(guò)多

27、次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，最終設(shè)計(jì)的小車能夠?qū)崿F(xiàn)其避 障功能，當(dāng)遇到障礙時(shí)倒車轉(zhuǎn)彎然后在沿著無(wú)障礙物路徑行駛，直至到達(dá)終點(diǎn)。 這次避障小車的設(shè)計(jì)滿足最初的設(shè)計(jì)要求，而且在此過(guò)程中也學(xué)到了很多課本上 學(xué)不到的知識(shí)，真正從實(shí)踐中檢驗(yàn)了我們的理論和動(dòng)手能力，使我們受益匪淺。附錄1程序清單#include / SFR 聲明定義sbit Go=P2”0;sbit Ba=P2”1;sbit L_drc=P2”2;sbit R_drc=P2”3;int q=1;int PWM=100 ;函數(shù)聲明void delay (int w);/延時(shí)函數(shù)void Start();/啟動(dòng)初始化函數(shù)void STOP();/

28、小車停止函數(shù)void BACK_TurnRight();/ 向右后倒函數(shù)端口初始化函數(shù)void PORT_Init(void)(P0MDOUT=0 xff;P2MDOUT=0 x0ff;P0SKIP=0 x40;/P0.6跳過(guò)交叉啟用位XBR0=0 x00;XBR1=0 x44;/弱上拉開(kāi)，交叉開(kāi)關(guān)啟用，cex1啟用設(shè)定內(nèi)部時(shí)鐘函數(shù)void Internal_Crystal(void)(OSCICN=0 x83;/內(nèi)部振蕩器啟用，不分頻最高頻率CLKSEL=0 x00;/使用內(nèi)部振蕩器延時(shí)函數(shù)void delay (int w)(int i,k;for(k=0;k=w;k+)(for(i=0;

29、i=200;i+);/PWM波輸出函數(shù)void Bit_PWM_Output(void)(PORT_Init();Internal_Crystal();PCA0MD = 0 x02; / 禁止 CF 中斷PCA0CPL0 = 200; / 初始化 PCA 的 PWM 值PCA0CPH0 = 200;PCA0CPL1 = PWM; / 初始化 PCA 的 PWM 值PCA0CPH1 = PWM;PCA0CPM0 = 0 x42;PCA0CPM1 = 0 x42;/ CCM0 為 8 位 PWM 方式PCA0CN = 0 x40; / 允許 PCA 計(jì)數(shù)器啟動(dòng)初始化函數(shù)void Start()( while(q)( R_drc=1;L