《基于51單片機(jī)的紅外避障自動(dòng)車的實(shí)現(xiàn)》技術(shù)報(bào)告

《基于51單片機(jī)的紅外避障自動(dòng)車的實(shí)現(xiàn)》技術(shù)報(bào)告

摘要本小組所設(shè)計(jì)一個(gè)帶有紅外傳感器的小車，基本能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的功能。本小車以STC89C52為其主控單元，以倆個(gè)直流減速電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供基本動(dòng)力，并依據(jù)差速原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，用紅外傳感器進(jìn)行探測(cè)，使用分離元件組成的電路去驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使用PWM波實(shí)現(xiàn)變速功能。小車分為五個(gè)模塊：STC89C52主控模塊，傳感模塊，電源模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，測(cè)速模塊。關(guān)鍵詞：89C52紅外避障自動(dòng)車

題目：《基于51單片機(jī)的紅外避障自動(dòng)車的實(shí)現(xiàn)》下面是一些基本資料：——————————————小車參數(shù)——————————————障礙檢測(cè)方式紅外探測(cè)（探測(cè)模塊功耗7mA）車模幾何尺寸（mm）149x102x59測(cè)障精度前方：75cm左右：25cm車模輪距（mm）120電源系統(tǒng)4x1.5v干電池4x1.2v充電電池及其穩(wěn)壓輸出電機(jī)直流減速電機(jī)，1~12V工作電壓，傳動(dòng)比：71.2:1主控芯片STC89C52MCU其他芯片LM7806LM7805STC11F01等—————————————小組資料———————————————小組成員：姓名班級(jí)善長(zhǎng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)模塊王太杰0804211班擅長(zhǎng)于硬件焊接技術(shù)強(qiáng)硬件知識(shí)充足紅外探測(cè)部分驅(qū)動(dòng)調(diào)試孫學(xué)軍0904211班擅長(zhǎng)于編程C語言功底扎實(shí)思路開闊程序驅(qū)動(dòng)部分程序調(diào)試?yán)钕嗳A0804211班查閱資料能力強(qiáng)善于方案選擇和優(yōu)化電源部分小組優(yōu)勢(shì)：硬件與程序搭配協(xié)調(diào)，每人負(fù)責(zé)各自模塊，只提供最終模塊接口，使對(duì)方不必關(guān)注自己模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需將接口連接完成即可，減少了每人負(fù)責(zé)的內(nèi)容，提高了效率?！谱髁鞒膛c時(shí)間—————————————2010年5月1日小組成員對(duì)各模塊電路進(jìn)行了選擇、優(yōu)化，并進(jìn)行了電路搭建、焊接，各模塊調(diào)試，確定模塊交互接口；主控程序思路成型，并編寫了測(cè)試程序，對(duì)軟硬件進(jìn)行了測(cè)試。最后各模塊交互，整體調(diào)試，主程序確定及細(xì)節(jié)敲定。2010年5月2日:模塊交互，整體調(diào)試，主控程序細(xì)節(jié)修改；經(jīng)布局后各硬件模塊轉(zhuǎn)移至車體，最終焊接，整車成型。主控程序下載，調(diào)試，最終成功?！夹g(shù)資料——————————————設(shè)計(jì)思路：為節(jié)省電機(jī)數(shù)量和電路復(fù)雜程度，紅外避障小車（以下簡(jiǎn)稱小車）采用前輪主動(dòng)，后輪從動(dòng)原理。前輪采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用差速法實(shí)現(xiàn)車身轉(zhuǎn)向。檢測(cè)部分利用紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光，遇障礙物后經(jīng)反射被紅外接受管接收，產(chǎn)生電平轉(zhuǎn)換，利用單片機(jī)I/O口檢測(cè)紅外檢測(cè)模塊電平輸出，以此判斷前方障礙物有無，檢測(cè)到障礙物后，經(jīng)單片機(jī)I/O口控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出不同電壓，產(chǎn)生差速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，最終以達(dá)到避障的目標(biāo)。其總體方框圖如圖所示：STC89C52單片機(jī)STC89C52單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊傳感器模塊電源模塊2個(gè)直流減速電機(jī)主控模塊：方案一：采用凌陽公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有語音處理、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，但考慮到我們小組對(duì)這個(gè)方案采用的微處理器并不熟悉，使用起來并不是很方便，這對(duì)于硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程增加了難度。我們決定不再使用此方案，考慮其他方案。方案二：采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器。STC89C52是一個(gè)超低功耗，和標(biāo)準(zhǔn)51系列單片機(jī)相比較具有運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)，支持ISP在線編程，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在后來的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，STC89C52精確度和運(yùn)算速度也都完全符合我們系統(tǒng)的要求。綜合以上方案我們選擇比較普通的更為熟悉的方案二使用STC89C52單片機(jī)為我們整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。其各個(gè)引腳如圖1所示圖1探測(cè)模塊：方案一：用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管和紅外解收管。 在三極管的射級(jí)接倆個(gè)紅外發(fā)射管，加大紅外線的強(qiáng)度，進(jìn)兒提高其探測(cè)距離。在紅外接收電路中，用電阻和紅外接收管串聯(lián)來調(diào)節(jié)基極的電位，當(dāng)接收管接收到紅外線時(shí)可以改變基極電位，進(jìn)兒使三極管工作在截止或飽和狀態(tài)，即調(diào)節(jié)了輸出電平，實(shí)現(xiàn)了高低電平的轉(zhuǎn)換。其發(fā)射和接受電路如圖2所示：圖2 優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，搭建方便。 缺點(diǎn)：探測(cè)精度不高，探測(cè)距離比較近。 考慮到小車行駛時(shí)對(duì)精度的要求，我們最終放棄了這套方案。方案二：用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，用LM358來實(shí)現(xiàn)接受電路。 發(fā)射電路和方案一基本一致，這里就不贅述了。LM358是包含倆個(gè)運(yùn)算放大器的集成器件，我們用第一個(gè)放大器來實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)到得信號(hào)進(jìn)行放大，把第二個(gè)作為電壓比較器（閾值電壓Vth=1/2Vcc）。把處理過的信號(hào)和閾值電壓進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)高低電平轉(zhuǎn)換，并把數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，使小車做出正確動(dòng)作。器接收電路如圖所示： 優(yōu)點(diǎn)：探測(cè)精度較高，并且通過滑動(dòng)變阻器可以改變探測(cè)距離，可以適應(yīng)不同環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。 缺點(diǎn)：電路較為復(fù)雜。 綜合考慮，最終我們選擇了方案二。測(cè)速模塊： 方案一：用光電對(duì)管實(shí)現(xiàn)測(cè)速。 光電對(duì)管是我們所熟知的器件，用它進(jìn)行測(cè)速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。我們的電機(jī)上面正好有一個(gè)光柵，用其測(cè)速實(shí)現(xiàn)比容易。 但最終由于電機(jī)相對(duì)光電對(duì)管來說比較小，無法很好將二者結(jié)合起來，我們不得不放棄這種方案。 方案二：用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)測(cè)速。 由探測(cè)模塊中的方案一可知，此電路探測(cè)距離短，稍作改動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)速。再小車的一個(gè)輪子上貼上黑紙，并在黑紙上貼上一條白紙（黑色可以吸收絕大多數(shù)的紅外線而白紙卻可以反射大部分紅外線），當(dāng)輪子轉(zhuǎn)起來時(shí)就會(huì)產(chǎn)生高低電平，送給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過單位時(shí)間內(nèi)的輪子轉(zhuǎn)過的圈數(shù)實(shí)現(xiàn)了測(cè)速.。其電路如圖所示： 通過實(shí)驗(yàn)分析可得，此方案基本可以滿足我們的需要。最終選擇了此方案。電源模塊：方案一：交流供電。實(shí)現(xiàn)方式：220V交流電經(jīng)整流穩(wěn)壓獲得。優(yōu)點(diǎn)：供電穩(wěn)定，電壓輸出靈活。缺點(diǎn)：須穩(wěn)壓，電源傳輸線較長(zhǎng)，且可能會(huì)對(duì)車子的避障功能產(chǎn)生干擾。考慮到小車行駛的靈活性和避障抗干擾性，我們拋棄了采用交流電的方案。方案二：直流電供電。實(shí)現(xiàn)方式：4接南孚電池串聯(lián)獲得。優(yōu)點(diǎn)：無需穩(wěn)壓即可輸出穩(wěn)定電壓，無需使用電源線。缺點(diǎn)：電壓輸出固定，無法獲得靈活的電壓輸出?？紤]到避障小車工作時(shí)各模塊需求電壓分別為：?jiǎn)纹瑱C(jī)4.5~5.5V，電機(jī)1~12V，紅外測(cè)障模塊5V，靈活性不高，因此可實(shí)現(xiàn)5V、6V的電壓輸出對(duì)各模塊供電。因此我們最終采用直流電供電方式。在制作調(diào)試過程中，我們采取了4節(jié)5號(hào)南孚電池，用電池盒串聯(lián)。經(jīng)測(cè)量4節(jié)南孚電池串聯(lián)輸出為6.3V穩(wěn)定電壓。針對(duì)各模塊電壓需求我們產(chǎn)生以下具體實(shí)現(xiàn)方案：?jiǎn)纹瑱C(jī)電源：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作電壓為4.5V~5.5V，且其對(duì)工作電壓要求比較嚴(yán)格方案一：我們?cè)O(shè)想采取基于LM7805穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓芯片輸出5V恒定電壓。但是由于LM7805對(duì)輸入輸出兩端電壓要求有2~3V壓降，且穩(wěn)壓芯片功耗較大，可能導(dǎo)致電源利用效率不高，故最終舍棄了這種方案。方案二：經(jīng)過在網(wǎng)上查閱相關(guān)經(jīng)驗(yàn)方法，我們最終確定了一種簡(jiǎn)單易行的方法：在電源處串聯(lián)一個(gè)（兩個(gè)/可通過跳線帽選擇）二極管實(shí)現(xiàn)0.7V（1.3V）壓降，用來提供單片機(jī)工作電壓。如圖2所示：圖2電源模塊驅(qū)動(dòng)電路電源：電機(jī)對(duì)電壓要求不精確，但電壓會(huì)影響電機(jī)功率以及速度。方案一：采用模擬CD-DC升壓電路獲得較高電壓供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路已獲得較高的功率輸出，提高轉(zhuǎn)速。最終考慮到電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。我們最終舍棄了這種方案。方案二：采用專門的直流電升壓芯片（比如MC34063A）以簡(jiǎn)化電路。不過最終由于經(jīng)濟(jì)原因放棄了這種方案。方案三： 直接用電池串聯(lián)后的電壓給驅(qū)動(dòng)電路供電，此方案簡(jiǎn)單易行，制作成本較低，不過電機(jī)功率不大。最終經(jīng)測(cè)試小車速度能達(dá)到我們的需求，最終采取了本種方案。經(jīng)分析電源方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們得出以下方案：考慮到一次性干電池的不可利用性，我們?cè)谡嚦尚蜁r(shí)采用了4節(jié)可充電電池經(jīng)電池盒串聯(lián)的方案，以降低后續(xù)制作成本。考慮到電壓輸出端的單一性，我們考慮采用10V穩(wěn)壓管另做一路電源輸出，為電機(jī)提供工作電壓，在一定程度上可提高電機(jī)功率，提高整車運(yùn)行速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：方案一： 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成芯片（如L9110）來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)化，雙路輸出，可以實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整車的前進(jìn)后退。但由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成芯片的價(jià)格比較高（18~30元/片），為降低制作成本，最終舍棄了采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)的方案。方案二： 采用分立元件模擬電路驅(qū)動(dòng)。優(yōu)缺點(diǎn)：制作成本低，電路無法簡(jiǎn)化，穩(wěn)定性較驅(qū)動(dòng)芯片（如L9110）差。經(jīng)考慮避障小車的控制精度不是很高，運(yùn)用分立元件模擬電路即可達(dá)到系統(tǒng)要求，最終采取了本種方案。經(jīng)選擇我們最終采取了利用雙三極管控制開關(guān)電路，利用三極管的反應(yīng)靈敏性，并將其倆端接在MCU的I/O口上，可以通過控制I/O口輸出0、1來控制三極管開關(guān)，以達(dá)到控制輸出電壓的目的。最終驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示：其控制如表所示：圖3電機(jī)驅(qū)動(dòng)表1P0^0P0^1P0^2P0^3狀態(tài)1010前進(jìn)0101后退1000右轉(zhuǎn)0010左轉(zhuǎn) —————————————主控程序——————————————為了降低程序復(fù)雜性，我們分析了軟件運(yùn)行原理，盡量簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)我們最終選用了10個(gè)I/O口。其中1個(gè)用來計(jì)數(shù)或測(cè)速，3個(gè)I/O口用來接收紅外部分電平轉(zhuǎn)換，檢測(cè)障礙物，2個(gè)I/O口用來控制轉(zhuǎn)向燈，另外4個(gè)I/O口端接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，用程序使其產(chǎn)生0、1脈沖數(shù)量比來控制驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)速度差以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向避障。主控程序如下：/****************************** 程序開發(fā)環(huán)境KeiluVision3 語言：C 編寫者：王太杰 時(shí)間：2010/04/04******************************//****************************** 主程序及注釋如下：******************************/#include<reg52.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitx=P2^0; //定義左側(cè)探測(cè)器接收端sbity=P2^1; //定義中間探測(cè)器接收端sbitz=P2^2; //定義右側(cè)探測(cè)器接收端sbitm1=P1^0; sbitm2=P1^1; //定義左側(cè)電機(jī)控制端sbitn1=P1^2;sbitn2=P1^3; //定義右側(cè)電機(jī)控制端sbitl=P1^4; //定義左側(cè)轉(zhuǎn)向燈控制端sbitr=P1^5; //定義右側(cè)轉(zhuǎn)向燈控制端uintk,num;voiddelays(uinti) //定義一個(gè)延時(shí)1MS的延時(shí)函數(shù){ uintm,n; for(m=i;m>0;m--) for(n=110;n>0;n--);}input_num(ucharbai,ucharshi,ucharge) //信號(hào)運(yùn)算函數(shù){ uinthe; he=4*bai+2*shi+ge; return(he);}voidzuo_zhuan() //小車左轉(zhuǎn)函數(shù){ uinti; for(i=1;i<=5;i++) { m1=0; m2=0; n1=1; n2=0; l=1; //控制轉(zhuǎn)向燈 r=1; delays(15); m1=1; m2=0; n1=1; n2=0; l=0; r=1; delays(5); } }voidyou_zhuan() //小車右轉(zhuǎn)函數(shù){ uinti; for(i=1;i<=5;i++) { m1=1; m2=0; n1=0; n2=0; l=1; r=1; delays(15); m1=1; m2=0; n1=1; n2=0; l=1; r=0; delays(5); }}voidhou_tui() //小車倒車函數(shù){ uinti; for(i=1;i<=50;i++) { m1=0; m2=1; n1=0; n2=1; l=1; r=1; delays(15); m1=0; m2=1; n1=0; n2=1; l=0; r=0; delays(10); } for(i=1;i<=50;i++) { m1=0; m2=0; n1=1; n2=0; l=1; r=1; delays(20); m1=1; m2=0; n1=1; n2=0; l=0; r=1; delays(5); } }voidqian_jin() //小車前進(jìn)函數(shù){ uinti; for(i=1;i<=5;i++) { m1=1; m2=0; n1=1; n2=0; l=1; r=1; delays(20); }}uintread() //小車測(cè)速的計(jì)數(shù)函數(shù){ uchart1,th1,th2; uintval; while(1) { th1=TH0; t1=TL0; th2=TH0; if(th1==th2) break; } val=th1*256+t1; returnval;}voidT1_time()interrupt3 //定義定時(shí)器1{ TH1=(65535-45872)/256; 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