畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的機(jī)器人小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的機(jī)器人小車(chē) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 別：機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 班：電氣工程及其自動(dòng)化0801班姓 名： 學(xué) 號(hào)：20081131022指導(dǎo)教師： 2012年5月基于單片機(jī)的機(jī)器人小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) the design of robot car controlsystem based on mcu摘 要在社會(huì)迅速發(fā)展的今天，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入到生活的每個(gè)角落，也似乎很難找到哪個(gè)角落沒(méi)有單片機(jī)的足跡。智能儀表，醫(yī)療器械，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，智能監(jiān)控，通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能ic卡，汽車(chē)的安全保障系統(tǒng)，數(shù)碼相機(jī)，電視機(jī)，全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，電話機(jī)以及

2、程控玩具、電子寵物等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。所以單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的繁榮和提高滿(mǎn)足人類(lèi)日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需求有著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為小車(chē)的檢測(cè)和控制核心。加以直流電機(jī)、光電傳感器、動(dòng)態(tài)掃描顯示電路和電源電路以及其他電路構(gòu)成。系統(tǒng)由單片機(jī)通過(guò)i/o口控制小車(chē)的前進(jìn)、倒退、以及轉(zhuǎn)向，電動(dòng)小車(chē)尋跡通過(guò)rpr220型光電管實(shí)現(xiàn)。避障采用超聲波傳感器和反射式紅外傳感器檢測(cè)物體，通過(guò)調(diào)整傳感器與物體之間的距離以及傳感器的安裝位置，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的檢測(cè)。基于這些完備的可靠的硬件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)小車(chē)的精確控制。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為內(nèi)核作為數(shù)據(jù)處理和輸出控制單元，通過(guò)傳感器

3、采集信號(hào)經(jīng)單片機(jī)分析處理后控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的運(yùn)行，并將速度實(shí)時(shí)數(shù)碼顯示出來(lái)，并且可通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)節(jié)速度的快慢。關(guān)鍵詞: 單片機(jī) 直流電機(jī) 避障 反射式紅外傳感器 abstractin the rapid development of the society today, single chip microcomputer application has been deeply into every corner of the life, and it also appears that it is too difficult to find the place where without

4、 its footprints intelligent instrument, medical equipment, missile navigation devices, intelligent control, communication and data transmission, industrial automation process real-time monitoring and data processing, the extensive use of all kinds of intelligent ic card, car safety guarantee system,

5、 digital camera, tv set, automatic washing machines control, the telephone and spc toys, electronic pets and so on, which cannot without of the microcontroller. so it plays a vital role on studying about the single chip microcomputer which would be good for the development of modern society and the

6、prosperity of economy, at the same time ,meeting the human for the growing material.this design takes the mcu as the car detection and control unit. making up of dc motor, photoelectric sensors, dynamic scanning display circuit and power circuit and other circuit to form. the system is controlled by

7、 mcu and makes the car move forward, backward and steering, electric car tracing through the rpr220 type phototubes realized. obstacle avoidance sensors and the ultrasonic reflecting type infrared sensor detection objects, by adjusting the sensor and the distance between the object and the installat

8、ion position of sensor, can achieve precise detection. based on these completed and reliable hardware design, it will be able to control the car accurately.the design takes the key of mcu as data processing and output control unit. to make the car run through the sensors collecting signal which anal

9、ysis by the scm to control motor run. it will display the speed really from the digital, and adjust the speed by the button.key words: microcontroller dc motor obstacle avoidance reflective infrared sensor目 錄摘要iabstractii目錄iii緒論11 設(shè)計(jì)方案31.1 總體設(shè)計(jì)31.2 單片機(jī)控制模塊31.2.1 主控模塊41.2.2 復(fù)位電路61.2.3 時(shí)鐘電路61.2.4 顯示模塊

10、61.3 電源的選擇72 硬件設(shè)計(jì)72.1 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊72.2 避障模塊82.3 驅(qū)動(dòng)電路92.4 紅外對(duì)管尋跡模塊102.4.1 紅外線尋跡的原理102.4.2 紅外線模塊的安裝112.5 無(wú)線遙控模塊122.5.1 無(wú)線遙控工作原理122.5.2 pt2262/2272 芯片132.6 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊143 軟件設(shè)計(jì)173.1 總體軟件設(shè)計(jì)173.2 小車(chē)循跡173.3 小車(chē)避障20結(jié)論25致謝26參考文獻(xiàn)27附錄1總體電路圖28緒 論智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化的發(fā)展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機(jī)的高性能化、傳感器系統(tǒng)的集成化與智能化為嵌入智能控制創(chuàng)造了條件，有力地推動(dòng)著機(jī)電一

11、體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)展。智能機(jī)電一體化產(chǎn)品可以模擬人類(lèi)智能，具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力，從而取代工程中人的部分腦力勞動(dòng)。目前人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)了自動(dòng)控制系統(tǒng)向更高層次即智能控制的發(fā)展。智能控制是一種無(wú)需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其自身目標(biāo)的過(guò)程是用機(jī)器模擬人類(lèi)智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。智能控制技術(shù)包括智能控制技術(shù)，模糊控制技術(shù)，專(zhuān)家控制技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。智能機(jī)器人技術(shù)是機(jī)械電子,計(jì)算機(jī),自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。其應(yīng)用和發(fā)展將對(duì)人類(lèi)21世紀(jì)的社會(huì)發(fā)展,經(jīng)濟(jì)發(fā)展,科技發(fā)展，生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。智能機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜而龐大系統(tǒng),必須配備各種傳感器,

12、以便獲得周?chē)h(huán)境的必要信息,提供給智能機(jī)器人的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行決策和執(zhí)行。其研究重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向具有感覺(jué)環(huán)境模型,自導(dǎo)的智能機(jī)器人。視覺(jué)技術(shù)和多傳感器組合技術(shù)都是研究的重點(diǎn)?；仡櫼郧暗某晒瑥?977年到1987年apple公司重點(diǎn)研究輕型裝配機(jī)器人,采用直流驅(qū)動(dòng)和人工視覺(jué)等新技術(shù),特點(diǎn)是高精度,高速度,高柔性,強(qiáng)視覺(jué)等。今天，中國(guó)“智水型”機(jī)器人和中國(guó)“月球車(chē)”的研制成功，它代表著人工智能控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，今后智能控制技術(shù)領(lǐng)域仍然處于科技研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。本課題設(shè)計(jì)主要是制作一款能進(jìn)行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的小車(chē)。小車(chē)具有以下幾個(gè)功能：自動(dòng)避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）；無(wú)線

13、遙控功能。作品既可以對(duì)高端智能化進(jìn)行剖析，也可以作為高級(jí)智能玩具發(fā)展對(duì)象，同時(shí)可成為大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。作品以?xún)芍绷麟妱?dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過(guò)各類(lèi)傳感器件來(lái)采集各類(lèi)信息，送入主控單元89s52單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)集成芯片l298n；避障采用紅外線收發(fā)來(lái)完成，自動(dòng)尋跡采用紅外線接收二極管完成；無(wú)線遙控則是采用帶有pt2272解碼的tdl-9915接收模塊和帶有pt2262編碼的tdl9988-4發(fā)送模塊完成以及附加功能的語(yǔ)音模塊是經(jīng)過(guò)話筒脈沖處理后完成。最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過(guò)匯編程序有序合理的將各模塊信號(hào)整合在

14、一起并完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了智能控制。目前，國(guó)內(nèi)外的許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都在積極投入人力、財(cái)力研制開(kāi)發(fā)針對(duì)特殊條件下的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中包括研究使用遠(yuǎn)程、無(wú)人的方法來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展使得測(cè)量變得相對(duì)簡(jiǎn)單而且使得處理數(shù)據(jù)的速度變得很快甚至可以達(dá)到實(shí)時(shí)處理。 該智能小車(chē)可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測(cè)部分、驅(qū)動(dòng)部分、cpu。機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展循跡，感知導(dǎo)引線和障礙物等功能?？梢詫?shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避。 通過(guò)構(gòu)建智能小車(chē)系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過(guò)程中，熟悉以單片機(jī)為

15、核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車(chē)的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過(guò)程中，加深對(duì)控制理論的理解和認(rèn)識(shí)。 該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面。如今世界各國(guó)在智能小車(chē)方面進(jìn)行了很多研究，己經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在探測(cè)和軍事領(lǐng)域使用特別多。近年來(lái)，我國(guó)也開(kāi)展了很多研究工作，以滿(mǎn)足不同用途的需要。1 設(shè)計(jì)方案通過(guò)收集各硬件模塊資料信息，對(duì)其進(jìn)行有效的分析選擇，最終選出最合理的設(shè)計(jì)方案。1.1 總體設(shè)計(jì)智能小車(chē)采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪

16、子的轉(zhuǎn)速起停，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬(wàn)向輪，起支撐的作用。將循跡光電管分別裝在車(chē)體下的左右。當(dāng)車(chē)身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停止，車(chē)向左修正，當(dāng)車(chē)身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車(chē)向右修正。避障的原理和尋跡一樣，在車(chē)身右邊裝一個(gè)光電管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車(chē)子倒退，轉(zhuǎn)向，從而避開(kāi)障礙物?？傮w框架圖如圖1-1所示。信號(hào)采集部分電機(jī)控制單元轉(zhuǎn)速控制單元數(shù)碼管顯示89s52發(fā)光二極管指示蜂鳴器指示 圖1-1 設(shè)計(jì)總體框架圖1.2 單片機(jī)控制模塊本模塊采用單片機(jī)89s52作為核心處理器。單片機(jī)控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號(hào)

17、i/o口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源（地），cpu時(shí)序電路（一般使用11.0592m的晶振或者12m和30p電容組成），復(fù)位電路。有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作1。at89s52是一個(gè)低功耗，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-52指令系統(tǒng)及80s52引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的at89s52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問(wèn)題。利用at89s52的io端口對(duì)傳感

18、器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷監(jiān)控來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映。如圖1-2是at89s52單片機(jī)最小系統(tǒng)圖2。圖1-2 at89s52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖其中rst接的是一個(gè)復(fù)位電路，用手動(dòng)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。at89s52內(nèi)部沒(méi)有晶振，需要外加晶振電路，按照程序要求，選用的晶振頻率為12mhz，分別連接18和19號(hào)引腳。另外p3.0和p3.1和串口通信電路相連，p1.0和p1.1分別連接右、左伺服電動(dòng)，p1.4和p2.3分別接的是右胡須和左胡須，p1.2和p3.5分別是左右紅外檢測(cè)器，p1.3和p3.6分別是左右紅外發(fā)射器，p1.5、p1.6和p1.7分別與isp下載接口相連，gnd接地和vcc接+5v電源

19、3。1.2.1 主控模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)題。具體如下：采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車(chē)，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)給出pwm波控制電機(jī)速度，起停。以及再檢測(cè)到障礙報(bào)警等作用。電路圖如圖1-3所示。圖1-3 主控電路充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 4。針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)。根據(jù)

20、這些分析,我選定了at89s52單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，52單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，i/o口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8k，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是52單片機(jī)價(jià)格非常低廉5。1.2.2 復(fù)位電路 復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳rst通過(guò)一個(gè)觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期中由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指計(jì)算機(jī)加電瞬間，要在rst引腳出現(xiàn)大于10ms的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶(hù)按下“復(fù)位”按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。上電時(shí)，+5v電源立即對(duì)單片機(jī)芯片供電，同時(shí)經(jīng)電阻

21、r對(duì)電容c3充電。c3上電壓建立的規(guī)程就產(chǎn)生一定寬度的負(fù)脈沖，經(jīng)反向后，rst上出現(xiàn)正脈沖使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位。按鈕按下時(shí)，rst上同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)了按鈕復(fù)位。在應(yīng)用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復(fù)位。因此，非門(mén)在這里不僅起了反向作用，還增大了驅(qū)動(dòng)能力，電容c1，c2起慮波作用，防止干擾竄入復(fù)位端產(chǎn)生誤動(dòng)作6。1.2.3 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。at89s52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳xtal1和xtal2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元

22、件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容c1和c2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12mhz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取30pf。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作7。1.2.4 顯示模塊方案一：采用led數(shù)碼管，我們這次做的小車(chē)只是顯示小車(chē)的速度，并沒(méi)有其他的輸出，雖然數(shù)碼管消耗大，但是輸出穩(wěn)定。方案二：采用液晶顯示，這

23、種方法雖然能減少硬件資源的浪費(fèi)，但是考慮本次的用途，我們放棄本方案。故選用方案一。1.3 電源的選擇在電源模塊中使用的是lm7805穩(wěn)壓芯片，它在7.5v鋰電池的輸入供電下，能實(shí)現(xiàn)5v的穩(wěn)壓輸出。因此為了簡(jiǎn)化了電路，便于小車(chē)的組裝，綜合考慮采用lm7805的穩(wěn)壓芯片輸出5v電壓。用lm78系列三端穩(wěn)壓ic來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓ic型號(hào)中的lm78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，本設(shè)計(jì)用的lm7805表示輸出電壓為正5v。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，所以在本設(shè)計(jì)制作中采用8。

24、該系統(tǒng)的電源模塊電路圖如圖1-4所示。圖1-4 電源模塊接線圖其中c1、c2分別為輸入端和輸出端濾波電容。 2 硬件設(shè)計(jì)2.1 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 h型橋式電路(如圖2-1)。圖2-1 h橋式電路用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)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型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開(kāi)關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 pwm調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了l298n9。這種調(diào)速

25、方式有調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。2.2 避障模塊 在避障線路中有兩種避障方式：超聲波避障和紅外線避障。超聲波避障，其缺點(diǎn)為超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。紅外線避障，利用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生38khz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來(lái)，紅外線接收管對(duì)反射回來(lái)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出比較電平。其優(yōu)點(diǎn)有外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜 10。本設(shè)計(jì)采用紅

26、外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對(duì)外界紅外線的接收強(qiáng)弱來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近，由于紅外線受外界可見(jiàn)光的影響較大，因此通過(guò)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生38khz的載波來(lái)減少外界的一些干擾。只要障礙物在限定范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的電平供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)避障功能。2.3 驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用h橋式驅(qū)動(dòng)電路，l298n內(nèi)部集成了h橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用l298n電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)單片機(jī)給予l298n電路pwm信號(hào)來(lái)控制小車(chē)的速度，起停。引腳圖如圖2-2所示。圖2-2 l298n引腳圖本設(shè)計(jì)的電路采用的是與l298n相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)，從而控制小車(chē)的前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)和后退。驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2-3所示。圖2-3 電

27、機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.4 紅外對(duì)管尋跡模塊2.4.1 紅外線尋跡的原理 尋跡是指小車(chē)在白色地板上循黑線行走，本系統(tǒng)采取的方法是紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車(chē)上的接收管接收不到紅外光。由此過(guò)程來(lái)改變接收管的輸出電壓，單片機(jī)以電壓的變化為依據(jù)執(zhí)行小車(chē)電機(jī)確定行走路線11。尋跡模塊實(shí)現(xiàn)原理圖如圖2-4所示。圖2-4 尋跡模塊原理圖2.4.2 紅外線模塊的安裝四針接口處p3，p4的1，2腳是跟紅外線發(fā)射管連接，3，4則是跟接收管相

28、連，放置插針是為了更容易實(shí)現(xiàn)紅外線管的放置。由于紅外線接收光的變化可以讓接收管上的電壓發(fā)生變化，相當(dāng)于可變電阻，這種特性為設(shè)計(jì)提供基本的保障。比較芯片lm358（lm393）可以根據(jù)接收管的電壓和參考電壓進(jìn)行比較后輸出相應(yīng)電平。此圖的比較接法為正接法，就是當(dāng)紅外線管遇到黑線時(shí)，反射減少，“+”斷輸入電壓增加，使的輸出端輸出電壓為高，經(jīng)上拉電阻r12（r20）上拉后達(dá)到單片機(jī)有效接收電平。小車(chē)進(jìn)入尋跡模式后，即單片機(jī)開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)i/o口，一旦檢測(cè)到某個(gè)i/o口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序,先確定2個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面?zhèn)鞲衅鳎t燈亮）探測(cè)到黑線，即小車(chē)左半部

29、分壓到黑線，車(chē)身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車(chē)向左轉(zhuǎn)；如果右面?zhèn)鞲衅鳎S燈亮）探測(cè)到了黑線，即車(chē)身右半部壓住黑線，小車(chē)向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車(chē)再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)方向控制，按照黑線行駛12。其中，r11和r19為限流電阻，防止紅外線發(fā)生管因電流過(guò)大而燒壞；由r14和一個(gè)可變電阻組成的電路為參考電壓電路，由于檢測(cè)小車(chē)行駛的過(guò)程會(huì)因環(huán)境或則黑線材料的改變使輸出電壓成一個(gè)變化值，所以通過(guò)可變電阻來(lái)改變參考電壓，使能正常運(yùn)行；同時(shí)r12和r20為上拉電阻，讓輸入單片機(jī)的電壓達(dá)到高電平；發(fā)光二極管則是能更直觀的判斷出哪對(duì)傳感器在起作用。紅外線尋跡安裝

30、圖如圖2-5所示。圖2-5 紅外線尋跡安裝圖2.5 無(wú)線遙控模塊此模塊實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電遠(yuǎn)距離控制小車(chē)的停啟、方向行駛的功能，在整個(gè)小車(chē)系統(tǒng)中起到不可忽視的作用。2.5.1 無(wú)線遙控工作原理圖2-6是無(wú)線電遙控設(shè)備方框圖，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。發(fā)射機(jī)主要包括編碼電路和發(fā)射電路。編碼電路由操縱器(操縱開(kāi)關(guān)或電位器等)控制，操縱者通過(guò)操縱器；使編碼電路產(chǎn)生所需要的控制指令。這些控制指令是具有某些特征的、相互間易于區(qū)分的電信號(hào)，例如：用頻率為270hz的正弦信號(hào)作為控制左舵的指令，用頻率為350hz的正弦信號(hào)作為控制右舵的指令，即不同頻率的正弦信號(hào)代表不同的控制指令。除了可利用頻率特征外，

31、還可用正弦信號(hào)的幅度及相位特征、脈沖信號(hào)的幅度、寬度及相位特征以及碼組特征等表示各種指令13。 圖2-6 無(wú)線電遙控設(shè)備方框圖編碼電路產(chǎn)生的指令信號(hào)都是頻率較低的電信號(hào)，無(wú)法直接傳送到遙控目標(biāo)上去，還要將指令信號(hào)送到發(fā)射電路，使它載在高頻信號(hào)（載波）上，才能由發(fā)射天線發(fā)送出去。我們把指令信號(hào)載到載波上去的過(guò)程叫調(diào)制，調(diào)制作用由發(fā)射電路的調(diào)制器完成。發(fā)射電路的主要作用是產(chǎn)生載波，并由調(diào)制器將指令信號(hào)調(diào)制在載波上，經(jīng)天線將已調(diào)載波發(fā)送出去。接收機(jī)由接收電路及譯碼電路組成。接收電路又包括高頻部分及解調(diào)器部分。由接收天線送來(lái)的微弱信號(hào)經(jīng)接收機(jī)高頻部分的選擇和放大后，送到解調(diào)器。由于“卸”下來(lái)的各種指令

32、信號(hào)是混雜在一起的、還要送到譯碼電路譯碼。譯碼電路的工作就象把卸下來(lái)的貨物鑒別分類(lèi)，再分別送到使用場(chǎng)地一樣，它對(duì)各種指令信號(hào)進(jìn)行簽別，送到相應(yīng)的執(zhí)行放大電路。執(zhí)行放大電路把指令信號(hào)放大到具有一定的功率，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)作，例電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、電磁鐵的吸動(dòng)，帶動(dòng)被控的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)的控制。本模塊采用的無(wú)線遙控是市場(chǎng)上現(xiàn)成的帶有pt2272解碼的tdl-9915接收模塊和帶有pt2262編碼的tdl9988-4發(fā)送模塊14。2.5.2 pt2262/2272 芯片編碼芯片pt2262 發(fā)出的編碼信號(hào)由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片pt2272

33、 接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過(guò)兩次比較核對(duì)后，vt 腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。pt2262引腳圖如圖2-7所示。圖2-7 pt2262引腳圖當(dāng)發(fā)射機(jī)沒(méi)有按鍵按下時(shí)，pt2262 不接通電源，其17 腳為低電平，所以315mhz 的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，pt2262 得電工作，其第17 腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)17 腳為高電平期間315mhz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)，當(dāng)17 腳為低平期間315mhz 的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于pt2262 的17 腳輸出的數(shù)字信號(hào)，從而對(duì)

34、高頻電路完成幅度鍵控（ask 調(diào)制）相當(dāng)于調(diào)制度為100的調(diào)幅。pt2272解碼芯片有不同的后綴，表示不同的功能，有l(wèi)4/m4/l6/m6之分，其中l(wèi)表示鎖存輸出，數(shù)據(jù)只要成功接收就能一直保持對(duì)應(yīng)的電平狀態(tài)，直到下次遙控?cái)?shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)改變。m表示非鎖存輸出，數(shù)據(jù)腳輸出的電平是瞬時(shí)的而且和發(fā)射端是否發(fā)射相對(duì)應(yīng)，可以用于類(lèi)似點(diǎn)動(dòng)的控制。當(dāng)采用4路并行數(shù)據(jù)時(shí)（pt2272-m4)，對(duì)應(yīng)的地址編碼應(yīng)該是8位，如果采用6路的并行數(shù)據(jù)時(shí)(pt2272-m6)，對(duì)應(yīng)的地址編碼應(yīng)該是6位。pt2272引腳圖如圖2-8所示。圖2-8 pt2272解碼電路引腳圖編碼電路pt2262和解碼pt2272的第18 腳為

35、地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接電源、接地三種狀態(tài)，只有發(fā)射端pt2262和接收端pt2272的地址編碼完全相同，才能配對(duì)使用。同一個(gè)系統(tǒng)地址碼必須一致，不同的系統(tǒng)可以依靠不同的地址碼加以區(qū)分15。2.6 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊機(jī)器人的伺服電機(jī)是用來(lái)將機(jī)器人大腦（計(jì)算機(jī)）發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的部件，相當(dāng)于肌肉的作用。所為伺服，就是可以按照指令進(jìn)行連貫動(dòng)作，伺服電機(jī)就是可以按照指令連續(xù)控制位置或速度的點(diǎn)擊。它們不同于傳統(tǒng)的直流電機(jī)或交流電機(jī)，這些電機(jī)不能控制位置和速度，只能以某一種恒定的速度旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在的伺服電機(jī)的種類(lèi)很多，本設(shè)計(jì)中使用的是一種控制非常方便和簡(jiǎn)單的伺服電機(jī)，它最初主要用于

36、航空模型等方向舵的位置控制，因而又稱(chēng)作伺服舵機(jī)16。脈沖信號(hào)不同可以控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。下面是電機(jī)轉(zhuǎn)速為零、電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)和電機(jī)逆時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)的時(shí)序圖。圖2-9 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零的控制信號(hào)時(shí)序圖圖2-10 電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)的控制信號(hào)時(shí)序圖圖2-11 電機(jī)逆時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)的控制信號(hào)時(shí)序圖圖2-9所示是高電平持續(xù)1.5ms低電平持續(xù)20ms，然后不斷重復(fù)的控制脈沖序列。該脈沖序列發(fā)給經(jīng)過(guò)零點(diǎn)標(biāo)定后的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)不會(huì)旋轉(zhuǎn)。所謂零點(diǎn)信號(hào)就是指伺服電機(jī)在保持靜止時(shí)接收到某一特定的控制信號(hào)。如果在接收到零點(diǎn)信號(hào)時(shí)可以能會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)要用螺絲刀調(diào)節(jié)伺服電機(jī)模塊內(nèi)的調(diào)節(jié)電阻從而讓伺服電機(jī)保持靜止。從圖2

37、-10和2-11可知，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速的是高電平持續(xù)的時(shí)間，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間為1.3ms時(shí)，伺服電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間1.7ms時(shí)，伺服電機(jī)逆時(shí)針?biāo)偃傩D(zhuǎn)。每個(gè)伺服電機(jī)的控制電線有三根，其中白色線用來(lái)傳送電機(jī)的控制信號(hào)，紅線用來(lái)連接到電源上，而黑線則是接地線。連接伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2-12所示。圖2-12 左、右伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖p1.0引腳的控制輸出用來(lái)控制右邊的伺服電機(jī)，而p1.1引腳的控制輸出則用來(lái)控制左邊的伺服電機(jī)17。3 軟件設(shè)計(jì)3.1 總體軟件設(shè)計(jì)小車(chē)進(jìn)入尋跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片i/o 口，一旦檢測(cè)到某個(gè)i/o 口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判

38、斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車(chē)的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖3-1所示。系統(tǒng)初始化任務(wù)計(jì)數(shù)器歸零是否完成全部任務(wù)？循跡子函數(shù)是否完成本次任務(wù)？結(jié)束開(kāi)始nyny 圖3-1 主程序流程圖3.2 小車(chē)循跡小車(chē)進(jìn)入循跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)i/o口，一旦檢測(cè)到某個(gè)i/o口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車(chē)左半部分壓到黑線，車(chē)身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車(chē)向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級(jí)傳感器或右面第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即車(chē)身右半部壓住黑線，小車(chē)向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了

39、方向調(diào)整后，小車(chē)再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。循跡流程圖如圖3-2所示。啟動(dòng)循跡模式探測(cè)黑線是否檢測(cè)到黑線判斷處理程序向左轉(zhuǎn)turn_left2向左轉(zhuǎn)turn_left1向右轉(zhuǎn)turn_right1向右轉(zhuǎn)turn_lright2繼續(xù)前進(jìn)ny圖3-2 循跡流程圖 由于第二級(jí)方向控制為第一級(jí)的后備，則兩個(gè)等級(jí)間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級(jí)通常是在超出第一級(jí)的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車(chē)回到正確軌跡上來(lái)，則通常使第二級(jí)轉(zhuǎn)向力度大于第一級(jí)，即turn_left2 turn_left1,turn_right2 turn_right1 (其中turn_

40、left2，turn_left1, turn_right2 , turn_right1為小車(chē)轉(zhuǎn)向力度，其大小通過(guò)改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來(lái)改變)，具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。循跡程序：void xunji()if(left_red=1)&(right_red=1)en1=1;en2=1;goahead();delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);else if(left_red=0)&(right_red=1)en1=0;en2=1; p0.0=!p0.0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);else if(lef

41、t_red=1)&(right_red=0)en1=1;en2=0;p0.1=!p0.1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);elsestop();3.3 小車(chē)避障 開(kāi)始后退一點(diǎn),報(bào)警后退. 左轉(zhuǎn) 前進(jìn) 右轉(zhuǎn) 前進(jìn)左轉(zhuǎn)是否檢測(cè)到障礙ny 圖3-3 避障流程圖避障流程圖如圖3-3所示。小車(chē)避障程序主要由以下幾個(gè)部分組成,判斷小車(chē)左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，后退，前進(jìn)等程序。其基本原理為：據(jù)前方四個(gè)傳感器的反饋值來(lái)判斷小車(chē)前方障礙物的大小，并根據(jù)障礙物大小的不同，由單片機(jī)將控制信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)施，并對(duì)電機(jī)實(shí)施正反轉(zhuǎn)控制，以實(shí)現(xiàn)小車(chē)對(duì)障礙物的躲避。避障采用開(kāi)環(huán)

42、控制，亦即傳感器檢測(cè)到一個(gè)障礙物后即進(jìn)入相關(guān)處理子程序，在處理過(guò)程中不再查詢(xún)避障傳感器的狀態(tài)，直至此程序執(zhí)行完。由于單片機(jī)控制程序執(zhí)行周期很短，若此時(shí)出現(xiàn)新的障礙物，在下個(gè)周期重新判斷。避障程序段如下：void bizhang()en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();goback();for(i=0;i8;i+)en1=1;en2=1;delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i11;i+)en1=0;en2=1;delay(130); en2=0;del

43、ay(50);stop();delay(10);goahead();for(i=0;i22;i+)en1=1;en2=1;delay(130);en1=0;en2=0; delay(50);stop();delay(10);turnright();for(i=0;i18;i+)en1=1;en2=0;delay(130);en1=0;delay(50);xun: if(left_red=1)&(right_red=0)loop: turnleft();en1=0;en2=1;delay(30);turnright();en1=1;delay(50);en1=0;delay(50);en2=0;

44、delay(50);if(left_red=1)&(right_red=1);else goto loop;elseen1=1;en2=1;goahead();delay(80);en1=0;en2=0;delay(50);goto xun;結(jié) 論整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)89s52為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如下功能： (1) 自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車(chē)在行駛過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來(lái)。 (2) 當(dāng)小車(chē)探測(cè)到前進(jìn)前方的障礙物時(shí)，可以自動(dòng)報(bào)警調(diào)整，躲避障礙物，從無(wú)障礙區(qū)通過(guò)。小車(chē)通過(guò)障礙區(qū)后，能夠自動(dòng)循跡。 (3) 自動(dòng)檢測(cè)停車(chē)線并自動(dòng)停車(chē)。 本設(shè)計(jì)的這款智能小車(chē)在諸多方面都作為未來(lái)智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)的雛形，如將車(chē)體加大增加一個(gè)運(yùn)料斗，將變成一個(gè)運(yùn)煤