【毕业学位论文】（Word原稿）智能寻迹小车-计算机技术

课程设计报 告 （智能寻迹小车） 学院系别： 机 电 工 程 学 院 专业班级 ： 机 电 Z B 4 2 9 0 1 设计学生： 指导老师： 设计时间： 2012 年 04 月 23 日 智能自动寻迹避障小车设计方案 一 根据设计要 求 ,本系统主要由控制器模块 ,电源模块 ,寻迹传感器 模块 ,避障传感器模块，直流电机及其驱动等模块构成 我们分别设计了几种方案并分别进行了论证 . 体设计 方案 1：采用底部为三轮的车体，其中并排的两个轮子分别有不同电机控制，另一个轮子选用万向轮。 方案 2：采用底部为四个轮子的车体，其中左右各一对轮子分别由不通连杆连在一起，并分别由不通电机控制。 方案一和方案二在电机控制那块大体相同，但是方案一选用了万向轮，车子动起来时有时不能确保其路径，特别是直线行进时。所以我们最终选用了方 案二。 制器模块 方案 1:采用可编程逻辑器件 为控制器 以实现各种复杂的逻辑功能 ,规模大 ,密度高 ,体积小 ,稳定性高 ,源丰富 ,易于进行功能扩展 提高了系统的处理速度 ,适合作为大规模控制系统的控制核心 对数据的处理速度的要求也不是非常高 方案 2：采用单片机作为控制器。 51系列的单片机由于其价格低廉且资料多，发展比较成熟。这里我们选用 司的 89号的单片机，它有 32 个 口，内部有 256 3个 16位的定时 /计数器以及 6个中断源，而且可以可以在线编程，便地实现程序的下载与整机的调试。 源模块 由于本系统需要电池供电 ,我们考虑了如下集中方案为系统供电 . 方案 1: 采用 10 节 电池供电 ,电压达到 15V,经 7812稳压后给支流电机供电 ,然后将12V 电压再次降压 ,稳压后给单片机系统和其他芯片供电 使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便 ,因此 ,我们放弃了这种方案 . 方案 2:采用 充电式锂电 池串 7 给直流电机供电 ,经过 7805 稳压得到 +5V 电压 ,稳压后给单片机系统和其他芯片供电 并且可以充电 ,重复利用 ,因此 ,这种方案比较可行 我们选择了这种方案 . 方案 1: 采用两片 7812 将电压稳压至 12V 后给直流电机供电 ,然后采用一片 7809 将电压稳定至 9V,最后经 7805 将电压稳至 5V,给单片机系统和其他芯片供电 ,但 7809和 7805压降过大 ,使 7809和 7805消耗的功率过大 ,导致 7809和 7805发热量过大 ,因此 ,我们放弃了这种方案 . 方案 2:采用两片 7812 将电压稳压至 12V 后给直流电机供电 ,然后采用 2576 A,完全满足系统要求 . 综上考虑 ,我们选择了方案 2. 迹传感器模块 方案 1:用光敏电阻组成光敏探测器 当光线照射到白线上面时 ,光线发射强烈 ,光线照射到黑线上面时 ,光线发射较弱 阻值会发生明显的变化 但是这种方案受光照影响很大 ,不能够稳定的工作 方案 2:用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器 当发出的红外线照射到白色的平面后反射 ,若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平 ,若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平 但是工作不够稳定 ,且容易受外界光线的影响 ,因此我们放弃了这个方案 . 方案 3:用 其发射器是一个砷化镓红外发光二极管 ,而接收器是一个高灵敏度 ,硅平面光电三极管 . 用 其具有如下特点 : 塑料透镜可以提高灵敏度 . 内置可见光过滤器能减小离散光的影响 . 体积小 ,结构紧凑 . 当发光二极管发出的光反射回来时 ,三极管导通输出低电平 工作性能稳定 . 因此我们选择了方案 3. 障传感器模块 方案一：采用碰撞开关避障。这个方案结构虽然简单，但是小车车必须碰到障碍物避障模块才能工作，大大降低了小车的灵活性，所以这种方案不可取。 方 案二：采用红外传感器避障。红外传感器采用几何方式测量，靠计算红外线光束在物体上反射构成的三角形底边长度推 算“高”得到的距离。因为底边的测量范围受传感器几何尺寸限制，所以检测距离近，调节范围小，灵活度低，而且不易控制。 方案三：采用超声波传感器避障。超声波也是利用给压电传感器送一个脉冲信号从而产生超声波信号；发射出的超声波向空中四面八方直线传播，遇到障碍物后它可以发生反射，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号，然后输入信号放大器，最后驱动执行器使电路动作 节范围大，灵活度较高。因此我们选用方案三。 机模块 机的选取 本系统为智能电动 车 ,对于电动车来说 ,其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要 我们综合考虑了一下两种方案 . 方案 1:采用步进电机作为该系统的驱动电机 可以实现 小车前进路程和位置的精确定位 步进电机的输出力矩较低 ,随转速的升高而下降 ,且在较高转速时会急剧下降 ,其转速较低 ,不适用于小车等有一定速度要求的系统 我们放弃了此方案 . 方案 2:采用直流减速电机 体积小 ,重量轻 ,装配简单 ,使用方便 其内部由高速电动机提供原始动力 ,带动变速 (减速 )齿轮组 ,可以产生较大扭力 . 能够较好的满足系统的要求 ,因此我们选择了此方案 . 机的驱动 方案一： 在电动机前段加电位器使之分压减少以降低转速；同时在前端并联一个电容可以使电动机缓慢加速从而避免突然加速对系统的冲击，避免轮子打滑。这种方案的缺点是调节转速需要人工手动调节电位器，非常不方便。 方案二： 采用专用集成电路芯片 单片机控制 输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。电子开关的速 度很快，稳定性也极强。采用集成电路芯片，节省空间和元器件。缺点是小车启动时，由于突然施加的电压比较高，车轮容易打滑；而且价格较昂贵。 方案三：使用 设计中考虑到电机的带负载能力以及控制小车行驶的精度问题所以选择用步进电机。 片可以驱动两个二相电机（也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 且电路简单，使用比较方便。 通过比较，使用 片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用 动电机。而使用 ，可以用 提供时序信号，实现步进电机的驱动控制。 一款为两相步进电机设计的环分控制芯片，可以实现脉冲的环分、转向的控制、无细分 /二细分方式的选择等功能，此外还具有电流保护能力，可防电机过流，同时节省单片机 通过各个方面综合比较为达到最佳驱动效果，我们选择方案三。 机的调速 对于直流电机的调速方法，最常用的就是 冲宽度调节）；它是按一定的规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。在电机调速中最常用的就是矩形波 控制时需要调节 控制电机的的转速时，占空比越大，速度越快；占空比为 100#是，速度达到最快。 用单片机的 I/以下三种方案选取： 方案一：利用软件延时。当高电延时时间到时，对 I/后再延时；当低电平延时时间到，再对 I/此循环下去即可得到 方案二：利用定时器。控制方法同上，只是在这里利用单片机的定时器来进行高低电平 的反翻，而不用软延时。 显然，方案二定时更精确，产生的脉冲对与电机的调速就更稳定。因此，我们选择了方案二。 二 硬件实现及单元电路 迹模块电路原理及设计 迹检测原理 根据黑线和白线反射系数不同，故可通过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分，转化为不同电平信号，将此电平信号送单片机，由单片机控制转向电机做相应的转向，保证小车沿引导线行驶。 考虑到小车与路面的相对位置，本系统采用反射式光电检测电路，并采用多传感器信息融合技术。设计中在车体左中右分别装有四个红外线 光电传感器，采用 4个四个红外传感器并排在一条直线上，中间的两个红外传感器一直在黑线范围内，外面的两个一直在黑线范围外。如图所示： 左轮 1# 2# 3# 4# 5# 右轮 图中 1#到 5#表示 5个传感器 当红外传感器在黑线范围内，反射接收到的是高电平，当红外传感器在黑线范围外，反射接收到的是低电平。当小车左边的传感器检测到黑线的边界，主控芯 片控制电机使左轮减速，小车向左修正。当小车右边的传感器检测到黑线的边界，主控芯片控制电机使右轮减速，小车向右修正。中间的传感器起附带修正作用，当黑线偏离小车中间时，中间的传感器也开始修正，从而使小车沿着黑色轨道行进，中间传感器的作用可减少控制电路频繁的修正。 电对管电路的设计 由于所采用的红外反射式传感器属于反射传感器，其光电二极管光生电流随所受到的反射光的强度而连续变化，因而会引起其两端电压的连续变化。因此，若直接把这个电平信号供给单片机，容易产生误读情况，所以选择下图所示电路。用电位器产 生一个基准电平，当光电二极管的光生电流超过某一值时，运放的正向输入端电平高于基准电平，这时运放的输出电平发生跳变，该信号即可被单片机处理。通过对基准电平的调整，还可以调整传感器的灵敏度和探测距离。 声波测距原理及相关电路的设计 声波测距原理 由于在小车行进过程中随时会遇到障碍物，所以本系统在车体正前方安装一个超声波传感器进行检测现场环境信息。在超声波传感器检测过程中，障碍物的信息包括：超声波传感器中心到障碍物的最短距离及障碍物相对车体的方位。避障算法：小车以某一速度前 进，如果传感器检测到的距离小于 d，这个距离是预定义可编程的临界距离，那么小车以某一角度偏转，从而避开障碍物，否则继续前进。 声波发生电路 超声波发生电路下图所示，根据超声波传感器的工作特点，选择 0空比为 50 ，电源电压为 5V。脉冲调制由单片机 0口控制 脚实现。0=1时， 3脚输出 40续 8 12个周期。持续周期数若太少，难以正常激励超声波探头，若太多则发射波与反射波容易产生叠加干扰， 0=0时， 3脚无信号输出 。低电平持续时间由测量距离决定，测量距离越大，低电平持续时间越长。 射电路 循环发射电路主要采用一个多路模拟开关 图 4所示 J。 引脚呈逻辑高电平时，所有通道关闭，反之，通道开通状态受地址选择端 A 4所示控制信号与图 3中的控制信号相同，当为逻辑高电平时， 脚输出调制信号，同时经反相器反相后 一路发射器发射完毕后，控制信号输出低电平复位 555，同时 反相施加在 4051的引脚 闭所有通道。 循环接收电路同样采用 路同接收电路基本相同。接收电路和发射电路采用相同的地址控制信号，即发射组正好与接收组相对应，例如 1号发射传感器与 1号接收传感器相对应。接收端 一路发射器脉冲发射完毕后，经过一定的盲区延时， 2输出低电平，接通相应通道。低电平持续时间与 0控制信号相同，如果在控制信号低电平这段时间内没有检测到回波信号，则 2输出高电平禁止再接收，如果检测到回波信号，停止计数器计数，读 取计数值，进入下一通道的发射与接收。 如下图所示，超声波接收电路一般由以下几个部分组成，前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波、施密特整形输出电路，为了减少干扰又有足够的放大增益，还能大大简化电路，使系统更稳定，我们采用了红外线接收电路的芯片 芯片是日本索尼公司生产的红外专用集成芯片，也可用于超声波检测。超声接发端接收到的信号经电容 端，总增益大小由 2脚接收器的电阻和电容决定，通常选用参数为 730脚为检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵 敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，选用参数为 3 3d。 5脚与地之间接入一个电阻，改变阻值，可改变载波信号的接收频率，取 R=22取 R=220k，则中心频率 386脚为积分电容，一般取 330果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚为输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为 228脚为电源。因此在允许接收的这段时间内如果没有检测到回波信号，则是该端输出为高电平，若有信号时则产生下降。因此利用这一特点，将 7脚输出信号接至 89检测到障碍物时， 7脚输出一个低脉冲，并将定时器 2中的 和 中，同时引起中断。 机驱动电路的设计 左右两侧的电机分别由电机驱动芯片 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可分别独立驱动两个直流电机。 制电机的通断以及正、反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方 信号来调整电机转速 (。 l A，其具体管脚排布如图 4所示。其中， ： 3接人控制信号， ： 3接电机的两端， l和 接人信号为“ 1、 0”和“ 0、 1”时，相对应的电机分别正转和反转；当两个 1、 1”和“ 0、 0”时，相应电机停转。 应输入端口信号有效；反之，则输入信号无效。在 过调整方波信号的占空比，对电机转速的控制。 源模块的设计 （ 1）在光电对管电路的设计中，将光 信号转换成电信号时，为防止单片机产生误读的现象，将采用一个 放大器的供电电压可以从 3V 30保证实验操纵性，我们采用 5伏左右的电压。 （ 2）在超声波电路的设计中，超声波的发送和接受采用的是 芯片能在数字电压或模拟电压中的调节范围在 幅值为 20之间。我们采用 5伏左右的电压，由 们为其提供的是 5伏的驱动电压。 (3)在超声波接受处理电路中，我们采用了 的驱动电压是在 5伏之间，因此 我们采用的是 5伏的工作电压。 （ 4）在电机驱动电路的设计中，我们将采用 驱动车上左右两个电机， 大的驱动电流是 1A，供给内部芯片工作的电压在 5 7V 左右，一般选择 5V。 （ 5）单片机我们采用的是 89的驱动电压是 5伏，因此工作电压选择 5 伏。 （ 6）电机方面我们选择的是 形，直径 身长度 出轴直径 作电压范围： 们选择工作电压是 5伏。 三软件实现 序流程图 开始 初始设 置 无限循环 传感器 3=1？ 是 否 传感器 2=1&传感器 3=1&传感器 4=1？ 是 右电机正转 否 传感器 1=1？ 是 否 传感器 2=1？ 是 否 传感器 1=1&传感器 2=1？ 是 否 传感器 2=1&传感器 3=1？ 是 否 传感器 1=1&传感器 2=1&传感器 3=1？ 是 电机正转 否 传感器 4=1？ 否 传感器 5=1？ 否 传感器 4=1&传感器 5=1？ 否 传感器 3=1&传感器 4=1？ 否 传感器 3=1&传感器 4=1&传感器 5=1？ 电机正转 否 其他情况 否 右电机正转 结束 【实验目的】 熟悉光敏电阻的性质 熟悉 译环境 进一步熟悉单片机各端口的特性和作用 能够编写程序，利用光敏电阻的性质对小车进行控制 【实验器材】 小车一辆 导线五根 下载线一根 【实验原理】 （一）光敏电阻 当光照射在物体上，物体内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，使 物体 的电阻率 1/R 发生变化的效应称为光电导效应。光敏电阻是一种光电导效应半导体器 件。由于光敏电阻没有极性，工作是可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻 值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值（亮电阻） 急剧减小，电路中电流迅速增加，用电流表可以测量出电流。 本实验所采用的光敏电阻是硫化镉光敏电阻，下图是硫化镉光敏电阻的光照特 光敏电阻的检测 1 用黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近无穷 大。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此 值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损 坏，不能再继续使用。 2 用一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显 减小。此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大，表明光敏电阻内部开 路损坏，也不能再继续使用。 3 将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间 断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一 位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。 （二） 由 于本实验主要用到 I/O 输入输出的 口，因此主要介绍 口的特性。端口 A(口 A 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称 的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外 部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。 作为通用数字 I/O 使用时，所有 端口都具有真正的读 写功能。这意味着用 令改变某些管脚的方向 (或者是端口电平、禁止 /使能上拉电阻 )时不会无意地改 变其他管脚的方向 (或者是端口电平、禁止 /使能上拉电阻 )。输出缓冲器具有对称的驱动能 力，可以输出或吸收大电流，直接驱动 有的端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻。 并有保护二极管与 地相连。 每个端口都有三个 I/据寄存器 据方向寄存器 口输入引脚 据寄存器和数据方向寄存器为读 /写寄存器，而端口输入引脚为只读 寄存器。当寄存器 上拉禁止位 位时所有端口的全部引脚的上拉电阻都被禁 止。不论如何配置 可以通过读取 存器来获得引脚电平。 个位与其前面的锁存器组成了一个同步器。这样就可以避免在内部时钟状态发生改变的短 时间范围内由于引脚电平变化而造成的信号不稳定。 本实验主要应用 此当我们把与光敏电阻的输出电压相连的 五个数据线连接到 口的反转电压是 高电平。即当外部输入电压高于 ，取的输 入逻辑电平值为“ 1” ，当外部输入电压低于 ， 取的 输入逻辑电平值为“ 0”。 根据 存器放置的五个数据来判断小车的走向。 （三）本实验实现原理 当电路接通电源时，由小车主板的稳压电源电路稳定