單片機(jī)靈能小車原理 可以配備我的PPT來做

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單片精明能小車原理可以配備我的PPT來做

一、前言設(shè)計(jì)背景：

在科學(xué)摸索和緊急搶險(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，這些就需要用機(jī)器人來完成。而在機(jī)器人在繁雜地形中行進(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。我們的自動(dòng)避障小車就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。意義隨著科技的發(fā)展，對(duì)于未知空間和人類所不能直接到達(dá)的地域的摸索逐步成為熱門，這就使機(jī)器人的自動(dòng)避障有了重大的意義。我們的自動(dòng)避障小車就是自動(dòng)避障機(jī)器人中的一類。自動(dòng)避障小車可以作為地域摸索機(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)避過障礙物。成員狀況本組三位成員均為2023級(jí)基地班學(xué)生，都選修過數(shù)字電路課程。二、總體方案設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)要求

小車從無障礙地區(qū)啟動(dòng)前進(jìn)，感應(yīng)前進(jìn)路線上的障礙物后，根據(jù)障礙物的位置選擇下一步行進(jìn)方向。并可通過兩個(gè)獨(dú)立按鍵對(duì)小車進(jìn)行控速。

2、小車自動(dòng)避障的原理

小車車頭處裝有三個(gè)光電開關(guān)，中間一個(gè)光電開關(guān)對(duì)向正前方，兩側(cè)的光電開關(guān)向兩邊各分開30度，（如右圖所示）。小車在行進(jìn)過程中由光電開關(guān)向前方發(fā)射出紅外線，當(dāng)紅外線遇到障礙物時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被光電開關(guān)接收。小車根據(jù)三個(gè)光電開關(guān)接受信號(hào)的狀況來判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動(dòng)

作。光電開關(guān)的平均探測距離為30cm。

3、模塊方案比較及論證

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們的自動(dòng)避障小車主要由六個(gè)模塊構(gòu)成：車體框架、電源

及穩(wěn)壓模塊、主控模塊、規(guī)律模塊、探測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。各模塊分述如下：

3.1車體框架

在設(shè)計(jì)車體框架時(shí)，我們有兩套起始方案，自己制作和直接購買玩具電動(dòng)車。方案一：自己設(shè)計(jì)制作車架自己制作小車底盤，用兩個(gè)直流減速電機(jī)作為主動(dòng)輪，利用兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動(dòng)作。減速電機(jī)扭矩大，轉(zhuǎn)速較慢，易于控制和調(diào)速，符合避障小車的要求。而且自己制作小車框架，可以根據(jù)電路板及傳感器安裝需求設(shè)計(jì)空間，使得車體美觀緊湊。但自己制作小車設(shè)計(jì)制作周期較長，且費(fèi)用較高，因而我們放棄這一方案。方案二：購買玩具電動(dòng)車

玩具電動(dòng)車價(jià)格低廉，有完整的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制單元，其中傳動(dòng)裝置是我們所需的，縮短了開發(fā)周期。但玩具電動(dòng)車采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶負(fù)載能力差，調(diào)速方面對(duì)程序要求較高。同時(shí)，玩具電動(dòng)車轉(zhuǎn)向

依靠前輪電機(jī)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向完成，精度低。

考慮到利用玩具電動(dòng)小車做車架開發(fā)周期短，可留夠充分的時(shí)間用于系統(tǒng)調(diào)試，且硬件上的不足我們有信心用優(yōu)良的算法來彌補(bǔ)，故我們選擇方案二。

3.2電源及穩(wěn)壓模塊

方案一：采用交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓處理后供電

采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，電流驅(qū)動(dòng)能力及電壓穩(wěn)定性最好，且負(fù)載對(duì)電源影響也最小。但由于需要電線對(duì)小車供電，極大影響了壁障小車行動(dòng)的靈活性及地形的適應(yīng)能力。而且壁障小車極易把拖在地上的電線識(shí)別為障礙物，人為增加了不必要的障礙。故我們放棄了這一方案。方案二：采用蓄電池供電

蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力和較好的電壓穩(wěn)定性能，且成本低廉?？刹捎眯铍姵亟?jīng)7812芯片穩(wěn)壓后給電機(jī)供電，再經(jīng)過降壓接7805芯片給單片機(jī)及其他規(guī)律單元供電。但蓄電池體積相對(duì)巨大，且重量過大，造成電機(jī)負(fù)載過大，不適合我們采用的小車車架（玩具電動(dòng)車車架）。故我們放棄了這一方案。方案三：采用干電池組進(jìn)行供電

采用四節(jié)干電池降壓至5V后給單片機(jī)及其他規(guī)律單元供電，另取六節(jié)干電池為電機(jī)及光電開關(guān)供電。這樣電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的短暫電壓干擾不會(huì)影響到規(guī)律單元和單片機(jī)的工作。干電池用電池盒封裝，體積和重量較小，同時(shí)玩具車底座可以安裝四節(jié)干電池，正好可為單片機(jī)及其他規(guī)律單元供電。在穩(wěn)壓方面，起始時(shí)考慮使用7805芯片對(duì)6V的電池電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。但考慮到這樣使得7805芯片消耗大量能量，降低電池壽命；同時(shí)，由于mega16、光電開關(guān)、小車電機(jī)對(duì)于供電電壓要求并不苛刻，故我們將6V電池電壓接一個(gè)二極管降壓后直接給單片機(jī)及其他規(guī)律單元供電。而電機(jī)和光電開關(guān)的電源不做穩(wěn)壓處理。這樣只需在小車主板上加兩個(gè)調(diào)速按鈕，根據(jù)電池電量選擇適合功率即可，甚至于可直接在軟件里設(shè)置自動(dòng)換擋。

綜合考慮，我們采用方案三。示意圖如下

3.3主控模塊

作為單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程的courseproject，我們直接選用了課程主要介紹的，Atmel公司的ATmaga16L單片機(jī)作為主控模塊。

Mega16是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕獲功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。可通過JTAG對(duì)MCU進(jìn)行程序燒寫及仿真。內(nèi)置晶振，使用便利。

在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中我們使用課程設(shè)計(jì)提供的開發(fā)板進(jìn)行程序調(diào)試和下載，配車使用時(shí)直接將MCU拔出插入我們小車系統(tǒng)電路板底座中。示意圖如下：

3.4規(guī)律模塊

在探測模塊和單片機(jī)中斷接口之間、獨(dú)立按鍵與單片機(jī)中斷接口之間，需要經(jīng)過電平的規(guī)律處理進(jìn)行連接。主要涉及到一個(gè)三輸入或非門和一個(gè)二輸入與門。這兩個(gè)規(guī)律關(guān)系我們直接選用74HC系列的集成芯片實(shí)現(xiàn)。

由于三輸入或非門在市場上很難購買到，我們采用了兩個(gè)二輸入或非門和一個(gè)二輸入與門完成了三輸入或

非門。由于我們采用的74HC08（四二輸入與門）、74HC02（四二輸入或非門）均為四二輸入的，各提供四個(gè)二輸入與門和四個(gè)二輸入或非門，我們用各用一片芯片即可實(shí)現(xiàn)所需規(guī)律功能。示意圖如下：

3.5探測模塊

方案一：使用超聲波探測器

超聲波探測器探測距離遠(yuǎn)，測距便利。但由于聲波衍射現(xiàn)象較嚴(yán)重，且波包散面太大，易造成障礙物的錯(cuò)誤判斷。同時(shí)，超聲波探測具有幾厘米甚至幾十厘米的盲區(qū)，這對(duì)于我們的避障小車是個(gè)致命的限制。故我們放棄了這一方案。方案二：使用光電對(duì)管探測

光電對(duì)關(guān)價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，但探測距離過近（一般不超過3cm），使得小車必需制動(dòng)迅速。而我們由于采用普通直流電機(jī)作為原動(dòng)力，制動(dòng)距離至少需要10cm。因此我們放棄了這一方案。方案三：使用視頻采集處理裝置進(jìn)行探測

使用CCD實(shí)時(shí)采集小車前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理，這是最確切的障礙物信息采集方案，可以對(duì)障礙物進(jìn)行確切定位和測距。但是使用視頻采集會(huì)大大增加小車成本和設(shè)計(jì)開發(fā)難度，而且考慮到我們小車行進(jìn)轉(zhuǎn)彎的確切度并未達(dá)到視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實(shí)際應(yīng)用中是個(gè)很大的浪費(fèi)，所以我們放棄了這一方案。

方案四：使用光電開關(guān)進(jìn)行障礙物信息采集

使用三只E3F-DS30C4光電開關(guān)，分別探測正前方，前右側(cè)，前左側(cè)障礙物信息，在特別地形（如障礙物密集地形）可將正前方的