尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計方案

尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 1 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計方案 1 緒 論 進入 二十一 世紀，隨著計算機技術和科學技術的不斷進步，機器人技術較以往已經(jīng)有了突飛猛進的提高，智能循跡小車即帶有視覺和觸覺的小車就是其中的典型代表。 能循跡小車概述 智能循跡小車又被稱為 稱 二十世紀五十年代研發(fā)出來的新型智能搬運機器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光學或其他自動導引裝置，可以沿設定的引導路徑行駛，安全的運輸車。工業(yè)應用中采用充電蓄電池為主要的動力來源，可通過電腦程序來控制其選擇運 動軌跡以及其它動作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來確定其行進路線， 無人搬運車 通過電磁軌道所帶來的訊息進行移動與動作，無需駕駛員操作， 將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。 另一個特點是高度自動化和高智能化，可以根據(jù)倉儲貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運行路徑的費用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比非常低廉。 車一般配有裝卸機構，可與其它物流設備自 動接口，實現(xiàn)貨物裝卸與搬運的全自動化過程。此外， 車 依靠蓄電池提供動力， 還有清潔生產(chǎn)、 運行過程中無噪音、無污染 的特點， 可用在工作環(huán)境清潔的地方。 跡小車的發(fā)展歷程回顧 隨著社會的不斷發(fā)展，科學技術水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來代替人來做一些非常危險，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就誕生了機器人這門學科。世界上誕生第一臺機器人誕生于 1959 年，至今已有 50 多年的歷史，機器人技術也取得了飛速的發(fā)展和進步，現(xiàn)已發(fā)展成一門包含：機械、電子、計算機、自動控制、信號處理，傳感器等多學科 為一體的性尖端技術。循跡小車共歷了三代技術創(chuàng)新變革： 第一代循跡小車是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何傳感器，只是采用簡單的開關控制，通過編程來設置循跡小車的路徑與運動參數(shù)，在工作過程中，不能根據(jù)環(huán)境的變化而改變自身的運動軌跡。 支持離線編程的第二代循跡小車具有一定感知和適應環(huán)境的能力，這類循跡小車裝有簡單的傳感器，可以感覺到自身的的運動位置，速度等其他物理量，電路是一個閉環(huán)尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 2 反饋的控制系統(tǒng)，能適應一定的外部環(huán)境變化。 第三代循跡小車是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構成感官系統(tǒng)，通過采集外部的 環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車，能獨立完成任務，有其自身的知識基礎，多信息處理系統(tǒng)，在結構化或半結構化的工作環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境變化作出決策，有一定的適應能力，自我學習能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車能獨立工作，一方面應具有較高的智慧和更廣泛的應用，研究各種新機傳感器，另一方面，也掌握多個多類傳感器信息融合的技術，這樣循跡小車可以更準確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息 1。 能循跡分類 發(fā)明至今已經(jīng)有 50 多年的歷史，隨著應用領域范圍的不斷擴大，其種類和形式也變得更加多樣 化。一般根據(jù)行駛的導航方式將 智能循跡小車 分為以下幾種類型： (1)電磁感應式 電磁感應式引導一般在地面上，沿預定路徑埋電線，當高頻電流通過導線，電線周圍產(chǎn)生電磁場流動， 車上安裝兩個對稱的電磁感應傳感器，他們收到的電磁信號差異可以反映的 離程度路徑的程度。 動化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車輛的轉(zhuǎn)向，連續(xù)的動態(tài)的閉環(huán)控制設置能夠保證 設定路徑的穩(wěn)定自動跟蹤。在目前商業(yè)用途的 ，特別是大型和中型小車，絕大多數(shù)都采用電磁感應導航。 (2)激光式 安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器的 安裝在墻壁或有高反射激光定位標志的支柱上或者路徑上運行， 靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標志反射回的激光束，車載計算機，計算出當前車輛的位置和運動方向，通過內(nèi)置的數(shù)字地圖和校準位置相比，以實現(xiàn)自動處理。目前，這種 型的應用比較廣泛?；谕瑯拥脑?，如果激光掃描儀被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導的 車可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外引導和超聲引導的 (3)視覺式 視覺引導式 的迅速發(fā)展和比較成熟的 種 備 像機，傳感器和車載電腦，在車載計算機中設 置有 機得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫進行比較，以確定當前位置和車輛周圍的尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 3 圖像信息并對駕駛下一步作出決定。這種 車并不需要設置任何的人工物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計算機圖像采集，存儲和處理技術飛速發(fā)展的今天，這種類型的 用性越來越強。此外，還有鐵磁陀螺慣性引導式 學引導式 。 能循跡小車的應用 智能循跡小車發(fā)展歷史及主要應用場所 如下 ： (1)倉儲業(yè) 1954 年，來自美國南卡羅來納州的 司成為第一批把 實現(xiàn)出入庫貨物的自動處理。至今世界上有超過 2100個廠家把大約 2 萬臺大型或小型的 車應用到自己的倉庫中。中國的海爾集團在2000 年把 9 臺 車投產(chǎn)到了自己的倉庫區(qū)，形成一個靈活的 動數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少 33500 的儲存和裝卸貨物的任務。 (2)制造業(yè) 在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中 車大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運送任務。由多臺 車組成的物流運輸處理系統(tǒng)，較人工搬運系統(tǒng)來說更靈活 ，運輸路線可以根據(jù)生產(chǎn)過程及時調(diào)整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十幾個產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活性，企業(yè)的競爭力。在 1974 年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車組裝廠，提高了運輸系統(tǒng)的靈活性，使用以 車為載運工具的裝配線，采用該裝配線后，減少了 20%裝配時間、減少了 39%組裝錯誤，減少了 57%投資資金回收時間以及減少了 5%的員工費用。目前，在世界主要的汽車生產(chǎn)廠家，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾 車已被廣泛應用。 (3)郵局、圖書館、港口碼頭和機場 在郵局，圖書館，碼頭和機場候機樓等人口密集的公眾場所，存在著大量的 物品的運送工作，充滿不定性和動態(tài)性強的特點，搬運過程往往也很單一。 著可并行工作 、 自動化 、 智能化和處理靈活的特點，可以很好的滿足這些場合的運輸要求。 1983年瑞典的 大斯得哥爾摩郵局 ， 1988 年日本東京的多摩郵局 ， 1990 年中國上海的 郵政相繼 開始使用 車來完成郵品的搬運工作。在荷蘭的鹿特丹港口， 50 輛被稱為 “院子里的拖拉機 ”的 車每天都在把集裝箱 從船邊運送到幾百米以外的倉庫中。 (4)煙草、醫(yī)藥、化工、食品 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 4 對于處理一些需要在清潔、安全、無排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如煙草、制藥、食 品、化工等產(chǎn)品時應考慮 車的應用。在全國許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團、玉溪紅塔集團、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠， 應用激光引導式 成托盤貨物的搬運工作。 能循跡小車研究中的關鍵技術 現(xiàn)在全世界越來越多的國家都在做著研究智能化、多樣化的自動汽車導航的工作。自動汽車導航是一個非常復雜的系統(tǒng)，它不僅應具有正常的運動功能的成分，而且還應具有任務分析，路徑規(guī)劃，信息感知，自主決策等類似人類的智能行為。 人類可以利用自己的聽覺、視覺、味覺、觸覺等功能獲取事物的信息，人類的大腦再根據(jù)已經(jīng)掌握的知識對這些信 息進行綜合分析，從而全面了解認知事物。這樣一個認識事物、分析事物和處理信息的過程稱之為信息融合過程。多傳感器信息融合的基本原理就是模仿人類大腦的這個過程，得到一個對復雜對象的一致性解釋或結論。多傳感器信息融合是協(xié)調(diào)多個分布在不同地點，相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀測量信息加以綜合，協(xié)調(diào)使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，以減少不確定性，得到對物體或環(huán)境的一致性描述的過程 4。 多傳感器信息融合具有許多性能上的優(yōu)點： (1)增加了系統(tǒng)的生存能力； (2)減少了信息的模糊性； (3)擴展了采集數(shù) 據(jù)覆蓋范圍； (4)增加了可信度； (5)改善了探測性能；(6)提高了空間的分辨力； (7)改善了系統(tǒng)的可靠性 (8)信息的低成本性 5。 本文主要由五章組成，第 1 章為緒論，主要講述循跡小車的發(fā)展歷程及在目前所應用領域中的作用。第 2 章 為 總體規(guī)劃智能循跡小車系統(tǒng)的設計，包含主系統(tǒng)流程圖。第3 章是系統(tǒng)的硬件設計，其中包含單片機電路的設計、 線模塊、 塊和電機驅(qū)動電路等。第 4 章為系統(tǒng)的軟件設計，主要介紹的是軟件實現(xiàn)過程的框圖。第 5 章是制作安裝與調(diào)試，最終保證了系統(tǒng)的正常運行。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 5 2 總體設計方案 體設計方案 主單片機電路直 流 電 機循 跡 模 塊無 線 遙 控 器電 機 驅(qū) 動 模 塊圖 2統(tǒng)總體框圖 智能循跡小車主要包括了無線遙控器、線性 跡模塊，電機驅(qū)動模塊，小車車模等。通過無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或者線性 測道路黑線處理得到數(shù)據(jù)，從而通過電機驅(qū)動模塊控制電機的狀態(tài)和舵機的轉(zhuǎn)向，最終實現(xiàn)小車可以無線遙控器控制，或者自動識別路線，完成循跡行車。 線遙控器的設計方案 單片機電路無 線 發(fā) 送 模 塊電 源 模 塊搖 桿 模 塊L C D 顯 示 模 塊圖 2線遙控器 控制系統(tǒng)結構框圖 無線遙控器主要有 機鋰電池充、供電模塊， 示模塊， 準電壓模塊和搖桿模塊等。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 6 主要工作原理是通過 片機控制 集 搖桿的 X,Y 軸電位值，并將電位值通過 線模塊發(fā)送給小車，從而控制小車轉(zhuǎn)向和加、減速等。 跡小車的設計方案 單片機電路無 線 接 收模 塊超 聲 波 避障 模 塊紅 外 測 速模 塊電 源 模 塊直 流 電 機電 機 驅(qū) 動循 跡 傳 感器L C D 顯 示 模 塊防 撞 模 塊圖 2能循跡小車 控制系統(tǒng)結構框圖 智能循跡小車主要包括了 片機主控電路模塊， 性 線接收模塊，超聲波 障模塊，紅外 速模塊， 示模塊 和 管構成的 H 橋電機驅(qū)動模塊等。 主要工作原理是 通過 性 跡模塊采集的黑線路經(jīng)或 線接收模塊接收遙控器的數(shù)據(jù)，然后由 生 控制電機驅(qū)動模塊改變電機的工作狀態(tài)，最后實現(xiàn)小車循跡。 統(tǒng)設計步驟 1. 根據(jù)設計要求，確定控制方案。 2. 利用 計合理的硬件原理圖。 3. 畫出程序流程圖， 使用 C 語言 進行編程。 4. 將各元件焊接在 上，并將程序燒錄到單片機內(nèi)。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 7 5. 進行調(diào)試以實現(xiàn)控制功能。 定整體控制系統(tǒng)方案 1. 主控使用 40 引腳的 片機芯片，因為其內(nèi)部集成 10 位 路 ，可以節(jié)省外圍設備。 2. 整個系統(tǒng)由 3V、 5V 三種直流電供電。其中 源是由直接提供的可充電電池供電， 5V、 通過 池來實現(xiàn)的。 3. 電機驅(qū)動模塊由 2 片 2 片 成了一個 可以通過 控制電機的啟停和正反轉(zhuǎn)。 4. 路徑識別采用 性 過對賽道黑白的識別來控制舵機轉(zhuǎn)向。 5. 無線模塊采用 傳輸數(shù)據(jù)，從而可以通過遙控器控制小車。 6. 避障模塊主要是通過超聲波 距，提前控制舵機轉(zhuǎn)向，避開障礙物。 7. 速度檢測模塊由紅外對管 測后輪胎轉(zhuǎn)速，然后數(shù)據(jù)處理為速度并實時顯示在現(xiàn)實。 8. 顯示模塊采用 過 5 個普通 與單片機通信， 84點陣，可以顯示 4 行漢字，能充分滿足需求。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 8 3 系統(tǒng)的硬件設計 圖 3統(tǒng)總 體 原理圖 片機電路 片機最小系統(tǒng) 片機的簡介 D/列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期 (1T)的單片機，是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，3 45 63 45 6123401350712105河南工程學院電氣 1 班 132113519 但速度快 8。內(nèi)部集成 用復位電路， 2 路 8 路高速 10 位 A/250K/S，即 25 萬次 /秒 )，針對電機控制，強干擾場合。 片機的主要特點 1. 增強型 8051 1T，單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； 2. 通用 I/O 口（ 36/40/44 個），復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，強推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏每個 I/O 口驅(qū)動能力均可達到 20整個芯片最大不要超過 120 3. 內(nèi)部集成 用復位電路（外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K 電阻到地）； 4. 時鐘源：外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為 5% 到 10%以內(nèi) )用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時鐘 常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 片機為： 1117片機為： 812. 共 4 個 16 位定時器 兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器， 16 位定時器 有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器 ,再加上 2 路 塊可再實現(xiàn) 2 個 16 位定時器； 6. 3 個時鐘輸出口，可由 溢出在 0 輸出時鐘，可由 溢出 1輸出時鐘，獨立波特率發(fā)生器可以在 輸出時鐘； 7. 外部中斷 I/O 口 7 路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中 斷 ,并新增支持上升沿中斷的 式， 式 可 由 外 部 中 斷 喚 醒 ， 0/可通過寄存器設置到 可通過寄存器設置到 8. 2 路） / 編程計數(shù)器陣列 ,2 路） 可用來當 2 路 D/A 使用 可用來再實現(xiàn) 2 個定時器 可用來再實現(xiàn) 2 個外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時支持 )； 9. A/D 轉(zhuǎn)換 , 10 位精度 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達 250K/S(每秒鐘 25 萬次 )； 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 10 10. 通用全雙工異步串行口 (由于 列是高速的 8051，可再用定時器或 件實現(xiàn)多串口； 11. 列有雙串口，后綴有 志的才有雙串口， 通過寄存器設置到 通過寄存器設置到 徑檢測模塊 性 外測速性 跡模塊 路徑檢測模塊是智能車系統(tǒng)信號的輸入模塊主要檢測的賽道對道路偏離量，這些信息是小車沿賽道運行的信息基礎獲得 更多、更遠、更精確的塞到信息是提高車模運行速度的關鍵。所以，路徑檢測的好壞直接關系到最終性能的優(yōu)劣。對于小車路徑信息的采集的方式如下所示： 方案一：紅外傳感器的檢測方式，優(yōu)點：電路設計相對簡單、檢測速度信息快、調(diào)試簡單、成本低。缺點：道路參數(shù)檢測精度低、道路參數(shù)檢測種類少、傳感器的個數(shù)較多、檢測距離前瞻較短、耗電量較大。 方案二：線陣 測方法，優(yōu)點：檢測前瞻距離大、檢測范圍寬、檢測道路參數(shù)較多。缺點：電路設計復雜、軟件計算量大、監(jiān)測信息更新速度快。 綜上所述每個方案都有自己的優(yōu)缺點，綜合考慮線陣 測方法比較好，它能夠使檢測到的道路信息更加的精確，有利于小車的速度提高。 性 介 性 感器陣列由一個 128 1 的光電二極管陣列，相關的電荷放大尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 11 器電路，和一個內(nèi)部的像素數(shù)據(jù)保持功能，它提供同時集成起始和停止時間所有像素。 該陣列是由 128 個像素，其中每一個具有光敏面積 3,方微米。 像素之間的間隔是 8 微米。 操作簡化內(nèi)部控制邏輯，需要只有一個串行輸入端 (信號和時鐘。 主要特點： 1. 1281 個傳感器單元組織； 2. 每英寸 400 點（ 感器間距； 3. 高線性度和均勻度； 4. 寬動態(tài)范圍： 4000： 1（ 72 分貝）； 5. 輸出參考地； 6. 低圖像延遲： 型值； 7. 操作為 8 8. 單 3V 到 5V 供應； 9. 軌到軌輸出擺幅（ 10. 沒有外部負載電阻。 性 主要工作原理 核心是 128 個光電二極管組成的感光陣列，陣列后面有一排積分電容，光電二極管在光能量沖擊下產(chǎn)生光電流，構成有源積分電路，那么積分電容就是用來存儲光能轉(zhuǎn)化后的電荷。積分電容存儲的電荷越多，說明前方對應的那個感光二極管采集的光強越大。反映在像素點上就是，像素灰 度低。光強接近飽和，像素點灰度趨近于全白，則呈白電平。 模擬輸出 (電壓由公式 (3出： 錯誤 !未找到引用源。 (3為白色狀態(tài)下的模擬輸出電壓； 黑暗條件下的模擬輸出電壓； 器件的響應性，對于給定的光的的波長在 錯誤 !未找到引用源。 ； 在 錯誤 !未找到引用源。 的時間輻照； 積分時間，以秒為單位。 境光影響問題 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 12 試驗表明 性 輸出信號和環(huán)境光線密切相關，在自然光條件比晚上燈光下 腳輸出電壓值高出很多，正對著光線比背著光線輸出電壓高，白熾燈光下比日光燈下輸出電壓高。因此，同一參數(shù)（曝光時間、鏡頭光圈）難以適應各種環(huán)境，在光線較弱環(huán)境下的參數(shù)在強光下會出現(xiàn)輸出飽和，在較強光線下調(diào)節(jié)好的參數(shù)在弱光下輸出電壓過低，甚至處于截止狀態(tài)。在智能車應用中，白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán)境、正對光和背光、不同的比賽場地之間都不能采用相同的曝光參數(shù)。與輸出電壓密切相關的參數(shù)是曝光量，曝光量取決于 塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所控制的曝光時 間。智能車為適應各種運行環(huán)境，必須實時感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)曝光量，使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個合理的范圍，這樣才能保證在不同環(huán)境中 出電壓在合理范圍，以利于算法提取黑線信息。鏡頭相關參數(shù)一旦選定在智能車運行難以改變，曝光時間比較容易通過程序控制，因此比較容易實現(xiàn)的調(diào)整曝光量方法是通過軟件調(diào)整曝光時間。 線模塊 線數(shù)據(jù)傳輸模塊 線 介 司最近生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，采用 制，內(nèi)部集成 己的 議?？梢詫崿F(xiàn)點對點或是 1 對 6 的無線通信。無線通信速度可以達到 2M( 司提供通信模塊的 件，可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機愛好者只需要為單片機系統(tǒng)預留 5 個1 個中斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為 13 系統(tǒng)構建無線通信功能。 主要特點： 1. 球開放 段，最大 0射功率，免許可證使用； 低工作電壓：正常工作電壓 2. 高速率： 最高 2樣使得信號空中停留時間極短，減小了無線碰撞的可能 (軟件設置 1者 2空中傳輸速率 )； 3. 多頻點： 125 頻點，可以應用于多點通信以及跳頻的實現(xiàn)； 4. 超小型： 線內(nèi)置，體積小巧，規(guī)格： 15括天線）；低功耗：快速的傳輸速率也降低了收發(fā)功耗； 5. 很低的應用成本： 成了 用的是 口，可以與單片機的 口直接相連。沒有 口的單片機可以利用單片機的 I/O 口進行模擬，內(nèi)部有 于數(shù)據(jù)緩存，因此 以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機。 線 工作原理 塊的原理圖如圖 3示： 圖 3塊的原理圖 從單片機控制的角度來看，我們只需要它的的六個控制和數(shù)據(jù)信號，分別為 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 14 片的片選線， 低電平芯片工作 ; 片控制的時鐘線（ 鐘） ; 片控制數(shù)據(jù)線（ ; 片控制數(shù)據(jù)線（ ; 斷信號。無線通信過程中 要是通過 行通信 ; 片的模式控制線。在 低的情況下， 同 存器共同決定 狀態(tài)（掉電、發(fā)射、接收、待機 、待機 ）。 發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將 置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址 照時序由 寫入 存區(qū)， 須在 發(fā)射時寫入一次即可，然后 為高電平并保持至少 10s，延遲 130s 后發(fā)射數(shù)據(jù) ;若自動應答開啟，那么 發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式，接收應答信號（自動應答接收地址應該與接收節(jié)點地址 致）。如果收到應答，則認為此次通信成功， 高，同時 若未收到應答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù) (自動重發(fā)已開啟 )，若重發(fā)次數(shù) (到上限， 高， 數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā) ; 高時，使 低，產(chǎn)生中斷，通知 后發(fā)射成功時 ,若 低則 入空閑模式 1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且 高，則進入下一次發(fā)射 ;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且 高，則進入空閑模式 2。 接收數(shù)據(jù)時 ,首先將 置為接收模式，接著延遲 130 s 進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效的地址和 ，就將數(shù)據(jù)包存儲在 ，同時中斷標志位 高， 低，產(chǎn)生中斷，通知 取數(shù)據(jù)。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應答信號 。最后接收成功時，若 低，則 入空閑模式 1。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 15 障模塊 聲波 障模塊 原理圖 聲波 介 模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小。 產(chǎn)品應用領域：機器人避障、物體測距、液位檢測、公共安防、停車場檢測 。 主要技術參數(shù)： 1. 使用電壓： 2. 靜態(tài)電流：小于 2 3. 電平輸出：高 5V； 4. 電平輸出：低 0V； 5. 感應角度：不大于 15 度； 6. 探測距離： 2 7. 高精度：可達 聲波的主要工 作原理 超聲波傳感器的工作原理是陶瓷的壓電效應。超聲波傳感器在測量過程中，聲波信號由傳感器發(fā)出，經(jīng)液體或固體物體表面反射后折回由同一傳感器接收，可以測量聲波的整個運行時間，從而實現(xiàn)物位的測量。 超聲測距大致有以下方法：一種是取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離；另一種是測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 16 超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，如圖 3示，故被測距離為 錯誤 !未找到引用源。 。本系統(tǒng)測量采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲 速基本不變。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為 秒，由單片機負責計時，單片機使用 振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 圖 3聲波測距原理 假定 S 為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為 錯誤 !未找到引用源。 ，超聲波傳播速度為 錯誤 !未找到引用源。 表示，則有關系式 (3 錯誤 !未找到引用源。 (3在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按 公 式 (3超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。溫度與聲速的關系參照表 3 錯誤 !未找到引用源。 (3式中： T 為實際溫度單位為 ； V 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 錯誤 !未找到引用源。 。 表 3度與聲速參照表 溫度與聲速參照表 溫度 錯誤 !未找到引用源。 20 10 20 30 聲速 錯誤 !未找 313 319 322 331 337 344 350 超聲波發(fā)射 超聲波接收 時間 T 障礙物 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 17 到引用源。 示模塊 示模塊原理圖 方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有接線簡單、成本低廉、配置簡單靈活、編程容易、對外界環(huán)境要求較低、易于維護等特點。 電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管 顯示的信息量有限 ，只能顯示簡單的數(shù)字，其電路復雜，占用 的系統(tǒng) I/O 資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。 方案二：考慮到本系統(tǒng)中顯示的內(nèi)容以及系統(tǒng)的實用性，采用液晶顯示 (液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì) 量輕、無輻射危害、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃爍、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)點。點陣式 僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本特征顯示等功能。 因為 晶顯示模塊可以顯示出數(shù)字、字母、漢字等，一面了然、外觀比較好看。而且液晶顯示功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無輻射危害，與單片機連接較簡單。故經(jīng)過比較選擇方案二 晶顯示簡介 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 18 圖 3晶顯示器原理圖 液晶顯示模塊引 腳說明如表 3示： 表 3晶顯示模塊的管腳 引腳序號 引腳名稱 功能 引腳序號 引腳名稱 功能 1 行數(shù)據(jù)線 5 位 2 行時鐘線 6 源正 3 D/C 模式選擇 7 光燈 4 片使能 8 源地 晶顯示特點： 1. 性價比高，可以顯示 15 個漢字、 30 個字符，價格相對便宜； 2. 接口簡單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動； 3. 速度快，是 20 倍，是 40 倍； 4. 作電壓 常顯示時工作電流 200下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設備。 晶的主要工作原理 (1)口時序?qū)憯?shù)據(jù) /命令 通信協(xié)議是一個沒有 有 議： 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 19 圖 3行總線協(xié)議 個字節(jié) (2)初始化 接通電源后，內(nèi)部寄存器和 內(nèi)容是不確定的，這需要一個 電平脈沖復位一下。 圖 3位時序 (3)顯示英文字符 英文字符占用 錯誤 !未找到引用源。 個點陣，通過建立一個 數(shù)組 6來尋址。 (4)顯示漢字 顯示漢字可以采用兩種點陣方式，一種是 12*12 點陣，一種是 16*16 點陣。 機驅(qū)動電路 51 H 橋電機驅(qū)動原理圖 方案一：采用直流電機，配合 動芯片組合。優(yōu)點在于硬件電路的設計簡尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 20 單。當外加額定直流電壓時，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機用于錄音機、錄相機、唱機或激光唱機等固定轉(zhuǎn)速的機器或設備中。也用于變速范圍很寬的驅(qū)動裝置。容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。電路如圖 3 圖 3流電機 +合電路原理 方案二：采用步進電機，配合 動芯片組合。步進電機可以實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)腳輸出，只要施加合適的脈沖序列，電機可以按照人們的預定的速度或方向進行連續(xù)的轉(zhuǎn)動，便于 控速，但是 軟件程序的 編寫較直流 電機稍顯復 雜。但是芯片路比較復 雜。如圖3 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 21 圖 3 進電機 +理圖 方案 三：采用直流電機配合 由雙極性管組成的 路。用單片機控制晶 體管使之工作在占空比可調(diào)的開關 狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H 橋電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術，其電路原理簡圖如圖 3示。 圖 3機驅(qū)動原理簡圖 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計與制作 22 綜合 3 種方案的優(yōu)缺點，鑒于本系統(tǒng)設計體積較小，自身重量較輕，對電機功率輸出要求不高，決定選擇方案 3。 所謂的 H 橋電路就是控制電機正反轉(zhuǎn)的。如圖 3是一種簡單的 H 橋電路，它由2 個 型場效應管 2 個 型場效應管 成，所以它叫 H 橋。 橋臂上的 4 個場效應管相當于四個開關， P 型管在柵極為低電平時導通，高電平時關閉； N 型管在柵極為高電平時導通，低電平時關閉。場效應管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為“零”。 正因為這個特點，在連接好圖 3路后， 高電平（ U= U=0）時， 閉， 通，電機左端低電平，右端高電平，所以電流正向流動。設為電機正轉(zhuǎn)。 低電平、 高電平時， 閉，通， 電機左端高電平，右端低電平，所以電流反向流動。設為電機反轉(zhuǎn)。同時如果改變 占空比，就可以改變電機兩段的電壓，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。 外測速電路 外 速原理圖 反射式光電