智能避障小车设计

机电一体化创新设计题目智能避障小车设计班级姓名学号指导教师完成日期201815任务书一、设计题目智能避障小车设计二、原始资料根据老师给的条件写三、上交材料1说明书，具体包含内容任务分析、设计过程、基本计算、设计结果，电路图等。10000字以上。2图纸根据设计内容，由指导教师为学生指定冯星基于单片机的智能避障小车设计四、成绩评定优秀良好中等及格不及格满分得分平时表现勤奋好学，善于思考勤奋积极，态度认真比较勤奋不够勤奋不勤奋，态度不端正10图纸质量方案合理新颖，表达规范方案合理，图纸比较规范方案一般，图纸基本规范方案基本合理，图纸欠规范方案不合理，图纸不规范30说明书质量内容全面，准确内容全面，基本准确内容一般，准确性一般内容基本全面，有小错误内容不全，错误较多30答辩回答问题准确流利回答问题比较准确回答问题基本准确回答问题欠准确回答错误30总分100综合评定成绩优秀、良好、中等、及格、不及格指导教师日期摘要在科学研讨和紧急救援中，常常要求运用机器人来检测人们不能到达的领域或检测。自动避障是机器人在复杂地形中的根本和根本功用。所以，自动屏障程序的科研与发展应运生出。基于此系统开发的自动避障机器人。随着科学技术的开展，将未知的空间和人类坦率地抵达区域的探求的话题，这使得机器人的自动避障具有重要意义。自动避障机器人能够作为一个区域勘探机器人运动系统和急救救援机器人，让机器行驶时主动避让阻碍体。本文提出了一种经济适用的智能机器人系统障碍防止设计办法，轿车底盘采用的载体，直流马达，红外线传感器和执行部件和检验配置，为STC芯片89C52作为主监控芯片，L298N驱动芯片和调整电源芯片测量线路筹划完成，控制控制线路筹划，马达驱动线路筹划，稳压线路和筹划等硬件筹划和制造，系统模仿和综合调整，一连串的难题处理了，完成了自动关闭机能障害。冯星基于单片机的智能避障小车设计ABSTRACTINSCIENTIFICEXPLORATIONANDEMERGENCYRESCUEOFTENENCOUNTERSOMEDANGERORHUMANCANNOTDIRECTLYREACHTHEAREAOFDETECTION,THESEWILLNEEDTOUSETHEROBOTTOCOMPLETETHEROBOTSAUTOMATICOBSTACLEAVOIDANCEMOVEMENTINCOMPLEXTERRAINISANESSENTIALANDMOSTBASICFUNCTIONTHEREFORE,THEAUTOMATICOBSTACLEAVOIDANCESYSTEMDEVELOPMENTISMADEAUTOMATICOBSTACLEAVOIDANCEROBOTDEVELOPMENTBASEDONTHISSYSTEMISMADEOFWITHTHEDEVELOPMENTOFTECHNOLOGYFORTHEUNKNOWNSPACEANDMANKINDCANNOTBEDIRECTLYACCESSIBLETOGRADUALLYBECOMEAHOTAREAOFEXPLORATION,WHICHMAKESTHEAUTOMATICOBSTACLEAVOIDANCEROBOTHASGREATSIGNIFICANCEAUTOMATICOBSTACLEAVOIDANCEROBOTCANSERVEASAREGIONALEXPLORATIONANDEMERGENCYRESCUEROBOTSYSTEMTHATALLOWSROBOTSTOAUTOMATICALLYAVOIDOBSTACLESINTHEROADTHISPAPERPRESENTSANECONOMICALANDPRACTICALDESIGNOFINTELLIGENTOBSTACLEAVOIDANCEROBOTSYSTEM,USINGTHECARCHASSISASTHECARRIER,THEDCMOTORASTHEACTUATOR,INFRAREDSENSORSASDETECTIONDEVICES,STC89C52MICROCONTROLLERASTHEMAINCHIP,L298NASTHEDRIVERCHIPANDREGULATEDPOWERSUPPLYCHIPTOCOMPLETETHEDETECTIONCIRCUITDESIGN,MASTERCONTROLCIRCUITDESIGN,MOTORDRIVERCIRCUITDESIGN,VOLTAGEREGULATORCIRCUITDESIGNOFHARDWAREDESIGNANDPRODUCTIONALOTOFSIMULATIONANDINTEGRATEDDEBUGGINGHAVEBEENDONETOTHESYSTEMANDASERIESOFPROBLEMSHAVEBEENSOLVEDFINALLY,THEAUTOMATICOBSTACLEAVOIDANCEFUNCTIONISACCOMPLISHEDSUCCESSFULLY辽宁工程技术大学创新设计目录前言1第1章系统总体计划设计311系统任务描绘312控制系统请求313计划设计与论证3131机器人载体选择3132主控制器选择4133传感器选择4134电机驱动选择5135稳压电源选择5136智能小车最终计划614系统总体设计6141系统组成6112系统工作原理715本章小结7第2章硬件筹划721主控线路筹划7211STC89C52单片机硬件构迁介绍7212最小应用系统设计922电机驱动电路的设计13211智能小车驱动电机的请求13212直流电机调速原理13223L298N电机驱动原理1423阻碍物测量线路筹划1824警报线路筹划1925稳压电源线路筹划2126系统整体电路设计2227本章小结23第3章软件筹划介绍2331主系统模件23311系统操控筹划23312主系统流程图23312原始化模件2433延时模件2534截止模件2535警报模件2536启动模件2535本章小结25第4章小车结构设计2641行走机构设计26辽宁工程技术大学创新设计2642电机选型2643轴的校核28第5章系统的装配与调节3051装配步骤3152系统调整31521硬件调整31522软件调整31523结合调试3153本章小结32结论32附件32冯星基于单片机的智能避障小车设计前言1设计的根据与意义机器人是人类的新型消费手腕、减轻劳动强度，提升加工率，改动加工形式，把人从风险、恶劣、沉重的作业处境下被解放等，显现出极大的优越性。机器人的应用越来越广，都渗入到一切中央。挪动机器人是机械人的重要的分支，自主挪动机器人是智能的最高的机器人，挪动机器人的重要的开展方向。在科学勘探和紧急灾祸中，经常与风险和人类直接抵达的中央的勘探，这些都是机器人完成。机器人，在复杂的地形中有时自动障碍是一种不可或缺的根本功用。因而，自动系统的研讨开发是。本设计的智力机器人的机器人基于这个系统开发。平安障碍的详细完成办法有很多种，主要是用超声波障碍，视觉避开障碍，红外线传感器，用激光障碍，接近觉传感器、微波雷达等障碍办法。随着计算器、智能监控、传测机技能、信息技能、芯片技能等的进一步开展，人们对机器人性能的请求也越来越高。智能机器人“晓得”的一周环境控制本人的理论和剖析，在无人的状况下，自主地完成任务。在执行机器人任务的过程中，怎样向（到）有最好的途径过门不入的途径过门不入问题的问题，即避开挪动机器人的障碍的问题。在障碍的研讨中，有着十分重要的意义，交通运输业也宏大的革新，提供了车辆的自主导航和无人驾驶汽车的完成关键的技术。2国内外同类设计的概略综述1962年第一台工业机器人UNIMATE在美国通用汽车公司投入运用，标志着第一代机器人的降生。现代机器人从降生到往常，曾经开展到了第三代。第一代机器人主要指以“示教一再现”方式工作的机器人。示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业次第等。辽宁工程技术大学创新设计0第二代机器人具有一定的觉得安装，能获取作业环境操作对象的简单信息，经过计算机剖析处置后，由机器人做一定的推理，对动作停止反应控制，表现出低级的智能。第三代机器人是指具有高度顺应性和自主决策才能的机器人，它具有复杂的感知和检测功用，可停止复杂的逻辑判别、自主规划和决策，在作业环境中独行动。在国外，研讨工作有（1）室外几种典型应用的挪动机器人由美国NASA赞助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是一个能提供对高挪动性机器人运动的理解和远程机器人探险的行走机器人。美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星，这一事情向全世界停止了报道。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流顶峰期的环境和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中停止了实地现场扮演。（2）高完好性机器人。意指机器人在工作时一定是正确的，并不一定要连续工作。（3）遥控挪动机器人。（4）环境与机器人集成。像人需求道路、交通讯号灯等一样，机器人为了在一个动态变化的环境中行动，也同样需求根底设备。（5）生态机器人学（生物机器人学）。（6）多机器人系统。主要是获取机器人团队谐和和控制技术，并将其应用于战略重要状况。在国内，对挪动机器人的研讨起步较晚，主要的研讨工作有（1）清华大学智能挪动机器人于1994年经过审定。（2）中国科学院沈阳自动化研讨所的AGV和防暴机器人。（3）哈工大机器人技术有限公司开发研制胜利了我国第一台智能型效劳机器人。采用了先进的传感系统（CCD摄像机、红外、红外等），智能程度很高，机器人带有的视觉系统、语音系统和运动系统使其言行举止更像人。冯星基于单片机的智能避障小车设计1（4）2003年1月，中科院自动化所胜利研制开发了集多种传感器、视觉、语音辨认与会话功用于一体的智能挪动机器人。根本构造由传感器、控制器和运动机构构成。综上所述，挪动机器人技术曾经获得了很多可喜的停顿，研讨成果令人鼓舞，但还远未到达适用请求。随着传感技术、智能技术和计算机技术等的不时进步，智能挪动机器人一定可以在消费和生活中某种水平上扮演人的角色。3课题设计的内容智能机器人是集计算机技术、智能控制、传感器、电子学、检测等技术于一体的机器人。智能机器人的研讨是目前科学范畴的重要研讨课题之一，智能机器人各方面性能的进步更是如今研讨的热点。智能机器人可以经过传感器来感知外面的环境，并能够停止动态决策的特性正是智能机器人性能的一个重要表现。本课题主要内容是应用STC89C52RC单片机设计一个简易智能机器人的运动控制系统、感知系统，并从硬件上予以完成。本课题的研讨主要包括以下主要内容首先，应用传感器对挪动机器人四周障碍物停止探测，并及时传输给单片机；其次，肯定挪动机器人的避障办法及其控制算法；最后，实物停止实验，完成挪动机器人的实时避障。研讨开发出一套简易智智能避障机器人，要完成的主要目的有1应用STC89C52RC单片机设计出智能机器人的硬件系统。2停止系统设计计划的论证和总体设计。3停止系统的硬件设计和软件设计。4完成硬件电路板的PCB设计和调试。辽宁工程技术大学创新设计2第1章系统总体计划设计11系统任务描绘该系统的任务就是让挪动机器人在行进的过程中，可以自动检测存在的障碍物、并且采取有效的避障措施。12控制系统请求该控制系统要满足以下几点请求1能对车体周围的环境停止探测以取得障碍物的存在状况。2实时性请求。3交互功用。主要是设定小车正常行进、转弯时驱动电机的速度；初始化系统时的一些参数设定。4驱动电机稳速运转请求。5控制系统工作牢靠、耐用，抗干扰才能强。13计划设计与论证131机器人载体选择由于程度有限无法制造出双足行走机器人，因而本设计选择小车作为智能避障机器人的载体。计划一本人设计制造车架本人制造小车底盘，用两个直流减速电机作为主动轮，应用两电机的转速差完成直行、左转、右转、左后转、右后转、倒车等动作。减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，契合避障小车的请求。而且本人制造小车框架，能够依据电路板及传感器装置需求设计空间，使得车体美观紧凑。但本人制造小车设计制造周期较长，且费用较高。冯星基于单片机的智能避障小车设计3计划二购置玩具电动车玩具电动车价钱低廉，有完好的驱动、传动和控制单元，其中传动安装是本设计所需的，缩短了开发周期。但玩具电动车采用普通直流电机驱动，带负载才能差，调速方面对程序请求较高。同时，玩具电动车转向依托前轮电机带动前轮转向完成，精度低。综合思索到制造周期和精度问题，最终选择了在淘宝购置小车车体零部件本人组装。这样不只精度有保证，也增加了设计的灵敏性。132主控制器选择处置器能够选择采用DSP或51单片机，DSP合适用于控制电机，功用强大。51单片机应用普遍，能满足普通控制的需求。由于对51单片机比拟纯熟，价钱廉价，而DSP控制相对而言复杂，故采用51单片机。市场上流通很多品种的单片机，在普通性能上都能够到达请求，例如AT89C51、AT89C52等都能够用于控制小车，独一缺陷在于不能在线下载，形成了不便的懊恼，下载器，AT系列单片机价钱比拟贵，不利于小资本实验。而STC系列单片机价钱容易承受，能够在线下载，下载器也比拟容易购置到，便当携带应用。故本设计采用STC89C52作为该智能小车控制模块的中心，经过STC89C52应用程序来准确控制小车的运动，从而完成对小车的自动控制，在关于智能小车的控制方面，STC89C52是一个超低功耗，和规范51系列单片机相比拟具有运算速度快，抗干扰才能强，支持ISP在线编程，片内含8K空间的可重复擦写1000次的FLASH只读存储器，具有256BYTES的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，3个16位可编程定时计数器。其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价钱低廉。且在运用过程中STC89C52的准确度和运算速度也都完整契合系统的请求。综合以上剖析选用了比拟普通的且更为熟习的STC89C52单片机为整个系统的控制中心。辽宁工程技术大学创新设计4133传感器选择计划一运用超声波传感器在壁障模块中，能够选择超声波壁障。其优点是反响速度灵活，间隔远。但由于声波衍射现象较严重，且波包散面太大，易形成障碍物的错误判别。超声波受环境影响较大，电路复杂，而且空中对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判别。计划二运用视频采集处置安装运用CCD实时采集小车行进道路上的图像并停止实时传输及处置，这是最准确的障碍物信息采集计划，能够对障碍物停止准确定位和测距。但是运用视频采集会大大增加小车本钱和设计开发难度，而且思索到本设计的小车只是停止简单的避障，因此运用视频采集在实践应用中是个很大的糜费，所以本设计放弃了这一计划。计划三运用红外传感器运用红外传感器，这是一种集发射与接纳于一体的光电传感器，其有效探测间隔380CM可调，且抗外界背景光干扰才能强，价钱廉价、易于装配、运用便当，可在日光下正常工作（理论上应防止日光和强光源的直接映照）。相比如案一与计划三，由于两者价钱相差不大，红外传感器体积更小，精度更高，反响更快，因而，本课题将采用红外传感器来完成挪动机器人的避障。134电机驱动选择计划一采用继电器控制采用继电器对电动机的开或关停止控制，经过开关的切换对小车的停止调整。此计划的优点是电路较为简单，缺陷是继电器的响应时间慢，易损坏，寿命较短，牢靠性不高。计划二运用分立原件搭建电机驱动电路运用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大范围消费中运用普遍。但分立原件H桥电路工作性能不够稳定，较易呈现硬件上的毛病，故本设计放弃了这一计划。冯星基于单片机的智能避障小车设计5计划三运用L298N芯片驱动电机L298N是一个内含两个H桥的高电压大电流双H桥式驱动芯片，输出电压最高可达50V，能够直接经过电源来调理输出电压；能够直接用单片机的IO口提供信号，而且带有使能端，便当PWM调速，电路简单，性能稳定，运用比拟便当。L298N芯片能够驱动两个二相电机，也能够驱动一个四相电机，正好契合本设计小车两个二相电机的驱动请求。因而，采用L298N芯片驱动电机。135稳压电源选择计划一采用单一电源供电这样供电比拟简单，但是由于电动机启动霎时电流很大，会形成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能会形成单片机系统掉电，使之不能完成预定行程。计划二采用双电源供电电动机驱动电源采用5节五号电池，单片机及其外围电路电源采用5V钮扣电池供电，两路电源完整分开，这样做固然能够将电动机驱动所形成的干扰彻底消弭，进步了系统稳定性。但是不如单电源便当灵敏。由于本设计采用的L298N电机驱动电路板能够提供5V输出，能够便当给5V的单片机供电，因而采用单电源供电即可。只要给L298N电机驱动电路板供电大于6V时，才干输出5V电压。综合思索到本设计采用的直流电机为强磁电机以及线路压降，因而本设计选择了72V的镍镉充电电池组来供电。136智能小车最终计划经过上面的考虑和剖析最终肯定智能避障小车的最终计划如下1采用STC89C52单片机作为整个电路的控制中心。2采用可充电镍镉电池组提供基准电源。3采用小车底盘作为机器人载体，强磁直流减速电机作为小车系统的驱动电机。4采用电机专用驱动芯片L298N作为直流电机的驱动芯片。辽宁工程技术大学创新设计65采用红外传感器停止障碍检测。14系统总体设计141系统组成系统组成框图如图11所示。图11系统组成框图142系统工作原理智能避障机器人采用小车底盘作为载体。小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个直流电机驱动，分别控制两个轮子的转动从而到达转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。将红外传感器装在车体的前方，实时监测路面状况并及时传输给单片机。由单片机主控中心模块依据感测模块给予的信息控制小车两电机转开工作状态。电机驱动模块驱动两电机转动，完成行进或者左、右转。本小车运用STC89C52单片机作为主控芯片，当小车与障碍物的间隔小于30CM时，小车转弯以避开障碍物，并且此时蜂鸣器报警。小车的避障流程如下在车前方没有障碍物时，小车沿直线向前走。在车前方有障碍物时，小车能避开障碍物，避障办法如下冯星基于单片机的智能避障小车设计71先向左边转90度，假如前面没有障碍物，再沿直线向前走。2假如前面仍有障碍物，则向右转180度，假如前面没有障碍物，则直线行走。3假如前面仍有障碍物，则向右90度，然后直线行走。15本章小结本章引见了智能避障机器人的设计内容及控制请求，提出了系统的总体设计思绪和系统构造，并对系统硬件的选型停止了计划比拟，选择了适宜的系统计划。最终选择了STC89C52单片机作为整个电路的控制中心，采用可充电镍镉电池组提供基准电源，采用小车底盘作为机器人载体，强磁直流减速电机作为小车系统的驱动电机，采用电机专用驱动芯片L298N作为直流电机的驱动芯片，采用红外传感器停止障碍检测。第2章硬件筹划21主控线路筹划211STC89C52单片机硬件构迁介绍本模块采用STC89C52单片机作为中心处置器。STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTESISPINSYSTEMPROGRAMMABLE的可重复擦写10000次以上的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容规范MCS51指令系统及89C52引脚构造，芯片内集成了通用8位中央处置器和ISPFLASH存储单元，功用强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的处理计划。其应用范围广，性能良好，可用于处理复杂的控制问题。应用STC89C52的I/O端口对传感器信号停止实时判别监控来控制步进电机做出相应的反映。辽宁工程技术大学创新设计8图21单片机根本构造框图STC89C52单片机是把那些作为控制应用所必需的根本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。假如按功用划分，它由如下功用部件组成，即微处置器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中缀系统及特殊功用存放器。它们都是经过片内单一总线衔接而成，其根本构造照旧是CPU加上外围芯片的传统构造形式。但对各种功用部件的控制是采用特殊功用存放器的集中控制方式。其根本构造框图如图21所示1微处置器该单片机中有一个8位的微处置器，与通用的微处置器根本相同，同样包括了运算器和控制器两大局部，只是增加了面向控制的处置功用，不只可处置数据，还能够停止位变量的处置。2数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64K字节，用来存储程序在运转期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存弛缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。3程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器普通容量较小，假如片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64K字节。4中缀系统冯星基于单片机的智能避障小车设计9具有5个中缀源，2级中缀优先权。5定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。6串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来停止串行通讯，扩展并行I/O口，以至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功用更强且应用更广。7P0口、P1口、P2口、P3口为4个并行8位I/O口。8特殊功用存放器共有21个，用于对片内的个功用的部件停止管理、控制、监视。实践上是一些控制存放器和状态存放器，是一个具有特殊功用的RAM区。由上可见，STC89C52单片机的硬件构造具有功用部件品种全，功用强等特性。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处置器，它实践上是一个完好的1位微计算机，这个一位微计算机有本人的CPU、位存放器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面十分有效；而8位机在数据采集，运算处置方面有明显的优点。MCS51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一同，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个打破，这也是MCS51单片机在设计的精巧之处。212最小应用系统设计89C52是片内有ROM/EPROM的单片机，因而，这种芯片构成的最小系统简单牢靠。用89C52单片机构成最小应用系统时，只需将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图22所示89C52单片机最小系统。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特性1有可供用户运用的大量I/O口线。2内部存储器容量有限。3应用系统开发具有特殊性。辽宁工程技术大学创新设计10图2289C52单片机最小系统1时钟电路MCS51单片机各功用部件运转都是以时钟控制信号为基准，杂乱无章的一步一步地工作，因而，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。89C52固然有内部振荡电路，但要构成时钟，必需外部附加电路。89C52单片机的时钟产生办法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，应用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在12MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严厉请求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20PF到100PF之间取值，但在60PF到70PF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ，电容选择65PF。冯星基于单片机的智能避障小车设计11在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片装置，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和牢靠地工作。为了进步温度稳定性，应采用NPO电容，时钟电路如图23所示。图23时钟电路2复位电路89C52的复位是由外部的复位电路来完成的。复位引脚RST经过一个斯密特触发器用来抑止噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才干得到内部复位操作所需求的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路是经过外部复位电路的电容充电来完成的。只需VCC的上升时间不超越1MS，就能够完成自动上电复位。时钟频率用12MHZ时C取22UF，R取1K。除上电复位外，有时还需求按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是经过RST端经电阻与电源VCC接通而完成的。三种复位电路如图24所示，从左到右依次是上辽宁工程技术大学创新设计12电自动复位、手动电平复位和手动脉冲复位。图24复位电路3烧写接口电路如图25所示就是USB供电下载接口，图中PL2303芯片是PROLIFIC公司消费的一种高度集成的RS232USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通讯安装与USB功用接口便利衔接的处理计划。该器件内置USB功用控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可完成USB信号与RS232信号的转换，可以便当嵌入到各种设备；该器件作为USB/RS232双向转换器，一方面从主机接纳USB数据并将其转换为RS232信息流格式传送给外设；另一方面从RS232外设接纳数据转换为USB数据格式传送回主机。这些工作全部由器件自动完成，开发者无需思索固件设计。只需将ISP下载线插到电脑USB接口上就能够向单片机烧写程序。同时，ISP的下载接口如图26，在筹划时应留意以下两点，否则程序下载不胜利。1下载线接口中的电源和芯片共用一个电源。2下载线接口中用到的P15到P17脚不能连到外部器件，假如要连到外部器件能够筹划为可插拔的形式，预防影响系统的下载。冯星基于单片机的智能避障小车设计13图25USB供电下载电路图26ISP程序下载电路22电机驱动电路的设计211智能小车驱动电机的请求辽宁工程技术大学创新设计14控制电机是设计的重要组成局部，假如控制电机性能差或运用不当，将直接影响整个系统的性能。智能小车控制系统关于电机的控制请求其体积小、重量轻、功耗低，而且还请求其牢靠性高、精度高和响应速度快的特性，主要表如今以下几个方面1高牢靠性。操控马达的牢靠性，确保任何自动控制系统的正常运转是十分重要的。2精度高。在筹划中对马达的响应密度请求很高，由于筹划的脉冲宽度是毫秒，有时以至微秒。从广义上讲，DC电机的线性和毛病区域将直接影响系统的精确性。3启动、中止和反转可连续有效地停止。4正反转特性相同，工作特性稳定。5抗干扰才能强，体积小，重量轻。有两种型号的控制马达步进马达和直流马达。步进马达效率低，功率小，固然近年来呈现了小体积的大功率步进电机，但价钱昂贵，所以在汽车控制中常用的是DC电机。直流电机能够将输入电压信号转换成旋转轴的角位移或角速度，并改动控制电压改动电机转速和转向1宽调速范围。随着控制电压的变化，直流电动机的转速能够在很宽的范围内连续调理。2线性机械特性及调理特性。当控制电压不变时，直流电机转速随转矩变化。当转矩不变时，转速随电压变化而线性调整。自动控制系统的动态特性能够改善的线性机械特性和调理特性。3与步进马达相比拟，面积小，容易取得大功率。212直流电机调速原理直流电动机转速能够用式21表示NUIR/K（21）电枢电压为U，电枢电流为I，R为电枢电路的总电阻，为每极磁通量，K为马达结构参数。冯星基于单片机的智能避障小车设计15直流电机调速可分为励磁控制办法和电枢电压控制办法。电枢电压控制在大多数应用中运用。随着电力电子技术的开展，改动电枢电压能够完成多种方式，其中PWM（脉宽调制）是改动电枢电压的常用办法。PWM监控的根本原理是基于一个固定的频率来衔接和断开电源，并依照需求改动一个周期的通断时间比（占空比）来改动直流电动机上的电压电枢的“义务”，从而改动均匀电压，电机转速操控。在脉冲宽度调制程序中，当马达通电时，马达的转速增加。马达的转速可依照一定的次序操控，改动相接时间和停电时间。此外，PWM技术组成的无级调速系统对DC系统无影响，具有耗能小、行驶稳定的特征。设马达一直连接变压器时，马达速率最大为VMAX，且设占空比为DTT，则马达的均匀速率VD为VDVMAXD（22）由公式可以看出，当改动占空比DTT时，就能够得到不同的马达均匀转速VD，从而到达调速的目的。严厉地说，均匀速度和占空比D不是一个严厉的线性关系，在普通应用中，它能够近似为一个线性关系。在直流电动机的驱动操控线路，由芯片产生的PWM信号，H桥驱动L298N对晶体管开关双方改动直流电动机的电枢电压的均匀大小，从而控制马达的速度，直流马达调速操控的PWM。当用芯片I/O口输出PWM信号时，可选用下列三种方法软件延时。当高电平延时时间到时，I/O口的电平变成低电平，然后延时；当低电平延时时，再选用I/O口电平，因而周期能够得到PWM信号。应用定时器。操控办法是一样的，只要在芯片定时器的运用中才干定时上下翻页，无需软件延时。运用PWM操控器的微操控器。但本实验以STC89C52和PWM操控器，所以运用定时器产生PWM信号。223L298N电机驱动原理辽宁工程技术大学创新设计16如前所述，由于缺乏驱动才能的微操控器，它是不可能驱动高功率外部设备，如马达。马达启动芯片通常用在本筹划中，笔者选择了硬件筹划简略、效率高的L298N驱动马达作为芯片L298N芯片是一种集成的大功率H桥芯片。马达启动模件首要功用是将主控单片机发出的信号经过马达操控芯片转化为小车实践的动作。本筹划中选用的L298N马达启动线路板运用ST公司的L298N作为主驱动芯片，具有很强的驱动才能，发热量低，抗干扰才能强。L298N是单片集成电路，高电压，高电流的欧洲抢先的SGS公司的产品，四通道驱动器。为了接纳DTL或者TTL逻辑电平，驱动理性负载（如继电器、直流电机），和开关功率晶体管。L298N芯片电源引脚VCC和接地引脚GND。四电机驱动引脚和四个PWM波控制引脚。该VCC引脚能够衔接到12V电源供给电源的芯片和马达。模板7805三端稳压集成线路芯片，能够很容易地提供应单片机程序和其他程序需求5V，只需VCC衔接电压大于6V。可完成马达正反转及速度、驱动性能好、驱动转矩大、可以同时驱动两个直流马达。L298N是双H桥驱动单片机，含有两个H桥线路。每个H桥线路原理大致如图27所示冯星基于单片机的智能避障小车设计17图27H桥线路图假如H桥的1侧为低电平，2端为高电平常，三极管Q4导通，Q1停止，这时Q3的基极为低电平，Q2的基极为高电平，所以三极管Q2和Q6相连，Q3和Q5停止，电流流向如图28所示，马达正转。辽宁工程技术大学创新设计18图28马达正转表示图假如H桥的1端为高电平，2端为低电平常，三极管Q1导通，Q4停止，这时Q3的基极为高电平，Q2的基极为低电平，所以三极管Q3和Q5相连，Q2和Q6停止，电流流向如图29所示，马达反转。冯星基于单片机的智能避障小车设计19图29马达反转表示图固然H桥线路具有许多优势，但在实践加工流程中，由于太多的零件，线路结构比拟费事，增加了硬件筹划的复杂度，本筹划选用H桥驱动芯片L298N。L298N的操作方法和以上描绘的H桥，如图210所示图210集成H桥芯片L298N管脚图辽宁工程技术大学创新设计20直流马达驱动芯片L298N驱动以提供所需的电压和电流的马达，与马达是经过改动马达电压的均匀值控制。经过单片机I/O输入0单片机控制电平，即能够对马达停止正反转、中止的工作，表21是其输入引脚和输出引脚的论理关系。表21输入引脚和输出引脚的逻辑关系IN1IN3IN2IN4电机运转状况10正转01反转11刹车00中止其外部电路原理图如图211所示。L298N芯片的1脚和15脚可单独引出衔接电流采样电阻器，构成电传播感信号，本电路未用到采样所以将其接地。L298能够驱动2个直流电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5脚、7脚、10脚、12脚接输入控制信号，控制马达的正反转。ENA，ENB为马达操控使能端，控制电机的停转，本电路中分别与单片机89C52的P14、P15相连，停止PWM调速。操作非常便当，能满足直流减速马达的大电流需求。图211集成H桥芯片L298N外部线路原理图冯星基于单片机的智能避障小车设计21VSS端口的电容是为了消除供电电压的纹波动摇，依照电容的通交流阻直流的特征，供电电压的交流动摇会经过此电容直流流向GND，这样筹划是为了使芯片的供电电源更加稳固有效。当电感线圈上电后再断电时，绕组两端会发生一个比电源电压高N倍，极性与电源电压相反的反向电压，这就是自感电动势。这个反向电压就会加在L298的功率开关器件上，将L298的功率开关器件击穿烧坏，所以要树立一个泄放通道，将绕组自感电动势所产生的高压和电流释放，因而树立一个放电通道，将产生高电压绕组的自感电动势和电流释放，以维护功率开关器件。八续流二极管的输出端口的目的是消弭峰值电压维护电机，马达转动时。D2、D3、D6D7的作用，两组M1电机行进，OUT1是积极的，由于空中OUT2，电流从OUT1经过M1绕组OUT2。当电流被切断，马达停时的M1电动机绕组的感应电压使OUT2阳性，1是负的，那么D6（D3）衔接到积极的一面（OUT2），和负端（OUT1）衔接到负极。提供一个感应电放逐电通道的C12，C14充电。在这个时分，C12、C14作为储能安装将电流自吸收和贮存。电路中的两极管为L298的维护，而且还提供了感应电流充电电源电路通道。C1和C2不只是过滤电容器，而且也是储能安装。23阻碍物测量线路筹划红外传感器用于屏障测量，是一种集发射机和接纳机于一体的光电传感器。测量间距可依照需求调节。该传感用具有探测间距远、可见光干扰小、本钱低、易于组装、运用便当等优点。如图212所示26V的工作电压，满足电力消费过程中的车。辽宁工程技术大学创新设计22图212红外传感器这种传感器将发射管和接纳管放置在一个塑料管内，发射管和接纳管均为长方形，大小为4MM3MM，程序中我们筹划测量间距在30CM左右,此时探测处境很好,不易遭到其它光线的干扰。传感器选用E18D80NK式反射红外传感器。该封装外形规则,便于装置。测量间隔在3CM到80CM范围内可调,完整能够契合测量间距需求。传测机由于发射和承受的是红外光，所以普通光对它的干预很小。光电反射式传感器的原理图如图所示，在213，原理是当电源稳定，红外发射管发出的红外光线不时，红外光发射的障碍时，发出的红外线光的漫反射，反射回传感器，然后将晶体管传感器导电。I/O端口传感器和导通，输出为低电平，反之，发出的红外线没有障碍，经过红外传感器发出的能够不回，传感器的晶体管将关闭I/O传感器口，阻力10K欧洲与电源衔接，输出高。因而，从宏观的角度来看，光电传感器在电路的正常运转的状况下，存在一个阻碍，当输出低，无障碍时，输出高电平，低电平有效的配置。在实践测试中，需求指出，光电反射式传感器是依据红外光的反射局部的一个阻碍，在极端状况下，比方黑色完整不反射的阻碍物，这种阻碍物完整能够吸收红外光，因而，光电折射式传测机没法测量这种阻碍物，或者测量密度降落。冯星基于单片机的智能避障小车设计23图213E18D80NK型折射红外传感器原理图E18D80NK型反射红外传感器的技术参数1输出电流DC100MA/5V2损耗电流DC25MA3反应时间1MS4指向角155有用间距380CM可调6测量对象反光物件（实践测试中黑色墙壁不可检测）7操作处境25C55C8基准测量光照强度3000LX24警报线路筹划警报模件经过芯片给不同级别的上下频率运用蜂鸣器发声。警报模件线路原理图如图214显示。晶体管首要用于驱动。由于芯片的IO口的驱动才能，不发出声音，所以驱动电流经过晶体管放大器，使蜂鸣器发声，经过PNP晶体管，当输出低电平，经过蜂鸣器发出声音，三极管的集电极电流，当输出高电平，三极管中止，没有电流流过蜂鸣器，没有声音。辽宁工程技术大学创新设计24图214警报模件线路图25稳压电源线路筹划关于一个实践的电子程序，要认真的分解它的电源要求。不只关注的是输入电压、输出电压和电流，还要思考损耗的总功率，对权利完成的效率，电源的瞬态响应才能的负荷变化，对电源动摇的关键设备的耐受范围以及相应的允许纹波、散热等问题。由于芯片L298N电机驱动电路板的设计能够提供5V输出，能够很容易的5V单片机电源，所以单电源供电的电机驱动芯片L298N供电可。L298N理论能够最高输入46V、但最高功率理论L298N芯片在50V只要25W，最高工作电压，电流不应超越05A，实践模块7805单片机提供5V电压，正向工作电压不应超越780528V，所以VCC最大工作电压模块理论不应该超越28V适用的倡议，不应超越24V，24V工作电压下，电流单电机不应超越1A，目前2个电机同时运用一个单一的电机不应超越05A；VCC输入几伏，这取决于额定压力电机，高电压等于电压，低电压等于0V的齿轮马达设计，额定电压为6V，7805三端稳压集成电路，集成电路的一端指的是这个稳压器集成电路的运用，只要输出的三个引脚，即输入，接地和输出端的。三端稳压IC稳压电源所需的外部元件的电路是十分稀有的，有内部电路过流，过热和调理维护电路，运用牢靠，便当，低价。图215所示的电压调理器电路。电源的选择额定72V的可充电镍氢电池组。它本钱少，循环寿命长，无污染，平安性能好，热度运用范围宽等特征。它的容积是2A，最高输出电压冯星基于单片机的智能避障小车设计2586V，有很高的持续才能。动力电池组具有较强的电流驱动力和稳定的电压输出性能，经检测在用这种供电方式下，单片机和传感器稳定，直流电机工作良好，且电池能够充电，面积小，可重复运用，能够满意程序的需求。图215稳压电源线路26系统整体电路设计依照有关件块的筹划行进行了描绘，并分离芯片的引脚功用，因而整个程序的线路图，如图216。辽宁工程技术大学创新设计26图216程序整体线路图27本章小结本章首要筹划了智能屏障机器人的硬件程序，包含主控线路筹划、阻碍物测量线路筹划、警报线路筹划、电源电路筹划和马达驱动线路筹划。细致描绘了各局部的硬件电路设计。最后完成了智能避障机器人的全部线路原理图筹划和硬件组。第3章软件筹划介绍本筹划选用模块件的办法停止筹划和编辑，系统主要由主系统模件、延时模件、驱动五局部模件、警报模件、截止模件、各局部对应的硬件线路组成。冯星基于单片机的智能避障小车设计27由于局部设计软件是由这里的协作同伴完成的，仅供简单引见，整个程序见附件。31主系统模件311系统操控筹划系统操控由五个模件合成主系统模件、延时模件、驱动模件、警报模件、中缀模件。每个系统的功用都不同的，其中PWM波生成子程序是用芯片产生的定时器。其首要目的是选用PWM波控制L29N使能端，用PWM波的占空比的变化，马达的均匀电压，从而操控马达的转速。马达操控子系统是经过监控电动机的启动、L298N端口信号定义的截止，向前和退后。屏障是P17芯片子系统端口信号测量时，信号由高到低程度的调整占空比的不同来调节马达的时速监控PWM波的占空比的车辆，使汽辆转向自动屏障。该车辆系统是选用C言语编辑经过不相同的子模件完成车子自动屏障。312主系统流程图如图31显示是主程序流程图。先对小车停止开机初始化的程序，然后芯片操控车辆开端行进，在行进的芯片上持续测量前面30CM内阻碍物经过红外传测机模件，并将开关传送到芯片。当测量到前机阻碍物时，蜂鸣器警报，同时芯片操控马达启动模件启动马达完成屏障工作。屏障动作完成后，小车继续直行，并测量前面的阻碍物。辽宁工程技术大学创新设计28图31程序软件的完整流程图冯星基于单片机的智能避障小车设计29312原始化模件该模件对定时器T0、T1做原始化，使定时器操控字为0X11，即“00010001”，并使定时器关闭GATE门控位，也就是仅由芯片内部的操控存放器TCON决议定时器的操作与否，当TR00时定时器0中止操作，当TR01时定时器0操作正常。CT0，也就意味着定时器0操作在定时形式而不是计数形式，M1M001装备了定时器0的操作方式为方式一，为16位定时器计数器形式。33延时模件这个模块定义了延时函数，详细原理是，单片机执行空操作100Z条，其中Z为调用函数的形参，单片机的晶振为110592MHZ，十二个振荡周期为一个单一的指令周期，所以机器周期约为1MHZ，即芯片运转在第二1M。然后芯片命令执行时间约为一个奇妙的命令，100的命令执行时间为01MS，此功用可使01Z芯片延时时间。34截止模件中缀模块主要完成PWM调速功用，PWM控制车右轮速度没有左轮手枪一样，近20左轮右轮的转速比，所以当两全面推进，汽车理论是直线行进，但事实上，由于车右轮20比汽车快这样的道路是圆形的，为了让车走直线，所以PWM办法的运用，汽车的直线行驶，当需求速度，一个电压加上83，再加上100的电压，右轮，这把左轮手枪与83速度分歧，右轮全速行驶，运用这种方式后，小车能依据近似直行。调用这个函数后，小车直行。PWM也能够用来做一个准确的转向。35警报模件警报模件首要是在小车遇到阻碍物时，停止警报提示，能够选用延时函数来更改上下电平的占空比来完成蜂鸣器“嘀嘀嘀”的警报。辽宁工程技术大学创新设计3036启动模件首要完成直流马达驱动、中止、前行和退后操控。给对应的驱动单片机监控端口IN2、IN2、IN3、IN4输送上下电平即可完成车辆的前行、退后、左转弯、右转弯和停车工作。35本章小结本文简单引见了软件的智能避障机器人屏障算法，并对五个主要局部的扼要引见主程序模件、延时模件、驱动模件、警报模件、中止模件等。第4章小车结构设计41行走机构设计冯星基于单片机的智能避障小车设计31采用带减速器电机驱动轮子前行，四个轮子分别由电机驱动42电机选型根据已知条件计算得知工作功率KW3271605FVP321查机械手册电机选择YB225M4功率45KW转速1480R/MIN重量440KG输出转速9237DVN3总传动比的分配15MIN89140IWRN总2行星I3928行星总齿轮I461312齿轮I0295123I齿轮两级直齿圆柱齿轮两级行星传动NGW传动系统各轴转速、功率、转矩计算如下牵1轴（电动机轴）MIN/480RNKWP51MNNT/42901859011牵2轴辽宁工程技术大学创新设计32MIN/56042182RINKWP21439712MNIT/98560牵3轴MIN/2856023RINKWP4917914MNIT/8002875123630GB滚动轴承效率9B圆柱齿轮传动效率7G43轴的校核1选择轴材料40CRMNMO2初步确定轴端直径表6119A97MNPD0348533电机轴取一轴直径D93轴受力分析MLAB216LBC14MLAC671492A计算齿轮啮合力NDTT7853108290F1冯星基于单片机的智能避障小车设计33NFTR193620TAN785320ANB求水平支承力作用平面内弯矩图ALRABCTAX72164NFXTB83097850AXMMNLRACXC89245767C垂直面内支承反力，作垂直平面内弯矩图BNLFRABCRY481352691YRBY200AMMNLRACYC89476135D支承反力作