智能探测机器车

1 智能探测机器车智能探测机器车 目目 录录 1 系统方案系统方案 4 1 1 方案比较与选择 4 1 2 方案描述 5 2 理论分析与计算理论分析与计算 5 2 1 寻迹系统 5 2 2 精确定位功能 6 2 3 360 度转身功能 6 2 4 数据采集功能 6 2 5 数据上传及播报 7 2 6 电源选择 9 3 电路设计电路设计 9 3 1 寻迹模块电路 9 3 2 电机驱动电路 10 3 3 颜色识别模块 11 3 4 超声波测距电路 11 3 5 温湿度模块电路 12 3 6 显示部分电路 12 4 程序部分设计程序部分设计 13 4 1 软件流程图 1313 4 2 系统程序 15 5 系统测试与结果分析系统测试与结果分析 15 5 1 测试方案 15 5 2 测试结果 16 5 3 测试分析 16 总结与致谢总结与致谢 16 附录附录 17 2 摘要 摘要 该系统以 AT89C52 单片机控制为核心 由电源电路模块 智能寻迹模 块 温湿度采集模块 超声波测距模块 颜色识别模块 语音播报模块 数据 传输显示模块组成 机器车电源采用 4 节 3 6V 铅酸锂铁电池 机器车可在场地中沿寻迹线行走 并在各定位点完成环境温度测定 超声波测距 颜色识别和环境湿度测定 并 将数据传回并播报 在转身区完成转身 完成测试 关键词 关键词 AT89S52单片机 语音播报系统 DHT11 温湿度传感器 颜色传 感器 超声波传感器 Abstract The system is controlled AT89S52 microcontroller as the core by the power supply system the intelligent tracing system temperature and humidity acquisition ultrasonic ranging system color coded system voice broadcast system the data transmission system components Machine car power supply with 12V stable DC power supply the machine car in the field walking along the tracing line and the anchor point to complete the ambient temperature measurement ultrasonic distance measurement color recognition and ambient humidity was measured and the data returned and broadcast completed and turned in turn area complete the test Keywords AT89S51 MCU voice systems temperature and humidity sensors color sensors ultrasonic sensor 3 1 系统方案系统方案 1 1 方案比较与选择方案比较与选择 1 车体制作方案的选择 车体制作方案的选择 方案 1 自己制作电动探测车车体 组装合适的电机及电机驱动板 自制探 测器 并利用开发板做控制驱动探测车 但自己制作的探测车 车体会比较粗 糙 车身重量 平衡 探测车的电路设计 这些都比较难良好地实现 方案 2 购买专用电动车车架 车轮 电机 然后在此基础上加入自制的颜 色识别 语音播报 数据显示 超声波测距等模块 这样做出的探测车不仅看 起来也比较美观 更重要的是可以更方便的实现我们所要完成的功能 综合考虑 我们选定了方案 2 作为我们的初步方案 2 2 底盘车轮选择方案 底盘车轮选择方案 方案 1 选用四个车轮 后驱 选择四轮探测车更加的灵活 但不容易控制 方案 2 选用三个车轮 前轮为万向轮 前轮为万向轮 转弯时比较方便 且节约成本 综合考虑 我们决定选择方案 2 图 1 1 为我们小组制作的探测小车 图 1 1 智能探测车实物 1 2 方案描述方案描述 采用 89S52 单片机为核心 第一个单片机通过黑白线红外传感器进行探测 车的寻迹功能 定位点 360 度转身 第二个单片机利用颜色传感器进行颜色识 别 温湿度传感器进行温湿度信息采集 超声波测距 并将采集到信息通过数 码管显示 上传并语音播报 4 图 1 2 系统组成框图 2 理论分析与计算理论分析与计算 2 1 寻迹系统寻迹系统 本系统采用黑白线寻迹红外传感器 利用红外线在不同颜色的物体表面具 有不同的反射性质的特点 在探测车行驶过程中不断地向地面发射红外光 当 红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射 反射光被装在探测车上的接收管接收 如果遇到黑线则红外光被吸收 探测车上的接收管接收不到红外光 由此过 程来改变接收管的输出电压 单片机以电压的变化为依据来执行探测车电机确 定行走路线 图2 1 红外线寻迹安装图 2 2 精确定位功能精确定位功能 通过黑白对管红外传感器进行定位点的寻找 当探测车行驶至定位点 黑 色十字胶带 时 红外传感器检测到黑胶带 传送给单片机一个低电平 探测 车判断已经到定位点 停车 控制左轮电动机转动 当红外传感器检测到黑胶 带时 说明探测车已经转动到了合适位置可以进行数据采集 5 2 3 360 度转身功能度转身功能 方案 1 在转身过程中采用传感器测定探测车所经过的黑胶布条数 当探测车转身过 程中每经过一次黑胶布 单片机计数一次 当达到 360 度时探测车停止转身 完成探测车 的 360 度转身 方案 2 在车轮中加入霍尔元件 测量 360 度转身距离 程序控制探测车车轮转身圈 数 完成 360 度转身 经过小组讨论分析 我们决定采用方案 1 来实现探测车的 360 度转身 2 4 数据采集功能数据采集功能 采用传感器模块对温度 湿度 颜色进行采集 并进行超声波测距 将采 集数据上传 温湿度传感器模块 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输 出的温湿度复合传感器 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性 传感器包括一个电阻式感湿 元件和一个 NTC 测温元件 该产品具有品质卓越 超快 响应 抗干扰能力强 性价比极高等优点 图2 4 1 DHT11模块实物 图2 4 2 TCS230模块实物图 颜色识别模块 TCS230 是 TAOS 公司推出的可编程彩色光到频率的转换器 它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的 CMOS 电路上 同时在单一芯片上集成了红绿蓝 RGB 三种滤光器 对于 TCS230 来说 当选定 一个颜色滤波器时 它只允许某种特定的原色通过 阻止其他原色的通过 我们将 TCS230 模块采集来的 RGB 数据转化成颜色 然后再点亮与其对应 的发光二极管 这样就可以方便清楚的看出被测物体的颜色了 超声波测距 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波 在 发射时刻的同时开始计时 超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来 超 声波接收器收到反射波就立即停止计时 超声波在空气中的传播速度为v 而 根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差 t 就可以计算出发射点距障 碍物的距离S 即 S v t 2 6 这里超声波波速即为音速340m s 图2 4 3 超声波测距模块实物图 2 5 数据上传及播报数据上传及播报 数据上传 当探测车采集到数据后 将数据上传到接收装置 在这里我们经过讨 论决定使用 zigbee 模块进行数据传输 Zigbee 是一种高可靠的无线数传网络 Zigbee 数传模块类似于移动网络基站 通讯距离从标准的 75m 到几百米 几 公里 并且支持无限扩展 这完全可以满足我们的要求 另外它还具有低功耗 成本低 时延短 网络容量大 安全可靠等优点 图2 5 1 zigbee实物图1 图2 5 2 zigbee实物图2 数据播报是将探测车采集来的信息进行语音播报 我们选用的模块具有以 下优点 1 载功放模块最高可输出功率 20w 声音响亮 2 板载音量调节 可根据实际安装需求进行调整 3 全新音频播放控制算法 音质更好 4 新型音频信息压缩格式 音频录制时间可 24 分钟 图2 5 3 语音模块实物图 7 2 6 电源选择电源选择 方案一 直接使用 AA 干电池进行供电它的结构十分简单 但是供电能力 差 不易长时间供电 更换电池较为频繁 方案二 使用 4 节 3 6 伏铅酸锂铁电池 经电容滤波和 L7805 稳压后输出 约 5v 电压 可保证长时间稳定的输出电压 这样可以提供持久稳定的电流 稳 压后给单片机系统和其他芯片供电 考虑到系统稳定工作的要求 所以选择方案二 3 电路设计电路设计 3 1 寻迹模块电路寻迹模块电路 探测车进入寻迹模式后 即单片机开始不停地扫描与探测器连接的单片机 I O 口 一旦检测到某个 I O 口有信号 即进入判断处理程序 先确定 2 个探测 器中的哪一个探测到了黑线 如果左面传感器 红灯亮 探测到黑线 即探测 车左半部分压到黑线 车身向右偏出 此时应使探测车向左转 如果右面传感 器 黄灯亮 探测到了黑线 即车身右半部压住黑线 探测车向左偏出了轨迹 则应使探测车向右转 在经过了方向调整后 探测车再继续向前行走 并继续 探测黑线重复上述动作 实现方向控制 按照黑线行驶 其中 R11 和 R19 为 限流电阻 防止红外线发生管因电流过大而烧坏 由 R14 和一个可变电阻组成 的电路为参考电压电路 由于检测探测车行驶的过程会因环境或则黑线材料的 改变使输出电压成一个变化值 所以通过可变电阻来改变参考电压 使能正常 运行 同时 R12 和 R20 为上拉电阻 让输入单片机的电压达到高电平 发光二 极管则是能更直观的判断出哪对传感器在起作用 图 3 1 寻迹模块电路图 8 3 2 电机驱动电路电机驱动电路 根据 L298N 的输入输出关系 使能控制端 ENA 接单片机 当 P2 2 口为高电 平时 通过 PWM 信号输入端 IN1 和 IN2 可以控制电动机的正反转 输入端 IN1 为 PWM 信号 输入端 IN2 为低电平 电动机正转 输入端 IN2 为 PWM 信号 输 入端 IN1 为低电平 电动机反转 当它为低电平时 驱动桥路上的 4 个晶体管 全部截止 使正在运行的电动机电枢电流反向 电动机自由停止 电动机的转 速由单片机调节 PWM 信号的占空比来实现 图3 2 电机驱动电路 3 3 颜色识别模块颜色识别模块 TCS230 的输出信号是数字量 可以驱动标准的 TTL 或 CMOS 逻辑输入 因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接 由于输出的是数字量 并且能 够实现每个彩色信道 10 位以上的转换精度 因而不再需要 A D 转换电路 使 电路变得更简单 图3 3 TCS230颜色识别电路接口图 9 3 4 超声波测距电路超声波测距电路 1 采用 IO 口 TRIG 触发测距 给至少 10us 的高电平信号 2 模块自动发送 8 个 40khz 的方波 自动检测是否有信号返回 3 有信号返回 通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平 高电平持续的时间就是超 声波从发射到返回的时间 测试距离 高电平时间 声速 340M S 2 图3 4 超声波测距电路原理图 3 5 温湿度模块电路温湿度模块电路 用户 MCU 发送一次开始信号后 DHT11 从低功耗模式转换到高速模式 等 待主机开始信号结束后 DHT11 发送响应信号 送出 40bit 的数据 并触发一次信 号采集 我们可选择读取部分数据 从模式下 DHT11 接收到开始信号触发一次温 湿度采集 如果没有接收到主机发送开始信号 DHT11 不会主动进行温湿度采集 采集数据后转换到低速模式 图3 5 DHT11连接图 3 6 显示部分电路显示部分电路 利用 4511 实现静态显示与一般静态显示电路不同 一是节省 I 0 端线 段码输出只需 4 根 二是不需专用驱动电路 可直接输出 三是不需译码 直 10 接输出二进制数 编程简单 缺点是只能显示数字 不能显示各种符号 图3 6 数码管显示 4 程序部分设计程序部分设计 4 1 软件流程图软件流程图 程序总流程图以及各模块流程图如下所示 图4 1 总系统流程图 11 图4 2 颜色识别模块流程图 图4 3 超声波测距模块流程图 图4 4 温湿度模块流程图 12 4 2 系统程序系统程序 见附录 见附录 5 系统测试与结果分析系统测试与结果分析 5 1 测试方案测试方案 系统的硬件部分我们调试好每一个模块 连接好电路 本系统的软件程序 由C语言进行编写 在实验中按照探测车行进路线中 改进实验中暴露出的不 足之处 下图为实验场地 探测车将从起跑终止线出发 在定位点1进行温度测定 定位点2进行超声波测距然后进入转身区1进行360度转身 定位点3进行颜色判 定定位点4进行湿度测定之后进入转身区2进行360度 转身 回到起跑终止线 图5 1 测试场地 5 2 测试结果测试结果 测试结果如下表所示 13 表一 小车运动及语音播报功能检测 测试次数是否寻迹行走一 周 是否完成数据采 集 360 度转身语音播报 1是是完成完成 2是是完成完成 3是是完成完成 4是是完成完成 5是是完成完成 表二 数据信息采集功能检测 测试项目温度显示 C 超声波测距 cm 颜色识别湿度显示 12419红32 22419白31 32519蓝32 42419红32 52418黄33 实际数据24 519正常32 5 3 测试分析测试分析 经过我们多次的测试 正是探测车可以从标志线开始 在轨迹上各正常行 驶一圈 可以在转身区 360 转身 在四个定位点上完成探测要求 采集数据 并将数据显示播报 在此过程中未发生错误 6 总结与致谢总结与致谢 经过紧张这几天努力 以及与小组其他成员的共同协作 团结互助 终于 完成了此次实验项目 在这次设计中 我们遇到了许多突发事件和各种困难 由于自身硬件调试 经验的匮乏 在电路检测上花了很多的时间 但是通过团队的仔细分析和自我 调整状态后我们终于解决了所有问题 取得了圆满的结果 经过此次电子大赛 让我们对电路的设计 调试有了深刻的印象 同时也深刻地体会到了共同协作 好人团队精神的重要性 提高了我们了解问题的能力 设计中还有欠缺的方面 本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力 虽然我们遇到了很多困难和障碍 但总体上成功与挫折交替 困难与希望并存 我们将继续努力争取更大的进步 在今后的学习工作中会加以注意 最后感谢大赛组委会给我们这次机会 14 附录附录 一一 主要模块主要模块 1 主控模块 增强型 51 单片机 AT89S52 2 显示模块 6 段共阳数码管 3 电源模块 4 节 3 6 伏铅酸锂铁电池 4 语音模块 YS07 语音模块 5 超声波测距 HC SR04 模块 6 温湿度模块 DHT11 模块 7 颜色判定 TCS230 模块 二二 参考文献参考文献 1 江晋剑 钱萌 一种基于 AT89S52 的简易智能小车设计 J 科技论文 2007 7 97 100 2 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 M 北京 电子工业出版社 2009 12 3 张洪润 张亚凡 主编 传感技术与应用教程 清华大学出版社 2005 4 康华光 电子技术基础数字部分 第五版 M 北京 高等驾御出版社 2006 1 5 基于单片机控制的超声测距系统的研究 张丹 硕士学位论文 6 机器人设计与实现 美 Gordon McComb M 北京 科学技术出版社 三三 电路图电路图 15 图 1 语音模块 图 2 电路图 图 3 数据接收电路 16 图 4 电路图 四四 部分程序部分程序 1 主程序主程序 include include include include include include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit lcd P1 2 sbit lcdrs P1 0 sbit lcdrw P1 1 sbit IN1 P1 0 sbit IN2 P1 1 sbit IN3 P1 2 sbit IN4 P1 3 uchar flag 0 17 void zhuan1 温度测量 qian delay 220 yyou delay 520 stop1 delay 1000 温度测量 yzuo delay 520 stop1 缓冲 delay 500 qian void zhuan2 超声波测量 qian delay 220 yyou delay 520 stop1 等待 delay 500 hc lcd 超声波测量 delay 500 yzuo delay 520 18 stop1 缓冲 delay 500 qian void zhuan3 颜色测量 qian delay 220 yyou delay 520 stop1 delay 500 TCS 测量颜色 delay 500 yzuo delay 520 stop1 缓冲 delay 500 qian void zhuan4 void zhuan360 19 void main inin lcd 初始化 while 1 qian if IN2 switch flag case 1 zhuan1 break case 2 zhuan2 break case 3 case 4 case 5 zhuan360 break case 6 zhuan3 break case 7 zhuan4 break case 8 case 9 case 10 zhuan360 break case 11 stop break default break if IN2 you if IN3 20 zuo 2 小车驱动 小车驱动 include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit moto1 P2 0 sbit moto2 P2 1 sbit moto3 P2 2 sbit moto4 P2 3 sbit ENA P1 6 sbit ENB P1 7 void qian if P1 1 0 moto2 0 moto3 1 moto4 0 void stop1 moto1 0 moto2 0 moto3 0 21 moto4 0 void stop while 1 moto1 0 moto2 0 moto3 0 moto4 0 void zuo moto1 1 moto2 0 moto3 0 moto4 0 void yzuo moto1 1 moto2 0 moto3 0 moto4 1 void you 22 moto1 0 moto2 0 moto3 1 moto4 0 void yyou moto1 0 moto2 1 moto3 1 moto4 0 3 超声波测距 超声波测距 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit trig P3 3 sbit echo P3 2 uint code tab 5 0 uchar num uint time 0 unsigned long S 0 void display uint distance uchar d1 d2 d3 d1 distance 100 23 d2 distance 10 10 d3 distance 100 10 writecom 0 x80 writedate L delay 5 writedate delay 5 writedate d1 0 x30 delay 5 writedate d2 0 x30 delay 5 writedate d3 0 x30 delay 5 writedate C delay 5 writedate M delay 5 unsigned long Conut time TH0 256 TL0 TH0 0 TL0 0 S time 1 7 100 return S void send trig 1 de 10us 2 trig 0 void hc lcd 24 uint distance inin trig 0 EA 1 TMOD 0 x01 TH0 0 TL0 0 ET0 1 send while echo 当 RX 为零时等待 TR0 1 开启计数 while echo 当 RX 为 1 计数并等待 TR0 0 关闭计数 distance Conut 计算 delay 3 80MS display distance delay 5 4 液晶 液晶 1602 include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit lcd P2 5 sbit lcdrs P2 7 sbit lcdrw P2 6 void delay uint z 1ms uint j k for j 0 j z j 25 for k 0 k 115 k void de 10us uchar z 10us uchar i for i 0 i z i void writecom uchar com lcdrw 0 delay 5 lcdrs 0 delay 5 lcd 1 delay 5 P0 com delay 5 lcd 0 delay 5 lcdrw 1 delay 5 void writedate uchar date lcdrw 0 delay 5 lcdrs 1 26 delay 5 lcd 1 delay 5 P0 date delay 5 lcd 0 delay 5 lcdrw 1 delay 5 void inin lcd 0 writecom 0 x38 writecom 0 x0c writecom 0 x06 writecom 0 x01 5 颜色识别 颜色识别 include include sbit S2 P1 4 sbit S3 P1 5 sbit OUT P1 6 uint ryz gyz byz 分别定义红色因子 绿色因子 蓝色因子 uint rb gb bb RGB 值 uchar tab1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C 27 D E F 白平衡子程序 void celiang 求 R 值 TH0 65536 10000 256 TL0 65536 10000 256 TH1 0 TL1 0 S2 0 S3 0 选择红色滤光器 OUT 0 TR0 1 10 毫秒开始计时 TR1 1 开始计数 while TF0 0 等待定时器溢出 TF0 0 清楚定时器 0 溢出标志 TR0 0 关闭定时 0 TR1 0 rb unsigned long TH1 256 TL1 255 ryz if rb 255 rb 255 判断 RGB 值是否合法 求 B 值 TH0 65536 10000 256 TL0 65536 10000 256 TH1 0 TL1 0 S2 0 S3 1 选择蓝色滤光器 TR0 1 10 毫秒开始计时 TR1 1 开始计数 28 while TF0 0 等待定时器溢出 TF0 0 清楚定时器 0 溢出标志 TR0 0 关闭定时 0 TR1 0 bb unsigned long TH1 256 TL1 255 byz if bb 255 bb 255 判断 RGB 值是否合法 求 G 值 TH0 65536 10000 256 TL0 65536 10000 256 TH1 0 TL1 0 S2 1 S3 1 选择绿色滤光器 TR0 1 10 毫秒开始计时 TR1 1 开始计数 while TF0 0 等待定时器溢出 TF0 0 清楚定时器 0 溢出标志 TR0 0 关闭定时 0 TR1 0 OUT 1 gb unsigned long TH1 256 TL1 255 gyz if gb 255 gb 255 判断 RGB 值是否合法 白平衡子程序 void baipingheng 求取红色因子 TH0 65536 10000 256 TL0 65536 10000 256 29 TH1 0 TL1 0 S2 0 S3 0 选择红色滤光器 OUT 0 TR0 1 10 毫秒开始计时 TR1 1 开始计数 while TF0 0 等待定时器溢出 TF0 0 清楚定时器 0 溢出标志 TR0 0 关闭定时 0 TR1 0 ryz TH1 256 TL1 其实这里的比例因子