《基于光电传感器的避障小车的设计》5500字（论文）

PAGEIX基于光电传感器的避障小车的设计目录TOC\o"1-2"\h\u31098摘要 I25280关键词：传感器；避障；激光测距；单片机 I17277前言 II19658第1章光电传感器的原理及应用 III273331.1光电传感器的原理 III281241.2几种常见的光电传感器 III280171.3光电传感器的应用 V133941.4光电传感器的优缺点 V11836第2章避障小车模块选择 VI139612.1传感器模块 VI221322.2稳压电源模块 VI152132.3电机驱动模块 VII124832.4避障模块 VII196262.5报警模块 VII28602.6控制模块 VIII18229第3章系统设计及调试 IX250553.1系统电路设计 IX177323.2系统组成 IX250503.3系统软件流程 IX217503.4电路调试 X24213.5电机调试 X187383.6测试结果与分析 X7741结论 XI摘要本文介绍的是一种基于光电传感器的避障小车的设计。由于普通的红外发射管具有漫反射效应，信息的接收会受到接收管的影响。将其应用于快速避障车控制系统中，障碍物识别误差较大。利用接受一体化的激光测距传感器来采集前方路况信息，可以克服接受之间的相互干扰。我设计了一种智能避障小车控制系统。根据激光红外传感器对前方障碍物进行识别，完成导航车辆的自主避障。建立系统模型后，汽车可以根据激光红外传感器所采集的信息进行快速处理。该系统具有较高的稳定性，达到了预期的识别效果。关键词：传感器；避障；激光测距；单片机前言随着汽车工业的快速成长，关于汽车的钻研也愈来愈受人们的存眷。智能避障车的提出给汽车工业带来了机遇和挑战[1]。未来汽车的智能化必将是发展的新趋势，在这样的背景下，我们开展了基于光电传感器的智能避障小车的研究。近几年光电传感器这项应用技术在小车上被普遍利用，但是光电管发射功率和其它管间相互干扰致使避障小车在进行路径识别时产生错误，从而影响行驶。目前一些汽车在行驶过程当中识别、躲避障碍物的方式基本上是都是采用摄像头收集前方路况信息[2]。这种方式旌旗灯号不仅收集的慢、而且容易受外界环境干扰，影响小车正常行驶。一旦信号灯处于中止状态，就会导致小车在行驶中不能实时有效地躲开前方的障碍物，发生车祸。但是如果为了有效地避开道路前方的障碍物，小车就需要降低车速，这样的话小车的行驶效率就会大大降低，影响人们出行时间[3]。为了解决上面的问题，本论文提出了基于红外光传感器避障小车控制系统，传感器的应用发展迅速使传感技术不断增强，应用领域拓宽，传感器种类更是逐渐增多，其中光电传感器发展最为迅速，作为新兴技术之一的光电传感器，在技术发达的国家更是投入大量人力物力以及技术资源。对射型光电传感器凭借着简单可靠、经济实惠等优点迅速的成为应用最广的一类。针对一种基于光电传感器、单片机的避障车，通过电路的介绍、调试、算法的详细描述，避障车通过传感器感知外部环境和自身状态，在复杂环境中自主运动，红外传感器以其独特的特性而受到青睐。采用两个红外传感器进行定位，使车辆能够顺利到达指定位置。智能避障汽车系统涉及到计算机控制技术、路径识别、传感技术、电子设计、程序设计、机械设计等学科，设计这个智能避障小车不仅可以考察我的整体知识体系，还锻炼了我的动手能力。我们设计的这个小车采用的是STC89C52芯片为主要核心，它不仅功耗低，与标准的51系列单片机相比具有运算速度快、抗干扰能力强的优点，这些优点对于我们研究避障小车来说具有不同寻常的意义，它不仅能给人们的交通带来变化，而且也为汽车的自主导航系统提供重要的技术。第1章光电传感器的原理及应用1.1光电传感器的原理光电传感器是一种以光电元件为检测元件的传感器。其工作过程是将被测的变化转化为光信号的变化，再通过光电元件将光信号进一步转化为电信号。光电传感器的工作原理是光电效应。依据单位时间内通过某一面积的光的量对光电元件影响的不同原理，研制出了各种不同的光学测控系统。根据光电元件的输出特性不同，传感器可以分为模拟光电传感器和脉冲光电传感器两大类。根据测量方法的不同可分为透射式、漫反射式和遮光式三种:一：透射式。是指将被测物体置于光路中，光源发出的光能通过被测物体，部分光能被吸收，然后透射的光照射在光电元件上，所以又称为吸收式。二：漫反射式。是指光源发出的光投射到被测物体上，然后从被测物体表面反射并照射到光电元件上[5]。三：遮光式。是指当光源发出的光通过被测物体时，一部分光会被覆盖，从而使投射在光电元件上的光通量发生变化。光通量的变化程度与被测物体在光路中的位置有关[6]。光电二极管是市场上比较常见的光电传感器类型。光电二极管和常规的二极管结构上基本相似，都有一个PN结，但是为了能更好地增加入射光的吸收面积，光电二极管在制作与设计时PN结的面积往往需要大一些。光电二极管反向偏置动作，并且与负载电阻串联在一起。当没有光照时，光电二极管具有与普通二极管具有相同的反向电流。反向电流会非常小，我们管这样的电流叫暗电流；当有光照时，反向电流会马上增大，生成光电流。光电流的大小与光照强度是成正比的关系。1.2几种常见的光电传感器1.2.1槽型光电传感器本发明涉及一种沟槽光电器件，是把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光和可见光，在光发射器和接收器之间没有任何物体的情况下光接收器能收到光，光电开关不工作，但是当有物体从槽中通过时，光会被遮挡，光接收器接收不到光，光电开关便会工作，发出一个切断控制开关信号，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离受整体结构的限制一般只有几厘米。但它的响应速度快，能很好地检测出物体的位置，在生产加工中得到了广泛的应用。图1-1槽型光电传感器实物图1.2.2对射型光电传感器如果把发光器和收光器分开，则可以增加检测范围。由发光器和收光器组成的开关称为光电开关。它检测的距离最大可以达到几十米。使用时把发光器和收光器分别放在检测物体通过路径的两边，检测物通过时阻挡光，收光器接收不到光就会控制开关动作。图1-2对射型光电传感器实物图1.2.3反射式光电传感器配有光源和光接收装置。光源发出的光被被测物体反射后，由光敏元件接收，再经相关电路处理，获得所需信息。它可以检测到路面上的光、影和颜色的变化，也可以检测到是否有物体接近。图1-3反射式光电传感器实物图1.3光电传感器的应用1.3.1光电传感器在变电站通信控制系统中的应用光电传感器作为一种新型的电压电流检测装置，具有绝缘强度高、抗干扰能力强、频带宽、动态范围大、体积小、重量轻、成本低等一系列优点。光电传感器经历了原理研究、实验样机和现场运行等阶段。目前国外已经有一些实用的产品投放市场，但要得到大规模应用还有一段路要走。国内变电站自动化系统的水平也不尽相同，通信控制系统是变电站自动化系统的重要组成部分，其技术水平直接关系到变电站自动化系统的性能。但随着光电传感器在变电站上的应用，变电站通信控制系统的完善将跨越一大步，大幅度提高了自动化的应用水平[7]。1.3.2光电传感器在生活中的应用光电开关不但可以作为计数器对产物的数量进行计数，还可以在传感器后端加一个计数器来检测器件是否到位[8]。在生活中还能应用到烟雾报警器、火焰探测报警器、条形码扫描笔等许多物品[9]。1.4光电传感器的优缺点1.4.1光电传感器的优点一：探测距离长。市场上大多数的传感器的探测距离都不远。新型光电传感器在对向式中能够保持10m以上的探测距离，可实现其它探测手段。二：对物体的探测几乎无限制。光电传感器是基于探测物体产生的阴影和反射的探测原理，它可以探测几乎所有的物体，如玻璃、塑料、液体等，不像接近传感器将探测物体限制在金属上。三：响应时间短。因为光的传播速度非常快，基于光传播速度的光电传感器的响应时间一定非常短，光电传感器的电路由电子部组成，不包括任何机械工作的时间。四：可以实现色彩的分辨。光电传感器检测物体形成的光的反射率和吸收率，这些反射率和吸收率根据投射光的波长和被检测物体的颜色组合而变化[10]。利用此属性，可以检测物体的色彩。1.4.2光电传感器的缺点一：环境适应性较差，激光光源可以略有提高，但也有局限性。二：如果不在密封的环境中使用，很容易被污染和失效。第2章避障小车模块选择2.1传感器模块红外光电传感器是一种集发射和接收于一体的光电传感器，其有效探测距离控制在3~80cm范围内可调，它易于组装和使用。能在阳光下正常工作(理论上应避免阳光直射和强光源)。由于它体积小、精度高、响应速度快。被应用于小车的避障。图2-1红外传感器图2.2稳压电源模块电机驱动电源、单片机和外围电路电源采用5V按钮电池。两个电源分开，完全消除电机驱动引起的干扰，提高系统的稳定性。但它并不像单一电源那样方便灵活。本设计使用的L298N电机驱动电路板可以提供+5V，可以给5V单片机供电[11]。L298N电机驱动电路板电源大于6V时，才能输出+5V电压。考虑本次设计采用的直流电机为高磁电机，线路电压较大，所以选用7.2V镍镉充电电池组作为电源。图2-1电源系统框图2.3电机驱动模块小车最重要的功能是它可以在地面上自由灵活地移动，小车的整体动力来自于电机，本论文选用直流电机作为小车的驱动，选择L293D芯片作为驱动控制芯片，它是利用H桥路驱动电机的，而H桥路驱动器能够在电机上正向和反向上对绕组供电。L293D电机驱动芯片是一种集成四通道高压大电流芯片[12]。输出电压可由电源直接调节。它可以直接利用单片机的IO口提供信号，并且电路简单，使用方便。图2-2L293D电机驱动原理图[12]2.4避障模块智能避障小车运行在复杂环境中时难免会遇到障碍物，如何在碰到障碍前探测到并有效进行躲避，将是本文研究的重点，红外光电传感器利用发射器发射调制后的红外光束，经红外接收后确定前方物体。当前方两侧都没有障碍物时，轮子都向前转，则小车向“前方”前进。当左前方有障碍物时，左边红外光电传感器检测到障碍物，右边的轮子反转，即方向转向了障碍物的右边，从而避开了左边的障碍物，左边红外传感器不再碰检测障碍物，两个轮子都正转，小车向新的没有障碍物的“前方”直线前进。当右前方有障碍物，和左前方相反直到右边红外光电传感器不再检测到障碍物，小车继续向新的没有障碍物的“前方”直线前进。当正前方有障碍物，左右两边的红外传感器都会检测到障碍物，控制左右两边的轮子都反转，则智能避障小车向“正后方”倒退，从而避开障碍物。2.5报警模块报警模块通过单片机给出频率的高低电平，并利用蜂鸣器发出不同响度的声音。报警模块的电路图主要由三极管来驱动[8]。由于单片机的IO口驱动没有能力使蜂鸣器发出声响，三极管可以通过驱动电流放大使蜂鸣器的声响。三极管采用PNP型。当输出处于低电平时，三极管处于导通状态，集电极电流通过蜂鸣器使蜂鸣器发出声音。当输出高电平时，三极管关闭，电流无法通过蜂鸣器，蜂鸣器不发出声响。图2-3报警模块电路图2.6控制模块在智能车辆控制系统中，采取了STC89C52作为智能车辆控制模块的核心。它是一种超低功耗的单片机。与标准51系列单片机相比，具有运算速度快、抗干扰能力强、支持ISP在线编程等优点。它包括8K空间闪存只读存储器、32个I/O端口和3个16位可编程定时计数器。与之前的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度。电路设计简略，价格低廉，在应用过程中，它的精度和速度完全满足我们需要设计系统的要求。所以选用STC89C52单片机为整个系统的控制核心。第3章系统设计及调试3.1系统电路设计系统包含传感器模块、稳压电源模块、电机驱动模块、避障模块、报警模块、控制模块。红外传感器采集前方道路信息，STC89C52对数据进行处理，控制转向电机驱动模块控制小车的行驶[13]。3.2系统组成图3-1系统组成框图3.3系统软件流程 图3-2系统软件的整体流程图3.4电路调试按照电路原理图进行电路检查，看电路的连接是否正确，需要特别注意的是电机正负极不要接反。给小车按上电池然后打开开关，检查电机的正负极是否是正确的：1、打开开关后，前方没有障碍物时，电机都是往前转动的；2、左边红外光电传感器检测到障碍物，则右边的电机反转；3、右边红外光电传感器检测到障碍物，则左边的电机反转；4、两个红外光电传感器都检测到障碍物，则电机都反转。如果发现哪个电机的转向与预期的相反了，则只要把该电机的两根电极线调换过来即可。若小车在原地转圈，说明其中一个电机的电源接反了，把其中一个电机的两根电极线调换过来就可以了；如果小车是沿直线后退，则说明两个电机的正负极都接反了，则同时把两个电机各自的两根电极线都调换过来。3.5电机调试由于电机的电源电压为9V，而电机的额定电压为6V，因此电机旋转的PWM值可以在5%-65%之