自动追光避障电动小车项目设计方案

1 自动追光避障电动小车项目设计方案 设计制作一套自动追光太阳能充电系统放置在电动小车上。小车以一定速度追着光源行进，太阳能板始终能面对光源给蓄电池充电。小车行进过程中会遇到路障，小车必须能避开路障绕道找到光源并继续追光前进 。 本要求 （ 1）光源用不大于 100W 的白炽灯，场地不小于 碍物不小于 151515以对光源进行聚光。 （ 2）光源在离小车大于 固定位置摆放，放置高度不高于 25车发现光源后沿光源方向前进。 （ 3）小车前进方向上至少随机放 置三个障碍物。遇到障碍物，小车应绕道前进。 （ 4）在小车绕道过程中，太阳能板应始终对准光源。 （ 5）到达离光源一定位置后，小车应停止前进。 （ 6）小车前进直线距离应大于 ，时间不大于 2 分钟。 （ 7） 能显示太阳能为蓄电池供电状态。 （ 8） 挥部分 （ 1）场地尺寸 2m 2m，光源离小车 2 米以上。 （ 2）障碍物 5 个以上。 （ 3）能逆着光源前进，并绕过障碍物。但太阳能板始终对准光源。 （ 4）完成时间不大于 1 分钟。 （ 5）在无白炽灯光源情况下，小车可以沿自然光源方向前进。 （ 6）其它。 2 二、系统方案设计 统功能概述 初始时刻小车置于起点，打开电源，启动小车。小车会通过感光模块进行追光并检测前方障碍情况，太阳能板也能根据自己的感光模块自动正对光源。当在前进过程中遇到障碍物时，小车会根据避障系统来选择左转或右转，以便避开障碍物。在避开障碍物后，小车趋光前进。同时太阳能板也时刻都正对光源，并能时刻显示充电状态。到达终点时，小车自动停车。 统方案概括 主控制系统： 在此次设计中，涉及到一个外部中断，三个定时中断，所以采用常用的单片机 为小车的主控制器，通过单片机来接收指令并发出指令，使小车的各项功能得以顺利完成。 （ 1） 计中不仅要求小车能够朝着光源前进，而且还要求太阳能板也要正对光源。通过各方面的了解，比较，最终我们决定采用了两套独立感光系统，来完成小车追光与太阳能电池板对光。这两个模块分别放在小车车头和太阳能板的左右两端，通过比较两边光敏电阻的电压，以此来判断是否正对这光源。 （ 2） 计中采用三个避障模块。分别装在左，中，右，这样便可使小车顺利避障。 （ 3） 用一片 定 5V 输出 )和 调输出）分别给芯片 和电机供电。 （ 4） 次采用的是直接驱动两个直流电机的方式来解决小车动力问题。通过分别控制两个直流电机的转速使小车前进、后退、转向、停止等功能。 统结构图 太阳能电池板 蓄电池 充电状态显示 主控制 障模块 寻光模块 电机驱动 升压模块 稳压模块 3 系统总流程图： 三、模块设计方案选择 源模块的设计 方案一：所有元器件采用单一电源。它供电简单，方便灵活，减小了车载重量和摩擦阻力 。但是电机启动瞬间电流很大，会造成电压不稳定、有毛刺干扰等，不适用于要求电源稳压的 重时可能造成系统掉电。 方案二： 单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，采用两路供电，这样可以使用其中一路单独为单片、指示灯供电，另外一路提供 动直流电机使用。 介于设计稳定性考虑，采用方案二。 驱动小车 4 动避障模块的设计 方案一：采用超声波。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远且具有 频率高、波长短、绕射现象小 等诸多优点故而超声波已经广泛应用于现代社会之中。 超声波传感 器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。还有部分超声波传感器采用对射式的检测 模式 。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间 不断进行信息的传递 。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生高低电平的跳变进而由单片机对其进行相关处理。 方案二：使 用红外传感器，它 是一种集发射与接收于一体的光电传感器 ， 检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点 。 红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，发出的红外线照射到黑色的平面后红外线被吸收。若红外接收管能接收到反射回的红外线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到红外线则检测出黑线继而输出高电平。 由于测试中使用的是白炽灯，产生的光中，红外光占有比例较大，如使用红外传感器，会有较大的干扰。所以考虑到设计中对障碍物中尺寸和颜色上的要求以及 使用的方便性、 稳定性 和检测具体的可调性，选择方案一，即使用超声波进行避障，在使用时可以方便的对最小避障距离进行调节，使得更好地实现小车避障功能而顺利趋光行驶。 光模块的设计 方案一： 使用光敏二极管和 A/D 转换电路来实现自动寻光。 光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的 ,其内部是一个具有光敏特征的 ，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止；当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。输出经过 行 A/D 转换后得到的电压变化量反馈给单片机进行处理，进而控制小车寻找光源。因此可以利用此特性进行自动寻找光源。 方案二：采用光敏电阻和 A/D 转换电路来实现自动寻光。由于光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而迅速减小，我们可以应用此原理，通过一个 A/ 测试发现光敏二极管在对着光源移动时反应过于灵敏，在距离光源较近的位置会出现一个跳变，且在离光源较近时（大约 70 100光源及其不敏感，而且 A/D 读书不稳定，波动较大，从而影响小车的前进 。光敏电阻虽然不如光敏二极管灵敏，但经过实际测试发现，其稳定性比光敏二极管好很多，经A/D 转换后的数据线性性好，而且价格相对较低基本可以满足设计要求。因而选择方案二。 5 动停车模块的设计： 方案一：采用热敏电阻， 该设计采用的光源是白炽灯，白炽灯是在照明的时候能够产生大量的热量，我们可以利用该特性，采用热敏电阻制作一个停车模块。热敏电阻的阻值能够随着周围热的不同而改变。然后通过比较器控制小车靠近光源时自动停车。 方案二：利用感光模块上光敏电阻的感光效应，当小车离光源越近时，经A/D 转换后的电压值就 会越小。因此可以利用此原理，给 A/D 设置一个初值，当达到这一初值时小车自动停止。 经过实践，我们利用热敏电阻制作的停车模块对热不是很敏感，而且我们已有四个感光模块，效果也不亚于热敏电阻。因此我们选用了利用感光系统来进行停车。 压模块的设计 方案一：采用 压芯片对干电池输出电压进行稳压。 有很好的线性和负载可调性。有固定输出和可调输出，其固定输出有 5V、 12V，可调可以输出 37V 的各种电压。 方案二：采用 端稳压器件进行稳压。其可固定输出 5V 稳定 电压而且内部有过热保护和安全工作保护电路。虽然 件是按照固定电压值来设计的，但当加载一些外部器件后，同样可以输出可变电压。 综合考虑上述两种方案，由于 出电压 37V 稳定可调内部有过热保护和限流保护电路，外围电路简单，仅需 4 位外接元件，且使用的电感是比较容易购买的标准电感，输出电压可调性好。而 按固定输出 5V 电压值来设计的，常用于单片机的供电电路的设计。虽可输出可变电压值，但是其输出电压可调性差，更主要的是其效率低，只能达到 60% 75%，而 高效率可达 90%。相比之下我们选择了方案一。 进电机驱动模块的设计 方案一：采用 进电机驱动驱动芯片。 用于单片机、智能仪表、 字量输出卡等控制电路中。通常芯片采用 装。 方案二：采用 动芯片。 可以驱动直流电机又可以驱动步进电机，常用于打字机、数字机床、复印机等控制电路中。 综合考虑上述步进电机的驱动芯片， 有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强、工作效率高、外围电路设计简单、价格较低、易于购买等优点。所以本次设计中我们采 用 为步进电机的驱动芯片。 流电机驱动模块的设计 直流电机驱动采用 动芯片。 司的产品，比较常见的是 15 脚 装的 内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。 片可以驱动 两个直流电机， 也可以驱动两个二相 步进 电机 或 一个四相 步进 电机，输出电压最高可达 46V。 接受标准 辑电平信号 5 7 V 电压。 4 脚 2 5 46 V， 输出电流可达 2 5 A，可驱动电 6 感性负载。 1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。 驱动 2 个电动机， 间可分别接电动机。 5、 7、 10、 12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。 制电机的停转 ，也可用于控制 速。 阳能电池板模块的设计 本次设计采用两块太阳能电池板并联的方式，通过吸收白炽灯散发的光能并随之转换成电能来供给蓄电池充。经测试一块太阳能电池板距离 100W 的时候电压约为 3V，且而两块串联时约有 6V。但 是本次设计需要对太阳能电池板的输出电压进行升压处理，以供蓄电池充电。而串联时电流很小，即使离光源很近也无法进行升压。故采用两块太阳能电池板新并联的方式进行升压。进而给蓄电池充电。升压电路有如下两种设计： 方案一：使用 压电路，输入电压，输出电压以通过电阻 电阻 比值进行调节（ +2)）。输入电压约 5V，输出电压可达10V 以上。 方案二：使用 C/压电路，输入电压的范围为 出的电压稳定在 6V 左右， 测试发现，两块太阳能电 板并联在距离光源 2 米处可以达到 5V，均满足两种芯片输入电压的要求，但由于方案二中的 价格较高、不易购买，封装为贴片式，不易使用，且输出电压较低。 需的最低电压为 3V，但电流要求较高，在光强不够时，不能进行升压，但在离光源较近时可以将电压升至 11V 左右，以完成对 8 节电池充电，并能显示充电状态。 综合考虑上述两种方案选用 压模块较为合理。 四、系统各模块电路图附件 央控制模块： 该模块由单片机最小系统、外加 5 组电源构成。 7 阳能电池 板模块 太阳能电池板收集的光能转换成电能，由于电压较低，因此需要升压电路，给蓄电池充电。升压电路原理图： 光模块 感光电路采用光敏电阻和 合电路。通过 A/D 转换后的电压变换量反馈到单片机里进行寻光处理。原理图： 8 压电路 本实 验中的稳压电路采用两组 片组合而成的稳压电路。一组固定输出 5V 电压（上图），供芯片使用。另外一组输出电压可调（下图），供电机使用。原理图： 进电机驱动电路 本次设计中的步进电机驱动电路采用 片组合而成的驱动电路，原理图： 9 流驱动电路 直流电机驱动电路，采用 流电机驱动芯片，具体电路如图： 10 声波收，发电路 声波使能模块 通过控制使能端口，使中断口只能接受相应 端口的信号，避免左中右三组超声波检测障碍情况错误 五、软件设计 声波控制 本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接受往返时间的计时，接受电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和接受到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机 11 响应外部中断请求，执行外 部中断子程序，读取时间差，计算距离。结构图如下 部分程序代码： i; ; ; ; /定时器 0 工作在 1碍物检测 0; /关外部中断 0; /清除外部中断 0 标志位 0; /关闭定时器 0 ; ; ; : ; i=0;i=1; 0); 0; /关闭外部中断 0; /关闭定时器 1 ; /定时器 0 工作在定时 50碍物检测 1; /打开计数器，每 50许检测障碍一次 ; ; ; 光模块程序 感光模块主要有 光敏电阻组成。 正常情况下 单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 由于 与 在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将 I 并联在一根数据线上使用。当 工作时其 入端应为高电平，此时芯片禁用， I 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 入 时钟脉冲 ， I 端则使用输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 必须是高电平，表示启始信号。在第 2、 3 个脉冲下沉之前 应输入 2 位数据用于选择通道功能 ， 当此 2 位数据为 “1”、 “0”时，只对 行单通道转换。当 2位数据为 “1”、 “1”时，只对 行单通道转换。当 2 位数据为 “0”、 “0”时，将为正输入端 为负输入端 2 位数据为 “0”、 “1”时，将 为负输入端 为正输入端 行输入。到第 3 个脉 13 冲的下沉之后 的输入电平就失去输入作用，此后 I 端则开始利用数据输出 行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下沉开始由 输出转换数据最高位 后每一个脉冲下沉 输出下一位数据。直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输出 后输出 8 位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。 时序图如下： 部分 程序代码： /太阳能充电板感光模块 i,i1,; ; ; ; ; _; _; _; ; ; /芯片使能之前的初始化。第一个下降沿 ; _; _; _; ; / 确定通道模式、第 2 个下降沿 _; _; _; ; ; /设定通道初始化 _; _; _; ; _; _; _; ; ; /设定通道初始化 个下降沿 _; _; 14 _; ; /化的初始化完成。 ;) /得到一个正常排序的 8 位数据 ; _; _; ; _; _; =1; ; a4= /将第二个 存储在 k1= 进电机驱动程序 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机 28压为 对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（ 。），双（双相绕组通电）四拍（ 。），八拍（ 。） 部分程序代码如下： 15 i; i=0;i4;i+) P0=i; 00); 六、电路调试 光系统调试 首先是把两个感光模块分别固定在小车头的左右两端，在距离小车 外的地方放置 100W 的白炽灯做光源。通过显示经 A/D 转换后的 光敏电阻的电压来判断对光的强弱变化。当小车距离光源较远时，读数较大；靠近时，读数减小。小车是否是正对光源通过比较两个感光模块传出来的数据。当数据差不多相等时，小车正对光源，当小车偏离光源越大时时，差值会增大。 在刚开始测试时，因为读数的错误，出现了读出来的数据会有一个跳变，即数据刚开始时会随着光强的变亮而减小，当减小到最小时会突然变大，然后在依次减小。而我们对于该种错误的读法采用了给光敏电阻加上一个外罩，使得在一定距离内不会出现跳变，且会随着光强的增强而线性减小。该种方法虽然能过寻到光源，但在某些环境 下会出现差错。后来经过仔细排查并请教他人。发现程序中 A/D 读数的方式错误，漏掉了其中一位。经改正和测试，发现该种方法能够顺利完成寻光。 障系统调试 避障系统采用的超声波避障。在刚开始时，我们采用的一个超声波模块配合一个步进电机进行避障，即在小车前进过程中，通过摆动超声波模块及时检测小车的左右和前面是否有障碍物，如有障碍物时，小车进行避障。在开始测试时，发现我们购买的是减速电机，速度不能满足在前进过程中左右摇摆并进行避障。经改进，我们采用三个超声波模块组成的一个避障系统进行避障。分别装在小车车 头的正前方和左右两边。当超声波只检测到左边或者右边有障碍物时，小车转向前进一个角度进行避障。当检测到左中后、右中、左中右都有障碍物时，小车先是进行后退转向，然后是前进一段距离进行避障。该种方法需要在测试时，不断的进行调试转向的角度，以达到顺利避障的目的。 16 阳能电池板充电系统调试 充电系统采用两块太阳能电池板并联（以提高输出电流）的方式，再通过一个升压模块给 8 节电池进行充电。采用一个发光二极管来显示电池的充电状态。即：即在离光源较远时，因太阳能电池板产生的能量不足以驱动 极管不亮，显 示电池不在充电。在离光源较近时，达到 动临界， 以将太阳能电池板产生的电压升压成 11V，给电池充电，二极管显示在充电状态。因而我们可以通过发光二极管的亮灭来显示蓄电池的充电状态。此外由于发光二极管的单项导通作用：一方面、其正向导通压降很小；另一方面、其反相击穿电压很大，且其反相导通电阻非常大，因而又可以防止蓄电池满电时给太阳能电池板反相充电。 体电路调试 整体电路的调试是最繁琐的，也是最重要的。它需要不断的进行测试，不断的进行电路和程序的改进。在寻光和避障两个功能整合在一起时 ，就需要对小